Stima continua dell'inerzia del sistema di alimentazione mediante reti neurali convoluzionali

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4440 (2023) Citare questo articolo

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L'inerzia è una misura della capacità di un sistema di alimentazione di contrastare i disturbi di frequenza: nelle reti elettriche convenzionali, l'inerzia è approssimativamente costante nel tempo, il che contribuisce alla stabilità della rete. Tuttavia, con l’aumento della quota di fonti energetiche rinnovabili, diminuisce l’inerzia associata ai generatori sincroni, il che può rappresentare una minaccia per la stabilità complessiva. La stima affidabile dell’inerzia dei sistemi energetici dominati da fonti connesse invertite è quindi diventata di fondamentale importanza. Sviluppiamo un framework per la stima continua dell'inerzia in un sistema di energia elettrica, sfruttando tecniche all'avanguardia di intelligenza artificiale. Effettuiamo un'indagine approfondita basata sull'analisi degli spettri di potenza e sulle correlazioni input-output per spiegare come opera la rete neurale artificiale in questo ambito specifico, facendo così luce sulle caratteristiche di input necessarie per un corretto addestramento della rete neurale. Convalidiamo il nostro approccio su una rete elettrica eterogenea comprendente generatori sincroni, compensatori statici e generazione interfacciata con convertitori: i nostri risultati evidenziano come diversi dispositivi siano caratterizzati da impronte spettrali distinte - una caratteristica che deve essere presa in considerazione dagli operatori dei sistemi di trasmissione quando eseguono reti online analisi di stabilità.

Negli ultimi anni, la frazione della capacità di generazione di energia attribuita alle fonti energetiche rinnovabili è cresciuta a un ritmo sempre più rapido1: ciò a sua volta ha causato un aumento sostanziale della quota di fonti di energia connesse alla rete tramite un'interfaccia elettronica di potenza nota come un inverter, da cui il nome risorse basate su inverter (IBR). Rispetto ai generatori sincroni, che costituiscono la principale fonte di energia nei sistemi energetici convenzionali, gli IBR hanno un comportamento dinamico fondamentalmente diverso, che si prevede avrà implicazioni significative per la dinamica complessiva e la stabilità della rete elettrica2,3.

In generale, i sistemi di potenza vengono mantenuti stabili limitando le escursioni di frequenza: una misura comune della capacità di un sistema di potenza di contrastare le variazioni di frequenza è la sua inerzia, che, nei sistemi di potenza convenzionali, è correlata all'energia cinetica immagazzinata nelle masse rotanti dei generatori sincroni e immediatamente disponibile in caso di improvvisi squilibri di potenza4 (ma vedere rif. 5 per un approfondimento sul ruolo svolto dallo smorzamento del carico del generatore nel mantenere stabile la sincronizzazione). Le fonti di energia rinnovabile interfacciate con IBR, d’altro canto, in genere non forniscono inerzia alla rete elettrica. Una conseguenza dell’aumento della penetrazione degli IBR è stata quindi una riduzione della quantità di energia generata dalle centrali convenzionali, che a sua volta ha portato ad una diminuzione complessiva dell’inerzia insieme ad un aumento della sua variabilità6: ciò potrebbe ostacolare la capacità di un sistema di alimentazione per controbilanciare adeguatamente le oscillazioni di frequenza dovute a squilibri di potenza attiva7. Pertanto, oltre a studiare modi per far sì che gli IBR imitino la risposta inerziale dei generatori tradizionali8, significativi sforzi di ricerca sono stati recentemente dedicati allo sviluppo di metodi per la stima dell'inerzia di un sistema energetico, alcuni dei quali sono stati esaminati nel rif. 9. Questi possono essere grossomodo classificati in due grandi categorie: (i) algoritmi attivati ​​da un disturbo considerevole (cioè un evento significativo nel sistema elettrico in esame); (ii) metodi che utilizzano le misurazioni in condizioni operative normali o si basano sulla risposta transitoria ai segnali di sonda immessi per stimolare senza soluzione di continuità il sistema di alimentazione. Gli approcci del primo gruppo analizzano le misurazioni della frequenza elettrica e delle potenze attive dopo che è stato rilevato un disturbo significativo10,11. Quando sono destinati alla stima online, è di fondamentale importanza risalire al momento esatto in cui si è verificata l'anomalia, poiché errori di valutazione incidono notevolmente sul processo di stima. Inoltre, questi algoritmi non riescono a fornire valori di inerzia aggiornati su base continua, poiché necessitano di un evento di attivazione12,13. Per quanto riguarda il secondo gruppo di metodi, le tecniche che necessitano di un segnale di sondaggio da immettere nei sistemi elettrici non sono pratiche per sistemi elettrici di grandi dimensioni e il segnale perturbatore influenza la stima14. D'altro canto, le metodologie che impiegano misurazioni ambientali necessitano di eseguire una procedura di identificazione del sistema15,16, o fare affidamento sulla conoscenza di dati accurati in tempo reale17, entrambi potenziali limiti alle tecniche. Rimandiamo il lettore interessato a 18,19 per revisioni approfondite sul tema della stima dell'inerzia nei sistemi di potenza.