Hoe werken multi-terminal converters bij de uitwisseling van vermogen tussen microgrids?

Om een betrouwbare uitwisseling van vermogen tussen microgrids mogelijk te maken, is naast een passende coördinatie- en beheersstrategie ook een robuust verbindingskanaal noodzakelijk. Er bestaan drie hoofdmethoden om onafhankelijke AC-energiesystemen met elkaar te koppelen. De eerste is een directe koppeling via elektromechanische of statische schakelaars, waarbij alle gekoppelde netten dezelfde nominale spanning en frequentie moeten hebben. Dit vereist aanvullende synchronisatieprocessen om de netten homogeen te maken, wat leidt tot een samensmelting van de onafhankelijke en asynchrone netten tot één groter systeem. Dit roept nieuwe beveiligings- en stabiliteitsvraagstukken op die bij integratie heroverwogen moeten worden.

De tweede methode maakt gebruik van Variable Frequency Transformers (VFT). Deze technologie gebruikt een dubbel gevoede inductiemachine om twee afzonderlijke netwerken te verbinden: het ene aan de stator, het andere aan de rotor. VFT’s blijken kosteneffectiever dan bijvoorbeeld hoogspanningsgelijkstroom (HVDC) systemen voor het integreren van grote, asynchrone netten. Ze hebben een hoge efficiëntie, lage harmonische vervorming en zijn onderhoudsvriendelijk. Echter, VFT’s verbinden slechts twee netten, wat schaalbaarheidsbeperkingen oplevert in een scenario met meerdere microgrids.

De derde, en meer flexibele methode, is de back-to-back koppeling via een tussenliggende DC-link met bidirectionele vermogenselektronica converters. Hierbij worden AC-netten via een gemeenschappelijke DC-koppeling verbonden, waarbij elk microgrid zijn onafhankelijkheid behoudt. Dit systeem minimaliseert de onderlinge invloed van netten en maakt flexibele integratie mogelijk. Hoewel dit concept al sinds de jaren 50 bestaat, is de belangrijkste technische uitdaging de harmonische vervuiling door schakelacties van de converters. Geavanceerde topologieën, zoals de modulaire multilevel converter, helpen deze harmonischen te beperken.

Er bestaan twee soorten bidirectionele converters: thyristor-gebaseerde Line-Commutated Current Source Converters (CSCs) en Voltage Source Converters (VSCs) met zelfgecommuteerde halfgeleiders zoals IGBTs. CSC’s vereisen een sterk AC-net voor het leveren van reactief vermogen en hebben een unidirectionele stroomrichting, wat complexe polarisatiewisselingen en synchronisaties nodig maakt. Dit bemoeilijkt de uitbreiding naar meer dan twee gekoppelde converters.

VSC’s kunnen daarentegen onafhankelijk actief en reactief vermogen regelen dankzij hun vermogen om een AC-sinusvormige spanning met willekeurige amplitude en fase te genereren. Hierdoor kunnen ze aangesloten worden op zwakke netten, bieden ze ondersteuning van reactief vermogen, en kunnen ze zelfs black-start functionaliteit leveren. De stroomrichting in de DC-link kan zonder polarisatiewisseling gewijzigd worden, wat directe koppeling van DC-microgrids vergemakkelijkt. Deze eigenschappen maken VSC’s uiterst geschikt voor de integratie van meerdere, onafhankelijke microgrids en de uitwisseling van vermogen daartussen.

De werking van een VSC kan worden gemodelleerd als twee spanningsbronnen die via een inductieve reactantie met elkaar zijn verbonden. Hierbij wordt aangenomen dat de converter- en netspanningen volledig gesynchroniseerd zijn, een voorwaarde die gerealiseerd wordt met behulp van Phase-Locked Loops (PLLs). De actieve en reactieve vermogensstromen tussen de VSC en het net zijn afhankelijk van het spanningsniveau, de faseverschuiving tussen de spanningen, en de reactantie van de verbinding. Dit model biedt een duidelijk inzicht in de regelbaarheid en controle van het vermogen tussen het microgrid en het net.

Naast deze technische aspecten is het cruciaal te begrijpen dat de integratie van meerdere microgrids via multi-terminal converters niet slechts een kwestie is van hardware en vermogenselektronica. Het vereist ook geavanceerde controle- en synchronisatiestrategieën om stabiliteit, betrouwbaarheid en veiligheid te waarborgen. Hierbij spelen communicatie-infrastructuren en real-time dataverwerking een steeds grotere rol. Ook moet rekening worden gehouden met de impact van schakelharmonischen op de power quality en met de noodzaak tot bescherming tegen mogelijke storingen.

