Načrtovanje generatorskega sistema spremenljive hitrosti za povečanje odpornosti omrežja

Večja integracija vetrnih elektrarn in črpalnih hidroelektrarn s spremenljivo hitrostjo v prihodnje elektroenergetske sisteme je nujna za izpolnjevanje zahtev po zmanjšanju emisij toplogrednih plinov in povečanju deleža obnovljivih virov v mešanici energijskih virov. Pri tem je izjemno pomemben razvoj novih pristopov k načrtovanju generatorskega sistema, ki v veliki meri prispeva k povečanju zanesljivosti in odpornosti omrežja. V ta namen bomo definirali metrike vodljivosti za izboljšanje frekvenčno-vztrajnostnega odziva elektrarn spremenljive hitrosti in jih vključili kot dodatne kriterije pri elektromagnetni zasnovi generatorjev s pretvornikom.

Ta projekt bo tako omogočil bistveno bolj preprosto integracijo vetrnih elektrarn in črpalnih hidroelektrarn spremenljive hitrosti v prihodnje elektroenergetske sisteme, kar bo vodilo do donosnejše in s tem še bolj zelene proizvodnje električne energije brez ogrožanja zanesljivosti in odpornosti omrežja.

Pravzaprav že številni vladni cilji zahtevajo zmanjšanje emisij toplogrednih plinov, kot je na primer Evropski zeleni dogovor, ki določa načrt, v katerem so se vse države članice EU zavezale, da bo EU do leta 2050 postala prva podnebno nevtralna celina. Kratkoročni cilj je zmanjšanje emisij toplogrednih plinov za vsaj 55 % do leta 2030 v primerjavi z ravnmi iz leta 1990, pri čemer je eden od predlogov, da se zavezujoči cilj v zvezi z energijo iz obnovljivih virov v mešanici energijskih virov EU poveča na 40 % do l. 2030. Poleg tega skupni desetletni načrt razvoja omrežij ENTSOG in ENTSO-E iz l. 2020 za Evropo predvideva, da bo veter l. 2030 pokrival 29 % proizvodnje električne energije, l. 2040 pa kar 41 %.

Osrednjo vlogo pri proizvodnji električne energije imajo električni generatorji. V vetrnih in črpalnih hidroelektrarnah generatorji obratujejo s spremenljivo hitrostjo, zaradi česar so priključeni na omrežje predvsem prek pretvornikov močnostne elektronike. Uredba komisije (EU) 2016/631, z namenom zagotavljanja stabilne proizvodnje električne energije, za pretvorniško priključene enote zahteva zagotavljanje jalove moči, frekvenčno-vztrajnostni odziv, dušenje nihanj moči, zmožnost obratovanja pri znižani napetosti zaradi okvare v omrežju in injiciranje hitrega okvarnega toka, kar je že implementirano v nacionalnih omrežnih kodeksih. Neizogibno je torej, da bodo pretvorniško priključene enote bistveno spremenile dinamične odzive elektroenergetskega sistema. Priključitev preko pretvornika pa ponuja tudi nove možnosti optimizacije načrtovanja električnih strojev, tako da je mogoče generatorje zasnovati na način, da imajo manjšo prostornino, nižje stroške materiala, manjše vzbujanje in večji izkoristek od običajno zasnovanih. Predlagana raziskava bo s poenotenjem tehnik načrtovanja generatorja in omrežnih zahtev vodenja omogočila širok razpon obratovalnih pogojev teh sodobnih elektrarn spremenljive hitrosti.

https://cris.cobiss.net/ecris/...Izrecno bomo naslovili naslednje raziskovalne cilje:

1. Definirati in dokazati MV za izboljšani FVO vetrnih elektrarn in črpalnih hidroelektrarn s SGP (SGEV in SGTM) in z DNAG.
2. Razviti modele SGP (SGEV in SGTM) in DNAG s končnimi elementi in s koncentriranimi parametri, ki so primerni za analizo vodljivosti.
3. Vključiti MV kot dodatne kriterije pri elektromagnetni zasnovi SGP (SGEV in SGTM) in DNAG za velike VE in ČHE.
4. Ob upoštevanju MV izpeljati pravila načrtovanja in skaliranja za SGP (SGEV in SGTM) in DNAG.
5. Načrtovati vodenje SGP (SGEV in SGTM) in DNAG, ki zagotavlja izboljšanje FVO vetrnih elektrarn in črpalnih hidroelektrarn, ter prikazati odpornost omrežja.
6. Eksperimentalno raziskati FVO elektrarn spremenljive hitrosti z izvedbo laboratorijskih močnostnih preizkusov v zanki.

