Hoe Intergeconnecteerde Microgrid Clusters de Betrouwbaarheid en Stabiliteit van Off-Grid Energievoorzieningen Verbeteren

Microgrids zijn kleinschalige, verbonden netwerken van gedistribueerde generators die vaak voornamelijk op hernieuwbare energiebronnen gebaseerd zijn en die gebruik maken van vermogenselektronica voor het aansluiten van gedistribueerde belastingen en energieopslag. Deze systemen kunnen opereren volgens een gecentraliseerd, semi-gecentraliseerd of gedecentraliseerd controlemechanisme, en kunnen in twee modi functioneren: als verbonden met het net of in een autonome (eiland)modus. Wanneer een nutsnetwerk niet haalbaar is vanwege economische redenen of de ligging in afgelegen gebieden, kunnen microgrids autonomisch functioneren om de kosten van lange transmissie- en distributielijnen te vermijden en tegelijkertijd de integratie van een groot aantal hernieuwbare energiebronnen mogelijk te maken.

In autonome microgrids speelt droop-control een belangrijke rol bij de verdeling van het actieve en reactieve vermogen tussen de gedistribueerde generators, zodat de spanning en frequentie van het systeem binnen de toegestane grenzen blijven. Dit zorgt voor de stabiliteit van het systeem, zelfs bij variaties in de opgewekte energie, en het vermogen wordt efficiënt gedeeld zonder dat complexe communicatie-infrastructuur vereist is. Dit biedt een aanzienlijke kostenbesparing, vooral in afgelegen gebieden waar andere oplossingen vaak te duur zijn.

Om dergelijke problemen te verhelpen, kunnen microgrid clusters in een bepaald geografisch gebied tijdelijk met elkaar worden verbonden, waardoor een efficiëntere en kosteneffectievere manier ontstaat om overbelasting of overproductie te beheersen. De verbindingslinken tussen de microgrids kunnen bestaan uit drie-fase wisselstroom (AC), enkel-fase wisselstroom of een gelijkstroom (DC)-link. Deze verbindingen maken gebruik van vermogenselektronica om de netwerken te koppelen en het vermogen effectief tussen de microgrids te verdelen, zonder dat data-communicatie nodig is. Dit is mogelijk dankzij een gedecentraliseerd controlemechanisme op basis van lokale metingen, waardoor de microgrids autonoom kunnen blijven functioneren, zelfs wanneer ze zich in verschillende standaarden bevinden.

De effectiviteit van dit systeem is geïllustreerd door simulatiestudies, waarin wordt aangetoond dat een dergelijk gedecentraliseerd controlemechanisme helpt bij het handhaven van de frequentie en het verlichten van de negatieve effecten van overbelasting of overproductie. Dit biedt een robuuste en efficiënte manier om de stabiliteit en betrouwbaarheid van microgrids te waarborgen, zelfs in de meest uitdagende omstandigheden.

Daarnaast moet bij de planning van autonome microgrids rekening worden gehouden met de seizoensgebonden variabiliteit, de onvoorspelbaarheid van hernieuwbare energiebronnen en de kosten van brandstoftransport. Risicogebaseerde planning kan de kans op energiegebrek verminderen, maar dit komt vaak met hogere initiële kapitaalkosten, bijvoorbeeld door het overdimensioneren van de gedistribueerde generators of het installeren van grootschalige energieopslagsystemen. Het vinden van de juiste balans tussen kosten en prestaties is essentieel voor het succes van microgridprojecten in afgelegen gebieden.

In de toekomst zal de integratie van virtuele krachtcentrales (VPP’s), die gebruik maken van een netwerk van gedistribueerde energiebronnen zoals elektrische voertuigen, een belangrijke rol spelen in de optimalisatie van de werking van autonome microgrids. VPP’s maken het mogelijk om de productie en het verbruik van hernieuwbare energie efficiënter te coördineren, wat niet alleen de stabiliteit van de microgrid zelf ten goede komt, maar ook bijdraagt aan de bredere energienetwerken.

Wat is het ideale DC-spanningsniveau voor een microgrid in woningen?

