Hoe de controle van DC-link spanning en LSC in microgrid clusters kan worden ontworpen en beheerd

Een belangrijk aspect van het ontwerp van de DC-link spanningcontroller is het gebruik van de K-factor methode. Deze techniek maakt het mogelijk om een regulator te ontwerpen die de spanning van de DC-link kan stabiliseren door gebruik te maken van een specifieke overbrengingsfunctie. Zoals getoond in de figuur van de systeemopzet, wordt de gesloten-lus dynamica van het systeem als volgt voorgesteld: $G_{OL}(s) = G_c(s) G_{dc}(s) = -\frac{2}{s\tau_{dc} + 1}$. Dit systeemmodel helpt bij het begrijpen hoe de spanning snel kan worden gereguleerd door een snelle spanningsfeedbacklus, veel sneller dan de vermogensregelingslus. De vermogensregelingslus is minder snel, maar het is essentieel voor het handhaven van de gewenste spanning op de DC-link.

De controle van de LSC voor een HMG vereist gebruik van een hoek-spannings droopregeling. Dit systeem verschilt van de traditionele frequentie-spannings droop, die gebruikelijk is voor gedistribueerde energiebronnen (DER's). De hoek-spannings droop helpt de frequentie van de interverbindingen op een vast niveau te houden, zoals 50 Hz, door de hoek- en spanningsreferenties dynamisch aan te passen op basis van de veranderende belasting en de vermogensvereisten van de microgrids. De omrekening van deze referenties naar de αβ-coördinaten stelt de controller in staat om de juiste spanning en fasehoek te berekenen, wat essentieel is voor een stabiele werking.

$$T_{\text{max}} = \sqrt{K} \left( \frac{v}{f} \right)^2 \frac{R_s f}{ 2 \pi (L_s + L_r)^2 }$$

Verschillende onderzoekers hebben extra controllers voorgesteld om torsionele oscillaties te dempen. Zo werd in de literatuur een extra dempingscontroller gekoppeld aan de bestaande VFD geïntroduceerd om deze oscillaties te verminderen, terwijl andere studies een dempingsregeling direct op de inductiemotor toepassen om torsionele oscillaties tijdens transiënten te beheersen. Het is duidelijk dat de lage-frequentie oscillaties die verband houden met inductiemotoren een aanzienlijke invloed kunnen hebben op de stabiliteit van microgrids.

Onder normale bedrijfstoestanden, wanneer de totale generatie en belasting gelijk zijn, blijft de snelheid van de roterende machines constant. Echter, bij transienten (bijvoorbeeld als gevolg van een plotselinge verandering in de belasting) raken deze evenwichten verstoord, waardoor spannings- en vermogensoscillaties optreden. Deze oscillaties kunnen zich verspreiden door het systeem en zelfs leiden tot een onstabiele toestand in de microgrid. Het vermogen van een synchroonmachine om deze verstoringen te stabiliseren wordt bepaald door twee componenten: de synchroniserende kracht (die te maken heeft met de rotatiehoek van de rotor) en de dempingskracht (die verband houdt met de snelheidsafwijking van de rotor). Het ontbreken van voldoende synchroniserende kracht of demping kan leiden tot een toename van de rotorhoek of oscillatoire instabiliteit.

$$\frac{d^2\delta}{dt^2} M = P_{\text{mec}} - P_{\text{ele}}$$

Wanneer een gedistribueerde energiebron (DER) is aangesloten op een microgrid, kunnen kleine krachtoscillaties optreden die worden veroorzaakt door verstoringen in het microgrid. De kleine veranderingen in de hoek van de spanning van de DER kunnen worden gemodelleerd door de volgende vergelijking:

waarbij $R_1, R_2, X_1, X_2$ de weerstanden en reactanties van de lijnen zijn. Door deze vergelijkingen kan het complexe vermogen worden bepaald, wat helpt bij het voorspellen van de elektrische dynamica van de machine. Dit vermogen heeft directe implicaties voor de stabiliteit van het systeem.

