การพัฒนาไฟฟ้าและการใช้ระบบอัตโนมัติเพื่อสร้างกริดไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพและยั่งยืนมากขึ้น - ส่วนที่หนึ่งจากทั้งหมดสองส่วน

การแทนที่แหล่งพลังงานจากกริดไฟฟ้าแบบดั้งเดิมด้วยแหล่งพลังงานสีเขียวที่ยั่งยืนเรียกว่าการพัฒนาไฟฟ้า ในบทความนี้ ส่วนที่ 1 จากทั้งหมด 2 ส่วน จะมีการพูดคุยถึงความท้าทายบางประการที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาไฟฟ้า พร้อมกับวิธีที่ระบบอัตโนมัติสามารถช่วยในด้านประสิทธิภาพและความยั่งยืน ส่วนที่ 2 ของซีรีส์นี้จะพูดคุยเกี่ยวกับความเป็นผู้นำในด้านพลังงานและการออกแบบสิ่งแวดล้อม (LEED) และการรับรองอาคารพลังงานเป็นศูนย์ (ZEB) และวิธีที่พวกเขาสามารถลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนและปรับปรุงความยั่งยืน

การพัฒนาไฟฟ้าคือการแทนที่ระบบที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น น้ำมัน ถ่านหิน และก๊าซธรรมชาติเพื่อการผลิตไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) และเทคโนโลยีสีเขียวอื่นๆ และแทนที่รถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) ด้วยรถยนต์ไฟฟ้า (EV) ระบบไฟฟ้า รวมถึงการใช้ระบบอัตโนมัติที่เชื่อมโยงระบบทั้งหมดเข้าด้วยกันและรองรับสมาร์ทกริดและไมโครกริด ถือเป็นปัจจัยสำคัญในการขับเคลื่อนสังคมไปสู่อนาคตที่ยั่งยืนและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น

กริดไฟฟ้าในปัจจุบันไม่ได้ออกแบบมาเพื่อชาร์จ EV จำนวนมาก และสมาร์ทกริดและไมโครกริดได้รับการคาดหวังให้เป็นเทคโนโลยีที่สำคัญซึ่งจำเป็นต่อการสนับสนุนการแทนที่ยานพาหนะ ICE ด้วย EV ในวงกว้าง ในแคลิฟอร์เนีย ผู้ว่าการรัฐเพิ่งออกคำสั่งฝ่ายบริหารซึ่งกำหนดให้ภายในปี 2578 ยอดขายรถยนต์และรถบรรทุกผู้โดยสารขนาดเล็กใหม่ทั้งหมดต้องเป็นรถยนต์ที่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกเป็นศูนย์ (EV) นักพัฒนาสมาร์ทกริดและไมโครกริดต้องมีคุณสมบัติตรงตามมาตรฐานสากลที่ท้าทายเพื่อรับมือกับข้อบังคับประเภทนี้ ตัวอย่างเช่น IEEE มีมาตรฐานมากกว่า 100 มาตรฐานที่ได้รับการอนุมัติหรืออยู่ระหว่างการพัฒนาที่เกี่ยวข้องกับสมาร์ทกริด ซึ่งรวมถึงมาตรฐาน IEEE มากกว่า 20 มาตรฐานที่มีชื่ออยู่ในกรอบงานและแผนงานของสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) และแผนงานสำหรับการทำงานร่วมกันของสมาร์ทกริด นอกเหนือจากมาตรฐาน IEEE แล้ว ไมโครกริดยังอยู่ภายใต้ซีรีส์ไมโครกริด IEC 62898 และมาตรฐานอื่นๆ

