Microgrid

Ett mikronät är ett lokalt elnät med definierade elektriska gränser, som fungerar som en enda och kontrollerbar enhet. Den kan fungera i nätanslutet och i öläge. Ett " fristående mikronät" eller " isolerat mikronät" fungerar endast utanför nätet och kan inte anslutas till ett bredare elsystem.

Ett nätanslutet mikronät fungerar normalt kopplat till och synkront med det traditionella bredarea synkrona nätet (makrogrid), men kan kopplas bort från det sammankopplade nätet och fungera autonomt i "öläge" som tekniska eller ekonomiska förhållanden dikterar. På så sätt förbättrar de försörjningssäkerheten inom mikronätcellen och kan leverera nödkraft, växla mellan ö- och anslutna lägen. Denna typ av nät kallas " öbara mikronät" .

Ett fristående mikronät har sina egna elkällor, kompletterat med ett energilagringssystem . De används där kraftöverföring och distribution från en större centraliserad energikälla är för långt och kostsamt att driva. De erbjuder ett alternativ för landsbygdens elektrifiering i avlägsna områden och på mindre geografiska öar. Ett fristående mikronät kan effektivt integrera olika källor för distribuerad produktion (DG), särskilt förnybara energikällor (RES).

Kontroll och skydd är svårigheter för mikronät, eftersom alla kringtjänster för systemstabilisering måste genereras inom mikronätet och låga kortslutningsnivåer kan vara utmanande för selektiv drift av skyddssystemen. En viktig egenskap är också att tillhandahålla flera användbara energibehov, såsom uppvärmning och kyla förutom el, eftersom detta möjliggör energibäraresersättning och ökad energieffektivitet på grund av spillvärmeutnyttjande för uppvärmning, tappvarmvatten och kylningsändamål (tvärsektoriell energianvändning ).

Definitioner

United States Department of Energy Microgrid Exchange Group definierar ett mikronät som en grupp av sammankopplade laster och distribuerade energiresurser (DER) inom tydligt definierade elektriska gränser som fungerar som en enda kontrollerbar enhet med avseende på nätet. Ett mikronät kan ansluta och koppla från nätet för att det ska fungera i både anslutet eller ö-läge.

Berkeley Lab definierar: "Ett mikronät består av energigenerering och energilagring som kan driva en byggnad, ett campus eller ett samhälle när det inte är anslutet till elnätet, t.ex. i händelse av en katastrof." Ett mikronät som kan kopplas bort från elnätet (vid "punkten för gemensam koppling" eller PCC) kallas ett "öbart mikronät".

Ett EU-forskningsprojekt beskriver ett mikronät som omfattande distributionssystem för lågspänning (LV) med distribuerade energiresurser (DER) ( mikroturbiner , bränsleceller , solceller (PV), etc.), lagringsenheter ( batterier , svänghjul ) energilagringssystem och flexibla laster. Sådana system kan fungera antingen anslutna eller frånkopplade från stamnätet. Driften av mikrokällor i nätverket kan ge fördelar för den övergripande systemprestandan, om den hanteras och koordineras effektivt.

Electropedia definierar ett mikronät som en grupp av sammankopplade laster och distribuerade energiresurser med definierade elektriska gränser, som bildar ett lokalt elkraftsystem på distributionsspänningsnivåer, vilket innebär både låg- och mellanspänning upp till 35 kV. Detta kluster av associerade konsument- och producentnoder fungerar som en enda kontrollerbar enhet och kan fungera i antingen nätanslutet eller öläge.

Ett fristående mikronät eller isolerat mikronät, ibland kallat "ö-nät", fungerar bara utanför nätet och kan inte anslutas till ett bredare elkraftsystem. De är vanligtvis utformade för geografiska öar eller för elektrifiering på landsbygden. I många icke-industrialiserade länder kallas mikronät som används för att ge tillgång till elektricitet i tidigare oelektrifierade områden ofta som " mininät" .

Ett typiskt schema för ett elektriskt baserat mikronät med förnybara energiresurser i nätanslutet läge

Campusmiljö/institutionella mikronät

Fokus för campus microgrids är att sammanföra befintlig generering på plats för att stödja flera laster placerade i ett snävt geografiskt område där en ägare enkelt kan hantera dem.

