電源:スマートグリッドインフラの重要な基盤

電力供給をインテリジェントでレスポンシブなネットワークに統合する。スマートグリッドは、単なるセンサーとソフトウェアよりも多く要求されます。 アーキテクチャ全体が、堅牢で信頼性が高く、適応電源のエコシステムに依存します。 電力供給がデジタル制御、再生可能エネルギー統合、および双方向エネルギーの流れのユニークな要求のために設計されていないと、スマートグリッドは理論的な概念を残します。 この記事では、発電から最終分配までの電力供給、およびなぜその進化が将来のエネルギーに不可欠であるかを説明します。

スマートグリッドコンテキストにおける電源の定義

従来のグリッドでは、電源は、中央プラントから電力の一括生成を意味しています。スマートグリッドでは、用語は大幅に拡大します。電源は、変圧器、インバータ、電池、燃料電池、および電力通信モジュールとセンサーを含む、すべてのデバイスとサブシステムを介入し、電力供給を送達し、電力供給を送電するための電気エネルギーを送電し、貯蔵するすべてのデバイスとサブシステムを介入します。これらは、再生可能エネルギーからの可変入力を処理する必要があり、正確な電圧と周波数規制を提供し、ユーティリティと電力量が発生したときに電力が2方向の電力の流れをサポートします。

スマートグリッド電源の主な特徴は次のとおりです。

  • ]高効率]は、デジタル通信機器や制御システムの損失を最小限に抑えるために、幅広い負荷範囲にわたっています。
  • ] 自然発生変動による安定性を維持するために、超高速の過渡応答[]。
  • 車両対グリッド(V2G)充電器など、電力を消費し、注入するシステムのための双方向機能[。
  • []Cybersecurity硬化型電子機器[は、電力変換器やストレージシステムの遠隔利用を防止します。

なぜ信頼性は非交渉可能である

スマートグリッドは、センサー、スマートメーター、およびファサー測定ユニット(PMU)の何百万もの連続データストリームに依存しています。 これらのデバイスは、リアルタイムでグリッドの健康を監視し、障害や需要の変化に対する自動応答を有効にします。 マイクロ秒の電力割込みでも、データ損失、誤認、またはカスケードをより大きな制御システム障害に引き起こすことができます。 信頼性の高い電源は、したがって、のバックボーンであるの意識LT:1]と[FLT]の自動化]と[FLT]の[FLT]の[FLT]の[FLT]の[FLT]と[FLT]の]の[F]の[FLT]の2:[F]と[F]の]の[F]の[F]の[F]の]の[F]の[F]の[F]の[F]の[F]の[F]の[F]の[F]の[F]の[F]の[F]と[F]の[F]の[F]の[F]の[F]の[F]の[F

また、電源信頼性は消費者の信頼に直接影響を及ぼします。 グリッド電子の誤差をスマートテクノロジーで確実に供給できるのは、電力供給の信頼性です。 ユーティリティは、通信ノードのサブステーションの自動化とバックアップ電池用の無停電電源装置(UPS)を含む、すべての補助電力システムが、過酷な環境条件やサージイベントに耐えるように指定されていることを確実にしなければなりません。

スマートグリッド開発における電源のコア役割

1. エネルギー貯蔵およびバックアップの有効化

エネルギー貯蔵は、現代のスマートグリッドのピンで、電源は心臓にあります。 バッテリー、フライホイール、およびスーパーキャパシタは、再生可能エネルギーからの過剰生成を保存し、ピーク要求時にそれを注入します。 これらのシステムは、グリッドの安定性を維持しながら、効率的に充電および排出できる高度な電力電子コンバーター(インバーター/整流器)を必要とします。 グリッドスケールバッテリーストレージのインストールは、2017年1GW未満から30GWまで、電力供給の上昇と電力供給の崩壊によって、グローバルに増加しました。

電源はまた、グリッド管理センターのための重要なバックアップを提供します。冗長フィードは、別のサブステーションから供給し、バッテリーバンクとオンサイトジェネレータと組み合わせ、オペレータは停電中であっても、グリッドの可視性や制御を失うことがないことを保証します。

2. 再生可能エネルギーの統合

太陽や風などの再生可能エネルギーは、本質的に断続的です。その出力は気象条件に依存し、剰余地と欠乏の両方を生成します。この変動性を管理する電源には、以下が含まれます。

  • []最大パワーポイントトラッキング(MPPT)コンバータ[]は、シェーディングや温度に関係なく、ソーラーパネルから可能な限り最高のエネルギーを抽出します。
  • []グリッドタイドインバータ[は、グリッド周波数と電圧で再生出力を同期させます。
  • []ダイナミック反応力補償[] は、クラウドカバーや風力の間に電圧を安定させます。

これらの電力電子機器は、グリッドの信頼性を損なうことなく、再生可能エネルギーの高い浸透を可能にします。 米国エネルギー省とrsquo;s []]によると、再生可能エネルギーグリッド統合プログラムを更新し、高度なインバータ機能は、よりスマートな電源のための規制プッシュを照らす、多くの相互接続規格で今必須です。

3. リアルタイムの電圧および頻度を調整する

スマートグリッドは、機器の損傷や停電を防ぐため、±0.1 Hz内のわずかな周波数と周波数の ±5% 以内に電圧を維持しなければなりません。従来のグリッドは、この規制を提供するために大きな同期発電機に依存しています。現代のスマートグリッドでは、分散エネルギーリソース(DER)とストレージシステムに埋め込まれた電源がより大きな役割を担います。それらは、ミリ秒の反応力を注入したり、吸収したり、機械的タップチェンジャーや発電機のガバナーよりもはるかに高速にすることができます。