บทความนี้เป็นบทความส่วนแรกจากทั้งหมดสองส่วน โดยพิจารณาถึงความท้าทายที่เกี่ยวข้องกับการดำเนินการพัฒนาไฟฟ้า การบูรณาการแหล่งพลังงานแบบกระจาย (DER) ความเหมือนและความแตกต่างระหว่างสมาร์ทกริดและไมโครกริด และวิธีที่ระบบอัตโนมัติช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความยั่งยืน รวมถึงสนับสนุนการนำ EV มาใช้ในระดับสากล เริ่มต้นด้วยการเจาะลึกว่า DER คืออะไร และการนำไปใช้ที่ใดจึงจะมีความเหมาะสมและสมบูรณ์ โดยพิจารณาดูว่าการเกิดขึ้นของไมโครกริดด้านสาธารณูปโภคจะทำให้เส้นแบ่งของความแตกต่างระหว่างไมโครกริดและสมาร์ทกริดจางหายไปได้อย่างไร ไม่ว่าการใช้งานจะเป็นอย่างไร DigiKey มีตัวเลือก ผลิตภัณฑ์ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม ที่รองรับการใช้พลังงานไฟฟ้าและการบูรณาการ DER ให้เลือกมากมาย บทความที่สองพิจารณาว่าการพัฒนาไฟฟ้าและระบบอัตโนมัติสามารถนำมาใช้ในอาคารสีเขียวเพื่อให้ได้รับการรับรองความเป็นผู้นำในการออกแบบพลังงานและสิ่งแวดล้อม (LEED) และอาคารพลังงานเป็นศูนย์ (ZEB) ได้อย่างไร

DER คืออะไร?

คำจำกัดความของ North American Electric Reliability Corporation (NERC) คือ: "Distributed Energy Resource (DER) คือทรัพยากรใดๆ ในระบบการจ่ายที่ผลิตกระแสไฟฟ้า และไม่รวมอยู่ในคำจำกัดความอย่างเป็นทางการของ NERC ของระบบไฟฟ้าจำนวนมาก"

คำว่าระบบการจ่ายในอเมริกาเหนือหมายถึงสายไฟฟ้าที่มีกำลังไฟฟ้า 34.5 กิโลโวลต์ (kV) หรือน้อยกว่าซึ่งโดยทั่วไปจะวิ่งจากสถานีย่อยไปยังผู้ใช้ปลายทาง ระบบไฟฟ้าปริมาณมาก (BPS) ประกอบด้วยสายที่เข้ามาในสถานีย่อยซึ่งมักจะส่งกระแสไฟฟ้า 100+ kV ในระยะทางไกล ซึ่งเชื่อมต่อโรงงานผลิตไฟฟ้าจำนวนมากขนาดใหญ่กับทรัพยากรที่เชื่อมต่อโครงข่ายและสถานีย่อย (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: DER มีอยู่ในระบบการแจกจ่าย (สีน้ำเงิน) แหล่งพลังงานหมุนเวียนอื่นๆ อยู่ในระบบไฟฟ้าปริมาณมาก (สีเขียว) (ที่มารูปภาพ: NERC)

DER คือแหล่งทรัพยากรที่ไม่ใช่ระบบที่ผลิตปริมาณมาก ซึ่งรวมถึงหน่วยผลิตไฟฟ้า เช่น กังหันลมและการติดตั้งไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ หน่วยกักเก็บพลังงาน ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ส่วนใหญ่ (BESS) เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ EV หรือที่เรียกว่าอุปกรณ์บริการรถยนต์ไฟฟ้า (EVSE) และไมโครกริด มี DER อยู่ที่ด้านหลังมิเตอร์สาธารณูปโภคและบนระบบการจ่ายโดยตรง ที่ด้านหลังมิเตอร์ แหล่งที่มาของ DER ประกอบด้วยแผงเซลล์แสงอาทิตย์, BESS, EV ที่เชื่อมต่อกับกริด และแหล่งพลังงานสำรอง เช่น การติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลขนาดใหญ่ที่ศูนย์ข้อมูลและสถานที่อื่นๆ ไมโครกริดคือประเภทหนึ่งโดยเฉพาะของ DER

