تجهیزات برق: بنیاد انتقادی زیرساخت های هوشمند شبکه

مدرن سازی شبکه برق به یک شبکه هوشمند و پاسخگو - اغلب به نام یک شبکه هوشمند - تقاضا بیش از فقط سنسورها و نرم افزار است. کل معماری بستگی به یک سیستم قدرتمند، قابل اعتماد و سازگار با منابع برق بدون برق مهندسی شده برای نیازهای منحصر به فرد از کنترل دیجیتال، یکپارچه سازی تجدید پذیر و جریان انرژی دو جهت، یک شبکه هوشمند همچنان یک مفهوم نظری است.

تعریف برق در Smart Grid Field

در شبکه های سنتی، منبع برق به سادگی به معنای نسل عمده برق از نیروگاه های مرکزی است.در یک شبکه هوشمند، اصطلاح به طور قابل توجهی گسترش می یابد. منابع برق شامل تمام دستگاه ها و زیر سیستم هایی است که ارائه، وضعیت و ذخیره انرژی الکتریکی برای اجزای شبکه، از جمله ترانسفورماتور، اینورتر، باتری، سلول های سوخت و حتی کم ولتاژ DC که ماژول های برق و ارتباطات باید از تنظیم دقیق برق و جریان های پشتیبانی، و جریان های دقیق و جریان های انرژی، و جریان های انرژی، و جریان های فرکانس، و جریان های دقیق و جریان های انرژی، و جریان های انرژی، و جریان های فرکانس و جریان های انرژی، و جریان دقیق و جریان های انرژی، و جریان های فرکانس، و جریان های فرکانس و جریان های پشتیبانی دقیق و جریان های دقیق و جریان های انرژی، و جریان های انرژی، و جریان های فرکانس، و جریان های دقیق و جریان های انتقال، و جریان های انتقال از منابع دقیق و جریان های انتقال، و جریان های انتقال از فرکانس، و انتقال از فرکانس های انرژی های انرژی های انرژی های انرژی های انتقال از طریق ولتاژ، و جریان های انرژی های انرژی، و جریان های انتقال دقیق و جریان های انرژی های انتقال دقیق و انتقال، و انتقال دقیق و انتقال، و انتقال، و جریان های انتقال، و انتقال

ویژگی های کلیدی منابع هوشمند شبکه شامل:

  • بهره وری بالا در سراسر محدوده بار گسترده برای به حداقل رساندن زیان در تجهیزات ارتباطی دیجیتال و سیستم های کنترل.
  • پاسخ سریع گذرا [FLT 1] برای حفظ ثبات در هنگام رشد تجدید پذیر.
  • قابلیت های جهت یابی برای سیستم هایی که هر دو مصرف و تزریق برق، مانند شارژرهای وسیله نقلیه به شبکه (V2G).
  • الکترونیک سخت امنیت سایبری [FLT 1] برای جلوگیری از بهره برداری از راه دور از مبدل های برق و سیستم های ذخیره سازی.

چرا قابلیت اطمینان غیر قابل مذاکره است

شبکه های هوشمند به جریان های داده مداوم از میلیون ها سنسور، متر های هوشمند و واحدهای اندازه گیری (PMU) متکی هستند، این دستگاه ها سلامت شبکه را در زمان واقعی نظارت می کنند و پاسخ های خودکار را به خطا یا تغییرات تقاضا فعال می کنند.حتی یک وقفه کوچک قدرت می تواند باعث از دست دادن داده ها، سوء استفاده یا آبشاری به خرابی های سیستم کنترل بزرگتر شود.

علاوه بر این، قابلیت اطمینان عرضه برق به طور مستقیم بر اعتماد مصرف کننده تأثیر می گذارد. Outages که برای عرضه کمبود در الکترونیک شبکه قابل اعتماد است، اعتماد به نفس را در فن آوری های هوشمند از بین می برد. ... [+]

نقش های اصلی قدرت در توسعه شبکه هوشمند

۱- ذخیره سازی انرژی و پشتیبان گیری

ذخیره سازی انرژی یک لایه از شبکه های هوشمند مدرن است و تدارکات برق در قلب آن قرار دارد. باتری ها، چرخ های پرواز و سوپر خازن ها نسل اضافی از شبکه های تجدید پذیر را ذخیره می کنند و بعدا آن را در طول تقاضای اوج تزریق می کنند - این سیستم ها نیاز به مبدل های پیشرفته برق الکترونیکی (inverters /rectiers) دارند که می توانند شارژ و تخلیه موثر در حالی که حفظ ثبات شبکه های ذخیره سازی شبکه های جهانی - به طور چشمگیری افزایش یافته است.

