Lähde: generatorsource.com
Mikrogridin käsite on ollut olemassa useita vuosia. Vasta äskettäin ne ovat saaneet merkittävää vetovoimaa ja painoa, sillä monet uudet hankkeet toteutuvat ja niitä viedään tuotantoon. Bloom Energy raportoi äskettäin, että 500 uutta mikroverkkoa on prosessissa tai otetaan käyttöön tänä vuonna (2019), ja maailmanlaajuiset kokonaismäärät ovat useiden GW-alueella.
Pohjimmiltaan mikroverkko on pieni sähköverkkojärjestelmä, joka on perustettu hallitsemaan hajautettuja energiavaroja ja joka voi sisältää uusiutuvia energialähteitä (aurinko-, tuuli- ja/tai vesivoima) muiden uusiutumattomien lähteiden kanssa (kuten dieselgeneraattorit, kaasuturbiinit, jne.). Nämä mikroverkot käsittelevät tyypillisesti useiden tuotantojärjestelmien energiakuormia ja käyttävät myös jonkinlaista energian varastointijärjestelmää. He työskentelevät ja hallitsevat kaikkea erityyppisten ohjelmistojen ja ohjausjärjestelmien kanssa. Ne voidaan asettaa toimimaan rinnakkain sähköverkon kanssa ja myös toimimaan erillisenä tilassa hätätilanteissa tai erityistarpeiden perusteella.
Microgrid Fundamentals - Mikä on mikrogrid
Yhdysvaltain energiaministeriö (DOE) määrittelee mikroverkon "ryhmäksi toisiinsa kytkettyjä kuormia ja hajautettuja energiaresursseja selkeästi määritellyissä sähkörajoissa, joka toimii yhtenä ohjattavana kokonaisuutena suhteessa verkkoon. Mikroverkko voi kytkeytyä verkkoon ja irrottaa siitä mahdollistaa sen toiminnan sekä verkko- että saaritilassa".
Lisäksi DOE väittää: "Mikroverkot on tunnistettu älykkään verkon keskeiseksi osaksi parantamaan tehon luotettavuutta ja laatua,
järjestelmän energiatehokkuus ja mahdollisuus verkkoriippumattomuuteen yksittäisille loppukäyttäjäkohteille." Mikrogrid-tekniikan käytön edut voivat olla:
- Integroituu grid- ja useiden älykkäiden verkkotekniikoiden kanssa
- Hajautetun ja uusiutuvan energian yhdistäminen huippukuormituksen vähentämiseksi
- Varmistaa energian toimituksen komplekseihin, joilla on kriittisiä tehontarpeita
Muut organisaatiot määrittelevät mikroverkot samalla tavalla, mukaan lukien useiden kuormien käsite ja saareketuotanto. Saaristotuotanto on tuuli-, aurinko-, vesivoima- tai diesel-/maakaasutuotannon tuottamaa sähköä.
Ensimmäisen kuvan kuva on mikroverkko, joka käyttää sähköä ensisijaisena lähteenä. Tuuli- ja aurinkovoimala tuottaa akkupankkia hätäkäyttöön, kun sähkönsyöttö katkeaa. Molemmat on normaalisti kytketty verkkoon laitoksen käyttökustannusten alentamiseksi. Kun käyttösähkö katoaa, kompleksi siirtyy akkuvirtaan tuuli- ja aurinkovoimalla. Generaattorit käynnistyvät ja ottavat kuorman akuista. Piirin kuormituspuolen rakennukset eivät näe tehon vaihtelua jakeluverkon suunnittelusta johtuen. Kun sähkönsyöttö palautetaan, kuorma palautetaan sähkönsyöttöön ja varageneraattorit sammutetaan. Tuuli- ja aurinkovoimapuisto palaa normaaliin toimintaan.
Mikroverkon suunnitteluun ja rakentamiseen vaikuttavat monet tekijät. Sähköntuotanto- ja jakeluteknologian edistysaskel sallii järjestelmät, jotka vähentävät virrankulutusta, käyttävät vihreitä tuotantomenetelmiä ja täyttävät kriittiset tehonsyöttövaatimukset. Perustiedot jokaisesta virtalähteestä ja ohjausjärjestelmästä on kuvattu alla. Tämän mikroverkon rakentaminen on kuvitteellista, mutta se on mallinnettu konseptiltaan DOE-projekteista.
