新框架保证了发展中国家提供地方电力的微电网的稳定性

今天，超过13亿人生活在没有经常获得权力的地方，包括印度的3亿多人和撒哈拉以南非洲的6亿人。在这些和其他发展中国家，进入主要电网，特别是在农村地区，是远程的，往往是不可靠的。

越来越多的农村和一些城市社区正在将微电网作为替代电力来源。微电网是小型电力系统，通常以太阳能的形式向当地消费者提供本地能源，例如个人家庭或小村庄。

但是，电力系统越小，停电就越脆弱。小的干扰，例如插入某个设备或一个太多的手机充电器，可能会导致微电网不稳定和短路。

出于这个原因，工程师通常使用粗电缆和大电容器以简单，集中的配置设计微电网。这限制了任何设备可以从网络中获取的功率量 - 这是一种保守措施，可以提高微电网的可靠性，但却带来了巨大的成本。

现在麻省理工学院的工程师已经开发出一种方法，用于保证任何在直流电流下运行的微电网的稳定性，或者最初作为MIT塔塔中心uLink项目的一部分提出的DC-an架构。研究人员发现，他们可以通过安装电容器来确保微电网的稳定性，这些电容器能够在特定尺寸或电容的电压下均匀地产生峰值和骤降。

在给定总负载或社区消耗的功率的情况下，该团队计算了维持微电网稳定性所需的特定负载的最小电容。重要的是，此计算不依赖于网络的传输线和电源的特定配置。这意味着微电网设计人员无需从头开始为每个新社区设计电源系统。

相反，研究人员表示，这种微电网设计过程可以进行一次，例如，开发电力系统“套件”：可以批量生产的模块化电源，负载和线路。只要负载单元包括适当大小的电容器，无论各个组件如何连接，系统都能保证稳定。

研究人员表示，这种模块化设计可以轻松地根据不断变化的需求进行重新配置，例如其他家庭加入社区现有的微电网。

“我们提出的是这种特殊微电网的概念：微电网可以在没有任何预先计划的情况下创建，并且可以在没有任何疏忽的情况下运行。您可以采用不同的组件，以适合您的任何方式互连它们，并且保证可以工作， “麻省理工学院机械工程副教授Konstantin Turitsyn说。“最终，它向低成本微电网迈出了一步，可以提供一定程度的可靠性和安全性。”

Cavanagh说，该团队的工作旨在解决微电网设计中的一个核心挑战：“如果我们事先不了解网络并且不知道哪个村庄将部署到微电网怎么办?我们能否以这样的方式设计组件? ，无论人们如何互相连接，它们仍然可以工作?“

研究人员寻找方法来限制微电网主要部件的尺寸 - 传输线，电源和负载，或耗电元件 - 以保证系统整体稳定性的方式，而不依赖于网络的特定布局。

为此，他们研究了Brayton-Moser潜在理论 - 一种在20世纪60年代发展起来的通用数学理论，该理论描述了包含各种物理和互连组件的系统内能量流动的动力学，例如在非线性电路中。

“在这里，我们将这一理论应用于主要目标是权力转移的系统，而不是执行任何逻辑运算，”Turitsyn说。

该团队将该理论应用于微电网的简单而真实的表示。这使研究人员能够查看负载变化时的干扰，例如手机插入充电器或风扇关闭时。他们表明，最坏情况配置是一个简单的网络，包括连接到负载的源。通过识别这种简单的配置，他们可以消除对特定网络配置或拓扑的依赖。

“这个理论有助于证明，对于足够高的电容，微电网的电压不会达到临界低水平，系统会反弹并继续正常运行，”Turitsyn说。

权力蓝图

根据他们的计算，该团队开发了一个框架，将微电网的总体功率要求，传输线长度和功率需求与保持系统稳定所需的特定电容器尺寸相关联。

“确保这个简单的网络稳定，保证所有其他具有相同线路长度或更小线路的网络也是稳定的，”Turitsyn说。“这是让我们开发不依赖于网络配置的语句的关键洞察力。”

“这意味着您不必将电容器的尺寸增大10倍，因为我们给出了明确的条件，即使在最坏的情况下也能保持稳定，”Cavanagh说。

最后，团队的框架为设计和调整微电网提供了更便宜，更灵活的蓝图，适用于任何社区配置。例如，微电网运营商可以使用该框架来确定给定电容器的大小，该电容器将稳定某个负载。相反，已经交付硬件以建立微电网的社区可以使用该组的框架来确定传输线应该具有的最大长度，以及组件可以安全维护的设备类型。

“在某些情况下，对于给定的电压水平，我们无法保证在给定的负载变化方面的稳定性，也许消费者可以决定使用这个大风扇，但不是更大的风扇，”Turitsyn说。“所以它不仅可以是一个电容器，还可以限制个人可以使用的最大可接受电量。”

展望未来，研究人员希望对AC或交流微电网采取类似的方法，这些方法主要用于发达国家，如美国。

“将来我们希望将这项工作扩展到交流微电网，这样我们就不会遇到像飓风玛丽亚之后的情况，现在在波多黎各，人们期望在电力完全恢复之前还有几个月，”Turitsyn说。“在这些情况下，能够在没有大量预先计划的情况下部署太阳能微电网，并且在连接方面具有灵活性，这将是向前迈出的重要一步。”