Cum pot microrețelele și DER-urile să maximizeze sustenabilitatea și reziliența în instalațiile industriale și comerciale

Resursele de energie distribuită (DER), cum ar fi energia solară, energia eoliană, sistemele de cogenerare (CHP), sistemele de stocare a energiei în baterii (SSEB) și chiar generatoarele convenționale pot contribui semnificativ la îmbunătățirea sustenabilității și a rezilienței în instalațiile comerciale și industriale, în special atunci când sunt combinate într-o microrețea care utilizează un sistem de control automatizat pentru a coordona și gestiona în mod inteligent generarea, fluxul, stocarea și consumul de energie.

Pentru a maximiza beneficiile economice și de mediu ale microrețelelor, controlerul trebuie să echilibreze funcționarea și integrarea DER în timp real, să gestioneze sarcinile inteligente, cum ar fi iluminatul, sistemele de încălzire, ventilație și climatizare (HVAC), încărcarea vehiculelor electrice (EV) și instalațiile de tehnologie a informației, să utilizeze informații istorice privind cererea pentru a proiecta profilurile de sarcină viitoare, să garanteze conexiuni sigure și eficiente la rețeaua de utilități și să ofere sprijin pentru funcțiile de răspuns la cerere cu ajutorul datelor privind prețurile energiei în timp real.

Acest articol trece în revistă elementele care compun o microrețea, analizează arhitecturile de microrețea, prezintă o imagine de ansamblu a IEEE 1547, care stabilește cerințele pentru interconectarea DER, și a IEEE 2030, care oferă un proces tehnic cuprinzător pentru descrierea funcțiilor unui controler de microrețea, apoi analizează modul în care controlerele de microrețea pot spori sustenabilitatea, reziliența și beneficiile economice și se încheie cu o scurtă prezentare a problemelor de securitate cibernetică pentru microrețele.

De ce aveți nevoie pentru a realiza o microrețea?

Microrețelele sunt diverse în ceea ce privește implementările și componentele lor. Pentru a discuta despre modul în care microrețelele și DER pot maximiza sustenabilitatea și reziliența, cel mai bine este să începem cu o definiție și cu câteva exemple de componente și arhitecturi de microrețele. Departamentul de Energie (DOE) al SUA definește o microrețea ca fiind „un grup de sarcini interconectate și resurse de energie distribuită în cadrul unor limite electrice clar definite, care acționează ca o singură entitate controlabilă în raport cu rețeaua. O microrețea se poate conecta și deconecta de la rețeaua electrică pentru a putea funcționa în modul conectat la rețeaua electrică și în modul insular.”

Deși definiția unei microrețele este simplă, există o gamă largă de categorii de microrețele, moduri de funcționare și subsisteme posibile din care se poate alege atunci când se construiește o microrețea, iar realizarea sustenabilității și rezilienței maxime a unei microrețele implică numeroase alegeri arhitecturale și operaționale. Automatizarea este un aspect important. Exemple de subsisteme automatizate includ (Figura 1):

• Generarea în cadrul microrețelei, inclusiv o gamă variată de DER și cogenerare
• Rețele de distribuție a energiei electrice
• SSEB
• Sarcini precum sistemele HVAC și utilajele și motoarele din instalațiile industriale
• Gestionarea încărcării vehiculelor electrice și a conexiunilor vehicul-rețea (V2G)
• Controlere și aparataje de comutație pentru microrețele
• Interconectări la rețeaua de utilități pentru instalațiile conectate la rețeaua electrică

Figura 1: Microrețelele pot include diverse DER, sisteme de cogenerare și sarcini. (Sursa imaginii: Schneider Electric)

Categorii de microrețele

Microrețelele pot fi clasificate în funcție de starea lor de conectare – conectate la rețeaua electrică sau autonome:

Cea mai frecventă categorie este cea a sistemelor pe bază de instalații autonome. Printre cazurile de utilizare se numără zonele îndepărtate care nu sunt deservite de rețeaua comercială de utilități, cum ar fi minele, siturile industriale, casele de munte și bazele militare.

În locațiile izolate se găsesc, de asemenea, sistemele comunitare autonome. Cazurile de utilizare includ sate, insule și comunități îndepărtate. În timp ce microrețelele pe bază de instalații sunt controlate de o singură entitate, microrețelele comunitare trebuie să răspundă nevoilor unui grup de utilizatori. Acestea pot necesita sisteme de comandă și control mai complexe.

Instalațiile conectate la rețeaua electrică au un singur proprietar și sunt utilizate pentru a îmbunătăți fiabilitatea în zonele în care rețeaua principală nu este fiabilă și este necesară energia electrică sau în cazurile în care există stimulente economice pentru sarcini deconectabile și alte servicii din partea proprietarului microrețelei. Cazurile de utilizare pot include spitale, centre de date, uzine de producție cu proces continuu și alte clădiri cu disponibilitate ridicată.

