Hoe beïnvloedt de bescherming van microgrids de veiligheid en effectiviteit van een elektriciteitsnetwerk?

De opzet en werking van een microgrid, vooral wanneer het gekoppeld is aan een BESS (Battery Energy Storage System), stelt ons voor complexe uitdagingen op het gebied van systeembeveiliging en stroomdistributie. Een microgrid kan de werking van de bestaande beschermingselementen in een netwerk verstoren, vooral wanneer deze deel uitmaakt van een groter netwerk en een directe verbinding heeft met het openbare distributiesysteem. Dit heeft grote implicaties voor de manier waarop we falen, overbelasting en foutdetectie aanpakken binnen een microgrid.

De traditionele beschermingselementen, zoals de overcurrent-beveiliging (51 V), kunnen echter ineffectief blijken wanneer het systeem gevoed wordt door een BESS. In dit geval is de door de inverter gevoede stroom zo gering dat overcurrent-elementen niet voldoende kunnen reageren. Dit probleem kan deels worden opgelost door voltagesupervisie, zoals bij de 51 V-elementen, maar dit vereist vaak de toevoeging van andere beschermingsmechanismen, zoals onderspanningbeveiliging (27). Dit laatste kan met een langere tijdvertraging worden ingesteld om de betrouwbaarheid van de 51 V-instellingen te waarborgen, aangezien het uitschakelen door een onderspanningsrelais geen informatie biedt over de locatie van de storing.

In het geval van een microgrid dat in eilandmodus werkt, wordt de functie van automatische herinschakeling vaak in twijfel getrokken. Het inschakelen van automatische herinschakeling kan problematisch zijn, aangezien het gehele PV-systeem vaak uitschakelt bij een storing. Dit zou kunnen verhinderen dat de BESS de storing effectief doorstaat en zichzelf herinschakelt. Het idee van herinschakeling wordt dan, afhankelijk van de specifieke omstandigheden van het systeem, vaak als overbodig beschouwd.

Bij microgrids is de bescherming tegen grondfouten en overbelasting vaak complexer dan bij traditionele systemen. Wanneer een microgrid wordt geïntroduceerd in een netwerk dat al beschikt over beschermingsinstellingen, kan dit leiden tot conflicten. Dit komt door de invloed van de grondstroom die wordt gegenereerd door de microgrid zelf, wat een negatief effect kan hebben op de efficiëntie van de bescherming. In het bijzonder kunnen grondfoutenoverspanning (GFOV) optreden, wat kan leiden tot een ongecontroleerde stijging van de spanning op gezonde fasen tijdens een storing. Dit maakt het nodig om grondfoutstromen effectief te beheren.

In systemen met meerdere grondbronnen kan de bescherming van het hoofdvoedingselement, zoals de hoofdtransformator, worden gedeactiveerd door de bijdrage van de microgrid zelf aan de foutstroom. Dit resulteert in een situatie waarbij de beschermingselementen van het distributiesysteem niet adequaat functioneren, omdat de foutstroom te laag is. Dit desensibilisatie-effect heeft invloed op de manier waarop foutlocaties worden gedetecteerd, aangezien de foutstroom van de microgrid de oorspronkelijke foutstroom van de bron in het distributiesysteem vermindert.

De keuze van de transformatorconfiguratie in het BESS speelt hierbij een cruciale rol. Bij een drie-draads delta-systeem kan een grondfout ervoor zorgen dat de gezonde fasen oplopen tot lijn-tot-lijn waarden, terwijl de foutfase geen foutstroom naar de grond levert. Het is essentieel om te begrijpen hoe de microgrid zijn bijdrage aan de foutstroom levert. In gevallen van een symmetrische fout is alleen het positieve-sequentiële netwerk actief, en de bijdrage van de substation-foutstroom wordt beïnvloed door de microgrid-infeed.