Stabiliteit en Controle van Hybride AC/DC Microgrids: Uitdagingen en Oplossingen

Hybride AC/DC microgrids combineren de voordelen van zowel wisselstroom (AC) als gelijkstroom (DC) systemen en bieden daarmee verbeterde betrouwbaarheid, efficiëntie en economische werking. Door de integratie van gedecentraliseerde hernieuwbare energiebronnen (DER's) en energieopslagsystemen (ESS's), kunnen microgrids flexibeler en duurzamer opereren. Toch is de instabiliteit van DER's, veroorzaakt door hun variabiliteit en intermitterend karakter, een van de grootste uitdagingen voor de werking van hybride AC/DC microgrids.

Een van de belangrijkste voordelen van DC microgrids is de afwezigheid van reactieve stroomcirculatie, wat de complexiteit van het systeem vermindert. In tegenstelling tot AC microgrids, waar wisselstroom netwerken gedomineerd worden door grote inductieve belastingen, kunnen DC microgrids met relatief weinig converters functioneren, wat ze efficiënter maakt in sommige toepassingen. Tegelijkertijd kunnen hybride AC/DC microgrids zowel AC- als DC-lasten ondersteunen, wat ze veelzijdiger maakt voor een breed scala aan gebruikssituaties. De integratie van zowel AC- als DC-onderdelen vereist echter geavanceerde coördinatie en het beheer van intermitterende DER's en reactieve energie, wat de stabiliteit van het systeem kan beïnvloeden.

Technologische vooruitgangen op het gebied van vermogenselektronica hebben geleid tot een grotere toepassing van DC-belastingen en converters, wat de ontwikkeling van DC microgrids verder stimuleert. Desondanks brengt de complexiteit van hybride systemen, die zowel AC- als DC-subnetwerken combineren, aanzienlijke technische en operationele uitdagingen met zich mee. De controle van deze systemen vereist uitgebreide onderzoeksinspanningen om de samenwerking van de verschillende subgrids te optimaliseren en te zorgen voor een stabiele werking, ondanks de variabele output van de DER's.

In hybride microgrids is de stabiliteit vaak afhankelijk van het vermogen om snel en effectief om te gaan met schommelingen in de stroomoutput van de DER's. Het vermogen om een gebalanceerde stroomverdeling te handhaven zonder instabiliteit te veroorzaken, vereist geavanceerde besturingsstrategieën, zoals dynamische droopinstellingen of virtuele impedanties. Hoewel dergelijke benaderingen de stabiliteit verbeteren, kunnen ze tegelijkertijd de spanningsprofielen en de vermogensverdeling tussen de verschillende componenten verstoren.

De complicaties rondom de frequentievariaties in hybride microgrids worden verder versterkt door de zogenaamde sub-synchronische resonantie (SSR). SSR is een fenomeen waarbij turbines en generators energie uitwisselen op een lagere frequentie dan het systeem, wat kan leiden tot ongewenste trillingen en frequentiestabiliteitsproblemen. Deze resonantie kan schadelijke invloeden uitoefenen op inductiemotoren, aangezien de statorflux begint te oscilleren tussen de systeemfrequentie en de SSR-frequentie. Dit kan resulteren in ernstige gevolgen voor de dynamische stabiliteit van het systeem.

De oplossing voor deze complexe uitdagingen ligt niet alleen in het verfijnen van de besturingsstrategieën, maar ook in het effectief integreren van energieopslagsystemen (ESS's) die het vermogen van het microgrid kunnen stabiliseren. ESS's kunnen de fluctuaties in de energieoutput van hernieuwbare bronnen absorberen en helpen de balans tussen vraag en aanbod te handhaven. Ze bieden een buffer tegen de variabiliteit van DER's, waardoor de stabiliteit van zowel de spannings- als frequentieprofielen in hybride AC/DC microgrids kan worden behouden. De synchronisatie en integratie van ESS's in een hybride microgrid vereist echter geavanceerde technologieën voor het beheer van het vermogen, waarbij de samenwerking tussen verschillende energieopslagsystemen en converters essentieel is voor een stabiele werking.

Bij het ontwerp en de werking van hybride AC/DC microgrids is het belangrijk om te begrijpen dat de dynamiek van het systeem veel verder gaat dan alleen het beheren van de individuele DER's en ESS's. Het is de interactie tussen al deze componenten, inclusief de invloed van inductiemotoren en de potentieel schadelijke effecten van sub-synchronische resonantie, die de uiteindelijke stabiliteit van het microgrid bepalen. Terwijl er aanzienlijke vooruitgangen zijn geboekt op het gebied van technologieën die microgrid-stabiliteit bevorderen, zoals actieve dempingcontrollers en geavanceerde besturingsstrategieën, blijft de zoektocht naar robuuste en efficiënte oplossingen voor het stabiliseren van hybride systemen een belangrijke onderzoekslijn.

