Energieverwaltung in inselnetzbetriebenen Mikronetzwerken

Inselnetz-Mikrogrids sind kleine Stromsysteme, die unabhängig vom Hauptnetz arbeiten können. Sie werden oft in Gebieten eingesetzt, wo es schwierig ist, sich an grosse Stromnetze anzuschliessen oder wenn erneuerbare Energiequellen wie Solar und Wind vorhanden sind. Eine wichtige Herausforderung für diese Mikrogrids ist es, das Gleichgewicht zwischen Stromangebot und -nachfrage zu managen, besonders wenn der Stromverbrauch plötzlich ansteigt. Hier kommt das Lastabwurfverfahren bei Unterfrequenz (UFLS) ins Spiel.

UFLS ist eine Methode, die verwendet wird, um Stromausfälle in diesen Mikrogrids zu verhindern. Wenn die Stromnachfrage höher ist als das, was erzeugt werden kann, sinkt die Systemfrequenz. Um dem entgegenzuwirken, trennt UFLS einige Lasten, um das Gleichgewicht wiederherzustellen. Unsere Studie konzentriert sich darauf, effektive UFLS-Strategien zu entwickeln, die speziell für Inselnetz-Mikrogrids mit nur einer Hauptstromquelle, bekannt als netzbildende Ressource (GFM), ausgelegt sind.

#Was ist Lastabwurf bei Unterfrequenz?

Lastabwurf bei Unterfrequenz ist eine Sicherheitsmassnahme, die in elektrischen Systemen verwendet wird. Wenn die Nachfrage nach Strom zu hoch wird und das verfügbare Angebot übersteigt, sinkt die Frequenz des Systems. UFLS hilft, das Stromsystem zu schützen, indem automatisch bestimmte elektrische Lasten abgeschaltet werden. Das stabilisiert die Frequenz und verhindert, dass das System zusammenbricht.

In einem typischen Stromnetz wird die Frequenz auf einem Standardlevel wie 60 Hz gehalten. Wenn sie zu niedrig wird, greift UFLS ein und schaltet nicht-essentielle Lasten ab, um die Frequenz wieder auf ein normales Niveau zu bringen. Für Inselnetz-Mikrogrids, die möglicherweise auf erneuerbare Energiequellen angewiesen sind, ist es entscheidend, dieses Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, da sie begrenzte Ressourcen haben.

#Der Bedarf an effektivem Lastabwurf

In kleinen Inselnetz-Mikrogrids kann der Stromverbrauch schnell schwanken. Ohne genügend unterschiedliche Lasten können kleine Veränderungen zu grossen Problemen führen. Wenn zu viel Strom verbraucht wird, könnte die GFM nicht schnell genug reagieren, um die Frequenz stabil zu halten. Daher ist es wichtig, zuverlässige Strategien zum Management von Stromreserven zu haben, um potenzielle Ausfälle zu vermeiden.

Ein grosses Problem bei der ausschliesslichen Abhängigkeit von GFM-Ressourcen ist ihre Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen in der Erzeugung erneuerbarer Energien. Wenn beispielsweise eine Wolke über ein Solarpanel-System zieht, kann die Leistung plötzlich sinken, was zu einem Frequenzrückgang führt. Ähnlich kann das Starten grosser Elektromotoren vorübergehende Leistungsspitzen erzeugen, die das System herausfordern. Deshalb ist es wichtig, Methoden zum Lastabwurf zu haben, die schnell auf diese Veränderungen reagieren können und gleichzeitig sicherstellen, dass Strom für kritische Bedürfnisse verfügbar bleibt.

#Arten von Lastabwurfgeräten

Um UFLS effektiv umzusetzen, können verschiedene Arten von Geräten verwendet werden. Dazu gehören:

1. Bereichstrenner: Diese Geräte können ganze Gruppen von elektrischen Lasten abtrennen. Sie werden hauptsächlich eingesetzt, um schnell Strom aus grossen Bereichen zu entfernen, könnten aber zu einem Überabwurf von Lasten führen und Frequenzprobleme verschärfen.

2. Smart Meter: Diese können den Stromverbrauch auf Haushaltsniveau managen. Sie können den Strom von Haushalten ein- oder ausschalten und ermöglichen so einen detaillierteren und selektiveren Lastabwurf.

3. Kontrollierbare Geräte: Geräte wie intelligente Klimaanlagen oder Wasserkocher können angepasst werden, um ihren Stromverbrauch bei Bedarf zu reduzieren. Dieser selektive Ansatz kann helfen, die Stromverfügbarkeit für kritische Lasten aufrechtzuerhalten.

#Verzögerungsmechanismen im Lastabwurf

Eine grosse Herausforderung bei der Umsetzung von UFLS ist sicherzustellen, dass es nur dann aktiviert wird, wenn es wirklich notwendig ist. Um das Abtrennen von Lasten während kurzzeitiger Leistungsspitzen zu vermeiden, können Systeme Zeitverzögerungen nutzen. Diese Verzögerungen lassen kurzzeitige Ereignisse, wie das Starten eines Motors, verlaufen, ohne eine grosse Reaktion auszulösen.

Durch die Analyse verschiedener Zeitverzögerungseinstellungen kann unser Ansatz diese kurzen Störungen effektiv herausfiltern. Das bedeutet, dass nur signifikante, nachhaltige Anstiege in der Stromnachfrage UFLS auslösen, was zu einem stabileren System führt.

