Overall voltage stability with the presence of distributed energy resources in a low voltage DC network

Giel Van den Broeck
Een stap richting een efficiëntereelektriciteitsvoorziening Hoewel het aandeel hernieuwbare energie en elektrische wagens in de lift zit,is het huidige elektriciteitsnet daarop niet voorzien. Technici denken dan ookgrondig na over hoe het anders en efficiënter kan. Een aanbeveling om onzeenergiefactuur te verminderen: gebruik meer gelijkspanning i.p.v.wisselspanning in het elektriciteitsnet. Uitdagingen voor het huidige elektriciteitsnetEen van de problemen waarvoor weinig media-aandacht bestaat, is demodernisering en uitbreiding van het bestaande elektriciteitsnet.

Overall voltage stability with the presence of distributed energy resources in a low voltage DC network

Een stap richting een efficiëntere elektriciteitsvoorziening

Hoewel het aandeel hernieuwbare energie en elektrische wagens in de lift zit, is het huidige elektriciteitsnet daarop niet voorzien. Technici denken dan ook grondig na over hoe het anders en efficiënter kan. Een aanbeveling om onze energiefactuur te verminderen: gebruik meer gelijkspanning i.p.v. wisselspanning in het elektriciteitsnet.

 

Uitdagingen voor het huidige elektriciteitsnet

Een van de problemen waarvoor weinig media-aandacht bestaat, is de modernisering en uitbreiding van het bestaande elektriciteitsnet. Dat net is immers niet ontworpen met een hoog aandeel hernieuwbare energie en elektrische wagens in het achterhoofd.

Tevens wordt energie-efficiëntie hoog in het vaandel gedragen. De meest groene kilowattuur is immers de kilowattuur die niet verbruikt wordt. Paradoxaal genoeg leidt meer energie-efficiëntie tot een hoger elektriciteitsverbruik. Denk maar aan meer elektrische wagens en warmtepompen (die elektriciteit gebruiken voor verwarming).

Onze elektriciteitsvoorziening moet dus efficiënter worden, terwijl ze meer verbruikers zal moeten voorzien.

Van gelijkspanning naar wisselspanning

Hoewel het grootste aantal van die verbruikers op gelijkspanning werkt, komt er wisselspanning uit het stopcontact thuis. Wisselspanning houdt in dat de spanning op en neer varieert in de tijd, terwijl veel verbruikers een constante spanning, gelijkspanning, vereisen. Zo werken zonnepanelen, batterijen van elektrische voertuigen, computers, gsm’s en LED-verlichting allen op gelijkspanning.

De reden dat wisselspanning echter zo wijdverspreid is, ligt in de geschiedenis. Hoewel uitvinder-ondernemer Thomas Edison een fervente pleitbezorger was van gelijkspanningsnetten eind 19de eeuw, hebben wisselspanningsnetten de bovenhand gehaald. Aanvankelijk bestonden gelijkspanning- en wisselspanningsnetten op lokaal niveau, maar mettertijd werd het voordelig elektriciteit te produceren in grote centrales en vervolgens over lange afstand te transporteren naar de verbruikers. Daarvoor zijn hoge spanningen vereist.

Elektriciteit omzetten naar hoge spanning, lukte toen al eenvoudig voor wisselspanning. Maar voor gelijkspanning was het wachten op de ontwikkelingen in de vermogenelektronica midden vorige eeuw.

Gelijkspanningsnetten beantwoorden aan de noden: ze zijn efficiënteren kunnen meer vermogen aan

Gelijkspanningsnetten zijn uitermate voordelig om tegemoet te komen aan de uitdagingen vandaag. Enerzijds komen gelijkspanningsnetten de efficiëntie ten goede. Het hoge aantal toestellen dat op gelijkspanning werkt, vraagt vandaag immers een omvormer om wisselspanning in gelijkspanning om te zetten. Dit gebeurt onder andere in de adapter van laptops en gsm’s, maar ook in de omvormer van zonnepanelen. In gelijkspanningsnetten worden die adapters en omvormers eenvoudiger, kleiner en efficiënter.

