Beskyttelse af strømsystemets frekvens med stigende distribuerede energiressourcer

Distribuerede energiressourcer (DER'er) med avanceret kontrol kan levere tjenester til nettet, såsom frekvensrespons. Men for at gøre det, i modsætning til konventionelle generatorer, skal DER'er typisk regelmæssigt udveksle signaler med fjerntliggende kontrolcentre.

Disse åbne kommunikationsnetværk udsætter nettet for kommunikationsforsinkelser, cybertrusler og andre risici. Efterhånden som DER'er i stigende grad føjes til nettet, bliver det mere kritisk at forstå, hvor lang tid det tager for enheder at kommunikere med kontrolcentre, og konsekvenserne for at opretholde en stabil frekvens på nettet.

Hos NREL hjælper vi med at bygge bro mellem elsystemteknik og kommunikationsnetværk. Dette vil være særligt vigtigt med den forventede spredning af DER'er, da USA sigter mod 100 % ren elektricitet i 2035 og en netto-nul-kulstoføkonomi i 2050.

I løbet af de sidste to år har vi undersøgt DER'ers evne til at levere frekvensreguleringstjenester og, hvad der er vigtigt, hvad der sker, hvis deres kontrolalgoritmer ikke tager højde for kommunikationsvariationer. Vi tester dette spørgsmål gennem avanceret grid-modellering og testcases for at validere vores metodologi. Dette arbejde er støttet af U.S. Department of Energy's Office of Electricity Advanced Grid Research and Development-program.

Vi oplever generelt, at jo længere kommunikationsforsinkelsen er mellem enheden og kontrolcenteret, desto større er chancen for ustabilitet i nettet – hvilket fremhæver, hvorfor det er afgørende vigtigt at forstå transmissions- og distributionsdynamikken med stigende DER'er.

Udvikling af den rigtige co-simuleringsmodel

For at begynde at undersøge dette emne var vi først nødt til at udvikle den rigtige model til at simulere distributions- og transmissionsdynamik med høj DER-implementering – hvilket ikke rigtig er blevet udforsket grundigt.

Strømudgangen fra DER'er kan potentielt påvirke lokale spændingsprofiler, så det er vigtigt at overveje lokal spænding i DER-frekvensreguleringsanalyse for at undgå problemer i distributionsnetværk. Eksisterende frekvensdynamiske simuleringsværktøjer blev imidlertid udviklet hovedsageligt til transmissionssystemet og kan ikke simulere distributionsnetværksdynamik med høj penetration af DER'er.

Så vi hos NREL udviklede en ny ramme for DER-frekvensresponsanalyse baseret på open source Hierarchical Engine for Large-scale Infrastructure Co-Simulation (HELICS) platformen. HELICS simulerer regional og sammenkoblingsskala strømsystemadfærd ved at integrere transmissions-, distributions- og kommunikationsdomæner.

Fordelen ved vores nye transmission-and-distribution (T&D) dynamiske co-simuleringsplatform er, at DER'er modelleres eksplicit og præcist i både transmissions- og distributionssimulatorer for henholdsvis frekvens- og spændingsdynamik. Denne modellering giver os de perspektiver, vi har brug for for at studere, hvordan DER'er kan levere frekvensrespons. Flere detaljer om denne T&D dynamiske co-simuleringsmodel kan findes i vores artikel i IEEE Transactions on Smart Grid .

Undersøgelse af virkningen af ​​kommunikationsforsinkelser

Et vigtigt aspekt ved at studere DER-frekvensrespons er at forstå virkningen af ​​DER-kommunikationsforsinkelser, eller hvad der sker, hvis noget går galt.

Ved at bruge vores nye co-simuleringsværktøj i den første fase af vores forskning modellerede vi snesevis af meget detaljerede scenarier i stor skala med forskellige grader af DER-kommunikationsfejl.

Vi brugte et syntetisk distributionsnetværk som vores testcase, inklusive 40 DER'er ved hver belastningsbus for i alt 19 belastningsbusser i IEEE 39-bussystemet med 760 DER'er. DER-genereringen var 20 % af belastningerne ved hver belastningsbus, og DER'erne var jævnt fordelt.

Vores resultater viser, at blot en forsinkelse på fire sekunder forårsager systemustabilitet, når der bruges DER'er til at give sekundær frekvenskontrol, efter at systemet mister en konventionel generator. I åbne kommunikationsnetværk, hvis der opstår flere afbrydelser, såsom en kommunikations-/routingforsinkelse, overbelastning eller høj enhedssvarhastighed, er den samlede forsinkelse mindst et par sekunder lang – og jo længere forsinkelsen er, jo højere er risikoen for ustabilitet. Hvis det avancerede DER-kontroldesign ikke tager højde for kommunikationsvariationer, er risikoen for ustabilitet endnu større – igen, hvilket indikerer, hvorfor det er vigtigt at studere DER-frekvensrespons.

Casestudie af elektriske køretøjer

I en anden fase af vores forskning gravede vi dybere ned i DER-frekvensrespons med et casestudie om virkningerne af elektriske køretøjer (EV'er) på strømsystemets frekvensregulering.

Elbiler udstyret med batterier har evnen og fleksibiliteten til (1) at give hurtig frekvensrespons, (2) hjælpe med at afbøde systemets frekvensudsving og (3) forbedre systemets frekvensstabilitet. Køretøj-til-net-frekvensregulering kan imidlertid også påvirke både bulkkraftsystemets frekvensrespons og lokale distributionsnetværks spændingsprofiler. Vi ville gerne vide, hvordan elbiler kunne understøtte nettet, hvis der opstod en kommunikationsfejl.

For at udføre dette casestudie tilføjede vi en ny dynamisk model til vores co-simuleringsværktøj for eksplicit at simulere EV-dynamik. Derefter modellerede vi scenarier med forskellige grader af kommunikationsfejl. Vi fandt ud af, at el-tilsluttede elbiler har et stort potentiale til at genoprette systemfrekvensen, og de kan gendanne den hurtigst, når de er aktiveret til at ændre status fra fuldt opladet til fuldt afladet.

Dette er blot nogle få højdepunkter fra vores nylige analyse af energisystemdrift med udbredte DER'er, men vi har meget mere forskning foran os. Kommunikationsnetværk og strømsystemet er fundamentalt sammenflettet nu, men alligevel er de historisk set blevet silo.

Det fremtidige energisystem er afhængigt af kommunikationsnetværket, og kommunikationsnetværket er også afhængigt af energisystemet. Vi skal arbejde sammen på tværs af discipliner for at samplanlægge driften og sikre, at lyset forbliver tændt i en fremtid med lavt kulstofforbrug. + Udforsk yderligere

Undersøgelse kaster lys over nye IEEE-standardkategorier, der viser effektsystemets effekt