Comunitățile conectate la rețeaua electrică au mai mulți utilizatori și producători de energie conectați la rețeaua principală și gestionați ca o singură entitate. Printre cazurile de utilizare se numără campusurile de afaceri sau universitare, satele și orașele mici. Acestea pot avea o diversitate de utilizatori de energie, producători și instalații de stocare și pot avea cele mai complexe cerințe în ceea ce privește controlul.

Uneori, microrețelele sunt insule

Pe lângă prezentarea componentelor unei microrețele, definiția DOE se referă la funcționarea microrețelelor „atât în modul conectat la rețeaua electrică, cât și în modul insular”. Definițiile acestor moduri sunt simple, dar implementarea este mai complexă și este abordată în unele standarde IEEE.

IEEE 1547-2018, Standardul pentru interconectarea resurselor distribuite cu sistemele de energie electrică, detaliază cerințele tehnice pentru interconectarea și interoperabilitatea DER-urilor cu rețeaua electrică. IEEE 1547 este un standard în evoluție. Versiunile anterioare ale IEEE 1547 au fost concepute pentru niveluri scăzute de penetrare a DER și nu au luat în considerare potențialul impact regional agregat al DER asupra sistemului energetic în masă. IEEE 1547-2018 a adăugat cerințe mai stricte în ceea ce privește reglarea tensiunii și a frecvenței, precum și capacitatea de a compensa căderile, pentru a contribui la fiabilitatea sistemului de transmisie. Mai recent, a fost adăugat amendamentul 1547a-2020 pentru a lua în calcul performanțele anormale de funcționare.

IEEE 2030.74 descrie funcțiile unui controler de microrețea în ceea ce privește două moduri de funcționare în stare stabilă (SS) și patru tipuri de tranziții (T) (Figura 2):

• SS1, modul conectat la rețeaua electrică în stare stabilă, are microrețeaua conectată la rețeaua de utilități. Controlerul poate utiliza componentele din microrețea pentru a furniza servicii precum nivelarea perioadelor de vârf, reglarea frecvenței, susținerea puterii reactive și gestionarea rampei către rețeaua electrică.
• SS2, modul de tip insulă stabilă, denumit și modul „insular”, este cel în care microrețeaua este deconectată de la rețeaua de utilități și funcționează în mod izolat. Controlerul trebuie să echilibreze sarcinile și serviciile de generare și de stocare a energiei din microrețea pentru a menține funcționarea stabilă a microrețelei.
• T1 se referă la o tranziție planificată de la modul conectat la rețeaua electrică la modul insular în stare stabilă. Chiar și atunci când rețeaua de utilități este disponibilă, pot exista stimulente economice sau operaționale pentru trecerea la modul insular. În plus, acest mod poate sprijini testarea funcționării microrețelelor.
• T2 este o tranziție neplanificată de la modul conectat la rețeaua electrică la modul insular în stare stabilă. Acest mod este analog cu funcționarea unei surse de alimentare neîntreruptibile într-un centru de date și este adesea utilizat atunci când rețeaua electrică principală nu funcționează. Microrețeaua se deconectează fără probleme și funcționează ca o rețea electrică independentă.
• T3 se referă la reconectarea insulei în stare stabilă la rețeaua de utilități. Aceasta este o procedură tehnică complexă, în cadrul căreia un generator de „formare a rețelei electrice” de pe microrețea detectează frecvența și unghiul de fază al energiei din rețeaua electrică și potrivește exact microrețeaua cu rețeaua electrică principală înainte de reconectare.
• T4 este o pornire autonomă în modul insular în stare stabilă. În acest caz, microrețeaua a căzut și trebuie să fie izolată de rețeaua de utilități și repornită în modul insular. Această situație ar putea apărea din cauza unei întreruperi neașteptate pe care controlerul microrețelei nu o poate gestiona cu ajutorul unei tranziții stabile T2 sau ar putea fi necesară dacă insula nu dispune de o rezervă suficientă de generare sau de stocare a energiei pentru a continua să alimenteze toate sarcinile și trebuie să oprească toate sarcinile neesențiale înainte de a conecta generatorul. În plus, orice SSEB din microrețea trebuie să fie cel puțin parțial reîncărcat înainte de a fi reconectat.

Figura 2: IEEE 2030.74 prevede adaptarea controlerelor de microrețea la două stări stabile și la patru tipuri de tranziții între aceste stări. (Sursa imaginii: National Rural Electric Cooperative Association)

Implementarea microrețelelor

Există aproape la fel de multe combinații de DER și de sarcini ca și microrețelele, dar controlerele automatizate și aparatajul de comutație sunt elemente comune. În cazul microrețelelor mari, cum ar fi cea ilustrată în Figura 1 de mai sus, acestea sunt adesea separate într-o cameră de control centralizată, un aparataj de comutație distribuit pentru DER și sarcini și, în cazul proiectelor conectate la rețeaua electrică, o substație care servește drept aparataj de comutație între microrețea și rețeaua de utilități.

