Slik kan mikrostrømnett og distribuerte energiressurser (DER) maksimere bærekraft og motstandskraft i industrielle og kommersielle anlegg

Distribuerte energiressurser (DER) som solenergi, vindkraft, kombinert varme og strøm (CHP – combined heat and power), batterilagringssystemer (BESS – battery energy storage system) og til og med konvensjonelle generatorer kan være viktige bidragsytere til forbedringer i bærekraft og motstandsdyktighet i kommersielle og industrielle anlegg, spesielt når de kombineres i et mikrostrømnett ved hjelp av et automatisert styringssystem for intelligent koordinering og styring av energiproduksjon, flyt, lagring og forbruk.

For å maksimere miljømessige og økonomiske fordeler med mikrostrømnett, må styreenheten balansere drift og integrering av DER-er i sanntid, administrere smarte laster som belysning, varmeventilasjon (VVS) og klimaanlegg (HVAC)-systemer, lade- og informasjonsteknologi-installasjoner for elektriske kjøretøy (EV), bruke historisk etterspørselsinformasjon til å projisere fremtidige lastprofiler, gi sikre og effektive tilkoblinger til strømnettet og gi støtte for etterspørselsresponsfunksjoner med energiprisdata i sanntid.

Denne artikkelen tar for seg elementene som utgjør et mikrostrømnett, ser på mikrostrømnettarkitekturer, presenterer en oversikt over IEEE 1547, som fastsetter krav til sammenkobling av distribuerte energiressurser (DER), og IEEE 2030 som gir en omfattende teknisk prosess for å beskrive funksjonene til en mikrostrømnett-styring, vurderer deretter hvordan mikrostrømnett-styringer kan forbedre bærekraft, motstandsdyktighet og økonomiske fordeler, og avsluttes med en kort oversikt over cybersikkerhetsproblemer for mikrostrømnett.

Dette skal til for å lage et mikrostrømnett

Implementeringer og komponenter varierer kraftig for mikrostrømnett. For å diskutere hvordan mikrostrømnett og distribuerte energiressurser (DER) kan maksimere bærekraft og motstandskraft, er det best å starte med en definisjon og noen eksempler på mikrostrømnettkomponenter og -arkitekturer. Det amerikanske energidepartementet (DOE – Department of Energy) definerer et mikrostrømnett som «en gruppe sammenkoblede laster og distribuerte energiressurser innenfor klart definerte elektriske grenser, som fungerer som én styrbar enhet med hensyn til strømnettet. Et mikrostrømnett kan kobles til og fra strømnettet for å gjøre det i stand til å fungere tilkoblet til strømnettet og i øymodus (island mode)».

Selv om definisjonen av et mikrostrømnett er grei, er det en rekke mikrostrømnettkategorier, driftsmoduser og mulige undersystemer å velge mellom når du bygger et mikrostrømnett, og realisering av et mikrostrømnetts maksimale bærekraft og motstandskraft innebærer en rekke arkitektoniske og operasjonelle valg. Automatisering er et viktig hensyn. Eksempler på automatiserte delsystemer inkluderer (figur 1):

• Generering innenfor mikrostrømnettet, inkludert et bredt utvalg av distribuerte energiressurser (DER) og kombinert varme og kraft (CHP)
• Strømdistribusjonsnettverk
• BESS
• Last som klimaanlegg (HVAC)-systemer og maskiner og motorer i industrianlegg
• Administrere lading for elektriske kjøretøy og kjøretøy-til-nett (V2G)-tilkoblinger
• Mikrostrømnettstyringer og koblingsutstyr
• Kobles sammen med strømnettet for nettilkoblede installasjoner

Figur 1: Mikrostrømnett kan inkludere ulike distribuerte energiressurser (DER), kombinert varme og kraft (CHP) og laster. (Bildekilde: Schneider Electric)

Mikrostrømnett-kategorier

Mikrostrømnett kan kategoriseres etter om de er utenfor nettet eller nettkoblede:

Off-grid facility-led, utenfor hovednettet er den vanligste kategorien. Brukstilfeller inkluderer fjerntliggende områder som ikke betjenes av det kommersielle strømnettet, som gruver, industriområder, fjellhjem og militærbaser.

Off-grid facility-led, utenfor hovednettet finnes også på eksterne steder. Brukstilfeller inkluderer avsidesliggende landsbyer, øyer og lokalsamfunn. Mens anleggsledede mikrostrømnett styres av én enhet, må fellesskapsledede mikrostrømnett imøtekomme behovene til en gruppe brukere. De kan kreve mer komplekse kommando- og styringssystemer.

Nettilkoblede anlegg har én eier og brukes til å forbedre påliteligheten i områder der hovedstrømnettet er upålitelig, og strøm er nødvendig, eller i tilfeller der det er økonomiske insentiver for mikrostrømnettets eier å redusere laster og andre tjenester. Brukstilfeller kan omfatte sykehus, datasentre, produksjonsanlegg for kontinuerlige prosesser og andre bygninger med høy tilgjengelighet.

