Strategie zarządzania energią odnawialną w mikrosieciach

Wraz ze wzrostem populacji i rozwojem przemysłu zapotrzebowanie na energię elektryczną rośnie z roku na rok. Wytwarzanie oparte na paliwach kopalnych, które odpowiada za większość obecnej produkcji energii, wciąż jest wykorzystywane do zaspokojenia rosnącego popytu na energię, co prowadzi do szybkiego wyczerpywania się zasobów paliw kopalnych i wzrostu cen węgla i gazu ziemnego. Według Międzynarodowego Stowarzyszenia Energetycznego średnie ceny gazu ziemnego w Europie były w I półroczu 2022 r. czterokrotnie wyższe w porównaniu z analogicznym okresem roku 2021, a ceny węgla ponad trzykrotnie wyższe. Paliwa kopalne są również głównym źródłem gazów cieplarnianych i są odpowiedzialne za wzrost globalnego ocieplenia.

Odnawialne źródła energii są zatem postrzegane jako alternatywa dla paliw kopalnych i mają potencjał przezwyciężenia wspomnianych problemów. Źródeł energii, takich jak energia słoneczna, wiatrowa i wodna, jest w przyrodzie wiele: są też stale dostępne, tak więc wyczerpywanie się ich źródeł nie jest problemem. Zasoby te nie generują żadnych szkodliwych produktów ubocznych i są znacznie bardziej ekologiczną i czystszą energią. Wiele krajów zaczęło wdrażać alternatywne źródła energii i dąży do generowania około 40 procent lub nawet połowy całkowitego zapotrzebowania na energię ze źródeł odnawialnych w następnej dekadzie.

Pomimo takich korzyści, energia odnawialna nie rozwija się wystarczająco szybko, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na energię. W obecnym stanie nadal jesteśmy dalecy od zapewnienia zerowej emisji dwutlenku węgla netto, co zmusza kraje do dalszego wykorzystywania węgla i gazu ziemnego. Część problemów związanych z powolnym wzrostem można rozwiązać za pomocą mikrosieci, które omówiono w dalszej części artykułu.

Rola mikrosieci w zarządzaniu energią odnawialną

Odnawialne źródła energii mają bardzo zróżnicowaną naturę, co jest głównym powodem ich wolniejszego rozwoju. Poszczególne źródła mają różną charakterystykę pracy, co powoduje przerwy w dostawie i zmienność dostarczanej mocy. Prowadzi to do ogromnego niedopasowania między podażą a popytem na energię, które można rozwiązywać tworząc minisieci lub mikrosieci. Ze względu na nieciągły charakter dostaw ze źródeł odnawialnych, mikrosieci są zwykle połączone z główną siecią w celu zapewnienia niezawodności, a całość układu nabiera cech systemu hybrydowego. W przypadku systemów off-grid na wyspach lub w odległych lokalizacjach, aby zapewnić niezawodność zasilania, stosuje się wiele różnych źródeł odnawialnych. Na przykład energia słoneczna będzie dostępna tylko w ciągu dnia, więc potrzebne jest źródło oparte na wodzie lub wietrze, które może zaspokoić zapotrzebowanie na energię w nocy.

Wprowadzając wiele odnawialnych źródeł energii do jednego systemu, skuteczna kontrola przepływu energii ze źródeł do odbiornika staje się wyzwaniem, zwłaszcza przy przeciążonej sieci głównej. W związku z tym przyjmuje się różne strategie zarządzania energią, aby upewnić się, że wytwarzana moc nie zostanie utracona. Optymalnym systemem byłoby wykorzystanie hybrydowego systemu odnawialnego wraz z systemami rezerwowymi, takimi jak akumulatory lub generatory diesla. Systemy magazynowania energii są również przydatne do magazynowania nadmiaru energii generowanej w przypadku niewielkiego poboru mocy w sieci.

Źródło: Wenbo Shi, University of California Los Angeles

Strategie zarządzania energią w mikrosieciach

Jak wspomniano powyżej, opracowanie  optymalnej strategii zarządzania energią pomaga zwiększyć niezawodność systemu. Strategie te opierają się na danych wejściowych z czujników i zaawansowanej technologii informatycznej. Techniki te mają na celu maksymalizację mocy wyjściowej i żywotności urządzeń, a także minimalizację kosztów operacyjnych i środowiskowych

Scentralizowana strategia kontroli

Jak sama nazwa wskazuje, sterowanie scentralizowane składa się z nadrzędnego lub centralnego sterownika, który zbiera wszystkie informacje, takie jak moc generowana w każdym źródle odnawialnym, dane meteorologiczne itp. Odpowiada za zarządzanie interfejsami energoelektronicznymi w każdym urządzeniu generującym energię, wysyłając optymalne parametry sterowania, co pomaga to zbilansować moc czynną i bierną w stabilnych warunkach. Centralny kontroler może również analizować wzorce zużycia energii przez każdego użytkownika w celu optymalnego planowania zasobów.

Aby zrealizować taki model zarządzania, należy ustanowić łącze komunikacyjne między sterownikiem centralnym a wszystkimi sterownikami lokalnymi rozproszonych źródeł energii. Jest to poważna wada tego typu systemów ze względu na możliwość wystąpienia pojedynczego punktu awarii. W przypadku gdy główny kontroler zawiedzie, lokalne kontrolery nie będą miały żadnej komunikacji między sobą, a cały system przestanie funkcjonować.

Strategia zdecentralizowanej kontroli

W przeciwieństwie do scentralizowanej strategii sterowania, w sterowaniu zdecentralizowanym lokalne kontrolery mają możliwość samodzielnego podejmowania decyzji. Każdy lokalny sterownik proponuje swoje optymalne ustawienie i wysyła dane do kontrolera nadrzędnego, który ocenia całość pod kątem optymalnego planowanie zasobów i odsyła je z powrotem do kontrolerów lokalnych. Ten proces negocjacji parametrów operacyjnych trwa do momentu osiągnięcia celów całego systemu i celów lokalnych.

Nawet jeśli główny kontroler ulegnie awarii - w porównaniu z podejściem scentralizowanym -wydajność całego systemu nie ulegnie znacznemu pogorszeniu, co zwiększa niezawodność systemu. Kolejną korzyścią tej strategii jest zwiększona elastyczność systemu: kontrolery lokalne mogą być dodawane lub usuwane bez informowania o tym kontrolera centralnego. Jedynym mankamentem jest tutaj ograniczona skalowalność systemu, gdyż brak jest bezpośredniej komunikacji pomiędzy lokalnymi sterownikami.

Hierarchiczna strategia kontroli

Kontrola hierarchiczna to połączenie kontroli scentralizowanej i zdecentralizowanej. Tutaj kontrolery lokalne są podzielone na grupy, z których każda ma swój własny sterownik centralny. Te centralne kontrolery komunikują się ze sobą, aby uzyskać ogólny stan mikrosieci. Zaletą jest to, że prędkość komunikacji między lokalnymi kontrolerami jest bardzo duża, system jest znacznie łatwiej skalowalny i niezawodny, zwłaszcza w dużych środowiskach.

Celem zwiększenia niezawodności systemu poprzez wdrożenie trzech pętli sterowania, strategia ta wykorzystuje trzy poziomy sterowania: podstawowy, drugorzędny i trzeciorzędny. Podstawowa pętla sterowania odpowiada za kontrolę napięcia i zapewnia funkcję plug-and-play dla źródeł energii. Pętla wtórna kompensuje odchylenie napięcia występujące z pętli pierwotnej. Pętla trzeciego rzędu, która może być obecna lub nie, jest odpowiedzialna za ekonomiczną optymalizację energii, a także kontrolę przepływu mocy w warunkach podłączenia do sieci zewnętrznej.

Hierarchiczna strategia kontroli

Efektywne zarządzanie energią odnawialną w mikrosieciach

W celu zapewnienia ciągłości dostaw oraz obniżenia kosztów produkcji energii, w hybrydowych systemach OZE powszechnie stosuje się zróżnicowane strategie zarządzania energią wraz z technikami optymalizacji jej zużycia. W zależności od rodzaju używanej mikrosieci, strategie te mogą być scentralizowane lub zdecentralizowane. Ponadto, technologie oparte na Internecie Rzeczy (IoT), mogą być w przyszłości wykorzystywane do przetwarzania danych w rozproszonych systemach energetycznych.

Aby zbudować praktyczną mikrosieć, kluczem do posiadania wydajnego systemu jest włączenie komponentów opartych na technologii high-band gap (SiC) i wide-band gap (GaN). Jeśli planujesz np. opracować falownik, narzędzia symulacyjne od Semikron czy Semisel, pomogą określić pożądane parametry komponentów. Wprowadzając te parametry w wyszukiwarce można następnie wybrać idealny komponenty do danego zastosowania, na przykład IGBT SKM450GB12T4 firmy Semikron, czy produkty oferowane przez NXP i Infineon Technologies.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Arrow