Os recursos de energia distribuída (DERs) com controles avançados podem fornecer serviços à rede, como resposta em frequência. No entanto, para fazer isso, ao contrário dos geradores convencionais, os DERs normalmente precisam trocar sinais regularmente com centros de controle distantes.
Essas redes de comunicação abertas expõem a rede a atrasos de comunicação, ameaças cibernéticas e outros riscos. À medida que os DERs são cada vez mais adicionados à rede, entender quanto tempo leva para os dispositivos se comunicarem com os centros de controle e os impactos para manter a frequência estável na rede se torna mais crítico.

Na NREL, estamos ajudando a preencher a lacuna entre a engenharia de sistemas de energia e as redes de comunicação. Isso será especialmente importante com a proliferação antecipada de DERs, já que os Estados Unidos têm como meta 100% de eletricidade limpa em 2035 e uma economia líquida de carbono zero em 2050.

Nos últimos dois anos, investigamos a capacidade dos DERs de fornecer serviços de regulação de frequência e, principalmente, o que acontece se seus algoritmos de controle não consideram as variações de comunicação. Estamos testando essa questão por meio de modelagem avançada de grade e casos de teste para validar nossa metodologia. Este trabalho é apoiado pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento de Rede Avançada do Departamento de Energia dos EUA.

Estamos descobrindo que, geralmente, quanto maior o atraso de comunicação entre o dispositivo e o centro de controle, maior a chance de instabilidade da rede – destacando por que é extremamente importante entender a dinâmica de transmissão e distribuição com o aumento dos DERs.

Desenvolver o modelo de cossimulação certo

Para começar a investigar esse tópico, primeiro tivemos que desenvolver o modelo certo para simular a dinâmica de distribuição e transmissão com alta implantação de DER - que realmente não foi explorado completamente.

A potência de saída dos DERs pode impactar potencialmente os perfis de tensão locais, por isso é importante considerar a tensão local na análise de regulação de frequência do DER para evitar problemas nas redes de distribuição. No entanto, as ferramentas de simulação dinâmica de frequência existentes foram desenvolvidas principalmente para o sistema de transmissão e não podem simular a dinâmica da rede de distribuição com altas penetrações de DERs.

Então, nós da NREL desenvolvemos uma nova estrutura para análise de resposta de frequência DER baseada na plataforma de código aberto Hierarchical Engine for Large Scale Infrastructure Co-Simulation (HELICS). O HELICS simula os comportamentos do sistema de energia regional e em escala de interconexão, integrando os domínios de transmissão, distribuição e comunicação.

A vantagem de nossa nova plataforma de co-simulação dinâmica de transmissão e distribuição (T&D) é que os DERs são modelados explicitamente e com precisão em simuladores de transmissão e distribuição para dinâmica de frequência e tensão, respectivamente. Essa modelagem nos dá as perspectivas que precisamos para estudar como os DERs podem fornecer resposta em frequência. Mais detalhes deste modelo de co-simulação dinâmica de T&D podem ser encontrados em nosso artigo em IEEE Transactions on Smart Grid .

Estudando o impacto dos atrasos de comunicação

Um aspecto importante do estudo da resposta de frequência do DER é entender o impacto dos atrasos na comunicação do DER ou o que acontece se algo der errado.

Usando nossa nova ferramenta de cossimulação na primeira fase de nossa pesquisa, modelamos dezenas de cenários altamente detalhados e de grande escala com diferentes graus de falhas de comunicação DER.

Usamos uma rede de distribuição sintética como nosso caso de teste, incluindo 40 DERs em cada barramento de carga para um total de 19 barramentos de carga no sistema IEEE de 39 barras com 760 DERs. A geração de DER foi de 20% das cargas em cada barramento de carga, e os DERs foram distribuídos uniformemente.

Nossos resultados mostram que apenas um atraso de quatro segundos causa instabilidade no sistema ao usar DERs para fornecer controle de frequência secundária após o sistema perder um gerador convencional. Em redes de comunicação abertas, se ocorrerem várias interrupções, como atraso de comunicação/roteamento, congestionamento ou alta taxa de resposta do dispositivo, o atraso total é de pelo menos alguns segundos e quanto maior o atraso, maior o risco de instabilidade. Se o projeto de controles avançados do DER não considerar as variações de comunicação, o risco de instabilidade é ainda maior – novamente, indicando por que é importante estudar a resposta de frequência do DER.

Estudo de caso de veículo elétrico

Em outra fase de nossa pesquisa, nos aprofundamos na resposta de frequência do DER com um estudo de caso sobre os impactos dos veículos elétricos (VEs) na regulação da frequência do sistema de energia.

Os EVs equipados com baterias têm a capacidade e a flexibilidade de (1) fornecer resposta de frequência rápida, (2) ajudar a mitigar as flutuações de frequência do sistema e (3) melhorar a estabilidade da frequência do sistema. No entanto, a regulação da frequência do veículo à rede também pode afetar a resposta de frequência do sistema de energia em massa e os perfis de tensão da rede de distribuição local. Queríamos saber como os EVs poderiam suportar a rede se ocorresse uma falha de comunicação.

Para realizar este estudo de caso, adicionamos um novo modelo dinâmico à nossa ferramenta de co-simulação para simular explicitamente a dinâmica do VE. Em seguida, modelamos cenários com diferentes graus de falhas de comunicação. Descobrimos que os EVs conectados à rede têm grande potencial para restaurar a frequência do sistema e podem restaurá-la mais rapidamente quando estão habilitados para alterar o status de carregamento total para descarregamento total.

Esses são apenas alguns destaques de nossa análise recente das operações do sistema de energia com DERs generalizados, mas temos muito mais pesquisas pela frente. As redes de comunicação e o sistema de energia estão fundamentalmente interligados agora, mas historicamente foram isolados.

O futuro sistema de energia depende da rede de comunicação, e a rede de comunicação também depende do sistema de energia. Devemos trabalhar juntos em todas as disciplinas para co-planejar as operações e garantir que as luzes permaneçam acesas em um futuro de energia de baixo carbono. + Explorar mais

Estudo lança luz sobre novas categorias de padrões IEEE, mostrando o impacto do sistema de energia