Hoe Peer-to-Peer Energietrading Werkt in Lokale Energiegemeenschappen: Een Analyse van de Markten en Hun Impact op Nanogrids

In de P2P-energietradingsmarkt wordt de uiteindelijke transactiewaarde bepaald door het gemiddelde van het aanbod van de producent en het bod van de consument. Dit resulteert in een potentiële winst voor de producenten in de nanogrids. In het beschreven scenario zijn de winstbedragen variërend, met bijvoorbeeld 17,64 dollar voor NG1 en 36,66 dollar voor NG4. Deze variabiliteit in winst wordt beïnvloed door de marktomstandigheden, zoals de mate van betrokkenheid en de efficiëntie van de biedingen van de producenten.

Vervolgens komt de nadruk te liggen op de balans- en aanvullende dienstmarkten. Hier worden de nog beschikbare hoeveelheden energie door de producenten ingediend voor de vereiste services. De balans- en aanvullende dienstmarkten functioneren op basis van een "merit-order" systeem, waarbij biedingen met de laagste prijs voorrang krijgen totdat de vereiste hoeveelheid energie is verstrekt. In het voorbeeld worden NG1 en NG4 geselecteerd om de benodigde energiebalans te leveren, terwijl NG1 en NG3 als primaire leveranciers van frequentie-regulatie worden gekozen. Dit proces is essentieel om ervoor te zorgen dat de stabiliteit van het energienetwerk gewaarborgd blijft, vooral in tijden van onverwachte fluctuaties in de vraag of productie.

De simulaties in Case III, waarin de voorspelde nettoload werd gebruikt om de capaciteitsallocatie in verschillende markten te onderzoeken, tonen aan hoe belangrijk het is om de marktomstandigheden te begrijpen voor een effectieve deelname aan de P2P-markt. De productie van energie moet worden afgestemd op de verwachte vraag en de behoefte aan aanvullende diensten, die kunnen variëren op basis van de fluctuerende belasting.

Het belangrijkste inzicht voor producenten in dergelijke markten is het vermogen om flexibele strategieën te ontwikkelen, gebaseerd op zowel de biedingsprijzen als de marktvraag. Hoewel de initiële allocatie van capaciteit belangrijk is, blijkt dat de werkelijke winstgevendheid sterk wordt beïnvloed door de dynamiek van de energiemarkten, zoals de balans- en aanvullende dienstmarkten. Er moet dan ook voldoende aandacht worden besteed aan de timing van energieproductie en de prijsstelling, aangezien deze van invloed kunnen zijn op zowel de transactievolumes als de uiteindelijke winst.

Het is essentieel om te begrijpen dat de dynamiek van de P2P-energiemarkten niet alleen afhankelijk is van de initiële biedingen, maar ook van de real-time aanpassingen van de nanogrids aan onvoorziene omstandigheden. De markten voor balans en aanvullende diensten spelen hierin een cruciale rol, omdat ze helpen de stabiliteit van het systeem te waarborgen, zelfs wanneer de productie of vraag van energie fluctueert. De vraag naar frequentie-regulatie, bijvoorbeeld, kan fluctueren afhankelijk van de nettoload, en dit heeft invloed op de mate van betrokkenheid die producenten in de markt moeten hebben.

Een ander belangrijk aspect is de interactie tussen de verschillende markten, die elkaar kunnen versterken of belemmeren afhankelijk van de marktomstandigheden. Zo blijkt uit de analyse van Case III dat de winst in de balansmarkt vaak hoger is dan in de P2P-markt of de aanvullende dienstmarkten, omdat sommige tijden geen aanvullende services vereisen. Het is van belang dat producenten inzicht hebben in deze marktdynamiek en strategisch beslissen wanneer ze hun capaciteit toewijzen om de beste winst te behalen.

De manier waarop lokale energiegemeenschappen georganiseerd zijn, met hun gedecentraliseerde netwerken van nanogrids, biedt aanzienlijke voordelen in termen van flexibiliteit en efficiëntie. Het succes van dergelijke markten hangt echter sterk af van de transparantie van de communicatie tussen de verschillende producenten en consumenten, evenals de mogelijkheid om snel in te spelen op veranderende marktomstandigheden. Technologieën voor real-time communicatie en beheer spelen hierbij een sleutelrol.