Gemenskapens mikronät

Gemenskapens mikronät kan betjäna tusentals kunder och stödja penetrationen av lokal energi (el, värme och kyla). I ett gemenskapsmikronät kan vissa hus ha några förnybara källor som kan tillgodose deras efterfrågan såväl som deras grannar inom samma samhälle. Gemenskapens mikronät kan också ha ett centraliserat eller flera distribuerade energilager. Sådana mikronät kan vara i form av ett växelströms- och likströmsmikronät kopplade samman genom en dubbelriktad kraftelektronisk omvandlare.

Fjärrstyrda mikronät utanför nätet

Dessa mikronät är i allmänhet inte konstruerade eller avsedda att ansluta till makronätet och fungerar istället i ett öläge hela tiden på grund av ekonomiska problem eller geografisk position. Vanligtvis byggs ett "off-grid"-mikronät i områden som är långt borta från all överförings- och distributionsinfrastruktur och därför inte har någon koppling till elnätet. Studier har visat att driften av ett avlägset område eller öars off-grid mikronät, som domineras av förnybara källor, kommer att minska den utjämnade kostnaden för elproduktion under livslängden för sådana mikronätprojekt. I vissa fall är mikronät utanför nätet verkligen införlivat i ett nationellt nät eller "makrogrid", en process som kräver teknisk, regulatorisk och juridisk planering.

Stora avlägsna områden kan försörjas av flera oberoende mikronät, vart och ett med olika ägare (operatör). Även om sådana mikronät traditionellt är utformade för att vara självförsörjande med energi, intermittenta förnybara källor och deras oväntade och skarpa variationer orsaka oväntat strömbrist eller överdriven produktion i dessa mikronät. Utan energilagring och smarta kontroller kommer detta omedelbart att orsaka oacceptabla spännings- eller frekvensavvikelser i mikronäten. För att råda bot på sådana situationer är det möjligt att provisoriskt sammankoppla sådana mikronät till ett lämpligt intilliggande mikronät för att utbyta kraft och förbättra spännings- och frekvensavvikelserna. Detta kan uppnås genom en kraftelektronikbaserad switch efter en korrekt synkronisering eller en back-to-back-anslutning av två kraftelektronikomvandlare och efter att ha bekräftat stabiliteten hos det nya systemet. Bestämningen av ett behov av att sammankoppla närliggande mikronät och hitta det lämpliga mikronätet att koppla ihop med kan uppnås genom optimering eller beslutsfattande tillvägagångssätt.

Eftersom fjärranslutna mikronät ofta är små och byggda från grunden, har de potential att införliva bästa praxis från den globala elsektorn och att införliva och driva energiinnovation. Det är numera vanligt att se fjärranslutna mikronät som till stor del drivs av förnybar energi och drivs med smarta kontroller på kundnivå, något som inte alltid är lätt att implementera i den större kraftsektorn på grund av befintliga intressen och äldre, redan existerande infrastruktur .

Militära basmikronät

Dessa mikronät utplaceras aktivt med fokus på både fysisk säkerhet och cybersäkerhet för militära anläggningar för att säkerställa tillförlitlig kraft utan att förlita sig på makronätet .

Kommersiella och industriella (C&I) mikronät

Dessa typer av mikronät mognar snabbt i Nordamerika och östra Asien; Men bristen på välkända standarder för dessa typer av mikronät begränsar dem globalt. Huvudskälen till installationen av ett industriellt mikronät är strömförsörjningssäkerhet och dess tillförlitlighet. Det finns många tillverkningsprocesser där ett avbrott i strömförsörjningen kan orsaka stora intäktsförluster och lång uppstartstid. Industriella mikronät kan utformas för att tillhandahålla med cirkulär ekonomi (nära-)nollutsläpp, och kan integrera kombinerad värme- och kraftproduktion (CHP), som matas av både förnybara källor och avfallshantering; energilagring kan dessutom användas för att optimera driften av dessa delsystem.

