Hoe microgrids en DER's de duurzaamheid en veerkracht van industriële en commerciële faciliteiten kunnen maximaliseren

Gedistribueerde energiebronnen (DER's) zoals zonne-energie, windenergie, warmtekrachtkoppeling (WKK), energieopslagsystemen op batterijen (BESS) en zelfs conventionele generatoren kunnen een belangrijke bijdrage leveren aan de verbetering van de duurzaamheid en veerkracht van commerciële en industriële faciliteiten, vooral wanneer ze worden gecombineerd in een microgrid met behulp van een geautomatiseerd besturingssysteem om de opwekking, stroom, opslag en het verbruik van energie op intelligente wijze te coördineren en te beheren.

Om de ecologische en economische voordelen van een microgrid te maximaliseren, moet de controller de werking en integratie van DER's in realtime balanceren, slimme belastingen beheren zoals verlichting, verwarming, ventilatie en airconditioning (HVAC) systemen, opladen van elektrische voertuigen (EV) en informatietechnologie-installaties, historische vraaginformatie gebruiken om toekomstige belastingsprofielen te voorspellen, veilige en efficiënte verbindingen met het elektriciteitsnet bieden en ondersteuning bieden voor vraagresponsfuncties met realtime energieprijsgegevens.

Dit artikel geeft een overzicht van de elementen waaruit een microgrid bestaat, kijkt naar microgridarchitecturen, geeft een overzicht van IEEE 1547, waarin de vereisten voor de interconnectie van DER's zijn vastgelegd, en IEEE 2030, dat een uitgebreid technisch proces biedt voor het beschrijven van de functies van een microgridcontroller, bekijkt vervolgens hoe microgridcontrollers de duurzaamheid, veerkracht en economische voordelen kunnen verbeteren, en sluit af met een kort overzicht van cyberbeveiligingskwesties voor microgrids.

Wat is er nodig om een microgrid te maken?

Microgrids zijn divers in hun implementaties en componenten. Om te bespreken hoe microgrids en DER's duurzaamheid en veerkracht kunnen maximaliseren, kunnen we het beste beginnen met een definitie en een paar voorbeelden van microgridcomponenten en -architecturen. Het Amerikaanse Ministerie van Energie (DOE) definieert een microgrid als "een groep onderling verbonden belastingen en gedistribueerde energiebronnen binnen duidelijk afgebakende elektrische grenzen die fungeren als een enkele bestuurbare entiteit met betrekking tot het elektriciteitsnet. Een microgrid kan worden aangesloten op en losgekoppeld van het elektriciteitsnet, zodat het kan werken in netgekoppelde en eilandmodus."

Hoewel de definitie van een microgrid eenvoudig is, is er een scala aan microgridcategorieën, bedrijfsmodi en mogelijke subsystemen waaruit gekozen kan worden bij het bouwen van een microgrid. Om de maximale duurzaamheid en veerkracht van een microgrid te realiseren, zijn er tal van architecturale en operationele keuzes nodig. Automatisering is een belangrijke overweging. Voorbeelden van geautomatiseerde subsystemen zijn (Afbeelding 1):

• Opwekking binnen het microgrid, inclusief een divers aanbod van DER's en WKK
• Stroomdistributienetwerken
• BESS
• Belastingen zoals HVAC-systemen en machines en motoren in industriële faciliteiten
• Opladen van elektrische voertuigen en voertuig-naar-net (V2G) verbindingen beheren
• Microgridcontrollers en -schakelapparatuur
• Aansluitingen op het elektriciteitsnet voor netgekoppelde installaties

Afbeelding 1: Microgrids kunnen verschillende DER's, WKK en belastingen omvatten. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

Microgrid categorieën

Microgrids kunnen worden ingedeeld in off-grid of netgekoppeld:

Off-grid faciliteiten-led is de meest voorkomende categorie. Toepassingen zijn onder andere afgelegen gebieden die niet worden bediend door het commerciële elektriciteitsnet, zoals mijnen, industriële locaties, bergwoningen en militaire bases.

Off-grid gemeenschappen worden ook aangetroffen op afgelegen locaties. Toepassingen zijn onder andere afgelegen dorpen, eilanden en gemeenschappen. Terwijl faciliteitsgeleide microgrids door één entiteit worden bestuurd, moeten gemeenschapsgeleide microgrids voldoen aan de behoeften van een groep gebruikers. Ze kunnen complexere commando- en besturingssystemen vereisen.

Netgekoppelde faciliteiten hebben één eigenaar en worden gebruikt om de betrouwbaarheid te verbeteren in gebieden waar het hoofdnet onbetrouwbaar is en stroom nodig is, of in gevallen waar er economische stimulansen zijn voor afschuifbare belastingen en andere diensten van de eigenaar van het microgrid. Voorbeelden van toepassingen zijn ziekenhuizen, datacenters, fabrieken voor continue productie en andere gebouwen met hoge beschikbaarheid.