همچنین منابع برق پشتیبان حیاتی برای مراکز کنترل شبکه فراهم می کنند. فیدهای ردموند از ایستگاه های جداگانه همراه با بانک های باتری و ژنراتورهای موجود، اطمینان حاصل می کنند که اپراتورهای هرگز بینایی یا کنترل شبکه را حتی در هنگام خاموشی از دست نمی دهند.

2- یکپارچه سازی انرژی های تجدید پذیر

انرژی های تجدید پذیر مانند خورشید و باد به طور ذاتی متناوب هستند. خروجی آنها بستگی به شرایط آب و هوایی دارد و هر دو مازاد و نقص برق را ایجاد می کند که این تنوع را مدیریت می کند باید شامل:

  • حداکثر Power Point Tracking (MPPT) مبدل که بالاترین انرژی ممکن را از پانل های خورشیدی بدون در نظر گرفتن سایه یا دما استخراج می کند.
  • اینورترهای خشک که همزمان خروجی های تجدید پذیر با فرکانس شبکه و ولتاژ.
  • [[۱] [۱۰] [۱] [۱۰] [۱] برای تثبیت ولتاژ در طول پوشش ابر یا پوشش باد.

این تجهیزات برق نفوذ بالا از انرژی های تجدید پذیر را بدون اطمینان شبکه ای به خطر می اندازد. [۱] طبق وزارت انرژی و انرژی ایالات متحده و یاسژ؛ برنامه ادغام انرژی تجدید پذیر ، توابع اینورتر پیشرفته در بسیاری از استانداردهای اتصال اجباری هستند، نشان دادن فشار تنظیمی برای منابع انرژی هوشمند تر.

تنظیم و فرکانس در زمان واقعی

یک شبکه هوشمند باید ولتاژ را در داخل ±5٪ از اسمی و فرکانس در ±0.1 هرتز حفظ کند تا از آسیب تجهیزات و خاموشی جلوگیری کند.شبکه های سنتی به ژنراتورهای بزرگ همگام برای ارائه این تنظیم متکی هستند.در شبکه های هوشمند مدرن، منابع برق جاسازی شده در منابع انرژی توزیع شده (DERs) و سیستم های ذخیره سازی بر نقش بزرگتر متکی هستند که می توانند قدرت های واکنشی را در ثانیه یا به مراتب سریع تر از تغییر مکانیکی جذب کنند.

منابع پیشرفته قدرت در حال حاضر به عنوان (FLT:0) تشکیل اینورتر، که می تواند یک مرجع فرکانس پایدار در میکروشبکه های جزیره بدون اتصال به سیستم قدرت عمده ایجاد کند، این قابلیت برای انعطاف پذیری در جوامع دور افتاده و تاسیسات نظامی حیاتی است.

۴- قدرت لایه ی هوش

هر دستگاه هوشمند – از واحدهای اندازه گیری phasor گرفته تا زیرساخت های پیشرفته مترینگ (AMI) برای توزیع رله های اتوماسیون – نیاز به یک منبع برق اختصاصی دارد.این اغلب باید در مکان های چالش برانگیز (پول بالا، رسوبات زیرزمینی، محیط های غیر دوستانه) کار کند.

توزیع DC کم ولتاژ در زیر ایستگاه ها نیز به عنوان راهی برای کاهش زیان های تبدیل به دست می آید. [NREL ’ تحقیقات در مورد الکترونیک پیشرفته برق نشان می دهد که تحکیم چندین بار DC (حساسات، کنترل کننده ها، LED ها) می تواند کارایی کلی سیستم را با 10 تا 15٪ بهبود بخشد.

چالش های در برابر سیستم های تامین برق در شبکه های هوشمند

سازگاری و کیفیت قدرت

نفوذ بالا از انرژی خورشیدی و باد، فلش های ولتاژ، آسیب پذیری ها و انحراف های فرکانسی را معرفی می کند.منابع برق باید به طور فعال این اختلالات را فیلتر کنند یا به طور خطرناکی به کنترل الکترونیک حساس آسیب برسانند. ظهور شارژ خودرو الکتریکی کیفیت قدرت را پیچیده تر می کند، زیرا شارژر سریع گام های بار ناگهانی ایجاد می کند که توزیع کنندگان استرس و منابع برق به طور یکسان ایجاد می کنند.