Topologier för mikronät

Det behövs arkitekturer för att hantera flödet av energi från olika typer av källor in i elnätet. Således kan mikronätet klassificeras i tre topologier:

AC mikronät

Strömkällor med AC-utgång är anslutna till AC-bussen genom AC/AC-omvandlare som kommer att omvandla AC-variabel frekvens och spänning till AC-vågform med en annan frekvens vid en annan spänning. Medan strömkällor med DC-utgång använder DC/AC-omvandlare för anslutning till AC-bussen.

DC mikronät

I DC-mikronätstopologi är strömkällor med DC-utgång anslutna till DC-bussen direkt eller med DC/DC-omvandlare. Å andra sidan är strömkällor med AC-utgång anslutna till DC-bussen via AC/DC-omvandlare.

Hybrid mikronät

Hybridmikronätet har topologi för både strömkällans AC- och DC-utgång. Dessutom är AC- och DC-bussar anslutna till varandra genom en dubbelriktad omvandlare, vilket gör att ström kan flyta i båda riktningarna mellan de två bussarna.

Grundkomponenter i mikronät

The Solar Settlement , ett hållbart bostadsgemenskapsprojekt i Freiburg , Tyskland.

Lokal generation

Ett mikronät presenterar olika typer av produktionskällor som matar el, värme och kyla till användaren. Dessa källor är indelade i två huvudgrupper – termiska energikällor (t.ex. naturgas- eller biogasgeneratorer eller mikrokraftvärme ) och förnybara energikällor (t.ex. vindkraftverk och solenergi).

Konsumtion

I ett mikronät avser förbrukning helt enkelt element som förbrukar elektricitet, värme och kyla, som sträcker sig från enstaka enheter till belysning och värmesystem i byggnader, kommersiella centra etc. Vid kontrollerbara belastningar kan elförbrukningen modifieras enligt till nätverkets krav.

Energilagring

I mikronät kan energilagring utföra flera funktioner, såsom att säkerställa strömkvalitet, inklusive frekvens- och spänningsreglering, jämna ut produktionen av förnybara energikällor, tillhandahålla reservkraft till systemet och spela en avgörande roll i kostnadsoptimering. Den inkluderar all kemisk, elektrisk, tryck-, gravitations-, svänghjuls- och värmelagringsteknik. När flera energilager med olika kapacitet är tillgängliga i ett mikronät är det föredraget att samordna deras laddning och urladdning så att ett mindre energilager inte laddas ur snabbare än de med större kapacitet. Likaså är det att föredra att en mindre inte blir fulladdad före de med större kapacitet. Detta kan uppnås under en samordnad kontroll av energilagringar baserat på deras laddningstillstånd. Om flera energilagringssystem (eventuellt arbetar med olika teknologier) används och de styrs av en unik övervakningsenhet (ett energiledningssystem - EMS), kan en hierarkisk styrning baserad på en master/slav-arkitektur säkerställa bästa drift, särskilt i öläge.

Point of Common Coupling (PCC)

Detta är den punkt i den elektriska kretsen där ett mikronät är anslutet till ett huvudnät. Mikronät som inte har en PCC kallas isolerade mikronät som vanligtvis finns på avlägsna platser (t.ex. avlägsna samhällen eller avlägsna industrianläggningar) där en sammankoppling med huvudnätet inte är möjlig på grund av varken tekniska eller ekonomiska begränsningar.

Fördelar och utmaningar med mikronät

Fördelar

Ett mikronät kan fungera i nätanslutna och fristående lägen och hantera övergången mellan de två. I det nätanslutna läget kringtjänster tillhandahållas genom handelsaktivitet mellan mikronätet och stamnätet. Andra möjliga intäktsströmmar finns. I öläge bör den verkliga och reaktiva effekten som genereras inom mikronätet, inklusive den som tillhandahålls av energilagringssystemet, vara i balans med efterfrågan av lokala belastningar. Microgrids erbjuder ett alternativ för att balansera behovet av att minska koldioxidutsläppen med att fortsätta tillhandahålla pålitlig elektrisk energi under perioder när förnybara kraftkällor inte är tillgängliga. Microgrids erbjuder också säkerheten att härdas från hårt väder och naturkatastrofer genom att inte ha stora tillgångar och miles av ledningar ovan jord och annan elektrisk infrastruktur som behöver underhållas eller repareras efter sådana händelser.

