La generazione distribuita (DG) ha trasformato il paesaggio elettrico spostando la produzione di energia da alcune stazioni centrali di massa a migliaia di fonti più piccole e disperse. I sistemi fotovoltaici solari su tetti residenziali, parchi eolici nelle comunità rurali, sistemi di calore e di potenza combinati a siti industriali, e le unità di stoccaggio della batteria dietro il metro contribuiscono a questo modello di ingegneria variabile decentralizzata.

I Phasors forniscono il quadro matematico e la visibilità in tempo reale necessaria per sincronizzare e controllare le risorse energetiche distribuite (DERs). Rappresentando forme d'onda correnti alternate (AC) come numeri complessi che catturano sia l'angolo di magnitudo che l'angolo di fase, i phasors permettono agli operatori di vedere esattamente ciò che sta accadendo in qualsiasi momento della griglia.

La sfida crescente del coordinamento nella generazione distribuita

I sistemi di alimentazione tradizionali sono stati progettati intorno a un piccolo numero di grandi generatori controllabili, che potrebbero essere spediti prevedibilmente, e il flusso di energia era in gran parte unidirezionale, dal generatore attraverso le linee di trasmissione alle reti di distribuzione e infine ai clienti.

Senza dati precisi in tempo reale, gli operatori di rete sono ciechi. Un'improvvisa copertura del cloud può far cadere l'uscita solare del 50% in pochi minuti; una raffica di vento può far salire le turbine eoliche appena il più velocemente. Questi rapidi cambiamenti devono essere soddisfatti con risposte altrettanto veloci da altri generatori, sistemi di storage o controlli di carico.

Cosa sono i Phasors? Un Refresher

Nel sistema di alimentazione AC, la tensione e la corrente variano sinusoidale con il tempo. Un phasor semplifica che il sinusoide in un vettore rotante con due pezzi di informazione: il magnitude] (tipicamente tensione RMS o corrente) e il [faLT ciclo costante

Per esempio, una forma d'onda di tensione descritta come \( v(t) = V m \cos(\omega t + \theta) \) diventa il phasor \(\tilde{V} = V {rms} e^{j\theta}\), dove \(V {rms}\) è il parametro di riferimento radice-mean-square e \(\theta fase del segnale è l'angolo di fase del ciclo di fase di fase di fase di fase è l'angolo di fase di fase di fase.

Come i Phasors sono applicati nella generazione distribuita

Sincronizzazione delle fonti multiple

Sincronizzazione significa corrispondente magnitudine di tensione, frequenza e angolo di fase all'interno di tolleranze rigorose. Le unità di misura del Phasor al punto di comune accoppiamento (PCC) segnalano continuamente la differenza di fase tra l'uscita del generatore e la griglia. Quando la differenza si avvicina a zero, l'inverter o l'interruttore possono chiudere, connettendo in modo sicuro la sorgente.

Una volta online, i generatori devono mantenere la sincronizzazione come condizioni di rete cambiano. Un aumento di carico improvviso o un guasto su una linea di trasmissione possono spostare angoli di fase attraverso il sistema. I dati del Phasor permettono a ciascun controller della DG di regolare la sua uscita in tempo reale, mantenendo gli angoli entro limiti sicuri. Questo è particolarmente importante per le grandi aziende solari o impianti eolici, dove anche alcuni gradi di mismatch fase possono produrre la circolazione di potenza involontaneo tra parallelo inverso.

Monitoraggio e consapevolezza di posizione

Oltre alla sincronizzazione dei singoli generatori, i phasors consentono sistemi di monitoraggio a larga area (WAMS) che danno agli operatori una visione olistica della salute della griglia.

Per la generazione distribuita, i dati del phasor di ampia area aiutano gli operatori a vedere come un gruppo di installazioni solari influisce su un corridoio di trasmissione. Ad esempio, se tutti gli impianti solari in una regione si dilagano simultaneamente a causa di nuvole di passaggio, la perdita improvvisa di generazione può causare la variazione di frequenza. I dati PMU fornisce un avviso precoce, permettendo un rapido funzionamento di stoccaggio o di spargimento del carico per compensare prima della generazione automatica di relè di trasferimento di uscita di uscita di uscita di uscita di uscita di uscita.

