Stability and Control of a Microgrid

Med en utbredt bosetting av mennesker i Norge kan kontinuerlig forsyning av elektrisk kraft være både utfordrende og kostnadskrevende for de mest avsidesliggende områdene. I de kommende årene er det forventet at distribusjonsnettet står ovenfor store reinvesteringskostnader som medfører at flere ønsker å vurdere alternative løsninger. En av de mest lovende, og omtalte løsningene, er etablering av lavspent mikronett. Med flere ulike distribuerte produksjonsenheter innebærer dette en nødvendighet for kontroll og en vurdering av mikronettets stabilitet. I denne avhandlingen fokuseres det på kontroll, og vurdering av stabilitet, for et lavspent mikronett i overgangen fra å være tilkoblet overliggende nett til øydrift. Med utgangspunkt i informasjon fra et avsidesliggende område ved vestkysten i Norge, er en modell av mikronettet etablert i Matlab/Simulink. Modellen inkluderer en 30 kVAr vindturbin, et 32 kVAr batterilagringssystem, 30 kVAr solcelleanlegg, 15 kVAr dieselaggregat, laster og tilkobling til overliggende distribusjonsnettet. Solcelleanlegget, batterilagringssystemet og vindturbinen er tilkoblet det lavspente AC-nettet via omformere med individuelle kontrollsystemer. Den overordnete kontrollstrategien er delt i to hovedkategorier: tilkoblet og frakoblet det overliggende nettet. Når mikronettet er tilkoblet det overliggende nettet opererer de distribuerte produksjonsenhetene og lagringssystemet i PQ-kontroll, mens det overliggende nettet sørger for stabil frekvens og spenning. I øydrift veksler batterilagringssystemet fra PQ-kontroll til spenning og frekvenskontroll, og fungerer dermed som en masterkontroll i mikronettet. Ved funksjonsfeil eller manglende kapasitet i lagringssystemet sørger diesel aggregatet for å øke leveringspåliteligheten. Simuleringer er gjennomført for både planlagt og ikke-planlagt frakopling av overliggende nett. Ved planlagt frakopling er utvekslingen av effekt mellom mikronettet og overliggende nett minimert for å sørge for en sømløs overgang. Ved en ikke-planlagt frakopling vil det være import eller eksport av kraft ved overgangen til øydrift som kan fører til avvik fra nominell spenning og frekvens. Resultatene antyder at batterilagringssystemet kan sørge for en rask gjenopprettelse av nominell frekvens og spenning. Dersom en tidsforsinkelse implementeres for å representere detektering av øydrift, vil dette påvirke leveringskvaliteten betraktelig. En overgang til øydrift uten batterilagringssystemet er også vurdert. I dette senarioet er en droop-kontroll som utnytter treghetsmomentet lagret i vindturbinens roterende masse implementert med positive resultater for leveringskvaliteten. For å øke leveringspåliteligheten er også systemets mulighet til å gjennomføre en såkalt «black start» med batterilagringssystemet eller dieselaggregatet verifisert. Resultatene viser at mikronettet kan operere velfungerende, men at det også finnes krevende situasjoner for overgangen mellom å være tilkoblet overliggende nett og øydrift. Både resultatene, og tiltak for forbedring av systemets stabilitet og kontroll er diskutert