#Simulation des vorgeschlagenen Systems

Wir haben unsere UFLS-Strategien an einem modifizierten IEEE 123-Bus-System mit fortschrittlichen Simulationswerkzeugen getestet. Die Ergebnisse halfen zu bestätigen, dass unsere Methoden effektiv Stromreserven wiederherstellen und das Gleichgewicht aufrechterhalten, selbst bei schnellen Nachfrageschwankungen. Besonders haben wir uns darauf konzentriert, die Wirksamkeit unserer neuen Methoden mit den traditionellen Bereichstrenner-Ansätzen zu vergleichen.

#Vorteile von Smart Metern und Geräten

Smart Meter und kontrollierbare Geräte bieten deutliche Vorteile gegenüber traditionellen Methoden des Lastabwurfs. Durch die Ermöglichung eines lastabhängigen Lastabwurfs pro Phase können sie spezifische Lasten kontrollierter managen. Das führt zu einem besseren Gesamtgleichgewicht der Spannung und Frequenz in allen Phasen des Mikrogrids.

Im Gegensatz dazu können Bereichstrenner oft zu grösseren plötzlichen Abtrennungen führen, was das Problem der Stromungleichgewichte verschärft. Unsere vorgeschlagenen Methoden erlauben eine schrittweise Reduzierung der Last, was helfen kann, signifikante Störungen zu vermeiden und die allgemeine Systemstabilität zu verbessern.

#Bedeutung der Kommunikation

In traditionellen Systemen spielen Kommunikationsnetzwerke eine wichtige Rolle bei der Koordination des Lastabwurfs. Unser Ansatz betont jedoch auch, dass UFLS unabhängig von diesen Netzwerken funktionieren kann. Indem wir die Systemfrequenz als Steuersignal nutzen, erlaubt unsere Methode autonome Operationen selbst während Kommunikationsausfällen, was die Robustheit des Mikrogrids erhöht.

#Zusammenfassung der Ziele

Unsere vorgeschlagene UFLS-Methode hat drei Hauptziele:

1. Effizienten Lastabwurf sicherstellen: Durch die Verwendung gleichmässig verteilter Auslöseverzögerungen können wir Lasten schrittweise abwerfen und nicht bediente Lasten minimieren, während wir dennoch die Anforderungen an die Stromreserven erfüllen.

2. Unnötigen Abwurf vermeiden: Die Überprüfung der Anstiegsrate hilft, unbeabsichtigten Lastabwurf durch kurzzeitige Leistungsspitzen zu verhindern. Das stellt sicher, dass Lasten nur dann abgetrennt werden, wenn es absolut notwendig ist.

3. Zuverlässige Wiederherstellung erleichtern: Wir führen Wiederherstellungsverzögerungen ein, um grosse Leistungsschwankungen zu vermeiden, die auftreten könnten, wenn mehrere Geräte gleichzeitig aktiviert werden.

#Die Rolle von Batteriespeichersystemen

Batteriespeichersysteme (BESS) können eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung unserer UFLS-Methoden spielen. Diese Systeme können überschüssige Energie speichern, die während Niedrigdemand-Perioden erzeugt wird, und helfen, das Angebot auszugleichen, wenn die Nachfrage steigt. Durch die Integration von BESS mit unseren UFLS-Strategien können wir ein widerstandsfähigeres Energiemanagementsystem schaffen.

Darüber hinaus kann die Verwendung fortschrittlicher Prognosealgorithmen in Verbindung mit BESS helfen, den Energiebedarf genauer vorherzusagen, wodurch Mikrogrids ihre Operationen vorausschauend anpassen können. Diese Integration verbessert nicht nur das Lastmanagement, sondern hilft auch, die Stromreserven aufrechtzuerhalten.

#Zukünftige Richtungen

Unsere laufenden Forschungen werden untersuchen, wie die vorgeschlagenen UFLS-Strategien auf grössere Netze und komplexere Mikrogrids mit verschiedenen GFM-Ressourcen ausgeweitet werden können. Es gibt auch ein wachsendes Interesse daran, wie diese Methoden des Lastabwurfs auf zukünftige Smart-Grid-Technologien angewendet werden können, die das Internet der Dinge (IoT) integrieren.

Durch die Entwicklung von intelligenten Geräten mit autonomen Steuerungsfunktionen für den Lastabwurf sehen wir eine Zukunft, in der das Energiemanagement effizienter und reaktionsschneller wird. Der Fokus wird darauf liegen, ein Netzwerk von miteinander verbundenen Geräten zu schaffen, die kommunizieren und auf sich ändernde Energiebedürfnisse reagieren können, ohne stark auf traditionelle Steuerungsstrukturen angewiesen zu sein.

#Fazit

Lastabwurf bei Unterfrequenz ist ein wichtiger Bestandteil des Managements von Stromreserven in Inselnetz-Mikrogrids. Unsere Forschung liefert neue Erkenntnisse darüber, wie effektives Lastmanagement erreicht werden kann, während die Systemstabilität in Zeiten schwankender Nachfrage sichergestellt wird. Durch den Fokus auf innovative Methoden und Technologien wollen wir die Zuverlässigkeit und Effizienz der Mikrogrid-Betrieb verbessern.

Unsere vorgeschlagenen UFLS-Strategien können helfen, Herausforderungen im Zusammenhang mit der Erzeugung erneuerbarer Energien anzugehen und sicherzustellen, dass Inselnetz-Mikrogrids zuverlässig arbeiten können, selbst bei unerwarteten Stromschwankungen. Während sich Mikrogrids weiterentwickeln, wird die Integration fortschrittlicher Technologien und autonomer Systeme entscheidend sein, um die Zukunft einer sauberen und zuverlässigen Energieverteilung zu unterstützen.