Gedistribueerde energiebronnen (DER's) met geavanceerde controles kunnen diensten leveren aan het net, zoals frequentierespons. Om dit te doen, moeten DER's echter, in tegenstelling tot conventionele generatoren, regelmatig signalen uitwisselen met verre controlecentra.

Deze open communicatienetwerken stellen het netwerk bloot aan communicatievertragingen, cyberdreigingen en andere risico's. Naarmate DER's steeds meer aan het netwerk worden toegevoegd, wordt het belangrijker om te begrijpen hoe lang het duurt voordat apparaten communiceren met controlecentra en wat de gevolgen zijn voor het handhaven van een stabiele frequentie op het netwerk.

Bij NREL helpen we de kloof tussen de engineering van energiesystemen en communicatienetwerken te overbruggen. Dit zal vooral belangrijk zijn met de verwachte proliferatie van DER's, aangezien de Verenigde Staten streven naar 100% schone elektriciteit in 2035 en een koolstofneutrale economie in 2050.

In de afgelopen twee jaar hebben we het vermogen van DER's onderzocht om frequentieregelingsdiensten te leveren en, belangrijker nog, wat er gebeurt als hun besturingsalgoritmen geen rekening houden met communicatievariaties. We testen deze vraag door middel van geavanceerde rastermodellering en testcases om onze methodologie te valideren. Dit werk wordt ondersteund door het Office of Electricity Advanced Grid Research and Development-programma van het Amerikaanse Department of Energy.

We stellen vast dat hoe langer de communicatievertraging tussen het apparaat en het controlecentrum over het algemeen is, hoe groter de kans op instabiliteit van het netwerk. Dit benadrukt waarom het van cruciaal belang is om de transmissie- en distributiedynamiek te begrijpen met toenemende DER's.

Het juiste co-simulatiemodel ontwikkelen

Om dit onderwerp te onderzoeken, moesten we eerst het juiste model ontwikkelen om distributie- en transmissiedynamiek te simuleren met een hoge DER-implementatie, wat nog niet echt grondig is onderzocht.

Het uitgangsvermogen van DER's kan mogelijk van invloed zijn op lokale spanningsprofielen, dus het is belangrijk om rekening te houden met lokale spanning in de analyse van DER-frequentieregelingen om problemen in distributienetwerken te voorkomen. Bestaande frequentiedynamische simulatietools zijn echter voornamelijk ontwikkeld voor het transmissiesysteem en kunnen de distributienetwerkdynamiek met hoge penetraties van DER's niet simuleren.

Daarom hebben we bij NREL een nieuw raamwerk ontwikkeld voor DER-frequentieresponsanalyse op basis van het open-source Hierarchical Engine for Large-scale Infrastructure Co-Simulation (HELICS) platform. HELICS simuleert het gedrag van elektriciteitssystemen op regionale en interconnectieschaal door transmissie-, distributie- en communicatiedomeinen te integreren.

Het voordeel van ons nieuwe dynamische co-simulatieplatform voor transmissie en distributie (T&D) is dat DER's expliciet en nauwkeurig worden gemodelleerd in zowel transmissie- als distributiesimulatoren voor respectievelijk frequentie- en spanningsdynamiek. Deze modellering geeft ons de perspectieven die we nodig hebben om te bestuderen hoe DER's frequentierespons kunnen bieden. Meer details van dit T&D dynamische co-simulatiemodel zijn te vinden in ons artikel in IEEE Transactions on Smart Grid .

De impact van communicatievertragingen bestuderen

Een belangrijk aspect van het bestuderen van de DER-frequentierespons is het begrijpen van de impact van DER-communicatievertragingen, of wat er gebeurt als er iets misgaat.

Met behulp van onze nieuwe co-simulatietool in de eerste fase van ons onderzoek hebben we tientallen zeer gedetailleerde, grootschalige scenario's gemodelleerd met verschillende gradaties van DER-communicatiestoringen.

We gebruikten een synthetisch distributienetwerk als onze testcase, inclusief 40 DER's bij elke laadbus voor een totaal van 19 laadbussen in het IEEE 39-bussysteem met 760 DER's. De DER-generatie was 20% van de belastingen bij elke laadbus en de DER's waren gelijkmatig verdeeld.

Onze resultaten laten zien dat slechts een vertraging van vier seconden systeeminstabiliteit veroorzaakt wanneer DER's worden gebruikt om secundaire frequentieregeling te bieden nadat het systeem één conventionele generator heeft verloren. Als in open communicatienetwerken meerdere onderbrekingen optreden, zoals een communicatie-/routeringsvertraging, congestie of een hoge responssnelheid van het apparaat, is de totale vertraging ten minste enkele seconden lang - en hoe langer de vertraging, hoe groter het risico op instabiliteit. Als het ontwerp van de geavanceerde bedieningselementen van de DER geen rekening houdt met communicatievariaties, is het risico op instabiliteit zelfs nog groter, wat weer aangeeft waarom het belangrijk is om de frequentierespons van de DER te bestuderen.

casestudy elektrische voertuigen

In een andere fase van ons onderzoek zijn we dieper in de DER-frequentierespons gedoken met een casestudy over de effecten van elektrische voertuigen (EV's) op de frequentieregeling van het elektriciteitssysteem.

EV's die zijn uitgerust met batterijen hebben het vermogen en de flexibiliteit om (1) een snelle frequentierespons te bieden, (2) de systeemfrequentiefluctuaties te verminderen en (3) de stabiliteit van de systeemfrequentie te verbeteren. De frequentieregeling van voertuig naar net kan echter ook van invloed zijn op zowel de frequentierespons van het bulkstroomsysteem als de spanningsprofielen van het lokale distributienetwerk. We wilden weten hoe EV's het elektriciteitsnet kunnen ondersteunen als er een communicatiestoring optreedt.

Om deze casestudy uit te voeren, hebben we een nieuw dynamisch model toegevoegd aan onze co-simulatietool om EV-dynamiek expliciet te simuleren. Vervolgens hebben we scenario's gemodelleerd met verschillende gradaties van communicatiestoringen. We ontdekten dat elektrische voertuigen die op het elektriciteitsnet zijn aangesloten een groot potentieel hebben om de systeemfrequentie te herstellen, en ze kunnen deze het snelst herstellen wanneer ze de status kunnen wijzigen van volledig opladen naar volledig ontladen.

Dit zijn slechts enkele hoogtepunten uit onze recente analyse van de werking van energiesystemen met wijdverbreide DER's, maar we hebben nog veel meer onderzoek voor de boeg. Communicatienetwerken en het elektriciteitssysteem zijn nu fundamenteel met elkaar verweven, maar historisch gezien zijn ze in een silo geweest.

Het toekomstige energiesysteem is afhankelijk van het communicatienetwerk en het communicatienetwerk is ook afhankelijk van het energiesysteem. We moeten over disciplines heen samenwerken om operaties samen te plannen en ervoor te zorgen dat de lichten blijven branden in een koolstofarme energietoekomst. + Verder verkennen

Studie werpt licht op nieuwe IEEE-standaardcategorieën, wat de impact op het stroomsysteem laat zien