Ett mikronät kan växla mellan dessa två lägen på grund av planerat underhåll, försämrad strömkvalitet eller brist i värdnätet, fel i det lokala nätet eller av ekonomiska skäl. Genom att modifiera energiflödet genom mikronätskomponenter underlättar mikronät integreringen av förnybar energi, såsom solcells-, vind- och bränslecellsgenerationer, utan att kräva omdesign av det nationella distributionssystemet. Moderna optimeringsmetoder kan också införlivas i energiledningssystemet för mikronät för att förbättra effektivitet, ekonomi och motståndskraft.

Utmaningar

Microgrids, och integreringen av DER-enheter i allmänhet, introducerar ett antal operativa utmaningar som måste hanteras vid utformningen av kontroll- och skyddssystem, för att säkerställa att nuvarande nivåer av tillförlitlighet inte påverkas nämnvärt, och de potentiella fördelarna av Distributed Generation (DG) enheter utnyttjas fullt ut. Vissa av dessa utmaningar härrör från antaganden som vanligtvis tillämpas på konventionella distributionssystem som inte längre är giltiga, medan andra är resultatet av stabilitetsproblem som tidigare endast observerats på överföringssystemnivå. De mest relevanta utmaningarna inom skydd och kontroll av mikronät inkluderar:

Dubbelriktade kraftflöden: Närvaron av distribuerade genereringsenheter (DG) i nätverket vid låga spänningsnivåer kan orsaka omvända effektflöden som kan leda till komplikationer i skyddskoordinering, oönskade effektflödesmönster, felströmsfördelning och spänningskontroll .
Stabilitetsfrågor: Interaktioner mellan styrsystem för GD-enheter kan skapa lokala svängningar, vilket kräver en grundlig stabilitetsanalys med små störningar. Dessutom kan övergångsaktiviteter mellan nätanslutna och öar (fristående) driftsätt i ett mikronät skapa övergående instabilitet. Nyligen genomförda studier har visat att likströms (DC) mikronätgränssnitt kan resultera i en betydligt enklare kontrollstruktur, mer energieffektiv distribution och högre strömkapacitet för samma linjeklassificeringar.
Modellering: Många egenskaper hos traditionella system, såsom förekomsten av trefasbalanserade förhållanden, främst induktiva transmissionsledningar och konstanteffektbelastningar, stämmer inte nödvändigtvis för mikronät, och följaktligen måste modeller revideras.
Låg tröghet: Microgrids uppvisar en låg tröghetsegenskap som gör dem annorlunda än bulkkraftsystem, där ett stort antal synkrona generatorer säkerställer en relativt stor tröghet. Detta fenomen är mer uppenbart om det finns en betydande andel av DG-enheter med kraftelektroniskt gränssnitt i mikronätet. Den låga trögheten i systemet kan leda till allvarliga frekvensavvikelser i ölägesdrift om en korrekt styrmekanism inte implementeras. Synkrongeneratorer går på samma frekvens som nätet, vilket ger en naturlig dämpande effekt på plötsliga frekvensvariationer. Synkronomriktare är växelriktare som efterliknar synkrona generatorer för att tillhandahålla frekvenskontroll. Andra alternativ inkluderar styrning av batterienergilagring eller ett svänghjul för att balansera frekvensen.
Osäkerhet: Driften av mikronät innebär att man tar itu med mycket osäkerhet, vilket är något den ekonomiska och pålitliga driften av mikronät är beroende av. Belastningsprofil och väder är två osäkerheter som gör denna samordning mer utmanande i isolerade mikronät, där den kritiska balansen mellan efterfrågan och utbud och vanligtvis högre komponentfelfrekvenser kräver att man löser ett starkt kopplat problem över en längre tidshorisont. Denna osäkerhet är högre än i bulkkraftsystem, på grund av det minskade antalet belastningar och starkt korrelerade variationer av tillgängliga energiresurser (medelvärdeseffekten är mycket mer begränsad).

