Slimme microgrids en Virtual Power Plants, bouwstenen van het net van de toekomst

Slimme Microgrids en Virtual Power Plants,
bouwstenen van het net van de toekomst

Tine Vandoorn

Universiteit Gent
Vakgroep Elektrische Energie, Systemen & Automatisering (EESA)
Laboratorium voor Elektrische Energietechniek (EELAB)

Tine.Vandoorn@UGent.be IFEST 2012 1

Slimme microgrids

bron: EPRI

Microgrids

Microgrids in het distributienet

G MV/LV distribution network

G HV transmission HV/MV DG DG
transformer network (HV) transformer
generators MV/LV
transformer

PCC PCC
DG
DG
DG

microgrid microgrid


Slimme netten Drivers
Microgrids Methode
Slimme microgrids Architectuur

Overview

1 Slimme netten
Drivers
Methode
Architectuur

2 Microgrids

3 Slimme microgrids

4 Regeling van microgrids

5 Besluit


Microgrids Methode

Een veranderend net: sterke toename DG

Sterke toename DG (incl. hernieuwbare energiebronnen):

bron: /www.eurelectric.org

Microgrids Methode

Sterke toename DG

Fotograaf: Nic Vermeulen, Greenbridge Wetenschapspark Oostende, UGent


Microgrids Methode

Kleine en medium-grote windturbines

Evance 5kW Skystream 2.6kW

Raum 3.5kW


Microgrids Methode

Vreemde vormen

Nheowind 3D 3.5kW Energy ball 2.5kW

Turby 2.5kW


Microgrids Methode

Onderzoek in EELAB, UGent

Golfvorm van de stromen in de generator (PMSG) wordt
bepaald door de gelijkrichter (Rectiﬁer).

Onderzoek
Welke golfvorm geeft het hoogste rendement van de
turbine en de generator?


Microgrids Methode

Een veranderend net: grote invloed DG op net
Uitdagingen:
Een veranderende netarchitectuur en vermogensproﬁel

Gecentraliseerd:
Large Power Plants
hydro-electric
nuclear plant coal plant
plant

transmission grid

transformers
distribution grid

industrial
consumer

households


Microgrids Methode

Uitdagingen:
Een veranderende netarchitectuur en vermogensproﬁel

Gedecentraliseerd:
Large Power Plants
hydro-electric
nuclear plant coal plant
plant

transmission grid

transformers
distribution grid

industrial
consumer

households wind/PV


Microgrids Methode

Uitdagingen:
Een veranderend spanningsproﬁel


Microgrids Methode

Uitdagingen:
Intermitterend gedrag van toenemend aantal eenheden

(www.greenenergynet.com)


Microgrids Methode

Uitdagingen:

Meting door Power-Link, het energiekennisplatform van de UGent. Raum 1.5 turbine (1,5kW max vermogen), 5 min

intervallen, 2 dagen met ﬂuctuerende windsnelheid. Negatieve vermogens zijn het eigenverbruik van de inverter.


Microgrids Methode

Een veranderend net

Uitdagingen:

PJ MLoad and W Contribution
ind Chicago LMP
August 26, 2009 August 26,2009
$40.00
120,000 800

700
100,000
$30.00

arginal Price- $/M h
W
600
80,000
500
W

W M
$20.00
Load M

ind W
60,000 400

300

Locational m
40,000 $10.00
200
20,000 PJ M Load, MW
100
PJ M Total Wind, MW $0.00

11:00 AM

11:00 PM
1:00 AM
3:00 AM
5:00 AM
7:00 AM
9:00 AM

1:00 PM
3:00 PM
5:00 PM
7:00 PM
9:00 PM
0 0
2:00 AM
4:00 AM
6:00 AM
8:00 AM

12:00 PM

10:00 PM
12:00 AM

10:00 AM

2:00 PM
4:00 PM
6:00 PM
8:00 PM

12:00 AM

-$10.00

⇒ gelijktijdigheidprobleem
PJM data (PJM Interconnection: serves 13 states and the District of Colombia.)

