Hoe Microgrids effectief energie uitwisselen: Strategieën en Controlemechanismen

Het effectief coördineren en efficiënt beheren van de energietransactie tussen microgrids via spanningsgestuurde converters (VSC’s) en lijnen vormt een belangrijke uitdaging die opgelost moet worden. Deze uitdaging vereist een goed ontwikkelde strategie voor het beheer van energie-uitwisseling binnen een gemeenschappelijk microgrid-cluster (CMG), evenals een geschikte structuur en controletechnieken voor de energie-elektronische converters. Het hoofddoel is om de energievoorziening van een microgrid met voldoende generatie over te dragen naar een naburig microgrid dat met een tekort aan energie kampt, wat leidt tot aanzienlijke frequentie- of spanningsdaling.

De VSC hoeft niet continu energie uit te wisselen, maar doet dit alleen wanneer een microgrid ondersteuning nodig heeft. Op dezelfde manier kan een microgrid dat wordt aangedreven door hernieuwbare bronnen, dat plotseling te veel energie genereert en daardoor een onaanvaardbare stijging in spanning of frequentie veroorzaakt, deze overtollige energie aan een naburig microgrid overdragen. Dit hoofdstuk bespreekt een geschikte strategie voor energie-uitwisseling met drie verschillende structuren voor de opzet van een CMG en de controleprincipes voor de converters die deze operaties mogelijk maken.

Deze techniek vergroot de veerkracht en zelfherstellend vermogen van elk microgrid, terwijl het de autonomie in de werking van de individuele microgrids waarborgt, waardoor ze kunnen functioneren bij elke gewenste frequentie en spanning. Bovendien kan dit mechanisme ook dienen als back-up voor CMG-netwerken die onder een gecentraliseerd controlesysteem opereren, in het geval van een storing van de communicatielink of andere onverwachte omstandigheden, wat de betrouwbaarheid verder vergroot.

De effectiviteit van dit mechanisme is geëvalueerd door verschillende scenario’s in microgrids te analyseren. Om de robuustheid en toepasbaarheid voor alle drie topologieën te demonstreren, is de techniek verder gevalideerd door middel van stabiliteits- en gevoeligheidsanalyse van het CMG-netwerk tegen de belangrijkste ontwerp- en operationele factoren. Een vergelijking van de geïmplementeerde controletechniek en kenmerken van de drie topologieën ten opzichte van andere benaderingen uit de literatuur is samengevat in Tabel 1.

Het mechanisme voor voorlopige energie-uitwisseling kan worden gerealiseerd door naburige microgrids te verbinden via een gemeenschappelijke energie-uitwisselingslink, waardoor energie kan worden uitgewisseld tijdens overbelasting of overtollige generatie. De naburige microgrids kunnen worden gekoppeld via een energie-elektronische converter-interface en ac/dc verbindingslijnen om een CMG te vormen. Deze strategie wordt bereikt door de frequentie van elk microgrid te monitoren en te regelen. Het is duidelijk dat autonome microgrids traditioneel werken met een droop-regeling om energie te delen tussen hun Distributed Energy Resources (DER’s). In dit regelingssysteem neemt de frequentie van een microgrid af wanneer de totale vraag toeneemt, en vice versa. Dit specifieke gedrag kan worden gebruikt als een indicatie voor energie-tekorten of -overschotten, waardoor de noodzaak voor gegevenscommunicatie of een gecentraliseerde controller wordt geëlimineerd.

Volgens het hierboven beschreven raamwerk kunnen de microgrids deelnemen aan het vormen van het CMG op basis van vooraf bepaalde normen, aangezien het toestaan van alle (of veel) microgrids om deel te nemen aan het CMG-netwerk mogelijk kan leiden tot systeeminstabiliteit. Daarom wordt de oprichting van een CMG toegestaan of geweigerd op basis van het bestaande belastingniveau van de microgrids, dat wordt bepaald door hun frequenties te meten. Afhankelijk van hun belastingniveau wordt elk microgrid gecategoriseerd in een van de drie categorieën: gezond (HMG), probleem (PMG) of zwevend (FMG), zoals hieronder gedefinieerd:

• Een HMG is een microgrid dat binnen zijn nominale frequentie- en spanningsbereik opereert en andere naburige microgrids kan ondersteunen door energie uit te wisselen.

• Een PMG is een microgrid dat overbelasting of overgeneratie ervaart. Een PMG binnen het CMG-netwerk wordt verwacht verbinding te maken met een of meer naburige HMG’s en energie uit te wisselen om zijn frequentie en spanning binnen acceptabele grenzen te houden.

• Een FMG is een microgrid waarvan de belasting in de grenszone van een PMG ligt. Het frequentie- of spanningsniveau bevindt zich dicht bij de maximale of minimale grenzen en mag daarom niet deelnemen aan energie-uitwisseling binnen het CMG.

Hoe draagt Hardware-in-the-Loop bij aan de flexibiliteit en betrouwbaarheid van microgrid-controle?

