Ønsket om å gå over til et mer bærekraftig energisystem har ført til integrering av nye fornybare energikilder i distribusjonsnettet. Det utfordrer den tradisjonelle nettinfrastrukturen. Mikronett anses som lovende byggesteiner for å realisere fremtidens smarte distribusjonsnett (Smart Grid). Det er fordi mikronett kan driftes både når de er tilkoblet distribusjonsnettet og i øydrift (se definisjon av tilkoblet driftstilstand og øydrift nedenfor). En av hovedutfordringene med øydrift har vært å sikre god strømdeling mellom parallelle vekselrettere som leverer effekt til en felles last.
I denne bloggposten (og i arbeidet den er basert på), har vi sett på virkningen av å emulere en impedans i reguleringssløyfen for å sikre god strømdeling. Denne teknikken kalles virtuell impedans. Modifikasjonen besto hovedsakelig av å vurdere den transiente responsen av virtuell impedans. Testmikronettet som ble anvendt viste både bedre dempning og bedre strømdeling.
Hva er mikronett og hvorfor er de relevante for smarte nett?
Før vi ser nærmere på det spesifikke reguleringsforslaget, skal vi først se på hva mikronett er og hvorfor de er viktige. Mikronett er en populær betegnelse som har oppstått i fagmiljøet for elkraftteknikk de siste årene. Det finnes imiderltid ikke en samstemt definisjon på hva et mikronett er, men noen vanlige definisjoner fremhever at et mikronett er geografisk begrenset og omfatter både produksjon og forbruk av elektrisitet. Et mikronett har klare elektriske grenser mot overliggende nett, og kan driftes både med og uten tilknytning til dette. Det sistnevnte kalles øydrift.
En ser for seg at mikronett vil bli brukt som byggesteiner for fremtidens smarte nett og de utgjør dermed et svært aktuelt forskningsområde. En av fordelene med mikronett er bedre forsyningssikkerhet ettersom det er mulighet for øydrift dersom det skulle oppstå avbrudd i overliggende nett. En annen fordel er at mikronett muliggjør distribuert produksjon, som for eksempel fotovoltaiske strømsystemer (solkraft) eller vindkraftsystemer, som kan tilkobles nærmere forbruksstedet. Det gjør at en ikke trenger å transportere energien over svært lange avstander, noe som vil redusere effekttap i forbindelse med overføringen.
Mikronett kan også støtte overliggende nett i situasjoner der det ellers ville ha blitt overbelastet, eller levere viktige tjenester som for eksempel frekvensregulering eller spenningsstøtte. Den radikale endringen som distribuert produksjon har ført til i distribusjonsnettet, har også banet vei for mikronett.
Utfordringer forbundet med mikronett: Behov for nye beskyttelsessystemer
Det er imidlertid ikke bare fordeler ved mikronett. Kraftnettet er for eksempel konstruert for at effekten skal flyte fra hovedoverføringsnettet, via distribusjonsnettet til sluttkundene og beskyttelsesutstyret er derfor utviklet med dette i tankene. Ettersom distribuerte energikilder kan levere effekt fra den tradisjonelle sluttbrukeren og oppover i nettet, er det behov for nye beskyttelsessystemer som tar hensyn til effektflyt i begge retninger.
Sentraliserte kontra desentraliserte reguleringsstrukturer
Det finnes i hovedsak to typer reguleringsstrukturer: sentralisert og desentralisert regulering, hver med sine egne fordeler og ulemper. Et sentralisert system har én hovedstyreenhet i mikronettet, som forteller hva de andre styreenhetene i hver vekselretter skal gjøre. Denne metoden fungerer ganske bra, men er avhengig av at hovedstyreenheten fungerer som den skal, og at kommunikasjonsnettverket er i drift.
Ettersom det har vært bekymringer om en slik sentralisert metode er pålitelig nok, har desentralisert kontroll fått stor oppmerksomhet. I et desentralisert system samarbeider flere vekselrettere om å opprette spenning og frekvens i nettet. I motsetning til i et sentralisert system gjøres dette kun på bakgrunn av lokale målinger fra hver av vekselretterne, noe som fjerner behovet for høyhastighetskommunikasjon. Den største fordelen ved et desentralisert system er derfor at driftssikkerheten i mikronett ikke avhenger av én enhet. Det er med andre ord ikke én enkelt enhet som er uunnværlig for at mikronettet skal fungere som det skal.