Microgrids Methode

Toenemende consumptie
Uitdagingen:
Toenemende energie-consumptie

→ OESO landen (o.a. Noord Amerika, Europa): vrij vlak
→ Rest van de wereld (vnl. China en India): sterke stijging
bron: Energy Information Administration (EIA), International Energy Outlook, 2011

Microgrids Methode

Toenemende consumptie

Uitdagingen:
Toenemende energie-consumptie
OESO landen: energie-consumptie vrij vlak

maar: heel sterke toename elektriciteitsconsumptie:

>x3

• elektrische voertuigen
• warmtepompen


Microgrids Methode

Erg variabele consumptie
Uitdagingen:
Variabele consumptie
Lastvariaties tussen de dagen (weekend, weekdag) /maanden
(zomer, winter)

10
% of yearly consumption

9.5
9
8.5
8
7.5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Month
Residentiële last, 2009, VREG

Microgrids Methode


Uitdagingen:
Lastvariaties binnen de dag:
relative consumption ×10−5

5

4

3

2
0 5 10 15 20 25
Hour

SLP proﬁel België, Residentiële last, Januari 2010, VREG

Microgrids Methode

Uitdagingen:
Prijs wordt bepaald door de vraag
Maar: geen feedback (cfr. vaste prijs (op dag/nacht tarief na))

Vraag/prijs curve voor 1 winterdag in Australië, prijs volgt de vraag
www.marchmenthill.com

Microgrids Methode

Uitdagingen:
Prijs wordt bepaald door de vraag

Australië tijdens zomer: extreme prijzen op warme dagen

www.marchmenthill.com

Microgrids Methode


Electriciteitsnetten en piekgeneratoren bouwen op basis
van deze piekvraag,
die slechts enkele uren per jaar voorkomt,
is een erg dure aanpak!


Microgrids Methode

Een veranderend net
Traditionele elektriciteitsnetwerken:
Toenemende (piek) last
Conversie van slechts 1/3 van de brandstof-energie naar
elektrisch vermogen
8% verlies in transmissie net
20% van generatie-capaciteit voor piekvraag (= slechts 5%
v.d. tijd in gebruik)
Geen benutting van restwarmte
Uitdagingen
generatiediversiﬁcatie
laststuring (demand response)
energiebesparing
vermindering van de ecologische voetafdruk
=⇒ Het elektrisch net zal “intelligenter” moeten worden

Microgrids Methode

Methode: evolutie naar slimmere netten

Communicatie, slimme meters

(Rahimi et al, 2010, IEEE trans. on Smart Grid)


Microgrids Methode

Slimme netten

Communicatie, slimme meters

(Rahimi et al, 2010, IEEE trans. on Smart Grid)


Microgrids Methode

Slimme netten

Demand response
Pieken uitmiddelen i.p.v. de voortdurende capaciteit-upgrade

http://www.i15.p.lodz.pl/

Microgrids Methode

Slimme netten
Demand response
Pieken uitmiddelen i.p.v. de voortdurende capaciteit-upgrade


Microgrids Methode

Slimme netten

Evolutie naar Smart Grids
informatie en communicatie technologie
demand response, buffering
DG - intermitterend gedrag
slimme meters (bidirectionele communicatie)
regeling
opslag
elektrische voertuigen (EV)
thuisnetwerk, energiemanagement
⇒ eindpunt: geïnterconnecteerd netwerk of smart microgrids
met gedistribueerde regelingen


Microgrids Methode

Slimme netten
Architectuur

bron: www.consumerenergyreport.com

Slimme netten
Microgrids
Slimme microgrids

Overview

1 Slimme netten

2 Microgrids

3 Slimme microgrids


5 Besluit


Slimme netten
Microgrids
Slimme microgrids

Microgrid

Distributed Generation Units (DG)
Wat? =
power-electronic
PV panel wind turbine
converter

Cluster van stand-alone mode CHP Fuel cell

DG eenheden
AC
opslagelementen grid-connected
mode energy storage
(power-electronically interfaced)
Utility grid
lasten PCC distributed loads


Slimme netten
Microgrids
Slimme microgrids

Microgrid

Distributed Generation Units (DG)
Eigenschappen? =
power-electronic
converter PV panel wind turbine

stand-alone mode CHP Fuel cell
Eén connectiepunt met
het distributienetwerk AC
grid-connected
Netgekoppeld bedrijf mode energy storage
(power-electronically interfaced)
Eilandbedrijf Utility grid PCC distributed loads


