NRELs kommunikationslösa mikronätsmetod tillåter att nätfrekvensen varierar över ett bredare intervall än normalt. Enheter tittar på frekvensen och justerar sin uteffekt enligt frekvensens förändringar. Kredit:NREL
Under ett strömavbrott eller efter en katastrof är det svårt att slå enkelheten hos en dieselgenerator. Fyll bara på med bränsle och starta den – så enkelt att vem som helst kan göra det. Förnybara mikronät, å andra sidan, är inte så enkla, med sin svit av kontroller, mjukvara och tillgångskoordinering. Men det fina med förnybar energi är att bränsle är gratis och redan tillgängligt på plats, även i avlägsna katastrofområden.
National Renewable Energy Laboratory (NREL) har nu publicerat en beskrivning av de improviserade kontrollerna som räddade NREL under sitt eget avbrott, vilket skulle kunna göra mikronät lätta och billiga där de behövs som mest.
Publikationen, med titeln "Unleashing the Frequency:Multi-Megawatt Demonstration of 100% Renewable Power Systems with Decentralized Communication-less Control Scheme", beskriver ett tillvägagångssätt med mikronät som kringgår den centrala styrenheten – en dyr och komplicerad komponent – och dess beroende av kommunikation, istället med inbyggda kontroller av batteri-, sol- och vindsystem.
"NRELs tillvägagångssätt gör det möjligt att sätta ihop enheter till ett mikronät utan besvärlig konfiguration, beroende på bara förnybar energi och amatörelektrisk erfarenhet - perfekt för återhämtning i ett nafs", säger Przemyslaw Koralewicz, NREL-ingenjör och medutvecklare av den kommunikationslösa metoden .
En billig återställningsresurs
När NREL upplevde ett överraskande strömavbrott hade laboratoriet få alternativ för återställning:ingen mikronätstyrenhet och ingen förkonfigurerad installation. Bara ett stort batteri, solpaneler och vindkraftverk. Andra campus – eller distrikt, stadsdelar och hem – kan hamna i liknande omständigheter, och under ett avbrott är det ingen tid att fumla med komplicerade konfigurationer. Liksom NREL kan samhällen nu implementera ett fjädrande mikronät från manschetten, med hjälp av kontroller som finns på i princip vilken energikälla som helst.
Medan mikronät är ett uppenbart svar på återhämtning och motståndskraft, utgör kostnaderna för en styrenhet ett hinder för samhällen. Under 2019 fann NREL att styrenheter för mikronät har en genomsnittlig kostnad på 155 000 USD/megawatt, vilket potentiellt gör att motståndskraftiga mikronät är utom räckhåll för sårbara områden.
Förutom kostnader introducerar styrenheter en härva av kommunikations- och systeminställningar, ofta ogenomskinliga, proprietära och designade för att passa särskilda scenarier. Dessa funktioner kan vara användbara för att minimera energianvändning och kostnader, men återvinning kräver ofta ett snabbt och klart alternativ. NREL:s metod prioriterar felsäker start, avstår från utarbetade program och kommunikation till förmån för extremt grundläggande kontroller, samtidigt som det tillåter mer avancerade konstruktioner att byggas ovanpå.
Utvecklare av den kommunikationslösa mikronätmetoden observerar NREL Flatirons Campus batterienergilagringssystem. Kredit:Dennis Schroeder, NREL
Hur fungerar det?
NREL:s schema är decentraliserat - enheterna utbyter inte data eller utfärdar kommandon (dvs de är "kommunikationslösa"). Istället reglerar enheter sig själv med hjälp av systemfrekvens som det gemensamma språket. Kort sagt, ett batteri eller annan strömkälla bildar nätet genom att leverera ström vid en bestämd frekvens. Andra generatorer som solpaneler och vindturbiner följer nätet genom att titta på frekvensen och ändra sin effekt därefter.
Metoden är inget för ny - så kallade "droop"-kontroller är bekanta i vanliga fossilbränslegeneratorer - vilket är en del av överklagandet. NREL-forskarna visade att metoden fungerar med 100 % förnybar energi, kan skalas och är genomförbar med nästan alla energiapparater.
Det innovativa är att NRELs metod frigör nätfrekvensen från snäva 60 hertz (Hz). Obunden av mekanisk rotation kan mikronätfrekvensen ta ett bredare intervall. I själva verket är det intervallet exakt hur enheterna koordinerar utan att kommunicera:När frekvensen stiger över 60 Hz minskar generatorerna effekten. Vid ännu högre frekvenser minskar generatorerna sin effekt ytterligare och balanserar om frekvensen runt 60 Hz. Systemet stabiliserar sig själv, överladdar aldrig batterierna eller klarar inte belastningen.
Om detta låter svårare än en dieselgenerator kan det vara det. Det kräver fortfarande viss enhetsprogrammering och parameterinställning, som beskrivs i rapporten.
"NRELs metod är det allra första steget i en design som kan bli standarden för felsäkra mikronät," sa Koralewicz. "Vår kommunikationslösa metod skulle kunna konfigureras inbyggt i framtida enheter eller möjligen certifieras för enkel åtkomst av operatörer. Med standardiserad användning kan mikronät av alla slag - militärbaser, sjukhusbackuper, till och med nätverksanslutna distrikt - räkna med en osviklig grund för sin dag den dagliga verksamheten."
Gränsen för förnybara energisystem
Vid gränsen för kraftsystem tar ingenjörer upp de tekniska frågorna om att driva nätet med mestadels förnybara energikällor. Utestående frågor rör växelriktare, som är kraftelektroniken som kopplar samman förnybar energi till nätet, och särskilt hur växelriktare kan bilda nätet på ett sätt som fossilbaserade resurser traditionellt har. UNIFI-konsortiet tar sig an växelriktarutmaningen med den kombinerade ansträngningen av dussintals forskningsinstitutioner, ledda av NREL.
NREL:s kommunikationslösa metod är ett exempel på en rutnätsformande strategi, den sorten som kommer att behövas när system pressar mot högre nivåer av förnybar energi. Genom att föreslå metoden bryter NREL marken in i några av de svårare ämnen som UNIFI och kraftsystem möter överallt, såsom hur man hanterar nätskydd och vilka kontroller som bör vara väsentliga på nätbildande enheter. Författarna närmar sig dessa frågor i rapporten och erbjuder en riktning som framtida energisystem kan ta på vägen mot koldioxidutsläpp. + Utforska vidare
