Echte resultaten behalen met het IIC Microgrid-testbed

Het Industrial Internet Consortium (IIC) krijgt echte resultaten van zijn testbedprogramma. Het Microgrid Testbed-project, mede geleid door RTI, demonstreert het vermogen om een ​​netwerk van stroom te voorzien met 100% hernieuwbare energiebronnen, terwijl het huidige netwerk niet hoger kan zijn dan 40%. Het toont ook integratie met cloudgebaseerde beheertoepassingen die een hulpprogramma helpen bij het beheren van meerdere microgrids.

De reden voor microgrids

De belangstelling voor opwekking van zonne- en windenergie blijft vandaag de dag toenemen om vervuiling te verminderen, veerkracht bij rampen te garanderen en geld te besparen. Maar bestaande transmissie- en distributiesystemen voor elektrische energie zijn niet ontworpen om grote aantallen gedistribueerde energiebronnen (DER's) te beheren die variabel vermogen produceren, zoals zon en wind. Een zonnepaneel kan binnen milliseconden stroom verliezen of herwinnen met een snel bewegende wolk, of de wind kan plotseling wegvallen, dus er moet een alternatieve bron beschikbaar zijn en klaar om de belasting onmiddellijk op te nemen. Het kan tot vijftien minuten duren om een ​​centrale opwekkingsinstallatie op te starten (of neer te halen), indien nodig, en zelfs langer voor grootschalige thermische installaties. Omdat het aanbod voor een goede werking altijd moet aansluiten bij de vraag, kan de spanning of frequentie op het net dalen en tot netstoringen leiden.

Microgrids bestrijken een afgesloten gebied, meestal met een combinatie van DER's, energieopslagsystemen, zoals batterijen, en een aantal lokale controlemogelijkheden waarmee het microgrid zichzelf kan isoleren van het hoofdstroomnet en autonoom kan werken. Ze kunnen daardoor snel en plaatselijk reageren op stroomuitval. Dit kan een nutsbedrijf 15 tot 30 minuten extra tijd geven om een ​​extra generator op te starten en de stroom op peil te houden.

Afbeelding 1. Voorbeeld van microgrid dat datacommunicatie en edge-intelligentie gebruikt om lokale stroomopwekking te automatiseren en te balanceren tegen de stroombelasting. Microgrids helpen bij het integreren van intermitterende energiebronnen zoals zon en wind.

Bovendien genereren deze hernieuwbare bronnen gelijkstroom die via een omvormer moet worden omgezet in wisselstroom. Conventionele besturingsalgoritmen gaan ervan uit dat er sterke spannings- en frequentiesignalen zijn die ze kunnen volgen op de hoofdwisselstroomleiding. Het omzetten van gelijkstroom naar wisselstroom werkt prima wanneer het grootste deel van het vermogen afkomstig is van traditionele, draaiende generatoren zoals een kolencentrale. Maar wanneer het grootste deel van het vermogen afkomstig is van DER's, falen de AC-volgende besturingsalgoritmen van de omvormers omdat ze de voedingssignalen van elkaar achtervolgen. Als gevolg hiervan veroorzaken DER's netinstabiliteit wanneer ze meer dan 20-40% van de opwekking uitmaken. Dit is ook een bijzondere uitdaging voor geïsoleerde (“islanded”) microgrids – zonder zoiets als een dieselgenerator om het hoofdstroomsignaal in de microgrid te genereren, is het niet stabiel.

100% hernieuwbare energie

Hulpprogramma's verplaatsen hun eigen communicatie-infrastructuur naar Ethernet-transport en Internet Protocol (IP) of pakketgebaseerde netwerken. Dit stelt ons in staat om tijdgevoelige netwerken (TSN), de nieuwste real-time Ethernet-netwerktechnologie, toe te voegen tussen de omvormerknooppunten om submilliseconden gesynchroniseerde meting van fase, frequentie en spanning te bieden. In plaats van de traditionele AC-signaalvolgmethode hebben we netwerkcommunicatie gebruikt om realtime metingen van fase-, frequentie- en spanningswaarden te delen. Hierdoor kunnen we een virtuele synchronisatiemaster maken en het synchronisatieprobleem aanpakken. Hiermee konden we 100% hernieuwbare energiebronnen aantonen in een stabiel microgrid.

Cloud-integratie en beheer van meerdere microgrids

De drie belangrijkste mogelijkheden voor onze voorgestelde microgrid- en DER-architectuur zijn intelligente controle aan de rand van het netwerk; peer-to-peer, krachtige communicatie voor lokale autonomie; en cloudgebaseerd beheer dat gegevens en analyses van derden integreert. We gebruikten een gelaagde architectuur om de edge, microgrid-controle en de realtime databus te integreren met cloudgebaseerd beheer, analyse en visualisatie.

Afbeelding 2:Geïmplementeerde communicatie- en controle-gelaagde architectuur voor microgrid- en distributienetwerkbeheer.

Met de backend-beheerapplicaties verzamelen we gegevens over de bedrijfsomstandigheden van het net, DER's en belastingen. We verbeteren het vervolgens met gegevens van derden, zoals weersomstandigheden, en voeren intelligente analyses uit om de stroomopwekking te schatten. We integreren ook met de lokale balanceringsautoriteit voor netstabiliteit en integreren met het back-endsysteem van nutsbedrijven om volledige zichtbaarheid en controle over de werking van het net te garanderen. Een geïntegreerd dashboard biedt de front-end visualisatie voor de distributie-operator, micro-grid-operator en in sommige gevallen de eindgebruikers zelf.

Afbeelding 3. De interface van de distributiesysteembeheerder biedt volledige zichtbaarheid en controle van een distributienet met DER's, regelbare belastingen en meerdere microgrids.

Nu we 100% hernieuwbare energie en multi-microgrid-controle in het laboratorium hebben aangetoond, is de volgende stap om met een nutsbedrijf in het veld te werken. Ik bleef op de hoogte voor meer updates.

Bekijk voor meer informatie het IIC-witboek, "Synchronized and Business-Ready Microgrid."