สมาร์ทกริด ไมโครกริด และการพัฒนาไฟฟ้า

ไมโครกริดคือ DER แต่ไม่ใช่ว่า DER ทั้งหมดจะเป็นไมโครกริด จากมุมมองของ BPS คำว่าไมโครกริดและ DER หมายถึงประเภทของทรัพยากรการผลิตหรือการจัดเก็บไฟฟ้า คำว่าสมาร์ทกริดหมายถึงเทคโนโลยีการสื่อสารและการควบคุมที่ใช้โดย BPS เพื่อให้มั่นใจว่าการดำเนินงานมีความยืดหยุ่นและมีประสิทธิภาพ ปัจจัยที่สร้างความแตกต่างอีกประการหนึ่งคือไมโครกริดรวมถึงทรัพยากรการสร้างและการจัดเก็บและรวมถึงโหลด สมาร์ทกริดประกอบด้วยทรัพยากรการผลิตเป็นหลัก โดยมีพื้นที่เก็บข้อมูลบางส่วนแต่ไม่มีโหลด สมาร์ทกริดสามารถสื่อสารกับโหลดได้ แต่จะแยกจากกริด

การใช้พลังงานไฟฟ้าส่งผลต่อไมโครกริด, BPS และกริดอัจฉริยะในรูปแบบที่แตกต่างกัน ใน BPS การใช้พลังงานไฟฟ้าจะถูกเพิ่มเข้าไปในกริดที่มีอยู่ และหากไม่ได้รับการจัดการอย่างเหมาะสม อาจส่งผลเสียต่อการปฏิบัติงานโดยไม่ได้ตั้งใจ นั่นคือที่มาของเทคโนโลยีสมาร์ทกริด

การสื่อสารและการควบคุมสองทางคือความแตกต่างหลักของสมาร์ทกริด ระบบควบคุมเหล่านั้นประกอบด้วยเซ็นเซอร์เพื่อตรวจสอบความเสถียรของกริดไฟฟ้า และมาตรวัดขั้นสูงเพื่อตรวจสอบความต้องการไฟฟ้า พวกมันยังใช้อุปกรณ์สวิตชิ่งกำลังและอุปกรณ์ควบคุมคุณภาพไฟฟ้าที่ควบคุมได้หลากหลายเพื่อจัดการการไหลของไฟฟ้า เซ็นเซอร์มีความสำคัญอย่างยิ่งในการช่วยให้แหล่งพลังงานหมุนเวียน (RE) และการใช้พลังงานไฟฟ้าเข้าสู่ BPS ได้มากขึ้น และให้ความมั่นใจต่อเสถียรภาพของกริดไฟฟ้า นอกจากนี้ เซ็นเซอร์และองค์ประกอบควบคุมยังรองรับการตอบสนองที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นต่อการรบกวนของพลังงาน และช่วยให้เกิดความสมดุลและการรักษาความปลอดภัยของกริด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงที่มีความต้องการใช้งานสูงสุดและด้วยความพร้อมใช้งานของ RE ที่แปรผัน เทคโนโลยีสมาร์ทกริดยังรองรับการประสานงานและการบูรณาการระหว่างไมโครกริดกับระบบการจ่ายและ BPS

ในทางกลับกัน ไมโครกริดได้รับการออกแบบเพื่อรองรับเทคโนโลยีการใช้พลังงานไฟฟ้า เช่น แหล่ง RE, BESS และ EV ไมโครกริดและสมาร์ทกริดจำเป็นต้องมีการควบคุมอัตโนมัติ รวมถึงระบบการจัดการทรัพยากรพลังงานแบบกระจาย (DERM)