In de afgelopen jaren is de populariteit van DC-microgrids aanzienlijk gestegen, vooral vanwege hun verbeterde efficiëntie, verhoogde betrouwbaarheid en vereenvoudigde besturing en beheer in vergelijking met traditionele AC-microgrids. Dit wordt steeds relevanter gezien de toename van het aantal DC-apparaten, vooral in residentiële toepassingen. De uitdaging ligt in het bepalen van het ideale DC-spanningsniveau voor deze apparaten, aangezien dit het uitgangspunt is voor de algehele effectiviteit en stabiliteit van het systeem.

DC-microgrids werken op gelijkstroom en maken gebruik van hernieuwbare energiebronnen, zoals windturbines en zonnepanelen, in combinatie met energiebufferingssystemen zoals batterijen, die helpen bij het opvangen van de intermittentie van de energieproductie. Dit maakt het systeem niet alleen energie-efficiënter, maar ook betrouwbaarder in termen van het opvangen van fluctuaties in energieproductie en -verbruik. Het gebruik van DC in plaats van AC voor residentiële toepassingen voorkomt bovendien verlies van energie door de aanwezigheid van AC-naar-DC-omzetters in elk apparaat. Dit levert niet alleen kostenbesparingen op, maar verhoogt ook de algehele systeemefficiëntie doordat de noodzaak voor extra omzetters in veel apparaten vervalt.

Er zijn echter enkele uitdagingen die het implementeren van DC-microgrids voor residentiële toepassingen bemoeilijken. Ten eerste is het vereist om het ideale spanningsniveau te bepalen dat geschikt is voor de meeste huishoudelijke apparaten. Er zijn verschillende spanningsniveaus voor DC-systemen, variërend van 12 V tot 800 V DC, afhankelijk van de toepassing en het ontwerp van het systeem. De keuze van de spanning heeft invloed op de energie-efficiëntie, de veiligheid van gebruikers en de kosten van het systeem.

In de praktijk zijn verschillende spanningsniveaus gebruikt voor DC-toepassingen, waaronder 12 V, 24 V, 48 V, 120 V, 220 V en zelfs hogere spanningen zoals 750 V of 1500 V. Elk van deze spanningen heeft zijn eigen voor- en nadelen, afhankelijk van de specifieke behoeften van het systeem. Spanningsniveaus tussen 12 V en 48 V worden vaak gebruikt voor systemen met lage vermogensbehoefte en korte afstanden. Ze zijn relatief veilig en bieden een breed scala aan compatibele apparaten. Echter, naarmate het vermogen en de afstand toenemen, zal het verlies van energie toenemen, wat bij hogere spanningen minder problematisch is.

Een ander belangrijk aspect van het ontwerpen van een DC-microgrid is de keuze van de juiste componenten, zoals fotovoltaïsche (PV) systemen en batterijopslag. Het is cruciaal om de capaciteit van deze systemen goed te dimensioneren op basis van het verwachte energieverbruik en de variabiliteit van de energieproductie. Dit vereist gedetailleerde simulaties en een grondige analyse van het gedrag van de systemen onder verschillende omstandigheden. In dit verband is het belangrijk om de balans te vinden tussen de initiële kosten van de systemen en de lange termijn efficiëntie en betrouwbaarheid.

Het simuleren van een klein DC-microgrid kan waardevolle inzichten bieden in hoe de verschillende componenten samen werken. Een model dat bijvoorbeeld gebruik maakt van een MATLAB/Simulink-omgeving kan helpen bij het visualiseren van de prestaties van het microgrid onder verschillende scenario's. De resultaten van dergelijke simulaties kunnen aantonen of het systeem operationeel haalbaar is en hoe de verschillende componenten optimaal kunnen worden geschaald en geïntegreerd.

Wat belangrijk is voor de lezer, is dat de overgang naar een DC-microgrid niet alleen voordelen biedt in termen van energie-efficiëntie, maar ook bijdraagt aan de verduurzaming van woningen. De integratie van hernieuwbare energiebronnen en energieopslagsystemen maakt het mogelijk om woningen energie-onafhankelijk te maken, wat op lange termijn kostenbesparingen oplevert en de afhankelijkheid van traditionele netwerken vermindert.

