Hoe kan de variatie van de DC-linkspanning de prestaties van een microgrid beïnvloeden?

De impact van de variatie van de DC-linkspanning op de prestaties van een microgrid is een belangrijk onderwerp bij het ontwerp en de werking van deze systemen. Het vermogen van een microgrid om in een controleerbare modus te werken, wordt bepaald door de nauwkeurigheid waarmee de werkelijke actieve en reactieve vermogens van de omvormers hun respectieve referentiewaarden volgen. Dit zorgt ervoor dat de microgrid op de juiste manier reageert op veranderingen in de belasting en de systeemvereisten. In dit opzicht is het essentieel om te begrijpen hoe de variatie van de DC-linkspanning de vermogensoutput van de omvormers kan beïnvloeden.

Er zijn verschillende scenario's die deze variaties demonstreren. In een van de onderzochte gevallen, weergegeven in figuur 31, varieerde de DC-linkspanning van DG1, terwijl de spanningen van de DC-links van DG2 en DG3 constant bleven op 5775 V. Het blijkt dat ondanks de variatie in de DC-linkspanning van DG1, de output van de werkelijke vermogens voor zowel de eerste als de tweede geval vrijwel hetzelfde bleef. Dit wijst op de robuustheid van de omvormers in hun vermogen om de actieve en reactieve vermogens nauwkeurig te regelen, zelfs wanneer de DC-linkspanning fluctueert.

Hoewel de omvormers in veel gevallen in een onder-modulatiemodus werken, kan er een andere situatie optreden wanneer de belasting ongelijk verdeeld is, wat kan leiden tot over-modulatie in bepaalde DG's, zoals te zien is in figuur 36. In dergelijke gevallen moeten de ontwerpers van het microgrid extra voorzorgsmaatregelen nemen om de invloed van negatieve-sequentie stroom te verminderen. Dit kan onder meer door het toepassen van filters in de omvormerbesturing en het kiezen van een hogere DC-linkspanning voor elke omvormer.

Een ander belangrijk aspect van de ontwerppraktijk van microgrids is de noodzaak om een compensatie voor ongebalanceerde stromen aan de belastingzijde in te voeren. Vooral bij het aandrijven van drie-fase belastingen zoals inductiemotoren, waar een striktere balans tussen de fasen vereist is, kunnen negatieve-sequentie stromen een probleem vormen. Het gebruik van ongebalanceerde stroomcompensatie aan de laadzijde kan helpen om de negatieve effecten van deze stromen te verminderen en de stabiliteit van het systeem te waarborgen.

Er is ook de kwestie van de effectiviteit van verschillende methoden om schakelverliezen te verminderen, zoals het gebruik van narrow pulse removal in de poortsignalen van de omvormer. Dit proces helpt bij het verminderen van schakelverliezen en verhoogt de algehele efficiëntie van het microgrid, wat belangrijk is voor zowel de kosten als de prestaties van het systeem.

Bij het ontwerpen van microgrids is het belangrijk om te overwegen hoe de verschillende componenten, zoals de omvormers, back-up generators, en stroomcompensatoren, met elkaar samenwerken om de stabiliteit en efficiëntie van het systeem te waarborgen. Het gebruik van multi-stage omvormers kan bijvoorbeeld helpen om een hogere vermogensoutput te bereiken, terwijl het tegelijkertijd de problemen van negatieve en nul-sequentie stromen vermijdt. Bovendien is het essentieel om de juiste aardingssystemen te ontwerpen om de elektromagnetische interferentie (EMI) te minimaliseren en de veiligheid van het systeem te waarborgen.

Het ontwerp van een microgrid kan variëren afhankelijk van de schaal van het systeem en de specifieke vereisten van de toepassing. Voor kleinschalige microgrids kan het nuttig zijn om een variabele vermogensoutput te gebruiken, terwijl voor grotere systemen een meer constante vermogensoutput van de grid-forming generator wenselijk is. In beide gevallen moeten de ontwerpers zorgvuldig de invloed van variaties in de DC-linkspanning en andere operationele factoren in overweging nemen.

Bij de opzet van een autonoom microgrid moet men ook rekening houden met de uitdagingen die voortvloeien uit het gebruik van een drie-fase systeem, zoals de negatieve-sequentie en nul-sequentie stromen. Het bouwen van een enkel-fase autonome microgrid kan kosteneffectiever zijn, omdat dit de problemen met negatieve-sequentie stromen vermijdt die vaak optreden in drie-fase systemen. Dit is vooral relevant bij langeafstandstransmissie, waar gedistribueerde capacitantie tussen de lijnen en de grond kan leiden tot de vorming van nul-sequentie stromen.