DERM เป็นสิ่งจำเป็น

DERM และระบบอัตโนมัติได้รับการกำหนดและนำไปใช้งานแตกต่างกันในสมาร์ทกริดและไมโครกริด สมาร์ทกริดประกอบด้วยแหล่งผลิตที่หลากหลายและผู้ใช้ไฟฟ้าที่กระจายอยู่ทั่วพื้นที่กว้าง พร้อมศูนย์ควบคุมแบบรวมศูนย์สำหรับการจัดการกริด (รูปที่ 2) การจัดการกริดเป็นแนวคิดหลักสำหรับการควบคุมสมาร์ทกริดใน BPS BPS ที่มีอยู่ได้รับการออกแบบและสร้างขึ้นก่อนที่จะมีความจำเป็นในการสนับสนุนการพัฒนาไฟฟ้า และอาจประสบกับการดำเนินงานที่ไม่น่าเชื่อถือเนื่องจากการผลิตที่ใช้พลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิลแบบจัดส่งได้ (ควบคุมได้) ถูกแทนที่ด้วยแหล่ง RE ที่คาดเดาไม่ได้มากขึ้น (และด้วยเหตุนี้จึงควบคุมได้น้อยลง) นอกจากนี้ การชาร์จ EV จำนวนมากส่วนใหญ่จะไม่สามารถจัดส่งได้ และไม่สามารถควบคุมโดยระบบสาธารณูปโภคได้โดยตรง การควบคุมแบบอัตโนมัติหรือแบบรวมศูนย์ ที่เปิดใช้งานโดยเทคโนโลยีสมาร์ทกริดนั้นจำเป็นต้องชดเชยให้กับความจริงที่ว่าแหล่งที่มาของพลังงานทดแทนที่ใช้สำหรับการใช้พลังงานไฟฟ้าและการชาร์จ EV นั้นไม่สามารถคาดเดาได้เหมือนกับองค์ประกอบของกริดสาธารณูปโภคทั่วไป

รูปที่ 2: สมาร์ทกริดอาศัยตัวควบคุมอัตโนมัติและ DERM สำหรับการจัดการกริดแบบเรียลไทม์ (ที่มาของภาพ: ETAP)

ตัวควบคุมสมาร์ทกริดและไมโครกริดต้องการข้อมูลจากเซ็นเซอร์ต่างๆ เพื่อตรวจสอบทรัพยากรที่เชื่อมต่อแบบเรียลไทม์ ด้วยการถือกำเนิดของ EV และ EVSE ตัวควบคุมยังใช้เพื่อช่วยจัดการความต้องการพลังงานในการชาร์จ และสามารถใช้การสื่อสารระหว่างรถยนต์กับกริด (V2G) เพื่อประสานการเชื่อมต่อของ EV กับกริดหรือไมโครกริดเพื่อเพิ่มความสามารถในการกักเก็บพลังงาน

นอกเหนือจากการตรวจสอบสถานะของทรัพยากรที่เชื่อมต่อแล้ว ตัวควบคุมสำหรับไมโครกริดที่เชื่อมต่อกับกริดจะต้องตรวจสอบสถานะของกริดสาธารณูปโภคในพื้นที่ด้วย สวิตช์เกียร์เป็นองค์ประกอบสำคัญของสมาร์ทกริดและไมโครกริด และต้องตอบสนองในหน่วยมิลลิวินาทีเพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่มีประสิทธิภาพ ขนาดสวิตช์แตกต่างกันไปตั้งแต่ไม่กี่กิโลวัตต์ (kW) สำหรับไมโครกริดขนาดเล็กไปจนถึงหลายเมกะวัตต์ (MW) สำหรับไมโครกริดขนาดใหญ่และกริดสาธารณูปโภค สวิตช์เกียร์และตัวควบคุมสามารถอยู่ในตู้เดียวกันได้สำหรับไมโครกริดขนาดเล็ก ซึ่งช่วยลดต้นทุนและลดเวลาการติดตั้ง DERM สมาร์ทกริดและไมโครกริดประกอบด้วยการวัดการผลิตพลังงานและการใช้พลังงานอย่างชาญฉลาดซึ่งใช้โดยการวิเคราะห์บนคลาวด์เพื่อเพิ่มผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจของ DER ให้สูงสุด และสนับสนุนความยืดหยุ่นในระดับสูง สถาปัตยกรรมของ DERM อาจแตกต่างกันไปตามไมโครกริดประเภทต่างๆ