Modelleringsverktyg

För att planera och installera mikronät korrekt krävs ingenjörsmodellering. Det finns flera simuleringsverktyg och optimeringsverktyg för att modellera de ekonomiska och elektriska effekterna av mikronät. Ett allmänt använt ekonomiskt optimeringsverktyg är DER-CAM (Distributed Energy Resources Customer Adoption Model) från Lawrence Berkeley National Laboratory . En annan är HOMER (Hybrid Optimization Model for Multiple Energy Resources), som ursprungligen utvecklades av National Renewable Energy Laboratory . Det finns också några kraftflödes- och elektriska designverktyg som vägleder mikronätutvecklare. Pacific Northwest National Laboratory designade det allmänt tillgängliga GridLAB-D-verktyget och Electric Power Research Institute (EPRI) designade OpenDSS. Ett europeiskt verktyg som kan användas för simulering av el-, kyl-, värme- och processvärmebehov är EnergyPLAN från Aalborg Universitet i Danmark. Verktyget OnSSET för nätplanering med öppen källkod har implementerats för att undersöka mikronät med hjälp av en analys i tre nivåer som börjar med bosättningsarketyper (fallstudier med Bolivia ).

Microgrid kontroll

Hierarkisk kontroll

När det gäller arkitekturen för mikronätstyrning, eller något kontrollproblem, finns det två olika tillvägagångssätt som kan identifieras: centraliserad och decentraliserad. En helt centraliserad kontroll förlitar sig på en stor mängd informationsöverföring mellan involverande enheter innan ett beslut fattas vid en enda punkt. Implementeringen är svår eftersom sammankopplade kraftsystem vanligtvis täcker utsträckta geografiska platser och involverar ett enormt antal enheter. Å andra sidan, i en helt decentraliserad styrning, styrs varje enhet av sin lokala styrenhet utan att känna till andras situation. En kompromiss mellan dessa två extrema kontrollscheman kan uppnås med hjälp av ett hierarkiskt kontrollschema som består av tre kontrollnivåer: primär, sekundär och tertiär.

Primär kontroll

Den primära styrningen är utformad för att uppfylla följande krav:

För att stabilisera spänningen och frekvensen
Att erbjuda plug and play-kapacitet för DERs och korrekt dela den aktiva och reaktiva kraften mellan dem, helst utan några kommunikationslänkar
För att mildra cirkulerande strömmar som kan orsaka överströmsfenomen i kraftelektroniska enheter

Den primära styrningen tillhandahåller börvärdena för en lägre styrenhet som är spännings- och strömregleringsslingorna för DER:er. Dessa inre styrslingor kallas vanligen nollnivåkontroll.

Sekundär kontroll

Sekundär styrning har typiskt sekunder till minuter samplingstid (dvs. långsammare än den föregående) vilket motiverar den frånkopplade dynamiken hos de primära och sekundära styrslingorna och underlättar deras individuella design. Börvärdet för primär styrning ges av sekundär styrning där den, som en centraliserad styrenhet, återställer mikronätets spänning och frekvens och kompenserar för avvikelser orsakade av variationer av belastningar eller förnybara källor. Den sekundära styrningen kan också utformas för att tillgodose strömkvalitetskraven, t.ex. spänningsbalansering vid kritiska bussar.

Tertiär kontroll

Tertiär kontroll är den sista (och den långsammaste) kontrollnivån, som tar hänsyn till ekonomiska problem vid optimal drift av mikronätet (provtagningstiden är från minuter till timmar), och hanterar kraftflödet mellan mikronätet och huvudnätet. Denna nivå involverar ofta förutsägelse av väder, nättariffer och belastningar under de närmaste timmarna eller dagen för att utforma en plan för leverans av generatorer som ger ekonomiska besparingar. Mer avancerade tekniker kan också ge fullständig kontroll över ett mikronät med hjälp av maskininlärningstekniker som djup förstärkningsinlärning .