Detezione isolante e Schemi anti-isolanti

Una delle esigenze di sicurezza per la generazione distribuita è anti-islanding: se la griglia va giù, la DG deve disconnettersi per evitare le linee energetiche durante la manutenzione. I metodi anti-islanding passivi si basano sul rilevamento di deviazioni di tensione o di frequenza, ma questi possono essere lenti o inaffidabili quando più DG stanno operando insieme.

Regolazione della tensione e controllo di potenza reattiva

I phasors permettono anche un controllo preciso della tensione. La generazione distribuita può causare aumento della tensione sui alimentatori di distribuzione, soprattutto quando l'uscita supera il carico locale. Misurando il phasor (magnitudine e angolo) della tensione in più punti, l'iniezione di potenza reattiva dell'inverter può essere accordata per rimanere entro limiti consentiti.

Vantaggi quantificabili della tecnologia Phasor per la generazione distribuita

  • Migliora qualità di potenza[[]: Più veloce rilevamento di sag di tensione, gonfiamenti e armoniche consente azioni correttive che mantengono la qualità di potenza entro i limiti IEEE 519.
  • Affidabilità potenziata[[]: I dati del Phasor consentono schemi di protezione avanzati che evitano il fastidio tripping della DG in risposta a difetti distanti, garantendo al contempo la disconnessione dell'isola quando necessario.
  • L'alta DG Penetrazione[] I servizi di utilità possono ospitare in modo sicuro una generazione più distribuita perché hanno visibilità e controllo per gestire i flussi di potenza variabili e bidirezionali.
  • Ridotto Curtailment[[]: Con un migliore coordinamento, gli operatori di rete possono evitare di ridurre inutilmente la generazione rinnovabile, massimizzando l'output di energia pulita.
  • Faster Restoration[[]: Dopo un blackout, i dati del phasor aiutano gli operatori a identificare le isole stabili della DG che possono essere utilizzate per riavviare la griglia in modo controllato.

Secondo un rapporto del 2021 del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, i dati PMU hanno dimostrato di ridurre la frequenza di grandi disturbi del 20-30% nelle implementazioni pilota attraverso sistemi di distribuzione ad alta penetrazione rinnovabile.

Realizzazioni pratiche e studi di casi

Il progetto Phare dell’Unione europea

Un esempio notevole è il progetto Phare (Phasor-based Real-time Control) che ha integrato PMU a 50 stazioni di distribuzione in Germania e nei Paesi Bassi per coordinare oltre 500 MW di energia solare e vento distribuiti. Il sistema ha fornito aggiornamenti sub-secondi su angolazioni di fase attraverso alimentatori multipli.

Integrazione del Grigliato della California di Rooftop Solar

Gli standard di portafoglio rinnovabili della California hanno portato a una proliferazione del solare residenziale. Su alcuni circuiti di distribuzione, la penetrazione solare supera il 100% del carico minimo. Pacific Gas ed Electric (PG&E) ha implementato il monitoraggio basato su phasor su diversi circuiti, utilizzando PMUs a sottostazioni e a nodi chiave di alimentazione. Il sistema ha fornito l'allarme precoce delle condizioni di flusso di potenza inversa che potrebbero triplare i rinchiuscitori di linea.

Sfide e considerazioni nel settore della distribuzione di Phasor per la DG

Mentre i vantaggi sono chiari, la distribuzione della tecnologia del phasor per la generazione distribuita non è senza ostacoli.