Een mogelijke oplossing voor het voorkomen van deze problemen is het gebruik van een goed geaarde BESS-transformator. Dit kan de grondfoutstroom efficiënt beheren en de schade aan het systeem beperken. Verschillende configuraties kunnen worden overwogen, zoals een solide geaarde BESS-transformator of een BESS-transformator gekoppeld aan een reactor van 40 ohm. Het doel is om de GFOV-waarde (Ground Fault Overvoltage) te verlagen en de algehele prestaties van het microgrid te verbeteren, door het ontwerp van de transformator zorgvuldig af te stemmen op de behoeften van het systeem.

Hoe kan de integratie van elektrische voertuigen in microgrids de efficiëntie en duurzaamheid verbeteren?

Microgrids zijn steeds belangrijker geworden in de ontwikkeling van duurzamere en flexibele energienetwerken. Ze bieden de mogelijkheid om lokaal energie te genereren, op te slaan en te gebruiken, wat leidt tot een verhoogde energiezekerheid en lagere afhankelijkheid van het traditionele elektriciteitsnet. In dit kader biedt de integratie van elektrische voertuigen (EV's) in microgrids een innovatieve oplossing voor het verbeteren van de efficiëntie en duurzaamheid van het systeem. Het gebruik van surplus energie uit meerdere elektrische voertuigen, die via Vehicle-to-Grid (V2G) technologie aan het microgrid wordt geleverd, kan tijdens piekuren een cruciale rol spelen in het balanceren van vraag en aanbod.

Een belangrijke uitdaging bij de integratie van hernieuwbare energiebronnen in microgrids is het beheer van de variabiliteit en onvoorspelbaarheid van deze bronnen. Wind- en zonne-energie zijn bijvoorbeeld sterk afhankelijk van weersomstandigheden, waardoor de netbalans verstoord kan raken. Dit probleem wordt verergerd door de afname van traditionele, vervuilende energiecentrales die geen flexibele aanpassingen kunnen maken. De introductie van geavanceerde regelsystemen voor de sturing van kracht-elektronische converters biedt hier een oplossing. Een specifieke familie van controletechnieken, bekend als grid-forming, lijkt veelbelovend om de negatieve effecten van het afnemen van synchrone generators in het stroomnet te compenseren.

De toepassing van grid-forming converters in microgrids is essentieel voor de stabiliteit en veerkracht van het systeem. Deze converters reguleren de spanning en de actieve en reactieve stroom in het netwerk, en simuleren het gedrag van traditionele synchrone generators. Er zijn verschillende benaderingen voor het beheer van deze converters, zoals de droop-regeling, de virtuele synchrone machine en de synchronverter, die elk hun eigen voor- en nadelen hebben. Het vergelijken van deze technieken, zoals uitgevoerd in het Typhoon HIL-testbed, levert waardevolle inzichten op in hun effectiviteit voor het stabiliseren van het microgrid.

Een specifieke uitdaging bij de controle van DC-microgrids is het behouden van een stabiele spanning op de DC-bus. Droop-regeling is een populaire techniek vanwege zijn eenvoudige integratie, maar kan niet altijd voldoen aan de eisen voor een perfecte spanningstabiliteit en snelle reactie. Om dit probleem te verhelpen, is er een nieuw raamwerk ontwikkeld dat gebruikmaakt van een energiebuffer, bestaande uit een condensator en een bidirectionele DC-DC-converter. Dit zorgt voor een gedecoupleerde regeling van de grid-forming converters en verbetert de prestaties van de DC-microgrid.

Bij het ontwerpen en testen van microgrids spelen Hardware-in-the-Loop (HIL) technologieën een cruciale rol. Deze technologieën, waaronder V-HIL, C-HIL en P-HIL, bieden gedetailleerde inzichten in de werking van microgrids onder verschillende omstandigheden. HIL-testen kunnen helpen bij het validatieproces van microgrid-systemen, door de prestaties van de controllers en andere componenten te simuleren voordat ze daadwerkelijk in het veld worden geïmplementeerd. Door gebruik te maken van HIL-technologie kan men niet alleen de effectiviteit van bestaande systemen verbeteren, maar ook de integratie van nieuwe technologieën zoals EV's en grid-forming converters verder optimaliseren.

