Bouwen aan het zelfherstellende elektriciteitsnet van morgen voor ononderbroken energie

Vermogenselektronica INSIDER

Elektrotechnisch ingenieur Michael Ropp van Sandia National Laboratories en zijn team hebben een bibliotheek met codes gecreëerd om de veerkracht, betrouwbaarheid en zelfherstellende aard van het elektriciteitsnet te verbeteren. (Afbeelding:Craig Fritz)

Het is niet moeilijk om je de potentiële waarde voor te stellen van een zelfherstellend netwerk, een netwerk dat zich kan aanpassen en weer tot leven kan komen en ononderbroken stroom kan garanderen, zelfs als het wordt aangevallen door een orkaan of een groep slechte actoren. Samen maakt een team van Sandia National Laboratories en New Mexico State University deze visie mogelijk met een geavanceerde bibliotheek van algoritmen. Door deze algoritmen in netrelais te coderen, kan het systeem snel de stroom naar zoveel mogelijk ziekenhuizen, supermarkten en huizen herstellen voordat netbeheerders kunnen beginnen met reparaties of instructies kunnen geven.

“Het uiteindelijke doel is om systemen in staat te stellen zichzelf te herstellen en ad-hocconfiguraties te vormen als de zaken echt slecht gaan”, zegt Michael Ropp, elektrotechnisch ingenieur van Sandia en projectleider. "Nadat het systeem beschadigd of gecompromitteerd is, kan het automatisch uitzoeken hoe het een nieuwe stabiele toestand kan bereiken die stroom levert aan zoveel mogelijk klanten; dat is wat we bedoelen met 'zelfherstel'. De sleutel is dat we het volledig doen met lokale metingen, dus er zijn geen dure glasvezels of menselijke controllers nodig."

Het elektriciteitsnet van de toekomst, zoals Ropp en vele anderen voor ogen hebben, zal meer duurzame energievoorzieningen hebben, zoals zonnepanelen op daken en windturbines, samen met lokale energieopslagsystemen zoals accubanken. Veel van deze systemen zullen in staat zijn microgrids te vormen – kleine ‘energie-eilanden’ rond ziekenhuizen, waterzuiveringsinstallaties en andere kritieke infrastructuur, zelfs als het hoofdnetwerk uitvalt. Dit Sandia-project stelt deze microgrids in staat zichzelf automatisch te genezen wanneer ze beschadigd raken en met elkaar te verbinden om stroom te delen en zoveel mogelijk klanten te bedienen.

Hoewel microgrids de veerkracht van het elektriciteitsnet kunnen vergroten, moeten ze automatisch bepaalde cruciale functies uitvoeren, zoals het balanceren van de energieproductie met het energieverbruik en het opnieuw configureren als een deel van het systeem beschadigd raakt of niet beschikbaar is. Dit zelfherstellende vermogen moet ook kunnen voorkomen dat microgrids op een manier worden aangesloten die problemen veroorzaakt, bijvoorbeeld door onbedoeld een lus in het circuit te vormen.

Om dit te bereiken in microgrids die stroomomvormers gebruiken, moeten operators tegenwoordig dure hogesnelheidscommunicatie installeren die bij rampen onbetrouwbaar kan zijn en kwetsbaar voor cyberaanvallen. Het doel van dit project, zegt Ropp, is om zelfherstel te ondersteunen door alleen de metingen te gebruiken die elk afzonderlijk apparaat kan uitvoeren, waardoor de kosten worden verlaagd en de betrouwbaarheid wordt vergroot.

Een belangrijke functie die microgrids met veel omvormers moeten vervullen, is het afsluiten van een paar klanten wanneer de vraag naar elektriciteit groter wordt dan het aanbod. In netten die worden aangedreven door aardgas-, steenkool- of kerncentrales, daalt de frequentie van het net wanneer dit onevenwicht tussen vraag en aanbod optreedt. Wanneer de bestaande relaisalgoritmen dit detecteren, ontkoppelen ze de stroom naar delen van het elektriciteitsnet. Wanneer omvormers die zijn ontworpen om microgrids van stroom te voorzien echter overbelast raken, stoppen ze met het reguleren van de spanning van de stroomvoorziening en daalt de spanning, aldus Ropp. Het team ontwikkelde een algoritme om deze spanningsdaling te gebruiken om relais te vertellen wanneer ze de stroom naar minder vitale klanten moeten afsluiten.

In de nasleep van een natuurramp, zoals een orkaan of aardbeving, zijn ziekenhuizen, voorzieningen voor begeleid wonen en waterzuiveringsinstallaties van bijzonder groot belang en dus van cruciaal belang om van stroom te kunnen blijven voorzien. Banken, supermarkten en recreatiecentra of scholen die als evacuatiecentra dienen, zijn ook heel belangrijk voor het functioneren van een gemeenschap.