  • Costo delle PMU e delle Comunicazioni[[]: Le PMU ad alta precisione possono costare diverse migliaia di dollari ciascuno, e installarle su ogni alimentatore di distribuzione è costoso. Tuttavia, le alternative a basso costo, come i registratori di frequenza o la fusione della funzionalità PMU con i controlli intelligenti inverter, stanno emergendo.
  • Data Volume e Latency[[[]: Le PMU generano volumi enormi di dati, fino a 60 campioni per secondo canale. Trasmettere, memorizzare e elaborare questi flussi di dati in tempo reale richiede robuste reti di comunicazione e edge computing. Latenza deve essere abbastanza bassa per consentire le azioni di controllo all'interno di pochi cicli.
  • Cybersecurity[: Poiché i dati PMU possono attivare controlli automatizzati, i collegamenti di comunicazione devono essere protetti contro attacchi di spoofing o di negazione di servizio. La sincronizzazione GPS è anche un unico punto di guasto se si verifica il jamming.
  • Standardization[[]: L'interoperabilità tra i diversi produttori PMU e i concentratori di dati del phasor (PDCs) si basa su standard come IEEE C37.118.

Nonostante queste sfide, i rapidi progressi nella tecnologia dei sensori, le comunicazioni 5G e l'analisi basata su cloud stanno riducendo costantemente le barriere. Il costo delle PMU è diminuito di metà rispetto agli ultimi dieci anni, e molti inverter moderni contengono già capacità di misura del phasor come parte dei loro loop di controllo interno.

Direzioni future: Phasors in un digitale Grid

Il ruolo dei phasors nella generazione distribuita crescerà solo in quanto la griglia diventa più digitale, dinamica e distribuita.

Gemelli digitali basati su Phasor

Grazie all'alimentazione delle misurazioni PMU in un gemello digitale, gli operatori possono eseguire scenari che-se-, ad esempio, simulando l'impatto di un evento di rampa solare 50 MW sulla stabilità della tensione attraverso 100 alimentatori. Il gemello può quindi proporre azioni di controllo coordinate ottimali prima che l'evento si verifichi.

Apprendimento della macchina e dati del Phasor

La serie di tempo ad alta risoluzione di PMUs è ideale per algoritmi di apprendimento automatico che rilevano modelli invisibili a sistemi basati su regole. Ad esempio, una rete neurale addestrata sui dati del phasor può identificare la firma di un inverter difettoso prima di itiner, permettendo la manutenzione preventiva. Un'altra applicazione prevede la variabilità solare: correlando angoli del phasor con immagini della telecamera del cielo, può prevedere rampe solari con tempi di piombo di cinque minuti.

Inverter con foratura a rete con sincronizzazione Phasor

Gli inverter di formatura del griglie, che possono stabilire attivamente tensione e frequenza piuttosto che semplicemente seguendo la griglia, richiedono una sincronizzazione del phasor estremamente accurata. Questi inverter sono il pilastro di microgriglie pure e futuri sistemi “100% inverter-based”.

IEEE 1547-2018 e Integrazione Phasor

L'ultima revisione della norma IEEE 1547 per l'interconnessione delle risorse energetiche distribuite fa riferimento esplicitamente alla comunicazione basata sul phasor per la regolazione della tensione, il supporto di frequenza e l'anti-islanding, che stabilisce la fase di un ambiente normativo in cui la capacità di phasor diventa un requisito per le nuove installazioni della DG oltre una certa dimensione.

Conclusioni

I Phasors sono molto più di un’astrazione accademica, sono la base pratica su cui poggia l’affidabile funzionamento dei moderni sistemi di generazione distribuita. Fornendo misurazioni istantanee e sincronizzate di tensione e di portata corrente e angolo di fase attraverso la rete, i phasors consentono il coordinamento che impedisce i blackout, riduce i riduzioni e permette una maggiore penetrazione dell’energia pulita.

Per ulteriori informazioni, la North American Synchrophasor Initiative (NASPI) offre vaste risorse sulle applicazioni PMU, e la IEEE Power & Energy Society pubblica documenti autorevoli sulla teoria della misurazione del phasor. Inoltre, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ]Solar Energy Grid Integration Systems] programma fornisce studi di casi che illustrano i vantaggi pratici sopra descritti.