Nettilkoblede lokalsamfunn har flere energibrukere og produsenter koblet til hovednettet og administrert som én enhet. Brukstilfeller inkluderer forretnings- eller universitetscampuser, landsbyer og små byer. Disse kan ha et mangfold av energibrukere, produsenter og lagringsanlegg, og kan være de mest komplekse å kontrollere.

Noen ganger er mikrostrømnett øyer

I tillegg til å ta for seg komponentene i et mikrostrømnett, refererer DOE-definisjonen til drift av mikrostrømnett i «både tilkoblet strømnett og i øymodus». Definisjonene av disse modusene er enkle, men implementeringen er mer kompleks og tas opp i noen IEEE-standarder.

IEEE 1547-2018, Standard for sammenkobling av distribuerte ressurser med elektriske kraftsystemer, beskriver tekniske krav til sammenkobling og driftskompatibilitet mellom distribuerte energiressurser (DER) og strømnettet. IEEE 1547 er en standard som er under stadig utvikling. Tidligere versjoner av IEEE 1547 ble utformet for lave penetreringsnivåer for distribuerte energiressurser (DER) og vurderte ikke den potensielle samlede regionale virkningen av distribuerte energiressurser (DER) på bulkstrømsystemet. IEEE 1547-2018 la til strengere krav til spennings- og frekvensregulering og gjennomkjøringsevne for å hjelpe påliteligheten til overføringssystemet. Mer nylig ble 1547a-2020-endringen lagt til for å imøtekomme unormal driftsytelse.

IEEE 2030.74 beskriver funksjonene til en mikrostrømnettstyring i form av to driftsmoduser for stabil tilstand (SS – steady state) og fire typer overganger (T – transitions) (figur 2):

• SS1, nettilkoblet modus i stabil tilstand, har mikrostrømnettet koblet til strømnettet. Styringen kan bruke komponentene i mikrostrømnettet til å levere tjenester som maksimal demping, frekvensregulering, støtte for reaktiv effekt og rampestyring til nettet.
• SS2, modus med stabil øy eller «øying» (islanding) er når mikrostrømnettet kobles fra strømnettet og fungerer isolert. Styringen (styreenheten) må balansere lastene og mikrostrømnettgenereringen og energilagringstjenestene for å opprettholde stabil drift av mikrostrømnettet.
• T1 refererer til en planlagt overgang fra nettilkoblet til øymodus i stabil tilstand. Selv når strømnettet er tilgjengelig, kan det være økonomiske eller operasjonelle insentiver for å bytte til øymodus. I tillegg kan denne modusen støtte testing av mikrostrømnettdrift.
• T2 er en ikke-planlagt overgang fra strømnettilkoblet til øymodus i stabil tilstand. Dette er sammenlignbart med driften av en avbruddsfri strømforsyning i et datasenter og brukes ofte når hovedstrømnettet svikter. Mikrostrømnettet frakobles sømløst og fungerer som et uavhengig strømnettverk.
• T3 refererer til stasjonær øytilkobling til det offentlige strømnettet. Dette er en kompleks teknisk prosedyre med en «nettdannende» generator på mikrostrømnettet som registrerer frekvensen og fasevinkelen til strømnettet, og nøyaktig samsvarer mikrostrømnettet med hovednettet før det kobles til igjen.
• T4 er en svart start inn i øymodus i stabil tilstand. I dette tilfellet har mikrostrømnettet gått ned, og må derfor isoleres fra strømnettet og startes på nytt i øymodus. Denne situasjonen kan oppstå på grunn av et uventet avbrudd som mikrostrømnett-styringen ikke kan håndtere ved hjelp av en stabil T2-overgang, eller det kan være nødvendig hvis øyen ikke har tilstrekkelig produksjons- eller energilagringsreserver til å fortsette å levere alle lastene og må slå av alle ikke-essensielle laster før generatoren kobles til. I tillegg må eventuell BESS på mikrostrømnettet være minst delvis ladet før den kobles til igjen.

Figur 2: IEEE 2030.74 krever mikrostrømnettstyringer for å imøtekomme to stabile tilstander og fire typer overganger mellom disse tilstandene. (Bildekilde: National Rural Electric Cooperative Association)

Implementering av mikrostrømnett

Det er nesten like mange kombinasjoner av distribuerte energiressurser (DER) og laster som mikrostrømnett, men automatiserte styringer og bryterutstyr er vanlige elementer. I store mikrostrømnett, som det som er illustrert i figur 1 ovenfor, separeres disse ofte i et sentralisert styringsrom, distribuert bryterutstyr for distribuerte energiressurser (DER) og laster og for nettverkstilkoblede konstruksjoner, en transformatorstasjon som fungerer som bryterutstyr mellom mikrostrømnettet og strømnettet.

