Los recursos de energía distribuida (DER) con controles avanzados pueden proporcionar servicios a la red, como la respuesta de frecuencia. Sin embargo, para hacerlo, a diferencia de los generadores convencionales, los DER generalmente tienen que intercambiar señales regularmente con centros de control lejanos.

Estas redes de comunicación abiertas exponen la red a retrasos en la comunicación, amenazas cibernéticas y otros riesgos. A medida que se agregan cada vez más DER a la red, se vuelve más crítico comprender cuánto tardan los dispositivos en comunicarse con los centros de control y los impactos para mantener una frecuencia estable en la red.

En NREL, estamos ayudando a cerrar la brecha entre la ingeniería de sistemas de energía y las redes de comunicaciones. Esto será especialmente importante con la proliferación anticipada de DER, ya que Estados Unidos tiene como objetivo una electricidad 100 % limpia en 2035 y una economía neta de carbono cero en 2050.

En los últimos dos años, hemos investigado la capacidad de los DER para proporcionar servicios de regulación de frecuencia y, lo que es más importante, qué sucede si sus algoritmos de control no consideran las variaciones de comunicación. Estamos probando esta pregunta a través de modelos de cuadrícula avanzados y casos de prueba para validar nuestra metodología. Este trabajo cuenta con el apoyo del programa de Investigación y Desarrollo de Redes Avanzadas de la Oficina de Electricidad del Departamento de Energía de EE. UU.

Estamos descubriendo que, en general, cuanto mayor es el retraso de la comunicación entre el dispositivo y el centro de control, mayor es la probabilidad de inestabilidad de la red, lo que destaca por qué es de vital importancia comprender la dinámica de transmisión y distribución con el aumento de DER.

Desarrollo del modelo de cosimulación adecuado

Para comenzar a investigar este tema, primero tuvimos que desarrollar el modelo correcto para simular la dinámica de distribución y transmisión con un alto despliegue de DER, que en realidad no se ha explorado a fondo.

La potencia de salida de los DER puede tener un impacto potencial en los perfiles de voltaje locales, por lo que es importante considerar el voltaje local en el análisis de regulación de frecuencia de los DER para evitar problemas en las redes de distribución. Sin embargo, las herramientas de simulación dinámica de frecuencia existentes se desarrollaron principalmente para el sistema de transmisión y no pueden simular la dinámica de la red de distribución con altas penetraciones de DER.

Por lo tanto, en NREL desarrollamos un nuevo marco para el análisis de respuesta de frecuencia DER basado en la plataforma Hierarchical Engine for Large-scale Infrastructure Co-Simulation (HELICS) de código abierto. HELICS simula comportamientos de sistemas de energía a escala regional y de interconexión mediante la integración de dominios de transmisión, distribución y comunicación.

La ventaja de nuestra nueva plataforma de cosimulación dinámica de transmisión y distribución (T&D) es que los DER se modelan de forma explícita y precisa en los simuladores de transmisión y distribución para la dinámica de frecuencia y voltaje, respectivamente. Este modelo nos brinda las perspectivas que necesitamos para estudiar cómo los DER pueden proporcionar una respuesta de frecuencia. Puede encontrar más detalles de este modelo de cosimulación dinámica de T&D en nuestro artículo en Transacciones IEEE en Smart Grid .

Estudiar el impacto de los retrasos en la comunicación

Un aspecto importante del estudio de la respuesta de frecuencia de DER es comprender el impacto de los retrasos en la comunicación de DER, o qué sucede si algo sale mal.

Usando nuestra nueva herramienta de cosimulación en la primera fase de nuestra investigación, modelamos docenas de escenarios a gran escala altamente detallados con diferentes grados de fallas de comunicación DER.

Usamos una red de distribución sintética como nuestro caso de prueba, incluidos 40 DER en cada bus de carga para un total de 19 buses de carga en el sistema IEEE de 39 buses con 760 DER. La generación de DER fue el 20 % de las cargas en cada bus de carga, y los DER se distribuyeron uniformemente.

Nuestros resultados muestran que solo un retraso de cuatro segundos provoca inestabilidad en el sistema cuando se usan DER para proporcionar un control de frecuencia secundario después de que el sistema pierde un generador convencional. En las redes de comunicación abiertas, si ocurren múltiples interrupciones, como un retraso en la comunicación/enrutamiento, congestión o una alta tasa de respuesta del dispositivo, el retraso total es de al menos unos segundos, y cuanto más largo sea el retraso, mayor será el riesgo de inestabilidad. Si el diseño de controles avanzados de DER no tiene en cuenta las variaciones de comunicación, el riesgo de inestabilidad es aún mayor, lo que nuevamente indica por qué es importante estudiar la respuesta de frecuencia de DER.

Estudio de caso de vehículo eléctrico

En otra fase de nuestra investigación, profundizamos en la respuesta de frecuencia de DER con un estudio de caso sobre los impactos de los vehículos eléctricos (EV) en la regulación de frecuencia del sistema de energía.

Los vehículos eléctricos equipados con baterías tienen la capacidad y flexibilidad para (1) proporcionar una respuesta de frecuencia rápida, (2) ayudar a mitigar las fluctuaciones de frecuencia del sistema y (3) mejorar la estabilidad de frecuencia del sistema. Sin embargo, la regulación de frecuencia del vehículo a la red también podría afectar tanto la respuesta de frecuencia del sistema de energía a granel como los perfiles de voltaje de la red de distribución local. Queríamos saber cómo los vehículos eléctricos podrían respaldar la red si ocurriera una falla de comunicación.

Para llevar a cabo este estudio de caso, agregamos un nuevo modelo dinámico a nuestra herramienta de cosimulación para simular explícitamente la dinámica EV. Luego modelamos escenarios con diferentes grados de fallas de comunicación. Descubrimos que los vehículos eléctricos conectados a la red tienen un gran potencial para restaurar la frecuencia del sistema y pueden restaurarla más rápido cuando están habilitados para cambiar el estado de carga completa a descarga completa.

Estos son solo algunos aspectos destacados de nuestro análisis reciente de las operaciones del sistema de energía con DER generalizados, pero tenemos mucha más investigación por delante. Las redes de comunicación y el sistema de energía están fundamentalmente entrelazados ahora, pero históricamente han estado aislados.

El futuro sistema energético se basa en la red de comunicación, y la red de comunicación también se basa en el sistema energético. Debemos trabajar juntos en todas las disciplinas para planificar conjuntamente las operaciones y garantizar que las luces permanezcan encendidas en un futuro energético bajo en carbono. + Explora más

El estudio arroja luz sobre las nuevas categorías estándar de IEEE y muestra el impacto en el sistema de energía