Hoe werkt marktgebaseerde real-time frequentieregulatie in nanogrids?

Frequentieregulatie is een kritieke dienst binnen elektriciteitsnetwerken, waarbij kleine fluctuaties in frequentie door een mismatch tussen vraag en aanbod voortdurend in balans worden gehouden. Dit proces wordt steeds meer uitgevoerd via gedistribueerde systemen, zoals nanogrids, die in staat zijn om flexibel en lokaal elektriciteit te beheren en te leveren. Binnen dit kader wordt frequentieregulatie niet langer gezien als een traditionele grootschalige centrale dienst, maar als een marktgedreven activiteit waarin microproducenten, of prosumers, actief kunnen deelnemen.

De markt voor frequentieregulatie werkt met een gelaagde structuur. Prosumers bieden capaciteit aan op een markt waar hun betrokkenheid, uitgedrukt via een engagementfactor, afhankelijk is van de capaciteit die ze toewijzen aan de dienst. Deze engagementfactor, die de verhouding weergeeft tussen toegewijde regulatiecapaciteit en de maximale capaciteit van de nanogrid, bepaalt de prioriteit van een nanogrid bij het leveren van frequentieregulatie. Door deze factor worden nanogrids met een grotere gereserveerde capaciteit gestimuleerd om actiever deel te nemen, wat leidt tot een efficiëntere inzet van beschikbare middelen.

De real-time uitvoering van deze regulatie vindt plaats via een peer-to-peer communicatiestructuur. Nanogrids wisselen continu informatie uit over hun output en frequentieafwijkingen, waardoor zij gezamenlijk kunnen bijsturen. Deze samenwerking wordt mogelijk gemaakt door een pinning-based synchronisatiecontroleprotocol, dat ervoor zorgt dat de frequentie van elke nanogrid convergeert naar een referentiewaarde. Nanogrids met directe toegang tot deze referentiefrequentie, zogenaamde pinning-nanogrids, sturen anderen aan om hun frequentieafwijkingen te minimaliseren, wat resulteert in een stabiele en gecoördineerde netfrequentie.

De onderliggende wiskundige modellen tonen aan dat deze regelmethoden asymptotische stabiliteit kunnen bereiken, wat betekent dat frequentieafwijkingen na verloop van tijd volledig verdwijnen mits de communicatieverbindingen en pinning-parameters correct zijn ingesteld. Dit garandeert niet alleen betrouwbaarheid, maar ook economische efficiëntie, doordat alleen nanogrids die zich optimaal inzetten beloond worden.

De markthandel in frequentieregulatiecapaciteit verloopt via een veilingproces, waarin producenten hun capaciteit en bijbehorende kosten aanbieden, terwijl consumenten hun vraag en maximale prijs aangeven. Deze mechanismen worden ondersteund door een transactieplatform, vaak beheerd door een Balancing Responsible Party (BRP), die de biedingen koppelt op basis van prijs en hoeveelheid. Dit stimuleert een competitieve markt waarin prosumers actief participeren en economische prikkels ontvangen voor hun bijdrage aan de stabiliteit van het net.

Belangrijk is te beseffen dat deze mechanismen verder gaan dan puur technische oplossingen; ze vormen een fundament voor de toekomstige energietransitie. Prosumers die deelnemen aan deze markten veranderen van passieve gebruikers in actieve marktdeelnemers die waarde toevoegen aan het netwerk. Dit vereist echter dat zij inzicht hebben in complexe marktwerking, flexibiliteit in hun energiegedrag, en een vertrouwen in gedistribueerde technologieën en communicatieprotocollen. Daarnaast is het essentieel om de beveiliging en betrouwbaarheid van de communicatie tussen nanogrids te waarborgen om manipulatie en storingen te voorkomen.

Het evenwicht tussen economische prikkels en technische betrouwbaarheid vormt de kern van deze innovatie. Alleen als beide aspecten worden gewaarborgd, kunnen nanogrids een significante rol spelen in de toekomst van energievoorziening. Verder is het belangrijk dat regelgevers en beleidsmakers dit nieuwe ecosysteem faciliteren door passende kaders te scheppen waarin marktwerking en technische samenwerking hand in hand gaan.