Netgekoppelde gemeenschappen hebben meerdere energiegebruikers en -producenten die aangesloten zijn op het hoofdnet en beheerd worden als één enkele entiteit. Gebruikscases zijn onder andere bedrijfs- of universiteitscampussen, dorpen en kleine steden. Deze kunnen een verscheidenheid aan energiegebruikers, producenten en opslagfaciliteiten hebben en kunnen het meest complex zijn om te controleren.

Soms zijn microgrids eilanden

Naast het bespreken van de componenten van een microgrid, verwijst de definitie van DOE naar de werking van een microgrid in "zowel netgekoppelde als eilandmodus". De definities van deze modi zijn eenvoudig, maar de implementatie is complexer en wordt behandeld in enkele IEEE standaarden.

IEEE 1547-2018, Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems, beschrijft de technische vereisten voor de interconnectie en interoperabiliteit van DER's met het elektriciteitsnet. IEEE 1547 is een evoluerende standaard. Eerdere versies van IEEE 1547 waren ontworpen voor lage DER-penetratieniveaus en hielden geen rekening met de potentiële totale regionale impact van DER's op het bulksysteem. IEEE 1547-2018 voegde strengere eisen toe met betrekking tot spannings- en frequentieregeling en doorrijvermogen om de betrouwbaarheid van het transmissiesysteem te verbeteren. Meer recent werd het amendement 1547a-2020 toegevoegd om rekening te houden met abnormale bedrijfsprestaties.

IEEE 2030.74 beschrijft de functies van een microgridcontroller in termen van twee steady state (SS) werkingsmodi en vier soorten overgangen (T) (Afbeelding 2):

• In SS1, de stabiele netgekoppelde modus, is de microgrid aangesloten op het elektriciteitsnet. De controller kan gebruik maken van de componenten in het microgrid om diensten te leveren zoals peak shaving, frequentieregeling, ondersteuning van reactief vermogen en ramp management aan het net.
• SS2, stabiel eiland of "islanding" modus is wanneer de microgrid losgekoppeld is van het elektriciteitsnet en geïsoleerd werkt. De controller moet de belastingen en de opwekkings- en energieopslagdiensten van het microgrid in evenwicht houden om een stabiele werking van het microgrid te handhaven.
• T1 verwijst naar een geplande overgang van netgekoppeld naar eilandmodus in stabiele toestand. Zelfs wanneer het elektriciteitsnet beschikbaar is, kunnen er economische of operationele redenen zijn om over te schakelen naar eilandmodus. Bovendien kan deze modus het testen van de werking van het microgrid ondersteunen.
• T2 is een ongeplande overgang van netgekoppeld naar eilandmodus in stabiele toestand. Dit is analoog aan de werking van een ononderbreekbare stroomvoorziening in een datacenter en wordt vaak gebruikt wanneer het hoofdnet uitvalt. Het microgrid wordt naadloos losgekoppeld en werkt als een onafhankelijk elektriciteitsnetwerk.
• T3 verwijst naar de stabiele eilandverbinding met het elektriciteitsnet. Dit is een complexe technische procedure waarbij een 'netvormende' generator op het microgrid de frequentie en fasehoek van het elektriciteitsnet detecteert en het microgrid exact afstemt op het hoofdnet voordat het opnieuw wordt aangesloten.
• T4, is een zwarte start in de eilandmodus in stationaire toestand. In dit geval is het microgrid uitgevallen en moet het worden geïsoleerd van het elektriciteitsnet en opnieuw worden opgestart in eilandmodus. Deze situatie kan zich voordoen door een onverwachte uitval die de microgridcontroller niet kan verwerken met een T2 stabiele overgang, of het kan nodig zijn als het eiland niet voldoende opwekkings- of energieopslagreserve heeft om alle belastingen te blijven voeden en alle niet-essentiële belastingen moet uitschakelen voordat de generator online wordt gebracht. Bovendien moet elke BESS in het microgrid ten minste gedeeltelijk worden opgeladen voordat deze opnieuw wordt aangesloten.

Afbeelding 2: IEEE 2030.74 vereist dat microgridcontrollers geschikt zijn voor twee stationaire toestanden en vier soorten overgangen tussen die toestanden. (Bron afbeelding: National Rural Electric Cooperative Association)

Microgrids implementeren

Er zijn bijna net zoveel combinaties van DER's en belastingen als microgrids, maar geautomatiseerde controllers en schakelapparatuur zijn gemeenschappelijke elementen. In grote microgrids zoals die geïllustreerd in Afbeelding 1 hierboven, zijn ze vaak opgedeeld in een gecentraliseerde controlekamer, gedistribueerde schakelapparatuur voor DER's en belastingen, en voor netgekoppelde ontwerpen, een substation dat dient als schakelapparatuur tussen het microgrid en het elektriciteitsnet.

