Распределенные энергетические ресурсы (DER) с расширенными средствами управления могут предоставлять сети такие услуги, как частотная характеристика. Однако для этого, в отличие от обычных генераторов, РЭР обычно приходится регулярно обмениваться сигналами с удаленными центрами управления.
Эти открытые коммуникационные сети подвергают сеть задержкам связи, киберугрозам и другим рискам. Поскольку DER все чаще добавляются в сеть, понимание того, сколько времени требуется устройствам для связи с центрами управления, и влияние на поддержание стабильной частоты в сети, становится все более важным.
В NREL мы помогаем преодолеть разрыв между проектированием энергетических систем и сетями связи. Это будет особенно важно в связи с ожидаемым распространением DER, поскольку Соединенные Штаты нацелены на 100% чистое электричество в 2035 году и экономику с нулевым выбросом углерода в 2050 году.
За последние два года мы исследовали способность РЭР предоставлять услуги по регулированию частоты и, что важно, то, что происходит, если их алгоритмы управления не учитывают варианты связи. Мы проверяем этот вопрос с помощью расширенного моделирования сетки и тестовых примеров для проверки нашей методологии. Эта работа поддерживается Программой исследований и разработок Управления передовых электросетей Министерства энергетики США.
Мы обнаружили, что, как правило, чем дольше задержка связи между устройством и центром управления, тем выше вероятность нестабильности сети, что подчеркивает важность понимания динамики передачи и распределения при увеличении DER.
Разработка правильной модели совместного моделирования
Чтобы начать исследовать эту тему, нам сначала нужно было разработать правильную модель для имитации динамики распределения и передачи с высоким развертыванием DER, которая на самом деле не была тщательно изучена.
Выходная мощность DER может потенциально влиять на местные профили напряжения, поэтому важно учитывать местное напряжение при анализе регулирования частоты DER, чтобы избежать проблем в распределительных сетях. Однако существующие инструменты частотно-динамического моделирования были разработаны в основном для системы передачи и не могут моделировать динамику распределительной сети с высоким проникновением РЭР.
Итак, мы в NREL разработали новую структуру для анализа частотных характеристик DER на основе платформы Hierarchical Engine для совместного моделирования крупномасштабной инфраструктуры (HELICS) с открытым исходным кодом. HELICS моделирует поведение энергосистемы в масштабе региона и межсетевого соединения, интегрируя домены передачи, распределения и связи.
Преимущество нашей новой платформы динамического совместного моделирования передачи и распределения (T&D) заключается в том, что DER моделируются явно и точно как в симуляторах передачи, так и в симуляторах распределения для динамики частоты и напряжения соответственно. Это моделирование дает нам перспективы, необходимые для изучения того, как DER могут обеспечить частотную характеристику. Более подробную информацию об этой модели динамического совместного моделирования T&D можно найти в нашей статье в IEEE Transactions on Smart Grid.
Изучение влияния задержек связи
Важным аспектом изучения частотной характеристики DER является понимание влияния задержек связи DER или того, что произойдет, если что-то пойдет не так.
Используя наш новый инструмент совместного моделирования на первом этапе нашего исследования, мы смоделировали десятки высокодетализированных крупномасштабных сценариев с разной степенью сбоев связи DER.
В качестве тестового примера мы использовали синтетическую распределительную сеть, включающую 40 DER на каждую шину нагрузки, всего 19 шин нагрузки в 39-шинной системе IEEE с 760 DER. Генерация МЭД составляла 20% от нагрузки на каждую шину нагрузки, а МЭД были распределены равномерно.
Наши результаты показывают, что всего четырехсекундная задержка вызывает нестабильность системы при использовании DER для обеспечения вторичного управления частотой после того, как система теряет один обычный генератор. В открытых коммуникационных сетях при множественных прерываниях, таких как задержка связи/маршрутизации, перегрузка или высокая скорость отклика устройства, общая задержка составляет не менее нескольких секунд, и чем дольше задержка, тем выше риск нестабильности. Если конструкция расширенных элементов управления РЭД не учитывает варианты связи, риск нестабильности еще выше, что опять же указывает на важность изучения частотной характеристики РЭД.
Пример использования электромобиля
На другом этапе нашего исследования мы углубились в частотную характеристику МЭР, изучив пример влияния электромобилей (EV) на регулирование частоты энергосистемы .
Электромобили, оснащенные батареями, обладают способностью и гибкостью (1) обеспечивать быструю частотную характеристику, (2) помогать смягчать колебания частоты системы и (3) повышать стабильность частоты системы. Однако регулирование частоты между транспортным средством и сетью также может повлиять как на частотную характеристику энергосистемы, так и на профили напряжения в локальной распределительной сети. Мы хотели знать, как электромобили могут поддерживать сеть в случае сбоя связи.
Для проведения этого тематического исследования мы добавили новую динамическую модель в наш инструмент совместного моделирования для явного моделирования динамики EV. Затем мы смоделировали сценарии с разной степенью сбоев связи. Мы обнаружили, что электромобили, подключенные к сети, обладают большим потенциалом для восстановления частоты системы, и они могут восстановить ее быстрее всего, когда им разрешено изменять состояние с полной зарядки на полную разрядку.
Это всего лишь несколько основных моментов нашего недавнего анализа работы энергосистем с широко распространенными РЭР, но впереди у нас еще много исследований. Коммуникационные сети и энергосистема в настоящее время фундаментально переплетены, хотя исторически они были изолированы друг от друга.
Будущая энергетическая система опирается на коммуникационную сеть, а коммуникационная сеть тоже опирается на энергетическую систему. Мы должны работать вместе в разных дисциплинах, чтобы совместно планировать операции и гарантировать, что свет останется включенным в будущем с низким уровнем выбросов углерода.