De dempingseigenschappen kunnen worden gemodelleerd met behulp van de volgende formule:

$$\frac{d \Delta T_{\text{damp}}}{dt} = D \Delta \omega$$

In de praktijk zullen de effectiviteit en de werking van dergelijke dempingssystemen afhankelijk zijn van verschillende factoren, waaronder de aard van de belasting, de eigenschappen van de motor, en de specifieke kenmerken van het microgrid. Het is van essentieel belang om bij de ontwerp van deze systemen rekening te houden met de complexiteit van de interacties tussen de verschillende componenten van het netwerk.

Hoe kunnen Microgrids optimaal deelnemen aan Peer-to-Peer Energiehandel in een Locale Markt?

In de hedendaagse energiemarkten speelt de coördinatie tussen distributienetbeheerders (DSO) en transmissienetbeheerders (TSO) een cruciale rol in het handhaven van de stabiliteit van de netwerken. Voor microgrids (MG) die deelnemen aan peer-to-peer (P2P) energiehandel, is dit een essentieel aspect van hun strategische besluitvorming. De DSO speelt hierin een centrale rol door de dag-gemiddelde onevenwichtigheden van microgrids op te lossen via de dag-gemiddelde spotmarkt, beheerd door de TSO. Real-time onbalans wordt daarentegen aangepakt via de real-time balanceringsmarkt van de TSO.

Het doel van deze markten is om de efficiëntie van de lokale energietransacties te maximaliseren door middel van zorgvuldig gecoördineerde marktprocessen. Wanneer een microgrid in een bepaalde periode een positief onbalans vertoont (bijvoorbeeld door een onverwachte toename in verbruik), zal het de benodigde energie van de TSO moeten kopen, terwijl het een negatieve onbalans (teveel aan aanbod) moet verkopen. Hierbij speelt de DSO een bemiddelende rol, door het vaststellen van de balans en het afdwingen van de naleving van de marktplannen door de MG's.

Deze markten, hoewel gericht op het maximaliseren van de sociale welvaart, kunnen complex zijn, vooral door de onzekerheden waarmee microgrids worden geconfronteerd. De onzekerheden omvatten niet alleen de voorspelling van het nettoverbruik van microgrids, maar ook de fluctuaties in prijzen op zowel de transmissiemarkt als de CEAM (Capaciteit en Emissie Kwota Markt), waarvoor microgrids verplicht zijn om quotums te kopen. Het resultaat is een dynamische en vaak riskante omgeving waarin microgrids strategische beslissingen moeten nemen over hoe ze zich inzetten in deze markten.

Voor microgrids die actief deelnemen aan P2P-handel, is het van essentieel belang om deze onzekerheden in overweging te nemen bij het formuleren van biedstrategieën. Een van de belangrijkste overwegingen is de inherente onzekerheid van het nettoverbruik van een microgrid. Variaties in hernieuwbare energieproductie (zoals zonne-energie) en vraag kunnen leiden tot onbalans, waardoor het nodig is om de resterende vraag via de TSO te dekken tegen mogelijk ongunstige prijzen. Evenzo kunnen onvoorspelbare prijsfluctuaties op de transmissiemarkt leiden tot grotere risico's voor de microgrid, afhankelijk van de prijsstrategie die gekozen wordt.

Daarnaast is er de noodzaak voor microgrids om te voldoen aan de risico- en rendementsbeperkingen die voortkomen uit de onzekerheden op de energiemarkten. Dit vraagt om een gedetailleerd begrip van de zogenaamde Conditional Value at Risk (CVaR), een belangrijke maatstaf voor het afwegen van de risico's van onbalans en prijsvolatiliteit. In de praktijk betekent dit dat microgrids strategische biedingsbeslissingen moeten nemen die zowel hun potentieel voor winstmaximalisatie als hun risico's op verliezen door prijsschommelingen of marktonbalans meenemen.

Het is belangrijk te begrijpen dat de P2P-markten, hoewel ze veel voordelen bieden voor de energie-efficiëntie en sociale welvaart, niet zonder risico's zijn. Microgrids moeten voortdurend de marktomstandigheden volgen, de voorspelbaarheid van hun productie en vraag verbeteren, en de volatiliteit van energiekosten nauwlettend in de gaten houden om hun financiële stabiliteit te waarborgen. Het gebruik van geavanceerde modellen voor het beheren van risico's en onzekerheden kan helpen om deze uitdagingen te overwinnen, maar vereist aanzienlijke investeringen in technologie en kennis.