مدیریت ذخیره سازی انرژی

تخریب باتری، تعادل هزینه های دولتی و مدیریت حرارتی همچنان چالش های مهندسی است. مدارهای تامین برق باید سیستم های مدیریت باتری پیچیده (BMS) را پیاده سازی کنند که زندگی چرخه را در حالی که اطمینان از ایمنی دارند، گسترش می دهند.آتش سوزی های لیتیوم یون در تاسیسات ذخیره سازی شبکه، نیاز به تجهیزات برق ضعیف را که می توانند یک بسته شکست خورده در میلی ثانیه را جدا کنند، برجسته می کند.

امنیت سایبری Power Electronics

از آنجا که منابع برق به نرم افزار تعریف شده و به اینترنت متصل می شوند، آنها به سطوح حمله تبدیل می شوند.یک اینورتر به خطر افتاده می تواند باعث بی ثباتی فرکانس یا حتی باعث قطع برق شود. وزارت انرژی و مواد افزودنی ایالات متحده (FLT:0C امنیت سایبری برای زیرساخت های انرژی ابتکار بر این نکته تأکید می کند که هر جزء تامین کننده در یک شبکه هوشمند باید ارتباطات رمزگذاری شده، و تشخیص بوتوما را امن کند.

استرس حرارتی و پیری

منابع برق در محوطه های فضای باز باید دمای شدید، رطوبت، مه نمک و ارتعاشات را تحمل کنند. خازن های الکترولیتی، مغناطیسی ها و نیمه هادی ها همه در طول زمان کاهش می یابند. نظارت بر وضعیت سلامت منبع برق یک منطقه در حال ظهور است، استفاده از سنسورهای داخلی و تجزیه و تحلیل برای پیش بینی شکست قبل از اینکه عملیات شبکه را مختل کند.

تکنولوژی های نوظهور و مسیرهای آینده

تبدیل شدن به حالت جامد

جایگزینی ترانسفورماتورهای معمولی آهن هسته ای با انواع جامد دولت یک مرز عمده است.این منابع با فرکانس بالا می توانند ولتاژ را تنظیم کنند، پشتیبانی برق واکنشی را فراهم کنند و به طور مستقیم DC تجدید پذیر را ادغام کنند - همه در حالی که کوچکتر و سبک تر هستند.

نیمه هادی های گسترده-Bandgap

دستگاه های کاربید سیلیکون (SiC) و نیتیدیوم (GaN) در حال انقلابی در بهره وری عرضه برق و سرعت تغییر هستند، آنها کاهش ضرر را 50 تا 70٪ در مقایسه با سیلیکون، قادر به کاهش گرمای کوچکتر و چگالی بالاتر قدرت است. Smart Grid Pacific و دیگر پروژه های خلبان در حال استفاده از اینورتر های SiC برای نشان دادن توانایی خود را برای کنترل سریع ترانسفراطر و جریان های برق دو جهت.

قدرت های جذاب

نسل بعدی منابع برق نه تنها تجهیزات برق را در اختیار دارند بلکه با استفاده از پروتکل هایی مانند IEEE 1547-2018 و IEC 61850 ارتباط برقرار می کنند، این تدارکات می توانند حالت عملیاتی خود را در پاسخ به سیگنال های قیمت، انحراف فرکانس یا دستورات اضطراری تنظیم کنند.این قابلیت هر منبع برق را به یک دارایی شبکه انعطاف پذیر تبدیل می کند که می تواند به تعادل و تقاضا کمک کند.

معماری های معمولی و مقیاس پذیر

برای ساده سازی تعمیر و نگهداری و توسعه، تولید کنندگان در حال طراحی منابع برق به عنوان ماژول های قابل بازیافت با رابط های استاندارد هستند. یک ایستگاه فرعی می تواند با ظرفیت کوچک شروع شود و ماژول ها را به عنوان شبکه هوشمند رشد دهد.این رویکرد سرمایه را کاهش می دهد و اجازه می دهد تا خدمات به طور فزاینده ای فن آوری های جدید را تصویب کند.

نتیجه گیری

منابع برق بسیار بیشتر از اجزای منفعل در زیرساخت های شبکه هوشمند هستند.آنها سیستم های فعال و هوشمند هستند که امکان ادغام تجدید پذیر، ذخیره سازی، تنظیم ولتاژ و لایه کنترل دیجیتال را فراهم می کنند که شبکه ها را واقعا هوشمند می کند، زیرا انتقال انرژی سرعت می یابد، صنعت الکترونیک برق باید به نوآوری در بهره وری، قابلیت اطمینان، امنیت سایبری، و قابلیت پشتیبانی شبکه ادامه دهد.