Daarnaast is het belangrijk om te realiseren dat de integratie van nieuwe technologieën niet zonder uitdagingen komt. De interoperabiliteit van verschillende apparaten en systemen, de veiligheid van de communicatie-infrastructuur en de betrouwbaarheid van het systeem zijn cruciale aspecten die moeten worden meegenomen bij het ontwerp van microgrids. Het gebruik van standaarden zoals de IEEE- en IEC-voorschriften kan hierbij helpen om een gemeenschappelijke basis te creëren voor de implementatie van microgrids wereldwijd.

De voortdurende ontwikkeling van geavanceerde controlesystemen voor de integratie van elektrische voertuigen en andere hernieuwbare energiebronnen in microgrids biedt veelbelovende mogelijkheden voor de toekomst. Met de juiste combinatie van technologie, controlemechanismen en integratie kunnen microgrids niet alleen bijdragen aan een duurzamer energiegebruik, maar ook de veerkracht van netwerken vergroten, vooral in tijden van stijgende vraag of falende centrale energiecentrales.

Hoe beïnvloedt zelfconsumptie de kostenstructuur en winstgevendheid voor energieleveranciers?

De regelgeving rondom zelfconsumptie is locatie-afhankelijk en kan in de tijd variëren. Naast het basisrecht op zelfconsumptie kunnen er talrijke verschillen zijn in de uitvoering van deze regels. De inkomsten uit zelfgeconsumeerde elektriciteit kunnen eenvoudigweg bestaan uit besparingen op de elektriciteitsrekening of kunnen worden aangevuld met stimulansen zoals premies, bonussen of groene certificaten. Er kunnen ook heffingen op zelfgeconsumeerde elektriciteit zijn om de kosten van het net te dekken. De waarde die wordt toegekend aan overtollige energie die in het net wordt geïnjecteerd, kan variëren en kan bestaan uit energiecompensatie, een monetaire compensatie of zelfs helemaal geen compensatie. In gevallen van energiecompensatie ontvangt de consument een hoeveelheid kWh-credits die kunnen worden verrekend met de elektriciteitsimport van het net, wat leidt tot een verlaging van de elektriciteitsrekening. Dit wordt vaak "net-metering" of "net-balance" genoemd, waarbij de energie-uitwisseling meestal op een één-op-één basis gebeurt (één geïmporteerde kWh per één geëxporteerde kWh), hoewel er extra kosten of belastingen van toepassing kunnen zijn.

Het is niet verwonderlijk dat de meeste techno-economische beoordelingen in de academische literatuur de regulerende beperkingen die van kracht zijn op een bepaalde locatie vaak niet volledig meenemen in de analyse. Dit geldt vooral voor de mogelijke heffingen en belastingen die van toepassing kunnen zijn op de zelfgeconsumeerde en/of overtollige elektriciteit, of de invoering van opslagsystemen in het schema. Toch moet worden erkend dat deze regulerende beperkingen, die vaak worden verwaarloosd in de analyses, beleidsinstrumenten zijn die het uitrolpad van gedistribueerde installaties voor zelfconsumptie beïnvloeden en een niet te verwaarlozen impact hebben op de winstgevendheidsresultaten, en dus op de investeringsbeslissingen.

Bij de beoordeling van de economische impact van zelfconsumptie is het cruciaal dat de energieleverancier de tarieven voor de gevraagde en geconsumeerde energie correct vaststelt om de economische verwachtingen in te vullen, terwijl tegelijkertijd wordt gewaarborgd dat men concurrerend blijft op de elektriciteitsmarkt. Dit impliceert de noodzaak om zowel de vastgestelde stroomtarieven als de doorvoertarieven voor energie binnen een contract zorgvuldig te beheren.

