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Le risorse energetiche distribuite (DER) con controlli avanzati possono fornire servizi alla rete come la risposta in frequenza. Tuttavia, per fare ciò, a differenza dei generatori convenzionali, i DER in genere devono scambiare regolarmente segnali con centri di controllo lontani.
Queste reti di comunicazione aperte espongono la rete a ritardi di comunicazione, minacce informatiche e altri rischi. Man mano che i DER vengono aggiunti sempre più alla rete, capire quanto tempo impiegano i dispositivi per comunicare con i centri di controllo e l'impatto sul mantenimento di una frequenza stabile sulla rete diventa più critico.
In NREL, stiamo aiutando a colmare il divario tra l'ingegneria dei sistemi energetici e le reti di comunicazione. Ciò sarà particolarmente importante con la prevista proliferazione dei DER poiché gli Stati Uniti puntano al 100% di elettricità pulita nel 2035 e a un'economia a zero emissioni nette di carbonio nel 2050.
Negli ultimi due anni, abbiamo studiato la capacità dei DER di fornire servizi di regolazione della frequenza e, soprattutto, cosa succede se i loro algoritmi di controllo non considerano le variazioni di comunicazione. Stiamo testando questa domanda attraverso modelli avanzati di griglia e casi di test per convalidare la nostra metodologia. Questo lavoro è supportato dal programma di ricerca e sviluppo della rete avanzata dell'Office of Electricity del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
Stiamo scoprendo che, in genere, maggiore è il ritardo di comunicazione tra il dispositivo e il centro di controllo, maggiore è la possibilità di instabilità della rete, evidenziando perché è di fondamentale importanza comprendere le dinamiche di trasmissione e distribuzione con l'aumento dei DER.
Sviluppo del giusto modello di co-simulazione
Per iniziare a indagare su questo argomento, abbiamo dovuto prima sviluppare il modello giusto per simulare la distribuzione e la dinamica di trasmissione con un'elevata distribuzione del DER, che non è stato davvero esplorato a fondo.
L'uscita di potenza dei DER può potenzialmente influire sui profili di tensione locali, quindi è importante considerare la tensione locale nell'analisi della regolazione della frequenza del DER per evitare problemi nelle reti di distribuzione. Tuttavia, gli strumenti di simulazione dinamica in frequenza esistenti sono stati sviluppati principalmente per il sistema di trasmissione e non possono simulare la dinamica della rete di distribuzione con elevate penetrazioni di DER.
Quindi, noi di NREL abbiamo sviluppato un nuovo framework per l'analisi della risposta in frequenza DER basato sulla piattaforma HELICS (Hierarchical Engine for Large-scale Infrastructure Co-Simulation) open source. HELICS simula i comportamenti del sistema elettrico su scala regionale e di interconnessione integrando i domini di trasmissione, distribuzione e comunicazione.
Il vantaggio della nostra nuova piattaforma di co-simulazione dinamica di trasmissione e distribuzione (T&D) è che i DER sono modellati in modo esplicito e accurato sia nei simulatori di trasmissione che di distribuzione per la dinamica della frequenza e della tensione, rispettivamente. Questa modellazione ci offre le prospettive di cui abbiamo bisogno per studiare come i DER possono fornire una risposta in frequenza. Maggiori dettagli su questo modello di co-simulazione dinamica T&D sono disponibili nel nostro articolo in Transazioni IEEE su Smart Grid .
Studiare l'impatto dei ritardi di comunicazione
Un aspetto importante dello studio della risposta in frequenza DER è comprendere l'impatto dei ritardi di comunicazione DER o cosa succede se qualcosa va storto.
Utilizzando il nostro nuovo strumento di co-simulazione nella prima fase della nostra ricerca, abbiamo modellato dozzine di scenari su larga scala altamente dettagliati con diversi gradi di errori di comunicazione DER.
Abbiamo utilizzato una rete di distribuzione sintetica come banco di prova, inclusi 40 DER su ogni bus di carico per un totale di 19 bus di carico nel sistema IEEE a 39 bus con 760 DER. La generazione DER rappresentava il 20% dei carichi su ogni bus di carico e i DER erano distribuiti uniformemente.
I nostri risultati mostrano che solo un ritardo di quattro secondi causa instabilità del sistema quando si utilizzano i DER per fornire il controllo della frequenza secondaria dopo che il sistema ha perso un generatore convenzionale. Nelle reti di comunicazione aperte, se si verificano più interruzioni, come un ritardo di comunicazione/instradamento, congestione o un'elevata velocità di risposta del dispositivo, il ritardo totale è lungo almeno alcuni secondi e maggiore è il ritardo, maggiore è il rischio di instabilità. Se la progettazione dei controlli avanzati DER non considera le variazioni di comunicazione, il rischio di instabilità è ancora maggiore, di nuovo, indicando perché è importante studiare la risposta in frequenza DER.
Case study sui veicoli elettrici
In un'altra fase della nostra ricerca, abbiamo approfondito la risposta in frequenza DER con un case study sull'impatto dei veicoli elettrici (EV) sulla regolazione della frequenza del sistema di alimentazione.
I veicoli elettrici dotati di batterie hanno la capacità e la flessibilità di (1) fornire una risposta in frequenza rapida, (2) aiutare a mitigare le fluttuazioni della frequenza del sistema e (3) migliorare la stabilità della frequenza del sistema. Tuttavia, la regolazione della frequenza da veicolo a rete potrebbe anche avere un impatto sia sulla risposta in frequenza del sistema di alimentazione di massa che sui profili di tensione della rete di distribuzione locale. Volevamo sapere come i veicoli elettrici potrebbero supportare la rete in caso di errore di comunicazione.
Per condurre questo caso di studio, abbiamo aggiunto un nuovo modello dinamico al nostro strumento di co-simulazione per simulare esplicitamente la dinamica dei veicoli elettrici. Abbiamo quindi modellato scenari con diversi gradi di errori di comunicazione. Abbiamo scoperto che i veicoli elettrici connessi alla rete hanno un grande potenziale per ripristinare la frequenza del sistema e possono ripristinarla il più velocemente possibile quando sono abilitati a cambiare lo stato dalla carica completa alla scarica completa.
Questi sono solo alcuni punti salienti della nostra recente analisi delle operazioni del sistema elettrico con DER diffusi, ma abbiamo molte più ricerche davanti a noi. Le reti di comunicazione e il sistema elettrico sono ora fondamentalmente intrecciati, eppure storicamente sono stati isolati.
Il futuro sistema energetico si basa sulla rete di comunicazione e anche la rete di comunicazione si basa sul sistema energetico. Dobbiamo lavorare insieme in tutte le discipline per co-pianificare le operazioni e garantire che le luci rimangano accese in un futuro energetico a basse emissioni di carbonio. + Esplora ulteriormente