高度な電源は、一括電源システムに接続せずに、島根マイクログリッドで安定した周波数参照を作成することができる[[]グリッド成形[インバータとして機能します。 この機能は、リモートコミュニティと軍事インストールの弾性のために重要です。

4. インテリジェンスレイヤーのパワー

phasor測定ユニットから高度なメーターインフラ(AMI)から流通オートメーションリレーまで、あらゆるスマートデバイスが、専用の電源を必要としています。これらは、多くの場合、困難な場所(極上、地下のボルト、フレンドリーな環境)で動作する必要があります。これらのデバイスのための電源は、熱放散を最小限に抑え、イーサネット(PoE)またはバッテリーバックアップを介した電力を最小限にし、雷や過渡へのサージ保護が含まれます。

サブステーション内の低電圧DC分布も、変換損失を減らす方法としてトラクションを獲得しています。 []NREL’高度な電力電子機器の研究は、複数のDC負荷(センサー、コントローラ、LED)を統合することが10〜15%で全体的なシステム効率を向上させることができることを実証しています。

スマートグリッドにおける電源システムを強化するチャレンジ

相互送金と電力品質

太陽と風の高い貫通は、電圧明滅、調和、周波数の偏差を導入しています。 電源は、これらの障害を積極的にフィルタリングし、敏感な制御電子機器を損傷する危険性を要求しなければなりません。 電気自動車の充電の上昇は、電力品質を複雑化し、高速充電器は、ストレス分布トランスと電源を同様に供給する突然の負荷ステップを作成します。

エネルギー貯蔵管理

バッテリー劣化、最新式バランシング、熱管理はエンジニアリングの課題を保ちつつあります。 電源回路は、安全を確保しながらサイクル寿命を延ばす洗練されたバッテリー管理システム(BMS)を実施しなければなりません。 グリッドストレージのインストールにおけるリチウムイオン火災は、ミリ秒で故障したセルパックを分離できるフェイルセーフパワーエレクトロニクスの必要性を強調します。

パワーエレクトロニクスのサイバーセキュリティ

電源がソフトウェア定義され、インターネットに接続されるにつれて、それらは攻撃面になります。 妥協されたインバータは、周波数の不安定性を引き起こしたり、また、ケーシングの停電を引き起こす可能性があります。 米国エネルギー&rsquoの米国局 ]エネルギーインフラのサイバーセキュリティ]スマートグリッド内のすべての電源コンポーネントが安全なブート、暗号化された通信、および異常な検出を含む必要があることを強調しています。

熱および老化の圧力

屋外のエンクロージャの電源は温度の極端、湿気、塩霧および振動に耐える必要があります。電気分解コンデンサー、磁気および半導体はすべての時間を抜くことを劣化させます。電源の健康の状態に基づく監視は、オンボードセンサーと分析を使用して、グリッド操作を破壊する前に故障を予測する新興領域です。

テクノロジーと未来の方向性を融合

ソリッド ステート トランスフォーマー

従来の鉄系コアトランスをソリッドステートバリアントで置き換えることは、主要なフロンティアです。これらの高周波電源は、電圧を調整したり、反応電力を補給したり、DC再生可能エネルギーを直接統合したり、小型で軽量ながら、すべての環境を直接統合することができます。商用展開は、既にデータセンターや産業用マイクログリッドに表示され、5年以内に期待されるユーティリティスケールユニットを備えています。

ワイドバンダップ半導体

シリコンカーバイド(SiC)および窒化ガリウム(GaN)装置は、電源効率と切換速度を革命化しています。 シリコンと比較して50〜70%の損失を削減し、より小さなヒートシンクと高出力密度を実現します。 スマートグリッドパシフィックや他のパイロットプロジェクトは、SiCインバータをデプロイし、高速電圧トランジェントと双方向電力の流れを処理する能力を実証しています。

グリッド・インタラクティブ電源

次世代の電源は、電力機器だけでなく、グリッド事業者と通信します。IEEE 1547‐2018やIEC 61850などのプロトコルを使用して、これらの供給は、価格信号、周波数の偏差、または緊急コマンドに応じて、動作モードを調整することができます。この機能は、すべての電源をバランス供給と要求を助けることができる柔軟なグリッド資産に変換します。

モジュラーとスケーラブルなアーキテクチャ

メンテナンスと拡張を簡素化するために、メーカーは、標準化されたインターフェースを備えたホットスワップ対応モジュールとして電源を設計しています。 サブステーションは、小規模な容量で開始し、スマートグリッドが成長するモジュールを追加することができます。 このアプローチは、先行資本を減らし、ユーティリティが新しいテクノロジーを増量的に採用することができます。

コンテンツ

電源は、スマートグリッドインフラストラクチャのパッシブコンポーネントよりもはるかに多くあります。 それらは、再生可能エネルギーの統合、ストレージ、電圧規制、およびグリッドを本当にスマートにするデジタル制御レイヤーを可能にするアクティブでインテリジェントなシステムです。 エネルギー移行が加速するにつれて、電力エレクトロニクス業界は、今後も、効率、信頼性、サイバーセキュリティ、およびグリッドサポート機能の革新に取り組んでいます。 ユーティリティ、規制当局、およびテクノロジー開発者は、明日のグリッドの厳しい要求を満たし、電力供給の指定とデプロイに関する責任を共有しています。 堅牢性、および持続可能なビジョンの確立は、堅牢性、持続可能な方向性を維持します。