Utility Power & Loads
Yleisin mikroverkoista käyttää ensisijaisena sähkönlähteenä paikallisen sähköyhtiön toimittamaa sähköä. Syrjäisillä paikoilla sijaitsevat mikroverkot voivat käyttää vesivoimaa primäärivoimana tai fossiilisten polttoaineiden tuotantolaitoksia primäärivoimana.
Voimalaitokset tuottavat korkeajännitesähköä. Jotkut käyttävät nostomuuntajia lisäämään jännitettä sähköasemille siirtämistä varten. Sähköasemat saavat jännitettä voimalaitoksilta suurjännitelinjoilla. Jännitteet sovitetaan tarpeiden mukaan ja jaetaan asiakkaille.
Sairaalat, osavaltion rangaistuslaitokset ja datakeskukset ovat teollisuudenaloja, jotka vaativat UPS:n (Uninterruptible Power Source). Monilla on useita rakennuksia, jotka vaativat jatkuvaa virtaa. Joissakin rakennuksissa voi olla alueita, jotka vaativat eristetyn virtalähteen jännite-, ampeeri- ja/tai taajuusvaatimusten vuoksi.
Nämä asennukset kuluttavat valtavan määrän sähköä normaaliin päivittäiseen toimintaan. He saavat virtaa suurjännitelinjoilta kompleksille omistetussa ala-asemassa. Jännite säädetään halutulle tasolle nosto- tai alas-muuntajilla. Kaikki virta ohjataan kytkin- ja ohjauspaneelien kautta jaettavaksi kaikkialle rakennuksiin.
Jokainen rakennus edustaa sähkökuormaa. Rakennuksessa voi olla useampi kuin yksi kuorma. Esimerkki rakennuksen toissijaisesta kuormituspisteestä on taajuusmuuttaja. Yksi positiivinen jännitehuippu ja yksi negatiivinen jännitehuippu ovat yhtä jaksoa (Hz). Yleinen syöttö on 50 Hz tai 60 Hz. Jotkut laitteet vaativat 400 Hz:n virtalähteen toimiakseen. Taajuusmuuttajat muuttavat 50 Hz tai 60 Hz 400 Hz:iin. On monia muita esimerkkejä rakennuksen toissijaisista kuormituspisteistä. Mikrogrid-suunnittelussa kaikkia ohjataan yhdestä pisteestä.
Vara- ja huippukysynnän generaattoriteho
Varageneraattorit syöttävät sähköä verkkoon, kun sähkönsyöttö katkeaa. Generaattori koostuu moottorista ja laturista (generaattoripää). Maakaasu- (NG)- ja dieselmoottorit ovat alan standardi. Maakaasukäyttöiset moottorit voivat toimia loputtomiin niin kauan kuin käyttökaasun syöttö ei keskeydy. Varavirtaa ei ole saatavilla, kun syöttö on varmistettu.
Dieselpolttoainemoottoreilla varustetut generaattorit voivat toimia, kun kaikki infrastruktuuri epäonnistuu, mukaan lukien maakaasun syöttö. Pääpolttoainesäiliöitä on valvottava ja täytettävä, kun ne ovat vähissä. Automaattiset järjestelmät voivat ilmoittaa käyttäjälle, kun säiliön taso on ennalta määrätyssä kohdassa, jotta polttoaineen puutteesta johtuva sammutus voidaan estää.
Sisäkäyttöiset generaattorisovellukset
Moottori, jäähdytysjärjestelmät ja generaattorin päät on asennettu teräspalkeista valmistetulle alustalle. Jalusta kiinnitetään rakennuksen lattiaan. Kumikiinnikkeitä käytetään keskeisissä paikoissa tärinän vähentämiseksi käytön aikana.
Tässä generaattorissa ei ole polttoainesäiliöitä ja se vaatii ulkoisen polttoaineen syötön. Suuret ensisijaiset polttoainesäiliöt voivat toimittaa päiväsäiliöitä. Niissä on oltava asennettuna rakennuksen poisto- ja jäähdytysilman tulo tai jälkimarkkinoiden jäähdytysjärjestelmä, kuten lämmönvaihdin (HEX).
Ulkokäyttöiset generaattorisovellukset
Ulkona käytettävät generaattorit on asennettu säänkestävään tai säänkestävään koteloon. Monet kotelot ovat äänivaimennettuja käyttömelun vähentämiseksi. Generaattori on asennettu kaksiseinäiseen polttoainesäiliöön. Näillä generaattoreilla ei ole ulkoisia polttoaine-, pakokaasu- tai jäähdytysjärjestelmän vaatimuksia. Liitä lähtövirtakaapelit generaattoriin, ja se on valmis ottamaan kuorman.
