Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Distribuerade energiresurser (DER) med avancerade kontroller kan tillhandahålla tjänster till nätet såsom frekvenssvar. Men för att göra det, till skillnad från konventionella generatorer, måste DERs vanligtvis regelbundet utbyta signaler med fjärrkontrollcenter.
Dessa öppna kommunikationsnätverk utsätter nätet för kommunikationsförseningar, cyberhot och andra risker. Allt eftersom DERs läggs till i nätet blir det viktigare att förstå hur lång tid det tar för enheter att kommunicera med kontrollcenter och effekterna av att bibehålla en stabil frekvens på nätet.
På NREL hjälper vi till att överbrygga klyftan mellan kraftsystemteknik och kommunikationsnätverk. Detta kommer att vara särskilt viktigt med den förväntade spridningen av DER eftersom USA siktar på 100 % ren el 2035 och en koldioxidfri ekonomi 2050.
Under de senaste två åren har vi undersökt DERs förmåga att tillhandahålla frekvensregleringstjänster och, viktigare, vad som händer om deras kontrollalgoritmer inte tar hänsyn till kommunikationsvariationer. Vi testar denna fråga genom avancerad rutnätsmodellering och testfall för att validera vår metodik. Detta arbete stöds av U.S. Department of Energy's Office of Electricity Advanced Grid Research and Development-program.
Vi upptäcker att ju längre kommunikationsfördröjningen är mellan enheten och kontrollcentret, desto större är risken för nätinstabilitet, vilket belyser varför det är ytterst viktigt att förstå överförings- och distributionsdynamiken med ökande DER.
Utveckla rätt samsimuleringsmodell
För att börja undersöka det här ämnet var vi först tvungna att utveckla rätt modell för att simulera distributions- och överföringsdynamik med hög DER-utbyggnad – vilket inte riktigt har utforskats noggrant.
Effektuttaget från DERs kan potentiellt påverka lokala spänningsprofiler, så det är viktigt att beakta lokal spänning i DER-frekvensregleringsanalys för att undvika problem i distributionsnätverk. Befintliga frekvensdynamiska simuleringsverktyg utvecklades dock huvudsakligen för transmissionssystemet och kan inte simulera distributionsnätverksdynamik med hög penetration av DERs.
Så vi på NREL utvecklade ett nytt ramverk för DER-frekvenssvarsanalys baserat på plattformen Hierarchical Engine for Large-scale Infrastructure Co-Simulation (HELICS) med öppen källkod. HELICS simulerar regionala och sammankopplade kraftsystembeteenden genom att integrera överförings-, distributions- och kommunikationsdomäner.
Fördelen med vår nya dynamiska samsimuleringsplattform för transmission och distribution (T&D) är att DERs modelleras explicit och exakt i både transmissions- och distributionssimulatorer för frekvens- respektive spänningsdynamik. Denna modellering ger oss de perspektiv vi behöver för att studera hur DERs kan ge frekvenssvar. Mer information om denna T&D dynamiska samsimuleringsmodell finns i vår artikel i IEEE Transactions on Smart Grid .
Studera effekterna av kommunikationsförseningar
En viktig aspekt av att studera DER-frekvenssvar är att förstå effekten av DER-kommunikationsförseningar, eller vad som händer om något går fel.
Med hjälp av vårt nya samsimuleringsverktyg i den första fasen av vår forskning, modellerade vi dussintals mycket detaljerade, storskaliga scenarier med olika grader av DER-kommunikationsfel.
Vi använde ett syntetiskt distributionsnätverk som vårt testfall, inklusive 40 DERs vid varje lastbuss för totalt 19 lastbussar i IEEE 39-bussystemet med 760 DERs. DER-genereringen var 20 % av lasterna vid varje lastbuss, och DER:erna var jämnt fördelade.
Våra resultat visar att bara en fyra sekunders fördröjning orsakar systeminstabilitet när DER används för att tillhandahålla sekundär frekvenskontroll efter att systemet tappar en konventionell generator. I öppna kommunikationsnätverk, om flera avbrott inträffar, såsom en kommunikations-/routingfördröjning, överbelastning eller hög enhetssvarsfrekvens, är den totala fördröjningen minst några sekunder lång – och ju längre fördröjningen är, desto högre är risken för instabilitet. Om den avancerade DER-kontrolldesignen inte tar hänsyn till kommunikationsvariationer är risken för instabilitet ännu större – återigen, vilket indikerar varför det är viktigt att studera DER-frekvenssvaret.
Fallstudie av elfordon
I en annan fas av vår forskning grävde vi djupare i DER-frekvenssvar med en fallstudie om effekterna av elfordon (EV) på kraftsystemets frekvensreglering.
Elbilar utrustade med batterier har förmågan och flexibiliteten att (1) ge snabb frekvensrespons, (2) hjälpa till att mildra systemets frekvensfluktuationer och (3) förbättra systemets frekvensstabilitet. Frekvensreglering av fordon till nät kan emellertid också påverka både bulkkraftsystemets frekvenssvar och spänningsprofiler för lokala distributionsnät. Vi ville veta hur elbilar kunde stödja nätet om ett kommunikationsfel inträffade.
För att genomföra denna fallstudie lade vi till en ny dynamisk modell till vårt samsimuleringsverktyg för att explicit simulera EV-dynamik. Vi modellerade sedan scenarier med olika grader av kommunikationsfel. Vi fann att elnätsanslutna elbilar har stor potential att återställa systemfrekvensen, och de kan återställa den snabbast när de är aktiverade för att ändra status från full laddning till helt urladdning.
Det här är bara några höjdpunkter från vår senaste analys av kraftsystemdrift med utbredda DER, men vi har mycket mer forskning framför oss. Kommunikationsnätverk och kraftsystemet är i grunden sammanflätade nu, men de har historiskt sett blivit silo.
Det framtida energisystemet förlitar sig på kommunikationsnätet, och kommunikationsnätet förlitar sig också på energisystemet. Vi måste samarbeta över discipliner för att samplanera verksamheten och se till att lamporna förblir tända i en framtid med låg koldioxidutsläpp. + Utforska vidare
