Bouwen van morgen's zelfherstellende stroomnet voor ononderbroken energie

Power Electronics INSIDER

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

Visie op een zelfherstellend net

Het is niet moeilijk om de potentiële waarde van een zelfherstellend net te verbeelden, een net dat kan aanpassen en terug naar het leven kan keren, wat ononderbroken stroom garandeert zelfs wanneer het aangevallen wordt door een orkaan of een groep kwaadwillenden. Samen maakt een team van Sandia National Laboratories en New Mexico State University deze visie mogelijk met een high-tech bibliotheek van algoritmes. Door deze algoritmes in netrelais te coderen, kan het systeem snel stroom herstellen naar zoveel mogelijk ziekenhuizen, supermarkten en huizen voordat netoperators met reparaties kunnen beginnen of instructies kunnen geven.

„Het uiteindelijke doel is om systemen in staat te stellen zich zelf te helen en ad hoc configuraties te vormen als dingen er echt misgaan,” zei Michael Ropp, Sandia elektrisch ingenieur en projectleider. „Nadat het systeem beschadigd of gecompromitteerd is, kan het automatisch uitvinden hoe het naar een nieuwe steady-state kan komen die stroom levert aan zoveel mogelijk klanten; dat bedoelen we met 'zelfherstellend'. De sleutel is dat we het volledig doen met lokale metingen, dus er is geen behoefte aan dure glasvezel of menselijke controllers.”

Toekomstig net met microgrids

Het elektriciteitsnet van de toekomst, zoals geënvisioneerd door Ropp en velen anderen, zal meer hernieuwbare energiebronnen hebben zoals zonnepanelen op daken en windturbines, samen met lokale energielagersystemen zoals batterijbanken. Veel van deze systemen zullen in staat zijn om microgrids te vormen — kleine „eilanden” van stroom rond ziekenhuizen, waterzuiveringsinstallaties, en andere kritieke infrastructuur zelfs als het hoofnet uitvalt. Dit Sandia-project stelt die microgrids in staat om zich automatisch te helen wanneer beschadigd en met elkaar te verbinden om stroom te delen en zoveel mogelijk klanten te bedienen.

Hoewel microgrids de veerkracht van het net kunnen vergroten, moeten ze automatisch bepaalde cruciale functies uitvoeren zoals het balanceren van energieproductie met energieverbruik en herconfigureren als een deel van het systeem beschadigd of onbeschikbaar wordt. Deze zelfherstellende capaciteit moet ook in staat zijn om het verbinden van microgrids op manieren te vermijden die problemen veroorzaken — bijvoorbeeld door een ongewilde lus in het circuit te vormen.

Vandaag, om dit in microgrids die stroomomzetters gebruiken te bereiken, moeten operators dure hoge-snelheidscommunicatie installeren die onbetrouwbaar kan zijn tijdens rampen en kwetsbaar voor cyberaanvallen. Het doel van dit project, zei Ropp, is om zelfherstel te ondersteunen met alleen de metingen die elk individueel apparaat kan maken, wat kosten verlaagt en betrouwbaarheid verhoogt.

Algoritmes voor kritieke functies

Een sleutelfunctie die microgrids met veel omzetters nodig hebben is het afsluiten van een paar klanten wanneer de vraag naar elektriciteit groter wordt dan de aanbod. In netten aangedreven door aardgas, kolen, of kerncentrales, daalt de frequentie van het net wanneer deze vraag-aanbod onbalans optreedt. Wanneer de bestaande relaisalgoritmes dit detecteren, koppelen ze stroom af voor delen van het net. Echter, wanneer omzetters ontworpen om microgrids te voeden overbelast raken, stoppen ze met het regelen van de spanning van de stroomvoorziening en daalt de spanning, zei Ropp. Het team ontwikkelde een algoritme om deze daling in spanning te gebruiken om relais te vertellen wanneer ze stroom naar minder vitale klanten moeten afkoppelen.

In het kielzog van een natuurramp zoals een orkaan of aardbeving, zijn ziekenhuizen, verzorgingshuizen, en waterzuiveringsinstallaties bijzonder vitaal en dus cruciaal om gevoed te houden. Banken, supermarkten, en recreatiecentra of scholen die als ontruimingscentra dienen, zijn ook vrij belangrijk voor het functioneren van een gemeenschap.

