Hvordan mikronet og distribuerede energiressourcer kan maksimere bæredygtighed og modstandsdygtighed i industrielle og kommercielle anlæg

Distribuerede energiressourcer (DER) som solenergi, vindenergi, kombineret varme og kraft, batterioplagringssystemer (Battery Energy Storage System/BESS) og endda konventionelle generatorer kan bidrage væsentligt til forbedringer i bæredygtighed og modstandsdygtighed i kommercielle og industrielle faciliteter, især når de kombineres i et mikronet ved hjælp af et automatiseret kontrolsystem til intelligent koordinering og styring af energiproduktion, flow, lagring og forbrug.

For at maksimere mikronettets miljømæssige og økonomiske fordele skal controlleren balancere driften og integrationen af distribuerede energiressourcer i realtid, styre intelligente belastninger som belysning, varme, ventilation og klimaanlæg (HVAC), opladning af elbiler og informationsteknologiske installationer, bruge historiske oplysninger om efterspørgsel til at projicere fremtidige belastningsprofiler, sørge for sikre og effektive forbindelser til forsyningsnettet og understøtte efterspørgsel på responsfunktioner med energiprisdata i realtid.

Denne artikel gennemgår de elementer, der udgør et mikronet, ser på mikronetarkitekturer, præsenterer en oversigt over IEEE 1547, der fastlægger krav til sammenkobling af distribuerede energiressourcer, og IEEE 2030, der giver en omfattende teknisk proces til beskrivelse af funktionerne i en mikronetcontroller, og overvejer derefter, hvordan mikronetcontrollere kan forbedre bæredygtighed, modstandsdygtighed og økonomiske fordele, og slutter med en kort oversigt over cybersikkerhedsproblemer for mikronet.

Hvad skal der til for at lave et mikronet?

Mikronet er forskellige i deres implementering og komponenter. For at diskutere, hvordan mikronet og distribuerede energiressourcer kan maksimere bæredygtighed og modstandsdygtighed, er det bedst at starte med en definition og et par eksempler på mikronetskomponenter og -arkitekturer. Det amerikanske energiministerium (U.S. Department of Energy/DOE) definerer et mikronet som "en gruppe af sammenkoblede belastninger og distribuerede energiressourcer inden for klart definerede elektriske grænser, der fungerer som en enkelt kontrollerbar enhed i forhold til nettet. Et mikronet kan tilsluttes og frakobles nettet, så det kan fungere i nettilsluttet tilstand og i ø-tilstand."

Mens definitionen af et mikronet er ligetil, er der en række mikronet-kategorier, driftstilstande og mulige undersystemer at vælge imellem, når man bygger et mikronet, og at realisere et mikronets maksimale bæredygtighed og modstandsdygtighed, involverer adskillige arkitektoniske og driftsmæssige valg. Automatisering er en vigtig overvejelse. Eksempler på automatiserede undersystemer omfatter (figur 1):

• Produktion i mikronettet, herunder en bred vifte af distribuerede energiressourcer og kombineret varme og kraft
• El-distributionsnetværk
• BESS
• Belastninger som HVAC-systemer og maskiner og motorer i industrianlæg
• Håndtering af opladning af elbiler og V2G-forbindelser (vehicle-to-grid)
• Mikronet-controllere og koblingsudstyr
• Tilslutninger til forsyningsnettet for nettilsluttede installationer

Figur 1: Mikronet kan omfatte forskellige distribuerede energiressourcer, kombineret varme og kraft og belastninger. (Billedkilde: Schneider Electric)

Mikronet-kategorier

Mikronet kan kategoriseres efter, om de er off-grid eller nettilsluttede:

Off-grid anlægsstyrede er den mest almindelige kategori. Anvendelsesmulighederne omfatter fjerntliggende områder, der ikke betjenes af det kommercielle forsyningsnet, som miner, industriområder, bjergbeboelser og militærbaser.

Off-grid-fællesskabsstyrede anlæg findes også på fjerntliggende steder. Brugsscenarier omfatter fjerntliggende landsbyer, øer og samfund. Mens anlægsstyrede mikronet styres af en enkelt enhed, skal samfundsstyrede mikronet imødekomme behovene hos en gruppe af brugere. De kan kræve mere komplekse kommando- og kontrolsystemer.

Nettilsluttede faciliteter har en enkelt ejer og bruges til at forbedre pålideligheden i områder, hvor hovednettet er upålideligt, og der er behov for strøm eller i tilfælde, hvor der er økonomiske incitamenter til at afkoble belastninger og andre tjenester fra mikronet-ejeren. Det kan f.eks. være hospitaler, datacentre, produktionsanlæg med kontinuerlige processer og andre bygninger med høj tilgængelighed.