De toepassing van Hardware-in-the-Loop (HIL) technologie in microgrid-onderzoek en -ontwikkeling biedt een ongeëvenaarde flexibiliteit en precisie in het modelleren en testen van diverse gedistribueerde energiebronnen (DER’s) en microgridcomponenten. Door de integratie van verschillende systemen zoals zonne-inverters, dieselgeneratoren, batterijsystemen, actieve filters, en niet-lineaire belastingen in één testomgeving, wordt een realistische en veelzijdige evaluatie mogelijk gemaakt. Dit stelt onderzoekers in staat om zowel eenvoudige actieve stroombronnen als complexe, met regelsystemen gesimuleerde vermogensstadia te modelleren en te testen, wat van cruciaal belang is voor het ontwikkelen van robuuste en veerkrachtige microgrid-oplossingen.

De meerlaagse HIL-methodologie biedt bijzondere voordelen bij het simuleren van foutcondities die moeilijk in een fysieke microgrid te repliceren zijn, zoals kortsluitingen, storingen in omvormers en grote vermogensfluctuaties. De mogelijkheid om de microgridstructuur snel te herconfigureren en externe controllers of SCADA-systemen aan te sluiten maakt het experimenteren met verschillende scenario’s efficiënt en dynamisch. Hierdoor kunnen onderzoekers de betrouwbaarheid en prestaties van het microgrid onder uiteenlopende omstandigheden nauwkeurig bestuderen.

De integratie van geavanceerde controle- en beschermingsplatforms, gebaseerd op HIL, maakt het mogelijk om fouten snel en nauwkeurig te detecteren binnen DC-microgrids, waarbij een combinatie van gecentraliseerde controle en lokale parameterbewaking wordt gebruikt. Dit verhoogt de veerkracht van het systeem tegen storingen aanzienlijk. Optimalisatie van energiemanagement in microgrids met hernieuwbare energiebronnen en batterijen wordt vaak bereikt via analytische methoden, zoals de Lagrange-multipliers, die rekening houden met onzekerheden in de energieopwekking, de winsten van de operator en de ondersteuning van het hoofdnet.

De beveiliging van microgrids tegen cyberaanvallen wordt eveneens onderzocht met behulp van HIL-testbeds. Hierbij worden AI-algoritmes ingezet om valse data-injecties te detecteren en te mitigeren, waarbij een back-up actieplan binnen het testbed wordt geïntegreerd. Dit benadrukt de noodzaak van cybersecurity binnen gedistribueerde energiesystemen en toont aan hoe HIL-omgevingen een cruciale rol spelen in de validatie van dergelijke beschermingsmechanismen.

Wat betreft de besturing van gedistribueerde energiebronnen, tonen onderzoeken het gebruik van inverter-gebaseerde systemen met droop-control en virtuele impedantie aan hoe het delen van belasting tussen bronnen efficiënt en betrouwbaar kan verlopen, zowel in stand-alone als in netgekoppelde modi. Het automatisch schakelen tussen deze modi via de Phase Locked Loop (PLL) vergemakkelijkt soepele overgang en verhoogt de continuïteit van de energielevering.

HIL wordt ook ingezet voor het testen van communicatie-gebaseerde energiebeheerstrategieën in hybride microgrids, waarbij systemen zoals PV-inverters en batterijomvormers samenwerken binnen een SCADA-omgeving. Het gebruik van programmeertalen zoals Python binnen deze systemen maakt flexibele en efficiënte implementaties mogelijk die gericht zijn op kostenminimalisatie en stabiliteit van het energienet.

Hiërarchische energiemanagementstrategieën met master-slave topologieën bieden technische voordelen in het optimaliseren van microgridprestaties, waarbij lokale controllers specifieke doelstellingen nastreven, zoals het stabiliseren van gelijkspanning en het maximaliseren van vermogensopbrengst, terwijl centrale controllers met fuzzy logic de levensduur van batterijen beschermen en energiebalans bewaken. Validatie van deze strategieën met realtime simulators bevestigt hun effectiviteit en conformiteit met internationale standaarden.

De verscheidenheid aan onderzoeksprojecten en testmethodes benadrukt dat het gebruik van HIL-technologie in microgrid-ontwikkeling niet alleen de testmogelijkheden aanzienlijk verbreedt, maar ook diepgaande inzichten biedt in systeemprestaties, fouttolerantie en beveiliging. Het is essentieel voor de lezer om te begrijpen dat het succes van moderne microgrids niet alleen afhangt van de hardwarecomponenten, maar in hoge mate ook van de geavanceerde en flexibele controle- en beheersystemen die met behulp van HIL uitgebreid getest en geoptimaliseerd kunnen worden. Deze systemen zijn onmisbaar voor de transitie naar duurzame en betrouwbare energie-infrastructuren, waar nauwkeurige simulaties en snelle aanpassingen aan veranderende omstandigheden cruciaal zijn.