Het team ontwikkelde ook algoritmes die het systeem in staat stellen zich zelf te assembleren op manieren die beschadigde gebieden vermijden. Ze gebruikten computer-ondersteund-ontwerp software om een klein systeem van drie onderling verbonden microgrids te modelleren en toonden aan hoe zelfs zonder communicatie, hun algoritmes het systeem in staat stelden om stroomproductie en -verbruik te balanceren, bepaalde problemen te isoleren zoals neergestorte lijnen door bomen of een beschadigde centrale, en om het probleem heen te werken om stroom te herstellen naar belangrijke faciliteiten, zei Ropp.

Het grootste deel van Noord-Amerika's netinfrastructuur was ontworpen om enkele stroomlijnen te hebben met eenrichtingsstroom naar huizen, kantoren, en andere gemiddelde klanten. Dus het net is momenteel niet ontworpen om stabiel te zijn wanneer het in een lus geopereerd wordt, zeiden Ropp en Matthew Reno, een andere Sandia elektrisch ingenieur betrokken bij het project. Alleen bepaalde op maat ontworpen delen van het systeem kunnen als lus opereren.

Microgrids en gedistribueerde bronnen zoals daken zonnepanelen vergroten de algehele veerkracht maar laten ook de kans toe voor het net om zich in een instabiele lus te assembleren. Reno zei: „We probeerden mogelijke metingen te bedenken om te bepalen of de twee kanten al verbonden waren zodat het sluiten van de schakelaar een lus zou vormen.”

Het team keek naar enkele wiskundige methoden die een circuitbreker kan gebruiken om te bepalen of de delen van het net aan weerskanten van de circuitbreker gevoed worden door dezelfde stroomvoorziening en bepaalden dat twee dergelijke methoden voor dit doel werkten. De onderzoekers deelden een vergelijking van deze methoden in een papier gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift IEEE Transactions on Power Delivery.

Het team werkt ook aan een oplossing voor een vergelijkbaar probleem: wat te doen wanneer een stroomlijn die normaal aan het einde van het systeem zit, zichzelf vindt meer stroom te ondersteunen dan waarvoor het geclassificeerd is. Ze hebben een Morse-code-achtige methode ontwikkeld waarbij een overbelaste lijnrelais de spanning moduleert door te openen en te sluiten in een specifiek patroon, zodat de relais voor lagere-prioriteitsklanten dit patroon kunnen detecteren en zichzelf afkoppelen tot de lijn niet meer overbelast is, zei Ropp. Hoewel dit als communicatie beschouwd kan worden, heeft het geen apart systeem nodig, wat kwetsbaar kan zijn voor hackers, of een menselijke operator — het gebruikt de stroomlijn zelf om het signaal te transmitteren.

De onderzoekers hebben gewerkt aan manieren om de prestaties van deze methoden te verbeteren. Bijvoorbeeld, ze hebben een methode ontwikkeld om de microgrid snel in kleinere sub-microgrids te verdelen wanneer een probleem gedetecteerd wordt. De hoop is dat dit het probleem zou isoleren tot slechts één sub-microgrid, wat de anderen in staat stelt normaal te opereren. De initiële testen van het team suggereren dat deze methode van het definiëren van microgrid-grenspunten soms werkt, maar niet altijd, dus er is nog meer werk te doen.

Ropp en het team zouden graag willen samenwerken met fabricanten van lijn- en belastingrelais om hun bibliotheek van algoritmes in de producten van de bedrijven te incorporeren, eerst om ze te testen in een hardware-in-the-loop testbed en dan mogelijk in het echte leven op testfaciliteiten zoals Sandia's Distributed Energy Technologies Laboratory of op een vergelijkbare mediumspanningsfaciliteit aan New Mexico State University, zei Lavrova.

„We willen dat dit iets wordt dat mensen echt kunnen gebruiken, vooral laaginkomensgemeenschappen die zich geen glasvezelcommunicatie op elk enkel punt op elk enkel elektrisch circuit kunnen permitteren,” zei Ropp. „Je kunt heel goede prestaties en heel goede veerkracht krijgen met onze bibliotheek van algoritmes. En als je wel de communicatie hebt, kan dit nog steeds een back-up zijn.”

Bron