De implementatie van een DC-microgrid vereist echter gedegen planning en kennis van de verschillende spanningsniveaus en componenten die nodig zijn. De juiste keuzes maken op het gebied van spanningsniveaus, systeemontwerp en componentdimensies is essentieel om te zorgen voor een betrouwbaar en efficiënt microgrid dat de energiebehoeften van een moderne woning kan vervullen.

Hoe kan de stabiliteit van hybride AC/DC-microgrids worden verbeterd met behulp van een POD-controller?

In hybride AC/DC-microgrids, waar zowel AC- als DC-lasten en -bronnen naast elkaar functioneren, is het essentieel om de stabiliteit van het systeem te waarborgen, vooral wanneer dynamische belastingen zoals inductiemotoren (IM’s) worden toegevoegd of wanneer storingen optreden. Deze belasting kan leiden tot fluctuaties in spanningen en frequenties, wat de werking van het hele systeem negatief kan beïnvloeden. Het gebruik van een Power Oscillation Damping (POD) controller kan echter een belangrijke rol spelen in het dempen van deze oscillaties en het verbeteren van de algehele systeemprestaties.

In een ander scenario, met 18,75% dynamische belasting, wordt een 200 kW constante impedantielast toegevoegd aan het DC-subgrid. Dit veroorzaakt vergelijkbare fluctuaties in de spanningen en frequenties van het systeem. De toevoeging van de POD-controller zorgt ervoor dat de oscillaties in de rotor snelheid van de inductiemotoren aanzienlijk afnemen en dat de spanningsdips in zowel het AC- als het DC-subgrid snel worden hersteld. De ILC (interlinking converter) die het AC- en DC-subgrid verbindt, heeft ook baat bij de POD-controller, wat resulteert in een betere overdracht van energie tussen de twee grids.

Een derde scenario betreft een lijn-naar-grond fout op het AC-subgrid PCC, die 150 milliseconden duurt. Fouten van dit type kunnen dramatische verstoringen veroorzaken, met aanzienlijke variaties in de rotorsnelheid van de motor en in de spanningen van zowel het AC- als het DC-subgrid. Ook hier blijkt de POD-controller effectief te zijn in het minimaliseren van de negatieve gevolgen van de fout door het stabiliseren van de rotorsnelheid en het beperken van de spanningsafwijkingen.

Hoewel de POD-controller positieve resultaten heeft opgeleverd in de gesimuleerde scenario’s, is het belangrijk te begrijpen dat de effectiviteit ervan in grote mate afhankelijk is van de specifieke karakteristieken van het netwerk, zoals de X/R-verhouding. De stabiliteit van een microgrid wordt aanzienlijk beïnvloed door deze verhouding; een hogere X/R-verhouding draagt doorgaans bij aan een grotere stabiliteitsmarge. Dit betekent dat microgrids met een lagere X/R-verhouding mogelijk meer last hebben van spannings- en frequentieoscillaties, en dat het gebruik van een POD-controller in dergelijke systemen nog belangrijker wordt.

Het vergelijken van de POD-controller met andere strategieën in de literatuur, zoals de 2-DOF actieve dempingscontroller, laat zien dat, hoewel andere methoden nuttig kunnen zijn, de POD-controller bijzonder geschikt blijkt te zijn voor hybride AC/DC-microgrids. Dit komt vooral door de mogelijkheid van de POD-controller om effectief te reageren op dynamische belastingstoenames en storingen in een breed scala van operationele scenario’s.

Belangrijk is dat bij de toepassing van dergelijke controllers in real-world omgevingen niet alleen rekening gehouden moet worden met de prestaties van de controller zelf, maar ook met de stabiliteit van het gehele netwerk, de dynamica van de aangesloten apparaten, en de specifieke aard van de belasting. Microgrids zijn complexe systemen waarin verschillende bronnen en belastingen samenwerken, en de integratie van technologieën zoals de POD-controller kan essentieel zijn voor het handhaven van een betrouwbare en efficiënte werking.

Hoe verbetert een adaptieve ANFIS-POD-controller de stabiliteit en prestaties in hybride AC/DC-microgrids bij belastingsveranderingen?