Controlerele de microrețea au nevoie de informații, iar pentru a maximiza reziliența și sustenabilitatea, acestea trebuie să fie rapide. Controlerele utilizează o rețea de senzori pentru a monitoriza funcționarea în timp real a DER-urilor și a sarcinilor. În cazul microrețelelor conectate la rețeaua electrică, controlerul monitorizează și starea rețelei locale de utilități. În cazul în care apare o anomalie, controlerul răspunde în câteva milisecunde și trimite o comandă către DER-ul, sarcina sau aparatajul de comutație asociat.

Dimensiunile aparatajelor de comutație variază de la câțiva kW la mai mulți MW și trebuie să răspundă cererilor controlerelor în câteva milisecunde, în caz contrar riscând o stare de defecțiune gravă. Unele aparataje de comutație sunt dotate cu disjunctoare inteligente care funcționează în mod autonom pentru a oferi un nivel suplimentar de protecție.

În cazul instalațiilor mai mici, controlerul și aparatajul de comutație pot fi combinate într-un singur echipament, denumit uneori centru de control al energiei (ECC). ECC-urile sunt disponibile pre-cablate, asamblate și testate în fabrică. ECC-urile simplifică și accelerează instalarea microrețelelor și pot gestiona mai multe surse de energie, inclusiv energia din rețeaua electrică și DER-urile cu sarcini prioritare. De exemplu, Schneider Electric oferă gama ECC 1600/2500 de ECC-uri pentru microrețele la nivel de clădire (Figura 3). Unele caracteristici ale gamei ECC 1600/2500 includ:

• Posibilitate de configurare la comandă cu puteri nominale de la 100 la 750 kW și de optimizare pentru clădiri existente sau noi
• Funcționează cu mai multe DER-uri, cum ar fi generatoarele fotovoltaice, SSEB, eoliene, pe gaz și diesel
• Controlerul asigură reziliența în timpul întreruperilor, inclusiv utilizarea energiei fotovoltaice cu o resursă de ancorare, cum ar fi un generator de rezervă sau un SSEB
• Contorizarea inteligentă automatizată oferă informații despre calitatea energiei electrice, utilizarea energiei și producția DER
• Aparataj de comutație cu o magistrală de distribuție a energiei de la 1.600 până la 2.500 A
• Statistici bazate pe cloud pentru maximizarea rezilienței și a randamentului investițiilor în DER

Figura 3: ECC-urile combină controlerul microrețelei (stânga) și aparatajul de comutație (dreapta) într-un singur echipament. (Sursa imaginii: Schneider Electric)

Energie sigură și securizată

Securitatea cibernetică este un aspect important al securității și rezilienței energetice. Agenția Internațională a Energiei (IEA) definește securitatea energetică drept „disponibilitatea neîntreruptă a surselor de energie la un preț accesibil”. Microrețelele pot contribui în mod semnificativ la obținerea unei aprovizionări necostisitoare, sigure și rezistente cu energie.

Comunicarea este un element esențial al microrețelelor. Aceasta înseamnă comunicare cu cloud-ul și, eventual, cu rețeaua locală de utilități, pentru a optimiza performanța. În plus, diversele DER-uri și sarcini care alcătuiesc o microrețea tipică provin de la producători diferiți și utilizează protocoale și tehnologii de comunicare eterogene. Conectivitatea la internet și tehnologiile wireless, cum ar fi Wi-Fi, se regăsesc în aproape toate microrețelele și pot fi esențiale pentru a obține beneficii maxime. De asemenea, acestea susțin funcții auxiliare, cum ar fi colectarea de date pentru prognoze meteorologice și prețuri în timp real pentru combustibili și energie.

Obținerea securității cibernetice este complexă. Pe lângă un hardware securizat, este nevoie de politici, proceduri și oameni pentru abordarea vulnerabilităților cibernetice care pot permite atacatorilor să acceseze rețele și date sensibile și chiar să manipuleze software-ul de control, ceea ce poate duce la deteriorarea funcționării microrețelelor. Teroriștii reprezintă doar o preocupare; trebuie să ne gândim și la concurenți sau la angajații fără scrupule. Pot apărea erori ale operatorilor, rețelele pot avea lacune necunoscute din cauza unui software învechit și așa mai departe (Figura 4). Securitatea cibernetică nu poate fi lăsată pe plan secundar. Pentru a fi eficientă, aceasta trebuie să fie proiectată de la început în toate aspectele hardware, software și în toate procesele microrețelei.

Figura 4: Vulnerabilitățile cauzate de oameni, procese și lacunele din securitatea fizică pot reprezenta vectori de atac la microrețele. (Sursa imaginii: Schneider Electric)

Rezumat

Microrețelele integrează numeroase surse de energie distribuită (DER) și sarcini într-un singur sistem pentru a maximiza sustenabilitatea și reziliența energetică. Mai multe arhitecturi de microrețele pot fi utilizate pentru a răspunde unor nevoi specifice de energie și conectivitate. Numărul tot mai mare de microrețele și integrarea tot mai mare a DER-urilor au dus la o evoluție a standardului de interconectare IEEE 1547 și aduc în prim-plan securitatea cibernetică a microrețelelor.