Legenda: MV = metrike vodljivosti, FVO = frekvenčno-vztrajnostni odziv, SGP = sinhronski generator s pretvornikom, SGTM = SG s strajnimi magneti, SGEV = SG z električnim vzbujanjem, DNAG = dvojno napajani asinhronski generator, VE = vetrna elektrarna, ČHE = črpalna hidroelektrarna.

Raziskava bo potekala na Univerzi v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko (FERI) in na Tehniški Univerzi v Gradcu, Inštitut za električne pogone in stroje (IEAM), kot prikazuje slika.

Skupina UM FERI

Program dela je organiziran v sedem delovnih paketov (DP); pet je znanstvenih, dva pa sta povezana z upravljanjem projekta (DP1) in razširjanjem in koriščenjem rezultatov (DP7). Delovni paketi 2 do 6, si sledijo deloma vzporedno in deloma zaporedno, kot prikazuje slika.

Znanstveni prispevki v revijah (odprti dostop):

• ŠUMIGA, Antonija, POLAJŽER, Boštjan, RITONJA, Jožef, KITAK, Peter. Controllability-oriented method to improve small-signal response of virtual synchronous generators. Applied sciences. 2025, vol. 15, iss. 15, [article no.] 8521, 21 str., ilustr. ISSN 2076-3417. https://dk.um.si/IzpisGradiva.php?id=94275, DOI: 10.3390/app15158521. [COBISS.SI-ID 245340419], [Odprti dostop, JCR, SNIP, WoS, Scopus]
• ...

Znanstveni prispevek na konferenci:

• ŠUMIGA, Antonija, KITAK, Peter, MIHALIĆ MILAVEC, Andreja, POLAJŽER, Boštjan. Izboljšanje vodljivosti medsebojno povezanih virtualnih sinhronskih generatorjev z optimizacijo vztrajnosti in koeficientov dušenja. V: Referati in predstavitve 17. konference slovenskih elektroenergetikov CIGRE-CIRED: Portorož, 19.-21. maj 2025 Ljubljana: Slovensko združenje elektroenergetikov CIGRE-CIRED. 2025, 8 str., ilustr. https://www.cigre-cired.si/referat/r-izboljsanje-vodljivosti-medsebojno-povezanih-virtualnih-sinhronskih-generatorjev-z-optimizacijo-vztrajnosti-in-koeficientov-dusenja/. [COBISS.SI-ID 246869507]
• SEYED-BOUZARI, Seyed Ali, MUETZE, Annette, BACHER, Johann Peter, POLAJŽER, Boštjan. Controllability-oriented design method of DFIGs in wind turbine systems. V: IEMDC 2025 : [proceedings] : International Electric Machines & Drives Conference, May 18-21, 2025, Houston, Texas. Denver: IEEE XPLORE, cop. 2025. Str. 512-517, ilustr. ISBN 979-8-3503-7659-3. DOI: 10.1109/IEMDC60492.2025.11061162. [COBISS.SI-ID 242967555], [Scopus]
• POLAJŽER, Boštjan, MUETZE, Annette, KERNDL, Matej, RITONJA, Jožef. Controllability enhancement of doubly fed induction generators by use of tapped stator windings. V: 2024 27th International Conference on Electrical Machines and Systems : ICEMS 2024 [Fukuoka, Japan, November 26 to 29, 2024]. Danvers: IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2025. Str. 37-42. DOI: 10.23919/ICEMS60997.2024.10921424. [COBISS.SI-ID 230259459], [Scopus]
• ŠUMIGA, Antonija, RITONJA, Jožef, POLAJŽER, Boštjan. Impact of inertia reduction on small-signal stability and controllability of interconnected synchronous generators. V: HOLJEVAC, Ninoslav. IEEE PES ISGT Europe 2024 : conference book, 14-17 October 2024 Dubrovnik, Croatia. Danvers: IEEE, cop. 2024. 5 str. ISBN 978-953-184-297-6. DOI: 10.1109/ISGTEUROPE62998.2024.10863236. [COBISS.SI-ID 226153987]
• ...

Vabljena predavanja:

• POLAJŽER, Boštjan. Improving controllability and stability of modern power systems : invited lecture at University of Vaasa, School of Technology and Innovations, Vaasa, 8. 9. 2025 (1 hour). [COBISS.SI-ID 250514435]
• POLAJŽER, Boštjan. Improving grid resilience with variable-speed generator systems : invited lecture at Umea University, Department of Applied Physics and Electronics, 23. 5. 2023 (1 hour). [COBISS.SI-ID 154249731]
• ...