Erhalten Sie echte Ergebnisse mit dem IIC Microgrid Testbed

Das Industrial Internet Consortium (IIC) erzielt mit seinem Testbed-Programm echte Ergebnisse. Das von RTI gemeinsam geleitete Microgrid-Testbed-Projekt demonstriert die Fähigkeit, ein Netz mit 100 % erneuerbaren Energiequellen zu versorgen, während das aktuelle Netz 40 % nicht überschreiten kann. Es zeigt auch die Integration mit Cloud-basierten Verwaltungsanwendungen, die einem Versorgungsunternehmen helfen, mehrere Microgrids zu verwalten.

Der Grund für Microgrids

Das Interesse an Solar- und Windstromerzeugung nimmt heute weiter zu, um die Umweltverschmutzung zu reduzieren, die Widerstandsfähigkeit gegenüber Katastrophen zu gewährleisten und Geld zu sparen. Die bestehenden Stromübertragungs- und -verteilungssysteme waren jedoch nicht dafür ausgelegt, eine große Anzahl dezentraler Energieressourcen (DERs) zu verwalten, die variable Energie wie Sonne und Wind erzeugen. Eine Solaranlage kann bei einer sich schnell bewegenden Wolke innerhalb von Millisekunden Strom verlieren oder wiedergewinnen, oder der Wind kann plötzlich nachlassen, sodass eine alternative Quelle verfügbar und bereit sein muss, die Last sofort aufzunehmen. Das Hochfahren (oder Herunterfahren) einer zentralen Erzeugungsanlage kann je nach Bedarf bis zu fünfzehn Minuten dauern, bei thermischen Großanlagen sogar noch länger. Da das Angebot für einen ordnungsgemäßen Betrieb immer dem Bedarf entsprechen muss, kann die Spannung oder Frequenz im Netz abfallen und zum Netzausfall führen.

Microgrids decken einen geschlossenen Bereich ab, in der Regel mit einer Kombination aus DERs, Energiespeichersystemen wie Batterien und einigen lokalen Kontrollmöglichkeiten, die es dem Microgrid ermöglichen, sich vom Hauptstromnetz zu isolieren und autonom zu laufen. Sie können daher schnell und lokal auf einen Stromausfall reagieren. Dies kann einem Versorgungsunternehmen zusätzliche 15 bis 30 Minuten Zeit geben, um einen zusätzlichen Generator hochzufahren und die Leistung aufrechtzuerhalten.

Abbildung 1. Beispiel für ein Microgrid, das Datenkommunikation und Edge-Intelligenz verwendet, um die lokale Stromerzeugung zu automatisieren und die Stromlast auszugleichen. Microgrids helfen, intermittierende Energiequellen wie Sonne und Wind zu integrieren.

Darüber hinaus erzeugen diese erneuerbaren Ressourcen Gleichstrom, der über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden muss. Herkömmliche Steueralgorithmen gehen davon aus, dass ihnen starke Spannungs- und Frequenzsignale auf der Haupt-Wechselstromleitung folgen. Die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom funktioniert gut, wenn der größte Teil des Stroms von traditionellen, sich drehenden Generatoren wie einem Kohlekraftwerk stammt. Aber wenn der Großteil des Stroms von DERs kommt, versagen die AC-folgenden Regelalgorithmen der Wechselrichter, da sie die Stromsignale voneinander jagen. Infolgedessen verursachen DERs Netzinstabilität, wenn sie mehr als 20-40% der Erzeugung ausmachen. Dies ist auch eine besondere Herausforderung für isolierte („Inseln“) Microgrids – ohne so etwas wie einen Dieselgenerator, der das Hauptstromsignal im Microgrid erzeugt, ist es nicht stabil.

100 % erneuerbare Energie

Versorgungsunternehmen verlagern ihre proprietäre Kommunikationsinfrastruktur in Richtung Ethernet-Transport und Internet Protocol (IP) oder paketbasierte Netzwerke. Dies ermöglicht es uns, zeitkritisches Networking (TSN), die neueste Echtzeit-Ethernet-Netzwerktechnologie, zwischen den Wechselrichterknoten hinzuzufügen, um eine im Sub-Millisekundenbereich synchronisierte Messung von Phase, Frequenz und Spannung zu ermöglichen. Anstelle der traditionellen AC-Signalverfolgungsmethode haben wir die Netzwerkkommunikation verwendet, um Echtzeitmessungen von Phasen-, Frequenz- und Spannungswerten auszutauschen. Auf diese Weise können wir einen virtuellen Synchronisationsmaster erstellen und das Synchronisationsproblem beheben. Damit konnten wir 100 % erneuerbare Energiequellen in einem stabilen Microgrid demonstrieren.

Cloud-Integration und multiples Microgrid-Management

Die drei Schlüsselfunktionen für unsere vorgeschlagene Microgrid- und DERs-Architektur sind die intelligente Steuerung am Rand des Grids; Peer-to-Peer-Hochleistungskommunikation für die lokale Autonomie; und Cloud-basiertes Management, das Daten und Analysen von Drittanbietern integriert. Wir haben eine mehrstufige Architektur verwendet, um Edge, Microgrid-Steuerung und seinen Echtzeit-Datenbus mit Cloud-basierter Verwaltung, Analyse und Visualisierung zu integrieren.

Abbildung 2:Eingesetzte mehrstufige Kommunikations- und Steuerungsarchitektur für das Microgrid- und Verteilnetzmanagement.

Mit den Backend-Management-Anwendungen sammeln wir Daten über die Betriebszustände des Netzes, DERs und Lasten. Wir reichern es dann mit Daten von Drittanbietern wie Wetterbedingungen an und führen intelligente Analysen durch, um die Stromerzeugung abzuschätzen. Wir integrieren uns auch in die lokale Ausgleichsbehörde für die Netzstabilität und in das Back-End-System der Versorgungsunternehmen, um eine vollständige Transparenz und Kontrolle des Netzbetriebs zu gewährleisten. Ein integriertes Dashboard bietet die Front-End-Visualisierung für den Verteilernetzbetreiber, Mikronetzbetreiber und in einigen Fällen die Endbenutzer selbst.

Abbildung 3. Die Schnittstelle des Verteilernetzbetreibers bietet volle Transparenz und Kontrolle über ein Verteilernetz mit DERs, steuerbaren Lasten und mehreren Mikronetzen.

Nachdem wir nun im Labor 100 % erneuerbare Energien und Multi-Microgrid-Steuerung demonstriert haben, besteht der nächste Schritt darin, mit einem Versorgungsunternehmen vor Ort zusammenzuarbeiten. Bleiben Sie dran für weitere Updates.

Weitere Informationen finden Sie im IIC-Whitepaper „Synchronized and Business-Ready Microgrid“.