Netforbundne samfund har flere energiforbrugere og -producenter, der er forbundet til hovednettet og administreres som en enkelt enhed. Det kan f.eks. bruges på forretnings- eller universitetscampusser, i landsbyer og mindre byer. Disse kan have en mangfoldighed af energiforbrugere, producenter og lagerfaciliteter og kan være de mest komplekse at styre.

Nogle gange er mikronet øer

Udover at diskutere komponenterne i et mikronet henviser DOE’s definition til mikronetdrift i "både nettilsluttet og ø-tilstand". Definitionerne af disse tilstande er ligetil, men implementeringen er mere kompleks og behandles i nogle IEEE-standarder.

IEEE 1547-2018, Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems beskriver de tekniske krav til sammenkobling og interoperabilitet af distribuerede energiressourcer med elnettet. IEEE 1547 er en standard under udvikling. Tidligere versioner af IEEE 1547 var designet til lave penetrationsniveauer for distribuerede energiressourcer og tog ikke højde for den potentielle samlede regionale indvirkning af distribuerede energiressourcer på det samlede elforsyningssystem. IEEE 1547-2018 tilføjede strengere krav til spændings- og frekvensregulering og evnen til at fortsætte drift (’ride-through capability’) for at hjælpe transmissionssystemets pålidelighed. For nylig blev ændringen 1547a-2020 tilføjet for at tage højde for unormale ydelser i driften.

IEEE 2030.74 beskriver funktionerne i en mikronetcontroller i form af to steady state (SS) driftstilstande og fire overgangstyper (T) (Figur 2):

• SS1, steady state nettilsluttet tilstand, hvor mikronettet er tilsluttet forsyningsnettet. Controlleren kan bruge komponenterne i mikronettet til at levere tjenester som udglatning af topeffekt, frekvensregulering, understøttelse af reaktiv effekt og rampestyring til nettet.
• SS2, stabil ø-tilstand, også kaldet "islanding"-tilstand, er, når mikronettet er afbrudt fra forsyningsnettet og fungerer isoleret. Controlleren skal balancere belastningerne og mikronettets produktions- og energilagringstjenester for at opretholde en stabil drift af mikronettet.
• T1 henviser til en planlagt overgang fra nettilslutning til ø-tilstand i steady state. Selv når forsyningsnettet er tilgængeligt, kan der være økonomiske eller driftsmæssige incitamenter til at skifte til ø-tilstand. Derudover kan denne tilstand understøtte test af mikronettets drift.
• T2 er en uplanlagt overgang fra nettilslutning til ø-tilstand i steady state. Det svarer til driften af en kontinuerlig strømforsyning i et datacenter og bruges ofte, når hovednettet svigter. Mikronettet kobles problemfrit fra og fungerer som et uafhængigt strømnetværk.
• T3 refererer til steady state gentilslutning af øen til elnettet. Det er en kompleks teknisk procedure med en "netdannende" generator på mikronettet, der registrerer frekvensen og fasevinklen på netstrømmen og matcher mikronettet nøjagtigt med hovednettet, før det tilsluttes igen.
• T4 er en sort start i steady state ø-tilstand. I dette tilfælde er mikronettet gået ned og skal isoleres fra forsyningsnettet og genstartes i ø-tilstand. Denne situation kan opstå på grund af en uventet strømafbrydelse, som mikronet-controlleren ikke kan håndtere ved hjælp af en stabil T2-overgang, eller det kan være nødvendigt, hvis øen ikke har tilstrækkelig produktions- eller energilagringsreserve til fortsat at forsyne alle belastninger, og er nødt til at lukke alle ikke-væsentlige belastninger ned, før generatoren går online. Derudover skal enhver BESS på mikronettet være i det mindste delvist genopladet, før den tilsluttes igen.

Figur 2: IEEE 2030.74 kræver, at mikronet-controllere kan håndtere to steady-state-tilstande og fire typer overgange mellem disse tilstande. (Billedkilde: National Rural Electric Cooperative Association)

Implementering af mikronet

Der er næsten lige så mange kombinationer af distribuerede energiressourcer og belastninger som mikronet, men automatiserede controllere, og koblingsudstyr er fælles elementer. I store mikronet som det, der er illustreret i figur 1 ovenfor, er de ofte opdelt i et centralt kontrolrum, distribueret koblingsudstyr til distribuerede energiressourcer og belastninger, og for nettilsluttede design, en transformerstation, der fungerer som koblingsudstyr mellem mikronettet og forsyningsnettet.