I händelse av nödsituationer som strömavbrott kan tertiär kontroll hantera en grupp sammankopplade mikronät för att bilda vad som kallas "mikronätklustring", som fungerar som ett virtuellt kraftverk för att fortsätta leverera kritiska belastningar. Under dessa situationer bör den centrala styrenheten välja ett av mikronäten som slack (dvs. master) och resten som PV och lastbussar enligt en fördefinierad algoritm och de befintliga förhållandena i systemet (dvs. efterfrågan och generering). I detta fall bör kontrollen vara realtid eller åtminstone med en hög samplingshastighet.

IEEE 2030.7

Ett mindre nyttoinfluerat styrramverk är det från Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE 2030.7. Konceptet bygger på 4 block: a) Enhetsnivåkontroll (t.ex. spännings- och frekvenskontroll), b) Lokalområdeskontroll (t.ex. datakommunikation), c) Övervakande (mjukvara) kontroll (t.ex. framåtblickande sändningsoptimering av genererings- och lastresurser) , och d) Grid-lager (t.ex. kommunikation med verktyg).

Elementär kontroll

Det finns ett brett utbud av komplexa styralgoritmer, vilket gör det svårt för små mikronät och användare av distribuerade energiresurser ( DER) i bostäder att implementera energilednings- och kontrollsystem. Kommunikationsuppgraderingar och datainformationssystem kan vara dyra. Vissa projekt försöker förenkla och minska kostnaden för kontroll via hyllprodukter (t.ex. med en Raspberry Pi).

Exempel

Hajjah och Lahj, Jemen

UNDP-projektet "Enhanced Rural Resilience in Yemen" (ERRY) använder samhällsägda solcellsmikronät. Det sänker energikostnaderna till bara 2 cent per timme (medan dieselproducerad el kostar 42 cent per timme). Den vann Ashden Awards for Humanitarian Energy 2020.

Île d'Yeu

Ett tvåårigt pilotprogram, kallat Harmon'Yeu, inleddes under våren 2020 för att koppla samman 23 hus i Ker Pissot-kvarteren och omgivande områden med ett mikronät som automatiserades som ett smart nät med programvara från Engie . Sextiofyra solpaneler med en toppkapacitet på 23,7 kW installerades på fem hus och ett batteri med en lagringskapacitet på 15 kWh installerades på ett hus. Sex hus lagrar överskott av solenergi i sina varmvattenberedare. Ett dynamiskt system fördelar energin från solpanelerna och lagrad i batteriet och varmvattenberedarna till systemet med 23 hus. Smart grid-mjukvaran uppdaterar dynamiskt energiförsörjning och energibehov i 5 minuters intervaller, bestämmer om energi ska hämtas från batteriet eller panelerna och när den ska lagras i varmvattenberedarna. Detta pilotprogram var det första sådana projektet i Frankrike.

Les Anglais, Haiti

Ett trådlöst hanterat mikronät är utplacerat på landsbygden i Les Anglais , Haiti. Systemet består av en arkitektur i tre nivåer med en molnbaserad övervaknings- och kontrolltjänst, en lokal inbyggd gateway-infrastruktur och ett mesh-nätverk av trådlösa smarta mätare utplacerade i över 500 byggnader.

Icke-tekniska förluster (NTL) utgör en stor utmaning när man tillhandahåller tillförlitlig eltjänst i utvecklingsländer, där den ofta står för 11-15 % av den totala produktionskapaciteten. En omfattande datadriven simulering av 72 dagars trådlösa mätardata från ett 430-hems mikronät utplacerat i Les Anglais undersökte hur man särskiljer NTL från de totala strömförlusterna, vilket hjälpte till att upptäcka energistöld.

Mpeketoni, Kenya

Mpeketoni Electricity Project, ett samhällsbaserat dieseldrivet mikronätsystem, sattes upp på landsbygden i Kenya nära Mpeketoni. På grund av installationen av dessa mikronät har Mpeketoni sett en stor tillväxt i sin infrastruktur. Sådan tillväxt inkluderar ökad produktivitet per arbetare, vid värden på 100 % till 200 %, och en ökning av inkomstnivån på 20–70 % beroende på produkt.

Stone Edge Farm Winery

En mikroturbin, bränslecell, flera batterier, väteelektrolysator och PV-aktiverad vingård i Sonoma, Kalifornien.

Se även