Slimme netten
Microgrids
Slimme microgrids

Microgrid

Toepassingen

Huishoudelijke klanten
(geograﬁsche zone, o.a.
stad)
Commercieel/
industrieel
Universiteit (campus)
Militair
Afgelegen Voorspelling 2015, Noord-Amerika


Slimme netten
Microgrids
Slimme microgrids

Microgrid

Toepassing: bedrijventerreinen

ACE Project: Answers to the
Carbon Economy

Energie-
onafhankelijkheid
Verhoging van
economisch
concurrentievermogen
www.ace-low-carbon-economy.eu


Slimme netten
Microgrids
Slimme microgrids

Microgrid

Voordelen

milieu: gecoördineerde
integratie en beheer
van DG
efﬁciëntie
innovatief
betrouwbaarheid


Slimme netten
Microgrids
Slimme microgrids

Betrouwbaarheid van het net

cost of
unreliability
total cost of
reliability

cost of
reliability
lowest in U.S.
Perfection
world today today

Marnay, IRED 2010

Microgrids
Slimme microgrids
Regeling van microgrids

Overview

1 Slimme netten

2 Microgrids

3 Slimme microgrids


5 Besluit


Microgrids
Slimme microgrids

Slim microgrid

Evolutionaire verandering naar het smart grid
=⇒ microgrid als bouwsteen voor het slimme net
=⇒ smart microgrid

= Microgrid
+ slimme eigenschappen:

• intelligente software: monitoring, beheer en optimalisatie
• energie management systeem
• (gedistribueerde) regeling


Slimme microgrids
Besluit

Overview

1 Slimme netten

2 Microgrids

3 Slimme microgrids

Overzicht
Primaire regeling
DG eenheden
Slimme lasten
Secundaire regeling

5 Besluit


Slimme microgrids Overzicht
Regeling van microgrids Primaire regeling
Besluit Secundaire regeling

Overzicht

Primaire versus secundaire regeling
Primaire regeling
betrouwbaarheid
snel, liefst zonder communicatie
Secundaire regeling
meer globale verantwoordelijkheden
trager, smart grid



Regeling DG

Regeling DG = Regeling vermogenselektronische interface
(convertor)

Types PV invertoren



Regeling DG

Regeling DG = Regeling vermogenselektronische interface
(convertor)

Types wind turbines (+ invertoren)



Primaire regeling: netgekoppeld bedrijf



Primaire regeling: netgekoppeld bedrijf

Netgekoppeld bedrijf: net-volgend

Vaste referentiewaarden van vermogen
(vb. bepaald door de maximum power point tracking)



Primaire regeling: eilandbedrijf




Eilandbedrijf: net-vormend

vermogensbalancering
vermogensverdeling
spanningsregeling



Eilandbedrijf: net-vormend
Stel: gewone spanningsregeling
2 DG eenheden
ac net vereenvoudigen met dc voorstelling




=⇒ speciﬁeke regelstrategie voor eilandbedrijf noodzakelijk



Droop Regeling

Conventionele netregeling: o.b.v. roterende inertie:

Bewegingsvergelijking van een generator:

df
M = Pm − Pe
dt

M: inertie
f: frequentie
Pm : mechanisch vermogen aan generator
Pe : elektrisch vermogen door generator
vermogensonbalans:
⇒ verandering van frequentie f
⇒ last-frequentie regeling



Droop Regeling

In conventionele netten met voldoende inertie:
P /f droop regeling

f

fnom
kp
P
Pnom




Echter: eigenschappen microgrid erg verschillend van deze van
het hogergelegen net

• Vermogenselektronische interface → weinig roterende inertie
• Laagspanningsnet → resistieve lijnparameters
• Hoge graad aan variabele bronnen → voorspelbaarheid



Droop Regeling

In resistieve netten met weinig inertie:
P /V droops

V

Vnom
Kp
P
Pnom
cfr. veel PV injectie: grote invloed op spanning in het net



Spanningsgebaseerde droopregeling
VBD control: regelstrategie
= UGent variant op P /V droop control:
rest of microgrid LC-ﬁlter VSI primary energy source
P Pdc

line Pc
impedance
ig T1 T4
Vdc

L Pdc
load C vg Cdc

T2 T3

∆Vdc toont ∆(Pdc , P ) → Vg /Vdc -droop control strategie



Voltage-based droop control strategy

Vg /Vdc -droop controller Pdc /Vg -droop controller
Vg Pdc
Vdc Vg Pdc
Pdc,nom
Vg,nom