En av ulempene ved en desentralisert metode er at tilførselsimpedansen og reguleringsparmeterne til hver enkelt omformer i stor grad bestemmer hvor godt vekselretterne klarer å dele en felles last. En annen ulempe er at vekselretternes transiente respons etter en driftsforstyrrelse kan være ganske langsom.
Virtuell impedans for bedre ytelse
Denne delen av CINELDIs arbeidspakke nr. 4 ser nærmere på hvordan en kan forbedre reguleringen av vekselrettere i mikronett. Under arbeidet la vi særlig vekt på en desentralisert reguleringstype, ettersom det gir bedre driftssikkerhet. En reguleringsteknikk som ofte brukes til å håndtere problemstillingene nevnt over er å anvende en virtuell impedans.
En virtuell impedans er i hovedsak en måte å endre reguleringen av vekselrettere på, slik at det ser ut som en ekstra impedans er satt inn mellom vekselretteren og lasten i den fysiske kretsen. Reguleringsdesigneren kan med andre ord endre den effektive impedansen mellom vekselretteren og lasten. I praksis gjøres det ved å måle strømmen ut fra vekselrettertn og gange denne med en hensiktsmessig impedans som fastsatt av designeren. Dette brukes deretter til å endre spenningsreferansen til omformeren.
Selv om reguleringsdesigneren kan emulere flere typer impedans, er impedansen som regel designet til å være det som kalles kvasistasjonær. Det betyr at den emulerte impedansen replikerer en reell impedans kun når systemet er i stasjonær tilstand. En reell impedans oppfører seg derimot annerledes enn den kvasistasjonære virtuelle impedansen når det oppstår en transient. Hvis en for eksempel endrer strømmen gjennom en spole, er spenningsfallet størst når strømmens endringsrate er størst. Hovedideen bak arbeidet vårt var derfor å undersøke hvilken virkning det ville få dersom vi endret den virtuelle impedansen, slik at den bedre ville replikere responsen av en reell impedans.
Foreslått endring av virtuell impedans
Vi anvendte en virtuell impedans bestående av resistans og induktans. Den virtuelle impedansen ble modellert slik at den transiente responsen av en reell impedans ble tatt i betraktning. Det gjorde vi ved å vurdere differensialvirkningen av strømmen ut fra vekselretteren. For å kunne bruke dette i et virkelig system, måtte vi imidlertid bruke et lavpassfilter med høy knekkfrekvens, for å hindre at støyen også ble forsterket.
For å teste den foreslåtte endringen av den virtuell impedansen utførte vi en signalanalyse av en vekselretter. Det ble også utført en numerisk simulering for å teste validiteten til resultatene.
På bakgrunn av analysen og simuleringene som ble utført som en del av dette arbeidetser det ut til at den foreslåtte virtuelle impedansen kan forbedre både stabiliteten og transientdeling mellom vekselrettere i øydrift. Videre arbeid vil innebære å finne ut hvordan en kan justere impedansen på en mer optimal måte, for å oppnå bedre effektkvalitet i mikronett.
Kommentarer
Svært interessant! Etterhvert som vernene kommer tettere og tettere må man kanskje ha utveksling av informasjon om bakenforliggende kortsluttingsytelse som kan justere vernene i sanntid, for å gi mindre intervaller i oppsettet og sikre selektivitet. Hvorvidt denne skal være distribuert node-til-node eller sentralt er vel et spørsmål om sårbarhet. Men ser Sintef for seg videre utvikling av vekselstrøm-systemet som en farbar vei å gå? Med likestrøm blir disse sakene mye enklere, men der har man i stedet problemer med jordfeildeteksjon og presis måling. For meg virker det som enklere problemer å løse enn omfanget av det man ser i AC.
Jeg skriver doktorgrad ved institutt for elkraftteknikk ved NTNU i CINELDI-prosjektet som SINTEF har, så jeg svarer ikke på veiene av hele SINTEF.
Når det er sagt virker det sannsynlig med videreutvikling av vekselstrømsnettet, siden dette allerede er såpass utbredt og mange av de store investeringene er gjort. Når det gjelder nye installasjoner kan det derimot tenkes at disse i større grad vil være likestrømsnett. Det er imidlertid også flere som tar til orde for hybride nett, altså nett hvor man har både vekselstrøm og likestrøm.
På bakgrunn av dette virker det sannsynlig at det er et behov for en videreutvikling av vekselstrøms-systemet i overskuelig framtid.