Daarnaast moeten de energieleverancier en de consument rekening houden met de dynamische aard van de energiekosten, waarbij zelfconsumptie een buffer kan bieden tegen volatiliteit in de energieprijzen. De consument wordt niet alleen in staat gesteld om zijn elektriciteitskosten te verlagen, maar kan, afhankelijk van de compensatieregeling, zelfs profiteren van de surplusenergie die in het net wordt geïnjecteerd. Dit kan de financiële stabiliteit van zowel de consument als de energieleverancier bevorderen, mits de juiste regulerende kaders en marktstructuren zijn ingesteld.

Hoe beïnvloedt het negeren van de regelgevingsstructuur de kosten en besparingen in microgrids?

Het optimaliseren van energiebeheer binnen microgrids (MG) is een complexe taak, die een zorgvuldige afweging van verschillende kostencomponenten vereist. De keuze van de doelstellingsfunctie speelt hierbij een cruciale rol, met name wanneer het gaat om het integreren van het energieverbruik, de zelfconsumptie en de mogelijkheden voor teruglevering aan het net. De traditionele benaderingen negeren vaak belangrijke elementen, zoals de tariefstructuur van elektriciteit en de regelgevingskaders voor zelfconsumptie, wat kan leiden tot aanzienlijke fouten in de voorspellingen van kostenbesparingen en rendementen.

De impact van deze vereenvoudigde benadering wordt duidelijk wanneer we naar de resultaten in verschillende gevallen kijken, zoals weergegeven in de figuren van het oorspronkelijke artikel. In geval 1, waar geen opslagcapaciteit is, blijkt de werkelijke energieproductie van zonnepanelen (E_PVd,h) in overeenstemming te zijn met de som van de elektrische belasting (E_Ld,h) en de verbruikte energie door de PV-hulpmiddelen (E_Ad,h). Aangezien er geen opbrengsten worden gegenereerd voor overtollige elektriciteit die wordt teruggeleverd aan het net, wordt de zelfconsumptie geoptimaliseerd zonder dat er extra kosten of besparingen worden gerealiseerd.

Bovendien blijkt uit de resultaten dat, zelfs wanneer de uiteindelijke kosten hetzelfde zijn in gevallen zonder opslag (zoals in geval 1 en 3), de verwachte besparingen, gebaseerd op de vereenvoudigde benadering, aanzienlijk lager kunnen uitvallen dan de werkelijke kostenbesparingen. Dit kan leiden tot valse verwachtingen bij de investering in een microgrid, wat het belang benadrukt van het correct modelleren van de energiebehoeften en de bijbehorende kosten in de doelstellingsfunctie.

Het negeren van de regels en kostencomponenten die van invloed zijn op de energieprijzen, kan dus leiden tot een misinterpretatie van de daadwerkelijke besparingen en prestaties van een microgrid. Dit is een belangrijke overweging voor consumenten en investeerders die overwegen om in zelfconsumptie en hernieuwbare energiebronnen te investeren. Alleen door een nauwkeurige weergave van alle relevante kostencomponenten kan een microgrid zijn volledige potentieel benutten, wat uiteindelijk leidt tot meer realistische financiële voorspellingen en strategische keuzes voor energiebeheer.

De resultaten tonen aan hoe cruciaal het is om rekening te houden met de volledige set van kosten en regelgeving bij het modelleren van microgrids. Zonder de juiste integratie van deze elementen kan het systeem onjuiste of onrealistische besparingen voorspellen, wat leidt tot potentieel mislukte investeringen. Het niet integreren van deze belangrijke aspecten kan dus niet alleen de operationele efficiëntie beïnvloeden, maar ook de financiële haalbaarheid van projecten met betrekking tot microgrids.