Vdc Vg,low Vg,up Vg
Vdc,nom Vg,nom
Q/f -droop controller duty ratio
f voltage controller VSI
Q
f
fnom

Q
Qnom



Voltage-based droop control strategy


Pdc Pdc

Pdc,nom Pdc,nom
Vg Vg

Vg,nom Vg,nom

a) dispatchable unit b) less controllable unit

T. L. Vandoorn, B. Meersman, L. Degroote, B. Renders and L. Vandevelde, "A Control Strategy for Islanded
Microgrids with dc-link Voltage Control," IEEE Trans. on Power Del, 2011


Overview

1 Slimme netten

2 Microgrids

3 Slimme microgrids

Overzicht
Primaire regeling
DG eenheden
Slimme lasten
Secundaire regeling

5 Besluit



Spanningsbegrenzing
Regeling van slimme lasten: demand response
P /V koppeling in laagspanningsnetten:
=⇒ primaire last-regeling o.b.v. spanning

• slimme lasten: veranderen consumptie (volgens spanning)
• intelligente opslag: veranderen opslag (volgens spanning)

consumed power consumed power
Pmax
2h
Pnom Pnom

Pmin

Vg,nom grid voltage Vg,nom grid voltage
“Passive” load “Active” load



Overview

1 Slimme netten

2 Microgrids

3 Slimme microgrids

Overzicht
Primaire regeling
DG eenheden
Slimme lasten
Secundaire regeling

5 Besluit



Secundaire regeling



Secundaire regeling

Primaire regeling
betrouwbaarheid
snel, liefst zonder communicatie
Secundaire regeling
meer globale verantwoordelijkheden:
optimalisatie
noodgevallen
coördinatie van primaire regelacties
herstel van afgesproken consumptiepatronen
herstel van nominale V and f
regeling import/export energie van het microgrid
trager, smart grid



Secundaire regeling

Vb. vermindering brandstofverbruik 1

1
C. A. Hernandez-Aramburo, et al: 2005, IEEE Trans. on Ind. Appl, vol 41, no. 3


Secundaire regeling
Vb. virtueel eilandbedrijf (uitwisseling vermogen microgrid -
rest van het net minimaliseren)

generatoren
prioriteiten !
opslag en buffering
toegewijde opslag
EV
laden: vroeger of later
energie terug naar het net
buffering, tijdverschuiving werking toestellen, ventilatie
lasten
demand response (moet haalbaar zijn voor klant )
directe lastregeling
o.b.v. prijssignalen (indirect)
o.b.v. spanning



Virtual power plants (VPP)

Vele kleine DG eenheden
→ geen visibiliteit
→ aggregatie tot VPP

Capture the value of ﬂexibility
contracten aangaan met de markten
diensten leveren aan de netwerkoperator
congestiemanagement
reductie van commercieel risico



VPPs en microgrid: gelijkaardige concepten

Microgrid VPP
netgekoppeld, off-grid (remote systems), netgekoppeld
eilandwerking
DER in beperkte geograﬁe DER niet fysisch
samen
utility network utility network

PCC
DG DG DG DG DR

load
DG DR load VPP
DG
microgrid

Slimme microgrids
Besluit

Besluit

Smart microgrids:
Graduele implementatie van smart grid kenmerken in het
elektrische systeem
Hiërarchische regeling
Primaire regeling
snel
automatische respons
netwerk stabiliteit
Secundaire regeling
trager
communicatie-gebaseerde respons
optimalisatie e.d.


Slimme microgrids
Besluit

Vragen?

bron: EPRI

Slimme microgrids en Virtual Power Plants, bouwstenen van het net van de toekomst

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Slimme microgrids en Virtual Power Plants, bouwstenen van het net van de toekomst

Similar to Slimme microgrids en Virtual Power Plants, bouwstenen van het net van de toekomst (20)

More from easyFairs_belgium

More from easyFairs_belgium (20)

Slimme microgrids en Virtual Power Plants, bouwstenen van het net van de toekomst