Met het stijgend elektriciteitsverbruik in het achterhoofd, laat gelijkspanning anderzijds toe om meer elektriciteit door dezelfde kabel te sturen in vergelijking met wisselspanning. Bovendien verbetert de kwaliteit, is meer controle mogelijk en wordt het gemakkelijker om verspreide energiebronnen aan het net te koppelen.

Gelijkspanningsnetten sluiten dus naadloos aan bij het net van de toekomst: het smart grid.

Het gelijkspanningsnet kan verder gebruik maken van de bestaande kabelinfrastructuur. Adapters van toestellen moeten wel worden aangepast, maar dit vormt geen noemenswaardig obstakel vermits de kostprijs gering blijft.

Gelijkspanningsnetten: ook in de industrie

Gelijkspanningsnetten openen bijgevolg deuren naar een efficiëntere energietoekomst en dat spreekt ook de industriële verbruikers aan. Gelijkspanningsnetten helpen om hun energiefactuur naar beneden te brengen.

Zo zijn er enkele bedrijfshallen in de VS uitgerust met een gelijkspanningsnet om de verlichting te voeden. Zij rapporteren efficiëntiewinsten van 20%. Maar de toepassing van gelijkspanningsnetten kan nog veel verder gaan: ook volledige productielijnen kunnen ermee gevoed worden.

Nood aan een simulatietool

Om gelijkspanningsnetten te ontwerpen en te analyseren bestond er echter nergens een simulatietool op computer. Zo willen ontwerpers en onderzoekers onder meer graag weten wat er zal gebeuren als er meer hernieuwbare energie in het gelijkspanningsnet wordt gevoed en hoe dat de spanning zal beïnvloeden. Aan die nood komt mijn thesis tegemoet: ik heb een tool geprogrammeerd die ontwerpers en onderzoekers in staat stelt die effecten te analyseren, ook voor zeer uitgebreide gelijkspanningsnetten.

De tool stelt hen in staat om op een gebruiksvriendelijke manier gelijkspanningsnetten te analyseren, de efficiëntie nauwkeuriger te bepalen en spanningsstabiliteit na te gaan. Bovendien is de code toegankelijk en hebben onderzoekers dus een duidelijk beeld van wat binnenin de tool gebeurt. Daarnaast kunnen ze ook eigen modellen van hernieuwbare energie en belastingen invoeren.

De tool opent dus de weg naar een vlotter ontwerpproces. 

Om samen te vatten: gelijkspanningsnetten bieden tal van voordelen die tegemoet komen aan de uitdagingen waarmee onze elektriciteitsvoorziening wordt geconfronteerd. Ze kunnen meer vermogen verwerken, zijn efficiënter en daarom beter geschikt om het toenemend aantal verspreide elektriciteitsbronnen en –verbruikers met elkaar te verbinden. Er bestond echter nog geen gebruiksvriendelijke simulatietool om zo’n netten te analyseren en te ontwerpen. Aan die nood komt mijn thesis tegemoet. Bijgevolg zal het ontwerpproces vlotter verlopen en zullen onderzoekers meer inzicht krijgen in de werking van gelijkspanningsnetten.

Bibliografie

 [1] ABB. ABB Onboard DC Grid. URL http://www.abb.com/cawp/seitp202/

12314897e272c132c1257c6d002fc268.aspx .

[2] Thomas Ackermann, Göran Andersson, and Lennart Söder. Distributed generation:

a definition. Electr. Power Syst. Res. , 57(3):195–204, April 2001. ISSN03787796. doi: 10.

1016/S0378-7796(01)00101-8. URL http://www.sciencedirect.com/science/

article/pii/S0378779601001018 .

[3] A Agustoni,MBrenna, and E Tironi. Proposal for a high quality DC local distribution

network with photovoltaic generation and storage systems. In 7th Int. Conf. Electr.

POWER Qual. Util. , pages 17–19, 2003.

[4] Alessandro Agustoni, Enrico Borioli,Morris Brenna, Giuseppe Simioli, Enrico Tironi,

and Giovanni Ubezio. LV DC distribution network with distributed energy resources:

analysis of possible structures. 2005.