Microgridcontrollers hebben informatie nodig en om de veerkracht en duurzaamheid te maximaliseren, moeten ze snel zijn. De controllers gebruiken een netwerk van sensors om de werking van de DER's en belastingen in realtime te controleren. Voor netgekoppelde microgrids bewaakt de controller ook de status van het lokale elektriciteitsnet. Als er een afwijking optreedt, reageert de controller in milliseconden en stuurt hij een commando naar de bijbehorende DER, belasting of schakelapparatuur.

Schakelaars variëren van een paar kW tot meerdere MW en moeten binnen een paar milliseconden reageren op de vraag van de controller of het risico lopen op een ernstige storing. Sommige schakelapparatuur is uitgerust met slimme stroomonderbrekers die autonoom werken om een extra beschermingslaag te bieden.

Voor kleinere installaties kunnen de controller en de schakelapparatuur worden gecombineerd in één apparaat, dat soms een energiecontrolecentrum (ECC) wordt genoemd. ECC's zijn voorbedraad, geassembleerd en in de fabriek getest verkrijgbaar. ECC's vereenvoudigen en versnellen de installatie van microgrids en kunnen meerdere energiebronnen beheren, waaronder netstroom en DER's met geprioriteerde belastingen. Schneider Electric biedt bijvoorbeeld de ECC 1600 / 2500 lijn van ECC's voor microgrids op gebouwniveau (Afbeelding 3). Enkele kenmerken van de ECC 1600 / 2500 lijn zijn:

• Kan op bestelling worden geconfigureerd met vermogens van 100 tot 750 kW en kan worden geoptimaliseerd voor bestaande of nieuwe gebouwen
• Werkt met meerdere DER's zoals PV, BESS, wind, gas en dieselgenerators
• Controller maakt veerkracht mogelijk tijdens uitval, inclusief het gebruik van PV met een ankerbron zoals een reservegenerator of BESS
• Geautomatiseerde intelligente meting geeft inzicht in stroomkwaliteit, energieverbruik en DER-productie
• Schakelaars met een stroomverdelingsbus van 1.600 tot 2.500 A
• Cloudgebaseerde analyses om de veerkracht en het rendement van investeringen in DER's te maximaliseren

Afbeelding 3: ECC's combineren de microgridcontroller (links) en het schakelmateriaal (rechts) in één apparaat. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

Veilige energie

Cyberveiligheid is een belangrijk aspect van energiezekerheid en -veerkracht. Het Internationaal Energieagentschap (IEA) definieert energiezekerheid als "de ononderbroken beschikbaarheid van energiebronnen tegen een betaalbare prijs". Microgrids kunnen aanzienlijk bijdragen aan een goedkope, veilige en veerkrachtige energievoorziening.

Communicatie is een essentieel onderdeel van microgrids. Dit betekent communicatie met de cloud en mogelijk met het lokale elektriciteitsnet om de prestaties te optimaliseren. Bovendien zijn de verschillende DER's en belastingen waaruit een typisch microgrid bestaat, afkomstig van verschillende fabrikanten en maken ze gebruik van heterogene communicatieprotocollen en -technologieën. Internetconnectiviteit en draadloze technologieën zoals Wi-Fi worden in bijna alle microgrids aangetroffen en kunnen essentieel zijn voor maximale voordelen. Ze ondersteunen ook ondersteunende functies zoals het verzamelen van weersvoorspellingen en realtime brandstof- en energieprijzen.

Zorgen voor cyberveiligheid is complex. Naast veilige hardware zijn beleid, procedures en mensen nodig om de cyberkwetsbaarheden aan te pakken waarmee aanvallers toegang kunnen krijgen tot gevoelige netwerken en gegevens en zelfs besturingssoftware kunnen manipuleren, wat kan leiden tot een beschadigde werking van het microgrid. Terroristen zijn slechts één zorg; er zijn ook concurrenten of gewetenloze werknemers om rekening mee te houden. Er kunnen bedieningsfouten optreden, netwerken kunnen onbekende mazen hebben door verouderde software, enzovoort (Afbeelding 4). Cyberbeveiliging mag geen bijzaak zijn. Het moet vanaf het begin in alle aspecten van de hardware, software en processen van een microgrid worden ingebouwd om effectief te zijn.

Afbeelding 4: Kwetsbaarheden van mensen, processen en gaten in de fysieke beveiliging kunnen aanvalsvectors voor microgrids vormen. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

Samenvatting

Microgrids integreren talrijke DER's en belastingen in één systeem om de duurzaamheid en veerkracht van energie te maximaliseren. Er kunnen verschillende microgridarchitecturen worden gebruikt om specifieke energie- en connectiviteitsbehoeften te ondersteunen. Het toenemende aantal microgrids en de groeiende penetratie van DER's heeft geresulteerd in een evolutie van de IEEE 1547 interconnectienorm en zorgt voor meer aandacht voor de cyberveiligheid van microgrids.