ประเภทต่างๆ ของไมโครกริด

ไมโครกริดสามารถจำแนกตามการใช้งานและสถาปัตยกรรมได้ สถาปัตยกรรมไมโครกริดทั้งสามเป็นแบบระยะไกล เชื่อมโยงเครือข่าย และเชื่อมต่อกับกริด ไมโครกริดระยะไกลอยู่ในสถานที่ต่างๆ เช่น เกาะ หรือการทำเหมืองแร่ และการเกษตรระยะไกล เรียกอีกอย่างว่าไมโครกริดนอกกริด และแยกออกจากกันทางกายภาพจาก BPS สาธารณูปโภคใดๆ พวกมันจะต้องพึ่งพาตนเองได้อย่างสมบูรณ์

ไมโครกริดแบบเครือข่ายหรือแบบซ้อนคือเครือข่ายของ DER หรือไมโครกริดหลายตัวที่เชื่อมต่อกับระบบการจ่ายสาธารณูปโภคทั่วไป โดยปกติแล้วจะถูกควบคุมโดยระบบกำกับดูแลจากส่วนกลางที่สร้างสมดุลระหว่างความต้องการของการดำเนินงานไมโครกริดพร้อมการรองรับกริดสาธารณูปโภคที่กว้างขึ้น ผู้ควบคุมมักจะกำหนดลำดับชั้นของความสำคัญให้กับไมโครกริดและ DER เพื่อให้แน่ใจว่าองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดได้รับการปกป้อง การใช้งานสำหรับไมโครกริดแบบเครือข่าย ได้แก่ ไมโครกริดชุมชน เมืองอัจฉริยะ และไมโครกริดสาธารณูปโภคประเภทใหม่

ไมโครกริดแบบเครือข่ายเป็นประเภทย่อยของไมโครกริดที่เชื่อมต่อกับกริด ไมโครกริดที่เชื่อมต่อกับกริดทั้งหมดเชื่อมต่อทางกายภาพกับกริดการจ่าย และมีอุปกรณ์สวิตชิ่งที่จุดเชื่อมต่อร่วม (PCC) ที่มีการเชื่อมต่อกับกริดการจ่าย ในระหว่างการทำงานปกติ ไมโครกริดที่เชื่อมต่อกับกริดจะเชื่อมต่อกับกริดการจ่าย สามารถให้การบริการกริดได้ เช่น การควบคุมความถี่และแรงดันไฟฟ้า การสนับสนุนพลังงานจริงและพลังงานรีแอกทีฟ และการตอบสนองความต้องการเพื่อลดการเลียนแบบกำลังการผลิต

ไมโครกริดไม่ได้เชื่อมต่อกับกริดการจ่ายสาธารณูปโภคในการทำงานแบบแยกตัวอิสระ การจ่ายไฟแบบแยกตัวอิสระอาจเกิดขึ้นได้เนื่องจากการหยุดชะงักในตารางการจำหน่ายหรือเพื่อความต้องการอื่นๆ เช่น การบำรุงรักษา เมื่อเปลี่ยนจากการทำงานแบบแยกตัวอิสระไปสู่การทำงานที่เชื่อมต่อกับกริด ไมโครกริดเหล่านี้จำเป็นต้องรับรู้ความถี่ของการการทำงานในการจ่ายและซิงโครไนซ์ก่อนที่จะเชื่อมต่อใหม่

มีการใช้งานไมโครกริดอย่างมากมาย โดยรวมถึง โรงผลิตแยกย่อย โรงพยาบาลและศูนย์การแพทย์ การติดตั้งเชิงพาณิชย์ ชุมชน และโรงงานอุตสาหกรรม หมวดหมู่การใช้งานใหม่ล่าสุดคือไมโครกริดสาธารณูปโภค (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ไมโครกริดมักถูกจัดประเภทตามการใช้งาน (ที่มาของภาพ: Siemens)

