4 klíčové technologie chytré sítě pro nový energetický systém: Inovace v distribučních sítích

1. Výzkum a vývoj nových materiálů a zařízení & Správa aktiv

1.1 Výzkum a vývoj nových materiálů a komponentů

Různé nové materiály slouží jako přímé nosiče pro převod energie, přenos elektrické energie a operační řízení v nových systémech distribuce a spotřeby elektrické energie, což přímo určuje provozní efektivitu, bezpečnost, spolehlivost a náklady systému. Například:

• Nové vodiče mohou snížit energetickou spotřebu a řešit problémy, jako je nedostatek energie a znečištění životního prostředí.

• Pokročilé elektromagnetické materiály používané ve senzorech inteligentní sítě pomáhají zlepšit spolehlivost provozu systému.

• Nové izolační materiály a izolační struktury mohou vyřešit častější problémy s přechodovými pulsními přetíženími způsobené integrací elektronického zařízení do sítě.

• Příští generace mikrovlnných rádiových frekvenčních zařízení a elektronických zařízení vyvinutých na bázi třetí generace polovodičových materiálů (reprezentovaných dusičnanem hořčíku (GaN) a uhličitanem křemíku (SiC)) mohou poskytnout technickou podporu pro úsporu energie a snížení spotřeby v oblastech komunikace a elektroniky.

1.2 Výzkum a vývoj nového elektrického zařízení a spotřebních zařízení

V oblasti konkrétních nových produktů firmy vyvíjejí nové elektronické zařízení, zejména měkké normálně otevřené vypínače. Tato zařízení dosahují funkcí, jako je vyrovnávání výkonu, zlepšení napětí, přesun zatížení a omezování chybového proudu, kontrolováním aktivních a reaktivních toků na připojených vedlejších vedeních.

V rámci vlny Energetického internetu lze integrací nových technologií realizovat „funkce + monitorování + elektronizace + digitalizace + umělá inteligence“, což umožňuje firmám postoupit od nízkokvalitní imitace k vysokokvalitní výrobě, rozšířit se od jednotlivých produktů k komplexním řešením a transformovat se z továren na inovační zařízení. To umožňuje výrobě a inovaci nízkonapěťového elektrického zařízení přispět ke snížení uhlíku, digitalizaci a udržitelnému rozvoji.

1.3 Technologie celoživotní správy aktiv elektrického zařízení

Nové systémy distribuce a spotřeby elektrické energie zahrnují širokou škálu nového elektrického zařízení a spotřebních zařízení, což dělá celoživotní správu a ekologický design distribučního zařízení extrémně důležitým. Je nezbytné zajistit bezpečné fungování všech zařízení a zároveň dosáhnout ekonomické efektivity.

Celoživotní provoz a údržba zahrnuje fázi požadavků na nákup, fázi přijetí zařízení, fázi výroby a provozu a fázi vyřazení. V správě aktiv by měl být implementován integrovaný design, aby bylo zajištěno sdílení dat a optimalizovaná správa. Technologie, jako je "Internet +", by měly být integrovány, aby byl rozšířen rozsah správy a zlepšena efektivita správy.

2. Rozprostřená výroba a technologie mikrosítí

2.1 Technologie rozprostřené nové výroby energie

2.1.1 Efektivní a ekonomická technologie rozvoje nové a obnovitelné energie

S pokrokem technologií vývoje nové energie, některé obnovitelné zdroje energie (např. větrná a solární energie) dosáhly vysoké úrovně aplikace a nyní mají dominantní postavení v systémech distribuce elektrické energie. Nicméně, stále je důležité vyvíjet nové materiály a integrované technologie fotovoltaických panelů s nižšími náklady a vyšší efektivitou.

Zároveň potřebují být dále podporovány vývojem jiných zdrojů energie, jako je vodíková energie, geotermální energie a biomasa. Příkladem jsou technologie pro výrobu, skladování a transport vodíku, vícestupňové využití geotermální energie a technologie biopaliv.

Kromě toho může koordinovaný vývoj centralizované a rozprostřené nové energie snížit ztráty při přenosu, zlepšit využití nové energie a zvýšit schopnost sítě absorbovat novou energii, což přinese lepší sociální a ekonomické výhody.

2.2 Technologie plánování rozprostřené energie

Klíčem k řešení plánování a optimalizace vlastnictví rozprostřené energie je prolomení bariéry informační komunikace a koordinace dispečinků mezi různými subjekty.

Z hlediska technologie musí být v fázi plánování zohledněno více technických omezení, včetně úrovně napětí, úrovně krátkozávodného proudu a kvality energie (blikání, harmonické složky).

Z matematického hlediska jsou metody plánování zahrnující vícekriteriální a více neurčitosti kombinatorické optimalizace velmi složité. Proto je klíčová vícekriteriální optimalizační plánování, které integruje zdroje a operace.

Dále je třeba věnovat pozornost: provedení síťové analýzy a hodnocení systémů s rozprostřenou energií; výzkumu integrace a optimálního plánování distribučních systémů a komunikačních sítí; a vývoji modelů a simulačních nástrojů pro komplexní analýzu spolehlivosti, rizik a ekonomiky.