Wanneer een extra belasting van 300 kW wordt aangesloten op het AC-deelnet van een hybride AC/DC-microgrid, levert het Energy Storage System (ESS) de benodigde energie op basis van de afwijking van spanning en frequentie ten opzichte van een referentiepunt. Uit de meetresultaten blijkt dat met gelijke versterkingen voor beide regelaars het ESS meer actieve energie injecteert en daarmee een betere respons garandeert. Door de toename van de actieve energie-injectie van het ESS verbetert het spanningsprofiel tijdens belastingverstoringen zichtbaar. Dit is vooral cruciaal wanneer de inductiemotor (IM) een hogere belasting ondergaat, aangezien dan meer dempingstoevoer nodig is om snelheidsoscillaties af te zwakken.

Bij een scenario van 26,72% belastingverstoringen op het AC-deelnet toont de adaptieve controller zijn robuustheid zelfs bij niet eerder getrainde IM-configuraties. Het systeem reageert adequaat op plotselinge belastingstoenames en -verminderingen, waarbij zowel het AC- als het DC-deelnet een stabieler spanningsprofiel vertonen dan met een niet-adaptieve regeling. Oscillaties in de rotor- en busspanningen worden aanzienlijk verminderd doordat het ESS tijdig en proportioneel energie levert.

In het DC-deelnet, waar bijvoorbeeld een 200 kW belasting wordt toegevoegd en verwijderd, veroorzaakt onbalans in energie ook oscillaties die via de Interlink Converter (ILC) worden doorgegeven aan het AC-deelnet. De adaptieve POD-controller minimaliseert deze effecten door een betere regeling van de actieve vermogensinjectie, wat de rotorsnelheidsschommelingen en spanningsdips aanzienlijk afzwakt. Dit wijst op een verbeterde stabiliteit, ook bij grote dynamische veranderingen en niet-lineaire systeemgedragingen die ontstaan door meerdere parallel geschakelde IM’s met verschillende vermogens.

Bovendien draagt de adaptieve regeling bij aan het soepel opvangen van onverwachte gebeurtenissen, zoals het uitvallen van een 250 kW zonnepaneelinstallatie in het AC-deelnet. De ESS herkent onmiddellijk het ontstane generatie- en vraagtekort en levert aanvullende energie om frequentie- en spanningsverstoringen te dempen. Hierdoor blijft het microgrid stabiel en functioneel zonder noemenswaardige prestatieverlies.

In hybride AC/DC-microgrids speelt de ILC een cruciale rol door drie bedrijfsmodi te hanteren: autonome vermogensregeling, spannings- en frequentieondersteuning voor het AC-net, en spanningsondersteuning voor het DC-net. Het gebruik van meerdere ILC’s verhoogt echter kosten, efficiëntieverlies door circulatiestromen en het risico op schade. Het integreren van een centraal ESS met een adaptieve ANFIS-POD-controller vermindert deze nadelen door een efficiëntere en robuustere regeling van het systeemvermogen, waardoor betrouwbaarheid en levensduur van de componenten toenemen.

Het is cruciaal om te begrijpen dat stabiliteit in hybride AC/DC-microgrids niet alleen afhankelijk is van krachtige energieopslag en regelalgoritmen, maar ook van de interactie tussen diverse subsystemen zoals IM’s, ILC’s, en distributienetwerken. Complexiteit en niet-lineariteit nemen toe bij parallelloop van verschillende vermogenscomponenten, waardoor adaptieve en intelligente regelstrategieën essentieel zijn. Ook het monitoren van spannings- en frequentieafwijkingen in beide deelnetten is van groot belang om tijdig en nauwkeurig in te grijpen. Tot slot is het belangrijk te beseffen dat hoewel geavanceerde controllers zoals ANFIS-POD aanzienlijke voordelen bieden, de totale systeemprestaties mede afhangen van een holistische aanpak, waaronder ontwerp, componentkeuze, en operationele strategieën.

Hoe kunnen nanogrids optimaal deelnemen aan markten voor energiebalancering en aanvullende diensten?