Het team ontwikkelde ook algoritmen waarmee het systeem zichzelf kan assembleren op een manier die beschadigde gebieden vermijdt. Ze gebruikten computerondersteunde ontwerpsoftware om een klein systeem van drie onderling verbonden microgrids te modelleren en lieten zien hoe hun algoritmen zelfs zonder communicatie het systeem in staat stelden de energieproductie en -consumptie in evenwicht te brengen, bepaalde problemen te isoleren, zoals omgevallen leidingen of een beschadigde elektriciteitscentrale, en om het probleem te omzeilen om de stroom naar belangrijke faciliteiten te herstellen, zei Ropp.

Het grootste deel van de elektriciteitsinfrastructuur in Noord-Amerika is ontworpen om te beschikken over enkele elektriciteitsleidingen met eenrichtingsstroom naar huizen, kantoren en andere gemiddelde klanten. Het elektriciteitsnet is momenteel dus niet ontworpen om stabiel te zijn als het in een lus wordt gebruikt, zeggen Ropp en Matthew Reno, een andere elektrotechnisch ingenieur van Sandia die bij het project betrokken is. Alleen bepaalde op maat ontworpen delen van het systeem kunnen als een lus werken.

Microgrids en gedistribueerde bronnen zoals zonne-energie op daken vergroten de algehele veerkracht, maar bieden ook de kans dat het elektriciteitsnet zich in een onstabiele lus kan samenvoegen. Reno zei:“We probeerden mogelijke metingen te bedenken om erachter te komen of de twee kanten al met elkaar verbonden waren, zodat het sluiten van de schakelaar een lus zou vormen.”

Het team heeft gekeken naar enkele wiskundige methoden die een onderbreker zou kunnen gebruiken om te bepalen of de delen van het elektriciteitsnet aan weerszijden van de onderbreker door dezelfde stroomvoorziening worden gevoed en kwamen tot de conclusie dat twee van dergelijke methoden voor dit doel werkten. De onderzoekers deelden een vergelijking van deze methoden in een artikel gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift IEEE Transactions on Power Delivery .

Het team werkt ook aan een oplossing voor een soortgelijk probleem:wat te doen als een elektriciteitsleiding die zich normaal gesproken aan het einde van het systeem bevindt, meer stroom ondersteunt dan waarvoor deze is gespecificeerd. Ze hebben een morsecode-achtige methode ontwikkeld waarbij een overbelast lijnrelais de spanning moduleert door in een specifiek patroon te openen en te sluiten, zodat de relais voor klanten met een lagere prioriteit dit patroon kunnen detecteren en zichzelf kunnen loskoppelen totdat de lijn niet langer overbelast is, zei Ropp. Hoewel dit als communicatie kan worden beschouwd, heeft het geen apart systeem nodig, dat kwetsbaar kan zijn voor hackers of een menselijke operator; het gebruikt de elektriciteitsleiding zelf om het signaal te verzenden.

De onderzoekers hebben gewerkt aan manieren om de prestaties van deze methoden te verbeteren. Ze hebben bijvoorbeeld een methode ontwikkeld om het microgrid snel op te delen in kleinere sub-microgrids wanneer er een probleem wordt gedetecteerd. De hoop is dat dit het probleem zou isoleren tot slechts één sub-microgrid, waardoor de andere normaal zouden kunnen functioneren. Uit de eerste tests van het team blijkt dat deze methode voor het definiëren van grenspunten in microgrids soms werkt, maar niet altijd. Er is dus nog meer werk aan de winkel.

Ropp en het team willen graag samenwerken met fabrikanten van lijn- en belastingsrelais om hun bibliotheek met algoritmen in de producten van de bedrijven op te nemen, eerst om ze te testen in een hardware-in-the-loop-testbed en vervolgens mogelijk in het echte leven bij testfaciliteiten zoals Sandia's Distributed Energy Technologies Laboratory of bij een soortgelijke middenspanningsfaciliteit aan de New Mexico State University, zei Lavrova.

“We willen dat dit iets wordt waar mensen echt gebruik van kunnen maken, vooral gemeenschappen met lage inkomens die zich geen glasvezelcommunicatie op elk afzonderlijk punt van elk elektrisch circuit kunnen veroorloven”, aldus Ropp. "Je kunt zeer goede prestaties en een zeer goede veerkracht verkrijgen met behulp van onze bibliotheek met algoritmen. En als je wel over de communicatie beschikt, kan dit nog steeds een back-up zijn."

Bron