เส้นแบ่งแยกกำลังจางหายไป

ไมโครกริดสาธารณูปโภคที่ทำให้เส้นแบ่งแยกระหว่างสมาร์ทกริดและไมโครกริดจางหายไปกำลังถูกปรับใช้ ในกระบวนการนี้ คำจำกัดความของ DER จะเปลี่ยนจากแหล่งพลังงานแบบกระจายไปเป็นแหล่งพลังงานเฉพาะ ไมโครกริดสาธารณูปโภคได้รับการออกแบบมาเพื่อลดไฟฟ้าดับเนื่องจากเหตุการณ์สภาพอากาศสุดขั้ว ไฟป่า และความท้าทายที่คาดไม่ถึงอื่นๆ ด้วยสถาปัตยกรรมกริดที่มีอยู่แล้ว พื้นที่ส่วนใหญ่ของกริดจะถูกตัดพลังงานเพื่อความปลอดภัยในระหว่างเหตุการณ์ที่รุนแรง

ผลกระทบที่สำคัญและถือเป็นความโชคร้ายจากการเกิดไฟฟ้าดับที่ไม่ได้กำหนดไว้และเป็นวงกว้างเหล่านั้น คือการกีดกันการใช้รถยนต์ไฟฟ้า ไมโครกริดสาธารณูปโภคถือเป็นกุญแจสำคัญในการนำ EV มาใช้อย่างแพร่หลาย มีการเสนอและติดตั้งไมโครกริดสาธารณูปโภคทั่วสหรัฐอเมริกา ตัวอย่างเช่น Southern California Edison (SCE) ได้เสนอการพัฒนาไมโครกริดการปิดระบบไฟฟ้าเพื่อความปลอดภัยสาธารณะ เพื่อช่วยรักษาความพร้อมใช้ไฟฟ้าให้แพร่หลายมากที่สุดในช่วงที่เกิดไฟป่า สาธารณูปโภคอื่นๆ อ้างถึงสถาปัตยกรรมกริดแบบใหม่ว่าเป็นไมโครกริดชุมชน (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ไมโครกริดสาธารณูปโภคสามารถรวมสินทรัพย์ที่หลากหลายซึ่งกระจายไปทั่วพื้นที่ทางภูมิศาสตร์ที่ค่อนข้างกว้าง และทำให้เส้นแบ่งแยกระหว่างไมโครกริดแบบเดิมและสมาร์ทกริดจางลง (แหล่งรูปภาพ: Edison International)

ความสามารถในการแยกเป็นอิสระของไมโครกริดสาธารณูปโภคเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงความพร้อมใช้ไฟฟ้าในระดับที่ละเอียดมากกว่าที่เป็นไปได้ในปัจจุบัน เป็นที่คาดหวังว่าจะมีการนำไมโครกริดขนาดต่างๆ ไปใช้งานอย่างหลากหลาย ตั้งแต่ชุมชนที่อยู่อาศัยที่สมบูรณ์ไปจนถึงสถานที่สาธารณะ รวมถึงโรงเรียนและสถานที่เชิงกลยุทธ์อื่นๆ เช่น สถานีดับเพลิง ศูนย์การแพทย์ และศูนย์อพยพ การติดตั้ง EVSE เป็นส่วนสำคัญของการออกแบบไมโครกริดชุมชนส่วนใหญ่เหล่านี้ ตามที่คาดการณ์ไว้ EVSE จะสนับสนุนการเชื่อมต่อกริดของ EVs เพื่อเป็นแหล่งพลังงานสำรองเพิ่มเติมตลอดจนการชาร์จ EV

สรุป

การพัฒนาไฟฟ้าเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่ากริดไฟฟ้ามีความยั่งยืนมากขึ้นและช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์₂ เทคโนโลยีการพัฒนาไฟฟ้าหลายอย่าง เช่น พลังงาน PV และ EV ที่จะเข้ามาแทนที่ ไม่สามารถคาดเดาได้เหมือนกับทรัพยากรแบบเดิมๆ นั่นหมายความว่าการพัฒนาไฟฟ้าจะต้องได้รับการรองรับด้วยเครือข่ายเซ็นเซอร์ขั้นสูงและระบบควบคุมอัตโนมัติในสมาร์ทกริดและไมโครกริด