Hoe kunnen onzekerheden de planning en werking van microgrids optimaliseren?

Microgrids bieden aanzienlijke voordelen in de bredere energiemarkt. Echter, om deze voordelen volledig te realiseren, is een diepgaand begrip nodig van hoe onzekerheden de ontwerp- en bedrijfsvoering van microgrids beïnvloeden. Het negeren van deze onzekerheden kan leiden tot suboptimale beslissingen, een misalignment tussen gesimuleerde en werkelijke uitkomsten, en potentiële financiële risico’s. Daarom is een robuust raamwerk dat multi-dimensionale onzekerheden kan integreren, terwijl het zowel de capaciteitplanning als de realtime operatie van microgrids optimaliseert, essentieel voor het succes van deze systemen.

De laatste jaren is er veel onderzoek gedaan naar het ontwikkelen van ‘onzekerheidsbewuste’ modellen voor investeringsplanning in microgrids. Deze benaderingen proberen onzekerheid te kwantificeren en deze in de besluitvorming te integreren, zodat zowel ontwerp als werking van microgrids effectiever kunnen worden geoptimaliseerd. Tabel 1 biedt een overzicht van de meest gangbare methodologieën in het gebied van microgrid capaciteitsplanning en optimalisatie. Deze studies leggen de nadruk op de verschillende soorten onzekerheden, waaronder weersomstandigheden (zoals zonnestraling en windsnelheid), vraagvoorspellingen en prijsfluctuaties van elektriciteit, die allemaal cruciale invloeden uitoefenen op de werking van microgrids.

Verder blijkt uit de literatuur dat de benadering van multi-dimensionale onzekerheden vaak incompleet is. Veel modellen behandelen één type onzekerheid, bijvoorbeeld weersomstandigheden, zonder andere factoren zoals load demand of prijsschommelingen van elektriciteit in overweging te nemen. Dit kan leiden tot een misrepresentatie van de werkelijkheid, waarbij de prestaties van een microgrid in de praktijk afwijken van de voorspellingen. Er is dus een duidelijke behoefte aan modellen die in staat zijn om meerdere onzekerheden gelijktijdig te integreren en hun onderlinge relaties te begrijpen.

Een ander belangrijk aandachtspunt is de relatief beperkte toepassing van geavanceerde technieken zoals speltheoretische vraagresponsstrategieën (Demand Response, DR). Deze strategieën kunnen helpen bij het optimaliseren van de energieverdeling en het beheer van vraagpieken, maar worden in de huidige literatuur vaak niet volledig benut. Het integreren van dergelijke dynamische strategieën zou een belangrijke stap voorwaarts kunnen zijn in het verbeteren van de efficiëntie en de flexibiliteit van microgrids.

Wat verder belangrijk is, is dat een robuuste aanpak niet alleen moet focussen op de technische aspecten van microgrid-operaties, maar ook op de economische en financiële implicaties. Het optimaal benutten van energieopslagcapaciteit kan bijvoorbeeld aanzienlijke economische voordelen opleveren, maar dit vereist een gedegen strategie voor energie-arbitrage, iets dat in veel bestaande modellen nog onderbelicht blijft. Het is van belang dat toekomstige benaderingen rekening houden met deze economische factoren, aangezien ze directe invloed hebben op de haalbaarheid en de winstgevendheid van microgrid-systemen.

Naast de technologische en economische aspecten is het ook essentieel om de sociale en beleidsmatige dimensies van microgrid-planning in overweging te nemen. Lokale overheden en regelgevende instanties spelen een cruciale rol in het succes van microgrid-initiatieven. Het implementeren van beleidsmaatregelen die de acceptatie en het gebruik van hernieuwbare energiebronnen bevorderen, kan de effectiviteit van microgrids aanzienlijk verbeteren. Bovendien is er een groeiende nadruk op de integratie van microgrids in bredere netwerkinfrastructuren, wat nieuwe uitdagingen met zich meebrengt op het gebied van systeemintegratie en samenwerking tussen verschillende belanghebbenden.

De toekomst van microgrid-investeringen en -operaties ligt in het vermogen om al deze onzekerheden te integreren in dynamische, adaptieve modellen die niet alleen rekening houden met de technische en economische factoren, maar ook met de sociale en beleidsmatige invloeden die de ontwikkeling van microgrids sturen. Het ontwikkelen van een holistisch raamwerk dat deze verschillende dimensies van onzekerheid effectief combineert, is essentieel voor het succes van microgrids in de komende jaren.