Les ressources énergétiques distribuées (DER) avec des contrôles avancés peuvent fournir des services au réseau tels que la réponse en fréquence. Cependant, pour ce faire, contrairement aux générateurs conventionnels, les DER doivent généralement échanger régulièrement des signaux avec des centres de contrôle éloignés.

Ces réseaux de communication ouverts exposent le réseau aux retards de communication, aux cybermenaces et à d'autres risques. Comme les DER sont de plus en plus ajoutés au réseau, il devient plus critique de comprendre combien de temps il faut aux appareils pour communiquer avec les centres de contrôle et les impacts sur le maintien d'une fréquence stable sur le réseau.

Chez NREL, nous contribuons à combler le fossé entre l'ingénierie des systèmes électriques et les réseaux de communication. Cela sera particulièrement important compte tenu de la prolifération anticipée des DER alors que les États-Unis visent une électricité 100 % propre en 2035 et une économie à zéro carbone net en 2050.

Au cours des deux dernières années, nous avons étudié la capacité des DER à fournir des services de régulation de fréquence et, surtout, ce qui se passe si leurs algorithmes de contrôle ne tiennent pas compte des variations de communication. Nous testons cette question via une modélisation de grille avancée et des cas de test pour valider notre méthodologie. Ce travail est soutenu par le programme de recherche et de développement sur le réseau électrique avancé de l'Office of Electricity du Département américain de l'énergie.

Nous constatons que, généralement, plus le délai de communication entre l'appareil et le centre de contrôle est long, plus le risque d'instabilité du réseau est élevé, ce qui montre pourquoi il est extrêmement important de comprendre la dynamique de transmission et de distribution avec l'augmentation des DER.

Développer le bon modèle de co-simulation

Pour commencer à étudier ce sujet, nous avons d'abord dû développer le bon modèle pour simuler la dynamique de distribution et de transmission avec un déploiement DER élevé, ce qui n'a pas vraiment été exploré de manière approfondie.

La puissance de sortie des DER peut potentiellement avoir un impact sur les profils de tension locaux, il est donc important de prendre en compte la tension locale dans l'analyse de la régulation de fréquence DER pour éviter les problèmes dans les réseaux de distribution. Cependant, les outils de simulation de dynamique de fréquence existants ont été développés principalement pour le système de transport et ne peuvent pas simuler la dynamique du réseau de distribution avec de fortes pénétrations de DER.

Ainsi, chez NREL, nous avons développé un nouveau cadre pour l'analyse de la réponse en fréquence DER basé sur la plate-forme open-source Hierarchical Engine for Large-scale Infrastructure Co-Simulation (HELICS). HELICS simule les comportements des systèmes électriques régionaux et à l'échelle des interconnexions en intégrant les domaines de la transmission, de la distribution et de la communication.

L'avantage de notre nouvelle plate-forme de co-simulation dynamique de transmission et de distribution (T&D) est que les DER sont modélisés explicitement et avec précision dans les simulateurs de transmission et de distribution pour la dynamique de fréquence et de tension, respectivement. Cette modélisation nous donne les perspectives dont nous avons besoin pour étudier comment les DER peuvent fournir une réponse en fréquence. Plus de détails sur ce modèle de co-simulation dynamique T&D peuvent être trouvés dans notre article dans IEEE Transactions on Smart Grid .

Étudier l'impact des retards de communication

Un aspect important de l'étude de la réponse en fréquence DER est de comprendre l'impact des retards de communication DER, ou ce qui se passe en cas de problème.

À l'aide de notre nouvel outil de co-simulation dans la première phase de nos recherches, nous avons modélisé des dizaines de scénarios très détaillés à grande échelle avec différents degrés d'échecs de communication DER.

Nous avons utilisé un réseau de distribution synthétique comme cas de test, comprenant 40 DER à chaque bus de charge pour un total de 19 bus de charge dans le système IEEE à 39 bus avec 760 DER. La génération de DER correspondait à 20 % des charges de chaque bus de charge, et les DER étaient répartis uniformément.

Nos résultats montrent qu'un délai de seulement quatre secondes provoque une instabilité du système lors de l'utilisation de DER pour fournir un contrôle de fréquence secondaire après que le système a perdu un générateur conventionnel. Dans les réseaux de communication ouverts, si plusieurs interruptions se produisent, telles qu'un retard de communication/de routage, une congestion ou un taux de réponse élevé de l'appareil, le retard total est d'au moins quelques secondes. Plus le retard est long, plus le risque d'instabilité est élevé. Si la conception des commandes avancées du DER ne tient pas compte des variations de communication, le risque d'instabilité est encore plus grand, ce qui indique à nouveau pourquoi il est important d'étudier la réponse en fréquence du DER.

Étude de cas sur les véhicules électriques

Dans une autre phase de nos recherches, nous avons approfondi la réponse en fréquence DER avec une étude de cas sur les impacts des véhicules électriques (VE) sur la régulation de la fréquence du système électrique.

Les véhicules électriques équipés de batteries ont la capacité et la flexibilité nécessaires pour (1) fournir une réponse en fréquence rapide, (2) aider à atténuer les fluctuations de fréquence du système et (3) améliorer la stabilité de la fréquence du système. Cependant, la régulation de la fréquence véhicule-réseau pourrait également avoir un impact à la fois sur la réponse en fréquence du système d'alimentation en masse et sur les profils de tension du réseau de distribution local. Nous voulions savoir comment les véhicules électriques pourraient prendre en charge le réseau en cas de panne de communication.

Pour mener à bien cette étude de cas, nous avons ajouté un nouveau modèle dynamique à notre outil de co-simulation pour simuler explicitement la dynamique des VE. Nous avons ensuite modélisé des scénarios avec différents degrés d'échecs de communication. Nous avons constaté que les véhicules électriques connectés au réseau ont un grand potentiel pour restaurer la fréquence du système, et ils peuvent la restaurer plus rapidement lorsqu'ils sont activés pour passer de l'état de charge complète à la décharge complète.

Ce ne sont que quelques points saillants de notre récente analyse des opérations du système électrique avec des DER répandus, mais nous avons beaucoup plus de recherches devant nous. Les réseaux de communication et le système électrique sont désormais fondamentalement liés, mais ils ont toujours été cloisonnés.

Le futur système énergétique repose sur le réseau de communication, et le réseau de communication repose également sur le système énergétique. Nous devons travailler ensemble dans toutes les disciplines pour co-planifier les opérations et veiller à ce que les lumières restent allumées dans un avenir énergétique à faible émission de carbone. + Explorer plus loin

Une étude met en lumière les nouvelles catégories de normes IEEE, montrant l'impact sur le système électrique