Molempia generaattoreita on saatavana edistyneillä elektronisilla ohjauksilla ja niitä voidaan käyttää rinnakkain. Jaettu varageneraattoriväylä voidaan järjestää syöttämään suuria määriä erilaisia jännitteitä. Voit tarkastella uusien ja käytettyjen generaattoreiden valikoimaamme Generator Sourcessa. Tarjoamme generaattoripalveluita, kuten huoltoa, vianetsintää ja korjausta, asennusta.
Vihreä sähköntuotanto
Ympäristönsuojeluvirasto (EPA) määrittelee vihreän sähkön sähköksi, joka on tuotettu aurinko-, tuuli-, maalämpö-, biokaasu-, biomassa- ja vesivoimajärjestelmistä. Mallissamme oli tuuli- ja aurinkovoima. Mahdollisia käyttötapoja tarkastellaan alla.
Aurinkoenergiaa
Aurinkopaneelit koostuvat aurinkokennoista. Nämä kennot muuttavat auringonvalon tasavirtasähköksi. Syntynyt sähkö varastoidaan akkupankkeihin. Kun akkupankit on ladattu täyteen, sähkö voidaan ohjata takaisin invertterin avulla ja myydä.
Invertteri on UPS-järjestelmän sydän. Kun virta katkeaa, akut syöttävät virtaa piireihin, joilla on kriittisiä tehovaatimuksia. Vaihtosuuntaaja muuttaa DC:n vaihtovirraksi (AC) syöttääkseen virtapiirejä, kun varageneraattorit valmistautuvat ottamaan vastaan kuorman.
Tuulivoima
Tuulta käytetään turbiinien pyörittämiseen. Turbiinit tuottavat vaihtovirtaa pitkälti samalla tavalla kuin diesel- ja höyrykäyttöiset generaattorit. Tuuliturbiinit voidaan liittää myös sähköverkkoon UPS:n akun varaverkkoon.
Sähköverkkoon liitettyjen turbiinien vaiheen ja taajuuden on oltava samat. Verkon vaiheen ja taajuuden yhteensovittamiseksi turbiinin teho ohjataan AC-AC-muuntimen kautta. Vaihtovirta muunnetaan DC:ksi ja tasasuunnetaan sitten takaisin vaihtovirtaan invertterillä ja ohjataan verkkoon. Tuuliturbiinin vaihtovirta voidaan ohjata myös muuntimen kautta akkupankin latauksen avuksi.
Aurinko- ja tuulivoima ovat loistavia tapoja kompensoida rakennuksen sähkönkulutuskustannuksia, mutta ne eivät ole kehittyneet tarpeeksi varavoiman käyttöönoton varalle. Molemmat ovat riippuvaisia paikallisista sääolosuhteista ja käytettävissä olevista akkupankeista. Pilvisenä päivänä ilman tuulta akkupankit voivat tyhjentyä nopeasti ilman latausta.
Vara-akkupankit
Vihreissä energiaratkaisuissa käytetään usein vara-akkupankkia. Nämä pankit tarjoavat UPS:lle vain hetkellistä virtaa. Ne on suunniteltu tuottamaan virtaa, kun laitoksen sähkö katkeaa, kun generaattorit käynnistyvät ottamaan kuorman.
Vara-akkujärjestelmät voidaan rakentaa kolmella eri akkutyylillä, jotka on lueteltu alla:
Lyijyhappokennot - Lyijyhappokennoilla varustetut akut ovat halvin ratkaisu. Nämä voivat olla hyvä off-grid vastaus pienempiin sovelluksiin
Lithium Ion - Kevyempi ja kompaktimpi ja kestävämpi kuin lyijyakut. Ne ovat kuitenkin kalliimpia
Suolavesi - Tämä tulokas luottaa suolavedessä oleviin sähkölyytteihin. Akut ovat pääosin testaamattomia, mutta helposti kierrätettäviä
Tuulivoimalla toimivat akkupankit ladataan muuntimella, joka muuttaa vaihtovirran tasavirraksi. Aurinkoenergialla toimivat akut eivät tarvitse muuntajaa, koska aurinkopaneelit tuottavat tasavirtaa.