[5] Michael Bahrman and Per-Erik Bjorklund. The New Black Start: SystemRestoration

with Help from Voltage-Sourced Converters. IEEE Power Energy Mag. , 12(1):44–53,

January 2014. ISSN 1540-7977. doi: 10.1109/MPE.2013.2285592. URL http://

ieeexplore.ieee.org/articleDetails.jsp?arnumber=6684690 .

[6] ME Baran and NRMahajan. DC distribution for industrial systems: opportunities

and challenges. Ind. Appl. IEEE . . .  , 2003. URL http://ieeexplore.ieee.org/

xpls/abs_all.jsp?arnumber=1248241 .

[7] Jef Beerten. Modelling and Control of DC Grids (Modellering en controle van DC

netten) . PhD thesis, 2013.

[8] Ulrich Boeke, RolandWeiß, AntonMauder, Luc Hamilton, and Leopold Ott. White

Paper Efficiency Advantage Advantages of +/- 380 V DC Grids. Technical report, 2014.

[9] E. Borioli,M. Brenna, R. Faranda, and G. Simioli. Comparison between the electrical

capabilities of the cables used in LV AC and DC power lines. In 2004 11th Int. Conf.

Harmon. Qual. Power (IEEE Cat. No.04EX951) , pages 408–413. IEEE, 2004. ISBN

0-7803-8746-5. doi: 10.1109/ICHQP.2004.1409390. URL http://ieeexplore.ieee.

org/lpdocs/epic03/wrapper.htm?arnumber=1409390 .

 [10] Morris Brenna, Enrico Tironi, and Giovanni Ubezio. Proposal of a local dc distribution

network with distributed energy resources. In Harmon. Qual. Power, 2004. 11th

Int. Conf. , pages 397–402. IEEE, 2004.

[11] Johannes Brombach, Arno Lucken, Brice Nya,Martin Johannsen, and Detlef Schulz.

Comparison of different electrical HVDC-architectures for aircraft application. In

Electr. Syst. Aircraft, Railw. Sh. Propuls. (ESARS), 2012 , pages 1–6. IEEE, 2012.

[12] V.A. Caliskan,O.C. Verghese, and A.M. Stankovic.Multifrequency averaging ofDC/DC

converters. IEEE Trans. Power Electron. , 14(1):124–133, 1999. ISSN 08858993. doi: 10.

1109/63.737600. URL http://ieeexplore.ieee.org/lpdocs/epic03/wrapper.

htm?arnumber=737600 .

[13] K. Clement-Nyns, E. Haesen, and J. Driesen. The Impact of Charging Plug-In Hybrid

Electric Vehicles on a Residential Distribution Grid. IEEE Trans. Power Syst. , 25(1):

371–380, February 2010. ISSN 0885-8950. doi: 10.1109/TPWRS.2009.2036481. URL

http://ieeexplore.ieee.org/articleDetails.jsp?arnumber=5356176 .

[14] Colin Debruyne, Bart Verhelst, Jan Desmet, and Lieven Vandevelde. Technical SWOT

analysis of decentralised production for low voltage grids in Flanders, 2012. URL

https://biblio.ugent.be/publication/2109738/file/2109739.pdf .

[15] Department of Defense. Aircraft Electric Power CharacteristicsMIL-STD-704F. Standard,

2004.

[16] Electric Power Research Institute. The Integrated Grid: Realizing the Full Value of

Central and Distributed Energy Resources. Technical report, Electric Power Research

Institute, 2014.

[17] A. Emadi. Modelling and analysis ofmulti-converter DC power electronic systems

using the generalized state space averaging method. In IECON’01. 27th Annu. Conf.

IEEE Ind. Electron. Soc. (Cat.No.37243) , volume 2, pages 1001–1007. IEEE, 2001. ISBN

0-7803-7108-9. doi: 10.1109/IECON.2001.975908. URL http://ieeexplore.ieee.

org/articleDetails.jsp?arnumber=975908 .