Mikrostrømnett-styringer trenger informasjon, og for å maksimere motstandsdyktighet og bærekraft må de være raske. Styringene bruker et nettverk av sensorer til å overvåke funksjonen til DER-ene og lastene i sanntid. For nettilkoblede mikrostrømnett overvåker styringen også statusen til det lokale strømnettet. Skulle det oppstå en uregelmessighet, reagerer styringer på millisekunder og sender en kommando til tilknyttede distribuerte energiressurser (DER), last eller bryterutstyr.

Størrelsene på bryterutstyr varierer fra noen få kW til flere MW, og må respondere på styringskrav i løpet av noen få millisekunder for å ikke risikere en alvorlig feiltilstand. En viss andel av bryterutstyr har smarte automatsikringer som fungerer autonomt for å gi et ekstra lag med beskyttelse.

For mindre installasjoner kan styringen og bryterutstyret kombineres til ett enkelt utstyr, noen ganger referert til som et energistyringssenter (energy control center – ECC). ECC-er er tilgjengelige forhåndskablet, montert og fabrikktestet. ECC-er forenkler og fremskynder installasjonen av mikronett og kan administrere flere energikilder, inkludert nettstrøm og distribuerte energiressurser (DER) med prioriterte laster. Schneider Electric tilbyr for eksempel ECC 1600/2500-serien med ECC-er for mikrostrømnett i bygninger (figur 3). Noen funksjoner i ECC 1600/2500-serien inkluderer:

• Kan konfigureres for bestilling med effektklasser fra 100 til 750 kW, og kan optimaliseres for eksisterende eller nye bygninger
• Fungerer med flere distribuerte energiressurser (DER) som solceller (PV), batterilagringssystemer (BESS), vind, gass og dieselgeneratorer
• Styringen muliggjør elastisitet under strømbrudd, inkludert bruk av solceller med en forankringsressurs, for eksempel en standby-generator eller BESS (batterilagringssystem)
• Automatisert intelligent måling gir innsikt i strømkvalitet, energibruk og produksjon for distribuerte energiressurser (DER)
• Bryterutstyr med en strømdistribusjonsbuss på 1600 til 2500 A
• Skybaserte analyser for å maksimere robusthet og avkastning fra investeringer fra distribuerte energiressurser (DER)

Figur 3: ECC-er kombinerer mikrostrømnettstyringen (venstre) og bryterutstyret (høyre) i én enhet. (Bildekilde: Schneider Electric)

Trygg og sikker energi

Cybersikkerhet er et viktig aspekt av energisikkerhet og robusthet. Det internasjonale energibyrået (IEA – International Energy Agency) definerer energisikkerhet som «uavbrutt tilgjengelighet av energikilder til en rimelig pris». Mikrostrømnett kan i betydelig grad bidra til å sikre rimelige, sikre og fleksible energiforsyninger.

Kommunikasjon er et viktig element i mikrostrømnett. Dette betyr kommunikasjon til skyen, og muligens med det lokale strømnettet, for å optimalisere ytelsen. I tillegg kommer de ulike distribuerte energiressursene (DER) og lastene som utgjør et typisk mikrostrømnett, fra forskjellige produsenter, og de benytter heterogene kommunikasjonsprotokoller og teknologier. Internett-tilkobling og trådløse teknologier som Wi-Fi finnes i nesten alle mikrostrømnett, og kan være avgjørende for maksimale fordeler. De støtter også tilleggsfunksjoner som å samle værmeldinger og drivstoff- og energipriser i sanntid.

Det er en kompleks affære å sørge for cybersikkerhet. I tillegg til sikker maskinvare, kreves retningslinjer, prosedyrer og personer for å håndtere cybersårbarheter som kan gjøre det mulig for angripere å få tilgang til sensitive nettverk og data, og til og med manipulere styringsprogramvare som resulterer i skadet mikrostrømnettdrift. Terrorister er bare én bekymring; det er også konkurrenter eller skruppelløse ansatte å ta hensyn til. Operatørfeil kan oppstå, nettverk kan ha ukjente smutthull på grunn av utdatert programvare, og så videre (figur 4). Cybersikkerhet kan ikke være en ettertanke. Den må tilpasses inn i alle aspekter av mikrostrømnett-maskinvare, -programvare og -prosesser fra begynnelsen for å være effektiv.

Figur 4: Sårbarheter fra personer, prosesser og hull i fysisk sikkerhet kan være mulige innganger for angrep på mikrostrømnett. (Bildekilde: Schneider Electric)

Sammendrag

Mikrostrømnett integrerer mange distribuerte energiressurser (DER) og laster i ett enkelt system for å maksimere energibærekraft og motstandsdyktighet. Flere mikrostrømnett-arkitekturer kan brukes til å støtte spesifikke energi- og tilkoblingsbehov. Det økende antallet mikrostrømnett og den økende penetrasjonen av distribuerte energiressurser (DER) har resultert i en utvikling i IEEE 1547-sammenkoblingsstandarden og driver et økt fokus på cybersikkerhet for mikrostrømnett.