Kun sähkönsyöttö katkeaa, generaattorin positiiviseen vasteeseen kuluu aikaa lähes millisekunti.
Laitokset ja kompleksit, kuten sairaalat, datakeskukset ja kunnat, eivät siedä sähkökatkoksia. Ne luottavat akkupankkiin tuottamaan virtaa sähkön katkeamisen aikana. Tämä on loistava lyhyen aikavälin ratkaisu, mutta akkupankeilla on rajoituksensa.
Akut, jotka kestävät sähkökuormituksen, ovat kalliita ensimmäisellä ostolla. Lyijyakuissa on elektrolyyttiä akkukennoissa. Elektrolyytin taso ja ominaispaino on tarkastettava usein. Huolellisesta huollosta huolimatta näiden akkujen käyttöikä voi olla vain 5-15 vuotta.
Uusiutuvan energian ja energian varastointijärjestelmien kustannukset
Uusiutuvilla energialähteillä, kuten tuulivoimaloilla, aurinkovoimaloilla ja vesivoimalla, on suuri hankintahinta. Ostettujen laitteiden asentamiseen tarvitaan kokeneita teknikoita ja rakennusmiehistöjä. Asennuksen, testauksen ja käyttöönoton jälkeen laitteet on huollettava. Usein tarvitaan kokopäiväistä huoltohenkilöstöä, jotta laite pysyy käynnissä määritysten mukaisesti.
Energian varastointi kehittyy nopeasti ja tulee olemaan avaintoimija mikroverkkojen tulevaisuudessa. Se voi olla erittäin monimutkainen aihe ja vaatii insinöörejä ja suunnittelua, ja kustannukset ovat kaikki kartalla tarpeidesi mukaan. Microgrid Knowledgessa on erinomainen äskettäinen artikkeli energian varastoinnin viimeisimmästä kehityksestä vuoden 2019 konferenssissa, johon voit sukeltaa täällä. Niissä kerrotaan polkua energian varastointitavoitteen GW:hen ja viimeisimmät uutiset yrityksiltä ja FERC:n käytännöistä, joita nyt viedään läpi.
Control Station
Ohjausasema tarjoaa käyttäjälle sekä ohjaus- että valvontaominaisuudet. Jokainen järjestelmä voidaan jakaa alajärjestelmään, jossa on yksittäisiä laitteita.
Jakelu- ja ohjauspaneelit - Vastaanota syöttöjännitteet kaikista lähteistä ja jakaa teho tarvittaviin piireihin.
Varageneraattorit - Ohjausasemaohjelmisto tarkkailee ja pystyy muuttamaan generaattorin käynnissä olevan konfiguraation syöttämään virtaa kriittisiin piireihin.
Green Power - UPS-akkupankkeja valvotaan. Aurinkosähkön syöttöä akkupankkiin ja verkkoon valvotaan. Tuuliturbiinin tilastoja seurataan. Mahdollisuus vaihtaa redundanttiseen tuuliturbiiniin tai akkupankkiin.
Periaatteessa ohjausasema tarjoaa ohjelmistoratkaisun kaikkien mikrogrid-kokoonpanoon liittyvien laitteistojen ylläpitoon, valvontaan ja ohjaamiseen. Gridin toimintaa tukevia ohjelmistoja voi olla useita.
Redundanssi on keskeinen periaate näiden järjestelmien suunnittelussa. Redundanssi on valmius seisomista laitteen vieressä ensisijaisen laitteen vian sattuessa. Generaattorit, tuuliturbiinit ja akkupankit ovat kaikki esimerkkejä järjestelmistä, joissa voi olla redundantteja pää- ja tukilaitteita.
Jotkut redundanttiset laitteet suorittavat automaattisesti määrätyn päälaitteen tehtävät ja ilmoittavat ongelmasta käyttäjälle. Valvonta-aseman hoitaja ilmoittaa sitten huoltoon ongelmasta, jotta se voidaan korjata. Redundantit laitteet täyttävät samat vaatimukset kuin päälaitteet. Usein käyttäjä vaihtaa pää- ja redundanttiset laitteet ajoitettua testausta varten.
Mikroverkko on konsepti. Se voi olla niin suuri tai pieni kuin asennusta varten tarvitaan. Tämä on vanha käsite, joka on tullut jäädäkseen. Sähköntuotantoteknologian lisääntyessä lisääntyy myös mikroverkkojen käyttö.