Mikronet-controllere har brug for information, og for at maksimere modstandsdygtighed og bæredygtighed skal de være hurtige. Controllerne bruger et netværk af sensorer til at overvåge distribuerede energiressourcernes og belastningernes funktion i realtid. For nettilsluttede mikronet overvåger controlleren også status for det lokale forsyningsnet. Hvis der opstår en anomali, reagerer controlleren i løbet af millisekunder og sender en kommando til de tilknyttede distribuerede energiressourcer, belastning eller koblingsudstyr.

Koblingsudstyrs størrelser spænder fra et par kW til flere MW og skal reagere på controllerens krav inden for få millisekunder eller risikere en alvorlig fejltilstand. Koblingsudstyr har nogle gange intelligente afbrydere, der fungerer selvstændigt og giver et ekstra beskyttelseslag.

I mindre installationer kan styreenheden og koblingsudstyret kombineres til et enkelt udstyr, der nogle gange kaldes et energikontrolcenter (Energy Control Center/ECC). Energikontrolcentre fås færdigkoblede, samlede og fabrikstestede. Energikontrolcentre forenkler og fremskynder installationen af mikronet og kan styre flere energikilder, herunder netstrøm og distribuerede energiressourcer med prioriterede belastninger. Schneider Electric tilbyder for eksempel ECC 1600/2500-serien af energikontrolcentre til mikronet i bygninger (figur 3). Nogle af funktionerne i ECC 1600 / 2500-serien omfatter:

• Kan konfigureres på bestilling med effekter fra 100 til 750 kW og kan optimeres til eksisterende eller nye bygninger
• Fungerer med flere distribuerede energiressourcer som PV, BESS, vind, gas og dieselgeneratorer
• Styringen muliggør modstandsdygtighed under strømafbrydelser, herunder brug af solceller med en ankerressource som en standbygenerator eller BESS.
• Automatiseret intelligent måling giver indsigt i elkvalitet, energiforbrug og distribueret energiressourceproduktion
• Koblingsanlæg med en strømfordelingsbus på 1.600 til 2.500 A
• Cloud-baseret analyse for at maksimere modstandsdygtighed og investeringsafkast fra distribuerede energiressourcer

Figur 3: ECC’er kombinerer mikronet-controlleren (til venstre) og koblingsudstyret (til højre) i et enkelt udstyr. (Billedkilde: Schneider Electric)

Tryg og sikker energi

Cybersikkerhed er et vigtigt aspekt af energisikkerhed og modstandsdygtighed. Det Internationale Energiagentur (IEA) definerer energisikkerhed som "den uafbrudte tilgængelighed af energikilder til en overkommelig pris". Mikronet kan bidrage væsentligt til at sikre billig, sikker og robust energiforsyning.

Kommunikation er et vigtigt element i mikronet. Det betyder kommunikation til skyen og muligvis med det lokale forsyningsnet for at optimere ydeevnen. Derudover kommer de forskellige distribuerede energiressourcer og belastninger, der udgør et typisk mikronet, fra forskellige producenter og anvender heterogene kommunikationsprotokoller og -teknologier. Internetforbindelse og trådløse teknologier som Wi-Fi findes i næsten alle mikronet og kan være afgørende for at opnå maksimale fordele. De understøtter også hjælpefunktioner som indsamling af vejrprognoser og brændstof- og energipriser i realtid.

Det er komplekst at sikre cybersikkerhed. Udover sikker hardware kræves der politikker, procedurer og mennesker til at håndtere cybersårbarheder, der kan gøre det muligt for angribere at få adgang til følsomme netværk og data og endda manipulere kontrolsoftware, hvilket resulterer i beskadiget mikronetdrift. Terrorister er kun én bekymring; der er også konkurrenter eller skruppelløse medarbejdere at tage hensyn til. Der kan opstå operatørfejl, netværk kan have ukendte smuthuller på grund af forældet software og så videre (figur 4). Cybersikkerhed kan ikke være en eftertanke. Det skal tænkes ind i alle aspekter af mikronettets hardware, software og processer fra begyndelsen for at være effektivt.

Figur 4: Sårbarheder, der skyldes mennesker, processer og huller i den fysiske sikkerhed kan udgøre angrebsvektorer for mikronettet. (Billedkilde: Schneider Electric)

Oversigt

Mikronet integrerer adskillige distribuerede energiressourcer og belastninger i et enkelt system for at maksimere energiens bæredygtighed og modstandsdygtighed. Flere mikronetarkitekturer kan bruges til at understøtte specifikke energi- og konnektivitetsbehov. Det stigende antal mikronet og den voksende udbredelse af distribuerede energiressourcer har resulteret i en udvikling i IEEE 1547-sammenkoblingsstandarden og driver et øget fokus på mikronettenes cybersikkerhed.