[18] A. Emadi, A. Khaligh, C.H. Rivetta, and G.A. Williamson. Constant Power Loads

and Negative Impedance Instability in Automotive Systems: Definition,Modeling,

Stability, and Control of Power Electronic Converters andMotor Drives. IEEE Trans.

Veh. Technol. , 55(4):1112–1125, July 2006. ISSN 0018-9545. doi: 10.1109/TVT.2006.

877483. URL http://ieeexplore.ieee.org/articleDetails.jsp?arnumber=

1658410 .

[19] Kristof Engelen, Erik Leung Shun, Pieter Vermeyen, Ief Pardon, Reinhilde D’hulst,

Johan Driesen, and Ronnie Belmans. Small-scale residential dc distribution systems.

In IEEE Benelux Young Res. Symp. Electr. Power Eng.  sn, 2006.

 [20] T Esram and PL Chapman. Comparison of photovoltaic array maximum power

point tracking techniques. IEEE Trans. ENERGY . . .  , 2007. URL http://www.

mz3r.com/fa/wp-content/uploads/2012/02/books/photovoltaic_papers/

comparison-of-photovoltaic-array-maximum-power-techniques-point-tracking-techniques.

pdf .

[21] European Parliament and European Council. Directive 2006/95/EC. Technical

Report 9, 2006.

[22] European Telecommunication Standards Institute. ETSI EN 300 132-3-1 Final Draft.

1:1–31, 2011.

[23] CC Fang and EH Abed. Sampled-data modeling and analysis of closed-loop PWM

DC-DCconverters. Circuits Syst. 1999. ISCAS’99. . . .  , 1999. URL http://ieeexplore.

ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=777523 .

[24] O. Fethi, L.-A. Dessaint, and K. Al-Haddad. Modeling and simulation of the electric

part of a grid connected micro turbine. In IEEE Power Eng. Soc. Gen. Meet.

2004. , volume 2, pages 2213–2220. IEEE. ISBN 0-7803-8465-2. doi: 10.1109/

PES.2004.1373274. URL http://ieeexplore.ieee.org/articleDetails.jsp?

arnumber=1373274 .

[25] Gene F. Franklin, J. David Powell, and Abbas Emami-Naeini. Feedback control

of dynamic systems . Pearson Education, New Jersey, 6th edition, 2010. ISBN

9780135001509.

[26] EWGholdston, K Karimi, F C Lee, J Rajagopalan, Y Panov, and BManners. Stability

of large DC power systems using switching converters, with application to the International

Space Station. In Energy Convers. Eng. Conf. 1996. IECEC 96., Proc. 31st

Intersoc. , volume 1, pages 166–171. IEEE, 1996.

[27] VB Giel, TD Mai, and J Driesen. Modeling Dynamics of Electric and Electronic

Components in DC Distribution Grids. status Publ. , 2014. URL https://lirias.

kuleuven.be/handle/123456789/451741 .

[28] Hongwen He, Rui Xiong, and Jinxin Fan. Evaluation of Lithium-Ion Battery Equivalent

CircuitModels for State of Charge Estimation by an Experimental Approach.

Energies , 4(12):582–598,March 2011. ISSN 1996-1073. doi: 10.3390/en4040582. URL

http://www.mdpi.com/1996-1073/4/4/582 .

[29] International Energy Agency. Tracking Clean Energy Progress 2014 Tracking Clean

Energy Progress 2014. Technical report, 2014.

[30] International Energy Association. Global EV Outlook. (April):41, 2013.

[31] B.K. Johnson and R. Lasseter. An industrial power distribution system featuring

UPS properties. In Proc. IEEE Power Electron. Spec. Conf. - PESC ’93 , pages 759–765.

IEEE, 1993. ISBN 0-7803-1243-0. doi: 10.1109/PESC.1993.472009. URL http://

ieeexplore.ieee.org/lpdocs/epic03/wrapper.htm?arnumber=472009.

Universiteit of Hogeschool
Ingenieurswetenschappen Energie - Elektrische energie
Publicatiejaar
2014
Promotor(en)
Johan Driesen
Kernwoorden
@gielvdbroeck
Share this on: