Introduzione

Il cambiamento globale verso un sistema energetico a basso tenore di carbonio è fondamentalmente riscrivendo le regole del funzionamento della rete. Le risorse energetiche decentrate (DER) — gli array solari sul tetto, le turbine eoliche, le batterie dietro il metro e i veicoli elettrici con capacità bidirezionale — non sono più aggiunte di nicchia.

Comprendere la stabilità del sistema di potenza in un contesto decentrato

La stabilità del sistema di potenza è la capacità di una griglia elettrica per tornare ad uno stato operativo normale dopo essere stato sottoposto a un disturbo. I disordini vanno dalla perdita improvvisa di una grande linea di generatore o trasmissione a rapidi oscillazioni nel carico o nell'uscita rinnovabile. La stabilità è tipicamente divisa in tre categorie principali: stabilità dell'angolo del rotore, che si riferisce al sincronismo tra i generatori; stabilità della frequenza, stabilità della griglia per mantenere una stabilità costante

Molti DER si connettono con inverter elettronici di potenza che non hanno inerzia meccanica intrinseca. Rispondono alle condizioni di griglia con controlli elettronici veloci, ma il loro comportamento è dettato dal software piuttosto che dalla fisica. Come risorse inverter-based dislocano la generazione sincrono, la rete di inerzia generale declina, rendendo le deviazioni di frequenza più nitide e più veloci.

Rotor angolo di stabilità in bassa inerzia Grids

La stabilità dell'angolo del rotore riguarda la capacità dei generatori sincroni di rimanere in sincronia dopo un disturbo. In un sistema con molti inverter di griglia che seguono la griglia, che si basano su un riferimento di tensione stabile dalla griglia, la perdita di un generatore di massa può causare rapidi cambiamenti di fase che superano il blocco dei loop di bloccaggio di fase.

Risorse energetiche decentrate: Opportunità e volatilità

I pannelli fotovoltaici sui tetti residenziali e commerciali, le turbine eoliche su piccola scala, le unità di calore e di potenza combinate, le celle a combustibile e i sistemi di stoccaggio dell'energia della batteria si qualificano tutti. Il loro rapido implementazione è guidato da costi di caduta, incentivi politici e una spinta sociale per l'energia pulita.

Tuttavia, le caratteristiche che rendono attraente DERs anche loro una sfida per la stabilità. L'irradiazione solare può cambiare di oltre il 50% in una questione di secondi a causa di nuvole di passaggio, causando rampe di generazione che, quando aggregato attraverso una rete di distribuzione, rivale la perdita di un impianto di alimentazione tradizionale.

Reti di consumo e flussi di energia bidirezionali

Una rete di prosumer è un sistema in cui individui, imprese o comunità consumano e producono elettricità, spesso partecipando a mercati attivi o schemi di condivisione.A differenza dei consumatori passivi che disegnano semplicemente energia, i prosumer esportano generazione in eccesso alla rete o direttamente ai vicini tramite piattaforme peer-to-peer. Tecnologie come i motori a base di blockchain, gli impianti di energia virtuale (VPP), e i giardini solari comunitari sono la colla operativa che trasforma i singoli beni in una rete coordinata.

I ricercatori di un'alta capacità di distribuzione, che hanno sviluppato in modo corretto i sistemi di controllo di rete, possono anche essere utilizzati in modo da consentire ai ricercatori di effettuare un controllo di rete più ampio.

Sfide specifiche di stabilità in una griglia DER-Rich

Instabilità di frequenza e deficit di inerzia

In una griglia convenzionale, la deviazione di frequenza è frenata dall'energia cinetica immagazzinata in masse rotanti di grandi generatori. Un improvviso squilibrio innesca un'iniezione immediata, passiva o assorbimento di potenza da queste macchine, dando il tempo per la risposta di frequenza primaria all'attivazione.

Regolazione della tensione e gestione della potenza reattiva

I sistemi di ottimizzazione dei sistemi di rotazione e i compensatori centralizzati forniscono un supporto di potenza reattiva. Gli inverter DER sono in grado di iniettare o assorbire la potenza reattiva, ma molte unità legacy operano in un fattore di potenza fisso, spesso l'unità e la mancanza di interfacce di comunicazione per rispondere ai segnali di tensione.

Coordinamento e Isolamento della protezione

I sistemi di protezione della distribuzione si basano su relè e richiudi orientativi che assumono corrente di guasto unidirezionale dalla sottostazione. Con DERs che alimentano i difetti dal lato del carico, questi relè possono interpretare la direzione di guasto, portando a protezione accurata abbagliamento o simpatico trippazione.

Armoniche e qualità di potenza

Come aumenta il numero di inverter, la distorsione armonica può accumularsi, causando surriscaldamento di trasformatori, banche di condensatori e motori. La scarsa qualità di alimentazione colpisce anche carichi digitali sensibili e apparecchiature di misura.

Complessità di controllo e sicurezza informatica

[LT] si moltiplicano i dati controllabili, le richieste di calcolo e di comunicazione sui sistemi di controllo della rete. I sistemi di gestione della distribuzione (DMS) devono integrare i dati in tempo reale da migliaia di sensori, inverter e metri, ed eseguire le routine di ottimizzazione a secondi-minuto granulari.