In de energiemarkten van de toekomst speelt de interactie tussen verschillende marktplaatsen voor energie, zoals de energiebalanceringsmarkt en de markt voor aanvullende diensten, een cruciale rol in het optimaliseren van energieproductie en -verbruik. De vraag naar en het aanbod van energie moeten in real-time worden afgestemd om de netstabiliteit te waarborgen. In dit complexe systeem van marktmechanismen is het essentieel dat de deelnemende operatoren, zoals de nanogrids, zorgvuldig afwegen hoeveel capaciteit zij beschikbaar stellen voor de verschillende markten.

In de tweede fase wordt het aanbod van de producenten gekoppeld aan het aanbod van de consumenten. De operator van de balansrespons (BRP) speelt een cruciale rol in het 'matchmaking' proces, waarbij producenten en consumenten op basis van hun biedingen en aanbiedingen worden gematcht. Het doel is om een eerlijke prijs te bepalen voor de transactie die wordt uitgevoerd tussen de producent en consument. Het proces houdt rekening met tijdstippen van indiening en de beschikbare capaciteit van de netverbindingen, wat een invloed kan hebben op de uiteindelijke transacties.

Naast de P2P-handel, moeten nanogrids ook actief deelnemen aan de balanceringsmarkt en de markt voor frequentieregeling. De balanceringsmarkt is van belang wanneer er een discrepantie is tussen het aanbod en de vraag naar energie in het netwerk. De operator van de BRP zal de kracht van de netwerkinvulling bekendmaken en de beschikbare nanogrids kunnen vervolgens hun capaciteit aanbieden tegen een prijs die ze bereid zijn te accepteren. De nanogrids kunnen hun energiecapaciteit aanbieden voor de balanceringsmarkt om de energievraag op te vangen, of ze kunnen deelnemen aan de markt voor aanvullende diensten, zoals frequentieregulatie, die essentieel is voor de stabiliteit van het netwerk. De capaciteit die wordt aangeboden in de balanceringsmarkt kan worden betaald op basis van verschillende vergoedingsmechanismen, zoals de marginale prijs (MP), de betaalde prijs op basis van biedingen (PAB) of de opportuniteitskosten (PAO).

De optimale strategie voor een producent nanogrid om deel te nemen aan deze markten houdt in dat de beschikbare capaciteit zorgvuldig wordt toegewezen om het hoogste rendement te behalen. Dit houdt in dat de producent moet beslissen welk percentage van hun beschikbare capaciteit ze willen aanbieden voor de balanceringsmarkt en welk percentage ze willen inzetten voor aanvullende diensten. De beslissing wordt genomen op basis van de verwachte prijzen en de potentiële opbrengsten van beide markten. Het doel is om de capaciteit zodanig toe te wijzen dat de nettowinst van de producent wordt gemaximaliseerd.

Het proces wordt verder gecompliceerd door de noodzaak om de kosten van het afstemmen van de vraag en het aanbod in realtime te minimaliseren, terwijl tegelijkertijd de capaciteit van het netwerk wordt behouden. In dit kader speelt de BRP een cruciale rol door de vraag van het netwerk te voorspellen en het clearingproces efficiënt te beheren. Dit vereist niet alleen een diepgaande kennis van de marktdynamiek, maar ook het vermogen om snel en adequaat te reageren op veranderingen in de netbalans.

De keuze van de capaciteitsvergoedingsmechanismen (CRM) is van essentieel belang voor de producenten. De marktvorming in de energiemarkten vereist dat producenten hun strategieën afstemmen op de specifieke kenmerken van de markten waaraan ze deelnemen. Dit betekent dat een producent zorgvuldig moet overwegen welk mechanisme het beste aansluit bij hun capaciteitsaanbod en de verwachte prijsontwikkelingen op de markten.

Het optimaal aanbieden van capaciteit in zowel de balanceringsmarkt als de markt voor aanvullende diensten vereist niet alleen een inzicht in de technische mogelijkheden van de nanogrid, maar ook een strategische benadering van de marktvraag en prijsstelling. De keuzes die door de producenten worden gemaakt, hebben direct invloed op hun winstgevendheid en de algehele efficiëntie van de energiemarkten.