2.3 Aktivní podpora technologie rozprostřené nové výroby energie

Rozprostřená výroba (DG) musí nejen upravovat frekvenci a napětí v určitém rozsahu, ale také potlačovat rychlé změny frekvence a napětí.

V současnosti někteří vědci navrhli "inertní-střídmý kompenzátor", který umožňuje DG poskytovat okamžitou podporu frekvence a napětí, když systém trpí nedostatkem energie. Schopnost DG poskytovat inertní podporu frekvence je kvantitativně vyjádřena pomocí aktuálního výkonového kompenzace poskytnutého během změn výkonu, což poskytuje základ pro stanovení následných standardů připojení k síti.

2.4 Technologie predikce výstupu rozprostřené nové výroby energie

Rozprostřená nová výroba energie má široké prostorové rozdělení, komplexní mikroklimatické charakteristiky okolí a významné dopady budov a lidské činnosti, což komplikuje predikci výstupu.

Současný výzkum rozprostřené nové výroby energie se hlavně zaměřuje na využití počasí a klimatických podmínek k predikci výroby energie, s nadměrným důrazem na vliv přírodních podmínek na výstup nové energie. Chybí zde zohlednění prostorových charakteristik DG a faktory spojené s lidskou sociální činností.

2.5 Technologie shlukového řízení rozprostřené nové výroby energie

Rozprostřené řízení je ideální metodou shlukového řízení DG v distribučních systémech s vysokou penetrací nové energie.

V současné době je výzkum technologií shlukového řízení rozprostřené nové výroby energie stále v počáteční fázi. Relevantní výsledky se hlavně zaměřují na řízení jednotlivých výrobních zařízení, s malým zohledněním koordinovaných strategií řízení pro několik nových výrobních zařízení připojených k systému přes síťové invertory.

Zůstávají nevyřešené klíčové otázky: mechanismus nerovnoměrného rozdělení výkonu mezi několika invertory během změn výkonu; interakční mechanismus vícečasových strategií řízení pro několik invertorů; a nedostatek tradičního řízení sklonem (založeného na křivkách charakteristik aktuálního výkonu-frekvence a reaktivního výkonu-napětí), kdy odpor distribučních vedení není zanedbatelný, což brání DG participovat v primární regulaci frekvence a napětí.

2.6 Technologie distribuovaného úložiště energie

Z hlediska výkonu jsou statické a dynamické problémy nových systémů distribuce elektrické energie v podstatě problémy nerovnováhy výkonu na různých časových škálách:

• Na relativně dlouhé časové škále v době vrcholového zatížení vede nerovnováha výkonu mezi stranou výroby a stranou zatížení k statickým problémům, jako je rozdíl mezi vrcholy a údolími.

• Na relativně krátké časové škále od změn výkonu do aktivace primární regulace frekvence/napětí elektronické výbava nemá rotorovou inertii synchronních generátorů a nemůže podporovat systém proti nerovnováze výkonu, což vede ke snížení stability systému a zhoršení kvality energie.

Technologie distribuovaného úložiště energie poskytuje možné řešení pro řešení statických a dynamických problémů způsobených nerovnováhou výkonu na různých časových škálách.

2.6.1 Technologie špičkového řezu a regulace frekvence pro úložiště energie

Energetické úložiště energie, reprezentované distribuovaným pumpovým úložištěm, proudovými bateriemi, lithiovými iontovými bateriemi a technologiemi tepelného a chladicího úložiště, může eliminovat vrcholy zatížení, vyrovnat špičky a údolí, vyhladit fluktuace a pracovat spolu s nabíjecími stanicemi, aby zmírnilo dopad výkonu nabíjení, což zlepšuje využití distribučního zařízení.

Technologie špičkového řezu a regulace frekvence pro úložiště energie klade vysoké požadavky na systémy úložiště energie v termínech kapacity, rychlosti odezvy, nákladů, bezpečnosti a hustoty výkonu/energie. Jednotlivý typ úložiště energie nemůže splnit tyto požadavky, proto je nutné výzkum hybridních technologií úložiště energie s komplexními výhodami.

2.6.2 Technologie zlepšení stability a kvality energie

Technologie distribuovaného úložiště energie poskytuje možné řešení pro zlepšení stability a kvality energie nových systémů distribuce elektrické energie.

Někteří vědci navrhli metodu, která koordinuje systémy úložiště energie s kontrolními strategiemi síťových inverterů, aby DG mohlo poskytnout dynamickou stabilizační podporu systému. S rozsáhlou integrací elektronické výbavy do systému, která snižuje inertii systému, budou síťové invertory spojené s úložištěm energie důležitým způsobem, jak zlepšit dynamickou stabilitu systému.

Kromě toho, energetické úložiště, reprezentované ultrakondenzátory, má rychlé odpovědi a hraje klíčovou roli v zlepšení kvality energie v distribučních systémech. V současné době nejsou velké kapacity, bezpečné a ekonomické zařízení pro distribuované technologie úložiště energie plně využívány, což nedokáže plně splnit potřeby špičkového řezu při rozsáhlé integraci inkrementálních zatížení.