Strategie per migliorare la stabilità

Comandi avanzati e codici di griglia

I sistemi di gestione più deboli (in inglese) sono i seguenti:

Conservazione dell'energia come Buffer

I sistemi di stoccaggio dell’energia della batteria (BESS) sono uno strumento versatile per la stabilità della rete moderna. Possono rampa da zero a piena uscita in millisecondi, fornendo la regolazione della frequenza, il supporto della tensione e la scorrevolezza rampante per i rinforzi variabili.

Sistemi di gestione dell'energia e intelligenza artificiale

La gestione di una fitta rete di DER richiede un passaggio dal controllo centralizzato delle rinfuse all'intelligenza gerarchica e distribuita. I sistemi di gestione delle risorse energetiche (DERMS) aggregati, previsioni e orchestrano migliaia di dispositivi in tempo reale.

Risposte e mercati di flessibilità

La flessibilità della domanda è un potente complemento alle misure di stabilità del lato dell'offerta. Gli aggregatori possono iscrivere termostati intelligenti, riscaldatori dell'acqua, pompe della piscina e caricatori EV per fornire risposta alla frequenza e regolazione della tensione. Nel Regno Unito, il servizio di flessibilità laterale della domanda (DSFS) permette agli operatori del sistema di distribuzione di dimostrare la flessibilità della domanda aggregata di carichi domestici e commerciali per gestire i vincoli locali.

Microgridi e isolazione intenzionale

Una delle strategie di stabilità più potenti è quella di consentire porzioni del sistema di distribuzione di operare come isole auto-susificanti durante i disturbi. Microgrids - sistemi di energia discreta con confini elettrici definiti - può scollegare senza soluzione di continuità dalla rete principale e continuare a fornire carichi critici utilizzando la generazione locale e lo stoccaggio.

Innovazione e Design del mercato regolamentare

Le soluzioni tecniche di distribuzione sono insufficienti senza strutture regolamentari che allineano gli incentivi. I modelli di utilità tradizionali basati su vendite volumetriche possono scoraggiare l'adozione di DER, mentre la regolamentazione basata sulle prestazioni può premiare i servizi di stabilità distribuiti.

Studi di casi: stabilità in azione

Alta penetrazione PV della Germania

La Germania, con oltre 50 GW di capacità fotovoltaica installata, molto distribuita, offre una decade di esperienza nella gestione della stabilità. Nei primi anni 2010, il problema di 50.2 Hz, dove una perdita simultanea di generazione a causa di una soglia di frequenza minaccia la sicurezza della griglia - ha spinto un enorme retrofit di inverter con risposta di frequenza graduata.

Inerzia dell’Australia

Il National Electricity Market (NEM) in Australia ha lanciato dei mercati di risposta rapida a frequenze dopo il blackout sud australiano del 2016. La Hornsdale Power Reserve, una batteria da 150 MW / 193.5 MWh Tesla, ha dimostrato che l’inerzia sintetica dalle batterie potrebbe arrestare la decomposizione di frequenza più velocemente delle unità convenzionali.

Mercato Distribuito della California e la tenda del ponte

La famosa “curva di rampa” della California (la goccia di carico netta di metà giorno a causa del tetto solare) e la sua capacità di partecipazione è stata molto diffusa. La California ISO ha lavorato con le sue utilità e i suoi regolatori per espandere la capacità di archiviazione della batteria, per le funzioni di inverter intelligente e per i programmi di aggregazione pilota che richiedono DER per fornire un’ammortizzazione della rampa.

La strada principale: ricerca, politica e collaborazione

L'integrazione del sistema di potenza in una rete decentrata sarà modellata da una costante collaborazione tra ricerca e settore. Gli inverter di formatura del Grid si stanno muovendo da prototipi accademici a prodotti commerciali, con gli organismi di standard che lavorano sui protocolli di prova per certificare il loro comportamento sotto vari scenari di guasto.

Il sistema di compensazione dell’energia (FLT:0]) e le iniziative europee come la direttiva NIS2 stanno impostando i requisiti di base per la progettazione e la comunicazione dei dispositivi sicuri. Poiché il firmware DER diventa aggiornabile sull’aria, il rischio di catene di approvvigionamento compromesse deve essere gestito anche attraverso la prostituzione dell’attestato crittografico e la comunicazione.

Infine, l'integrazione dei trasporti e dell'elettrificazione del riscaldamento arrosserà ulteriormente i confini della rete di distribuzione. Milioni di veicoli elettrici, ciascuno con capacità potenzialmente bidirezionale, rappresentano una vasta risorsa di storage distribuita ma anche una nuova fonte di coincidenza di carico pomeridiano.

Conclusioni

La transizione verso un sistema energetico decentralizzato alimentato dalla partecipazione dei prosumer non è solo un aggiornamento tecnologico ma una trasformazione strutturale dell’architettura della rete. La stabilità del sistema di energia, una volta che il dominio esclusivo delle sale di controllo centrali e delle grandi macchine rotanti, deve ora essere intrecciata nel tessuto delle griglie di distribuzione, inverter intelligenti e segnali di mercato. Le sfide — la trasformazione dell’inerzia, i flussi bidirezionali, le complessità di protezione, le distorsioni armoniche, i rischi informatici