2.6.3 Technologie mikrosítí

Zohlednění koordinovaného řízení různých distribuovaných zdrojů na úrovni mikrosítí a považování mikrosítí za externí zdroj napětí/proudů může snížit komplexitu řízení stability frekvence a napětí v distribučních systémech.

Zohlednění vzájemné pomoci a optimalizace dispečinku na úrovni clusteru mikrosítí může využít doplňkové charakteristiky nové energie a zatížení v různých oblastech k řešení ekonomických problémů, jako jsou fluktuace výstupu DG a rozdíly mezi vrcholy a údolími.

2.6.4 Technologie dynamické stability frekvence a napětí pro mikrosítě nové energie

Jako relativně nezávislá a autonomní oblast, mikrosítě nové energie čelí dynamickým problémům stability podobným těm, které čelí distribučním systémům.

Někteří vědci navrhli kontrolní strategii virtuálního synchronního generátoru (VSG). VSG je běžná kontrolní metoda pro zlepšení dynamické podpory frekvence a napětí DG. Jeho hlavní myšlenkou je kontrola síťových inverterů, aby simulovaly externí charakteristiky (aktuální výkon-frekvence a reaktivní výkon-napětí) synchronních generátorů.

Virtuální inertia a tlumení synchronních generátorů simulovaných tradiční VSG technologií jsou obecně pevné. Pod různé typy výkonových poruch, pevné parametry inertia nelze splnit požadavky na stabilitu a rychlost dynamické regulace frekvence mikrosítí.

Na základě těchto zvážení někteří vědci navrhli adaptivní technologii virtuální inercie. Kromě toho jiní vědci navrhli generalizovanou technologii řízení sklonem, která vylepšuje tradiční řízení sklonem – zahrnuje sekundární regulaci frekvence do tradičního řízení sklonem, aby simulovala charakteristiky inertia a tlumení.

2.6.5 Makro-řídicí technologie pro clustery mikrosítí

Klíčové problémy v provozu a řízení clusterů mikrosítí zahrnují, jak dosáhnout unifikované regulace několika mikrosítí a jak realizovat vzájemnou pomoc a optimalizovaný provoz.

Někteří vědci navrhli čtyřúrovňovou kontrolní strukturu pro clustery mikrosítí, včetně distribuční vrstvy, vrstvy clusteru mikrosítí, vrstvy mikrosítí a vrstvy jednotek.

Vrstva clusteru mikrosítí používá dvě hlavní strategie: hlavní-slave řízení a peer-to-peer řízení.

• Hlavní-slave řízení vyžaduje vysokou komunikaci mezi mikrosítěmi a klade významný nátlak na hlavní kontrolní jednotku pro regulaci napětí a frekvence.

• Peer-to-peer řízení překonává tyto nedostatky: každá jednotka mikrosítě provádí autonomní peer-to-peer řízení na základě předem nastavených křivek sklonu, bez potřeby komunikace nebo horní úrovně řízení.

Někteří vědci navrhli kontrolní strategii pro hybridní clustery mikrosítí složené z AC a DC mikrosítí. Tato strategie normalizuje charakteristiky aktuálního výkonu-frekvence AC mikrosítí a charakteristiky aktuálního výkonu-napětí DC mikrosítí, aby byla získána unifikovaná kontrolní měřítka, umožňující peer-to-peer řízení hybridních clusterů mikrosítí.

Pro řešení výzev real-time optimalizace dispečinku clusterů mikrosítí, někteří vědci navrhli modelovací metodu pro koordinovanou optimalizaci clusterů mikrosítí založenou na částečně pozorovatelném Markovovském rozhodovacím procesu (POMDP) v decentralizované struktuře. Tento způsob umožňuje optimalizační modelování na základě částečně pozorovaných informací i za slabých komunikačních podmínek a používá Lagrangeovy multiplikátory k dekouplingu cílové funkce, což snižuje složitost řešení. Tento výzkum poskytuje důležité směrnice pro realizaci real-time optimalizace dispečinku clusterů mikrosítí s komplexními proměnnými a peer-to-peer řízením.

3. Technologie interakce zdroje a zatížení

Flexibilní využití zatížení a technologie řízení zatížení

Flexibilní využití zatížení je klíčovým prvkem budoucího rozvoje inteligentního využití energie a úspory energie, což přispívá k vytvoření společnosti šetrné k energii.

Výzkum technologií flexibilního řízení zatížení zahrnuje:

• Klasifikaci a modelování flexibilních zatížení na základě jejich charakteristik, aby byl plně využit potenciál elastickosti zatížení.

• Aktivní vylepšování mechanismů flexibilních zatížení a podporu výstavby demonstračních projektů.

• Využití inteligentních technologií k diferencované analýze chování uživatelů a zlepšení přesnosti řízení.

Efektivní řízení zatížení může zmírnit nerovnováhu nabídky a poptávky v systémech nové energie způsobenou nestabilitou nové energie a nejistotami na straně zatížení. V současné době již technologie řízení výkonu zatížení disponuje funkcemi, jako je správa poplatků za elektřinu, správa ztrát výkonu, analýza