4 Tecnologías Clave de Redes Inteligentes para el Nuevo Sistema Eléctrico: Innovaciones en Redes de Distribución
1. I+D de Nuevos Materiales y Equipos & Gestión de Activos
1.1 I+D de Nuevos Materiales y Componentes
Varios nuevos materiales sirven como portadores directos para la conversión de energía, la transmisión de electricidad y el control operativo en los sistemas de distribución y consumo de energía de nueva generación, determinando directamente la eficiencia operativa, la seguridad, la confiabilidad y los costos del sistema. Por ejemplo:
Los nuevos materiales conductores pueden reducir el consumo de energía, abordando problemas como la escasez de energía y la contaminación ambiental.
Los materiales magnéticos eléctricos avanzados aplicados en sensores de redes inteligentes ayudan a mejorar la confiabilidad de la operación del sistema.
Los nuevos materiales aislantes y las estructuras de aislamiento pueden resolver los problemas más frecuentes de sobretensión de pulso transitorio causados por la integración de equipos electrónicos de potencia.
Los dispositivos de radiofrecuencia de microondas de próxima generación y los dispositivos electrónicos de potencia desarrollados basándose en materiales semiconductores de tercera generación (representados por el nitrógeno gálico (GaN) y el carburo de silicio (SiC)) pueden proporcionar apoyo técnico para la conservación de energía y la reducción del consumo en los campos de comunicación y electrónico.
1.2 I+D de Nuevos Equipos Eléctricos e Instalaciones de Consumo de Electricidad
En términos de productos nuevos específicos, las empresas desarrollan nuevos equipos electrónicos de potencia, especialmente interruptores normales suaves. Al controlar los flujos de potencia activa y reactiva en las líneas de alimentación conectadas, estos dispositivos logran funciones como el equilibrio de potencia, la mejora de tensión, la transferencia de carga y la limitación de corriente de falla.
En medio de la ola de la Internet Energética, la integración de nuevas tecnologías para lograr "función + monitoreo + electrificación + digitalización + inteligencia artificial" permite a las empresas pasar de la imitación de bajo nivel a la fabricación de alto nivel, expandirse de productos individuales a soluciones integrales, y transformarse de fábricas de fabricación a instalaciones impulsadas por la innovación. Esto permite que la fabricación e innovación de equipos eléctricos de baja tensión contribuyan a la descarbonización, la digitalización y el desarrollo sostenible.
1.3 Tecnología de Gestión de Activos de Ciclo Completo para Equipos Eléctricos
Los sistemas de distribución y consumo de energía de nueva generación involucran una amplia variedad de nuevos equipos eléctricos y dispositivos de consumo de electricidad, lo que hace extremadamente importante la gestión de ciclo completo y el diseño ecológico de los equipos de distribución. Es esencial garantizar la operación segura de todo el equipo mientras se logra la eficiencia económica.
La operación y mantenimiento de ciclo completo cubre la fase de demanda de adquisición, la fase de aceptación de equipos, la fase de producción y operación, y la fase de desmantelamiento. En la gestión de activos, se debe implementar un diseño integrado para garantizar el intercambio de datos y la gestión optimizada. Se deben integrar tecnologías como "Internet +" para expandir el alcance de la gestión y mejorar la eficiencia de la gestión.
2. Tecnología de Generación Distribuida y Microredes
2.1Tecnología de Generación Distribuida de Nueva Energía
2.1.1 Tecnología de Desarrollo Eficiente y Económico de Nueva Energía y Energía Renovable
Con los avances en las tecnologías de desarrollo de nueva energía, algunas fuentes de energía renovable (por ejemplo, la energía eólica y solar) han alcanzado un alto nivel de aplicación y ahora ocupan una posición dominante en los sistemas de distribución de energía. Sin embargo, sigue siendo crucial desarrollar nuevos materiales y tecnologías de paneles fotovoltaicos integrados con costos más bajos y mayor eficiencia.
Al mismo tiempo, se necesita promover aún más el desarrollo de otras fuentes de energía, como la energía hidrógeno, la energía geotérmica y la energía biomasa. Ejemplos incluyen tecnologías de producción, almacenamiento y transporte de hidrógeno, tecnologías de utilización geotérmica en múltiples etapas y tecnologías de biocombustibles.
Además, el desarrollo coordinado de la nueva energía centralizada y distribuida puede reducir las pérdidas de transmisión, mejorar la eficiencia de utilización de la nueva energía y aumentar la capacidad de la red para absorber la nueva energía, entregando así mejores beneficios sociales y económicos.
2.2 Tecnología de Planificación para Energía Distribuida
La clave para abordar la planificación y optimización de la propiedad de la energía distribuida radica en superar las barreras de comunicación de información y coordinación de despacho entre diferentes entidades.
Desde una perspectiva técnica, se deben considerar más restricciones técnicas durante la fase de planificación, incluyendo el nivel de tensión, el nivel de corriente de cortocircuito y la calidad de la energía (parpadeo, armónicos).
Desde una perspectiva matemática, los métodos de planificación que implican optimización combinatoria multiobjetivo y multiincertidumbre son altamente complejos. Por lo tanto, la planificación de optimización multiobjetivo que integra recursos y operaciones es crítica.
Además, se debe prestar atención a: realizar análisis y evaluación de redes para sistemas con energía distribuida; investigar la integración y planificación óptima de sistemas de distribución de energía y redes de comunicación; y desarrollar modelos y herramientas de simulación para análisis integral de confiabilidad, riesgo y economía.
2.3 Tecnología de Apoyo Activo para la Generación de Nueva Energía Distribuida
La generación distribuida (GD) no solo necesita ajustar la frecuencia y la tensión dentro de un cierto rango, sino también suprimir los cambios rápidos en la frecuencia y la tensión.
Actualmente, algunos académicos han propuesto un "compensador de inercia-rigidez", que permite a la GD proporcionar soporte instantáneo de frecuencia y tensión cuando el sistema experimenta déficit de potencia. La capacidad de soporte de inercia de frecuencia de la GD se expresa cuantitativamente mediante la compensación de potencia activa proporcionada durante los cambios de paso de potencia, proporcionando una base para formular los estándares de conexión a la red posteriores.
2.4 Tecnología de Predicción de Salida para la Generación de Nueva Energía Distribuida
La generación de nueva energía distribuida presenta una amplia distribución espacial, características meteorológicas microambientales complejas y un impacto significativo de edificios y actividades humanas, lo que dificulta la predicción de la salida.
La investigación actual sobre la salida de la generación de nueva energía distribuida se centra principalmente en el uso de pronósticos meteorológicos y condiciones climáticas para la predicción de la generación de energía, con un énfasis excesivo en el impacto de las condiciones naturales en la salida de la nueva energía. Falta considerar las características de distribución espacial de la GD y factores relacionados con las actividades sociales humanas.
2.5 Tecnología de Control en Clúster para la Generación de Nueva Energía Distribuida
El control distribuido es un método ideal de control en clúster para la GD en sistemas de distribución de energía con alta penetración de nueva energía.
Actualmente, la investigación sobre la tecnología de control en clúster para la generación de nueva energía distribuida aún está en sus primeras etapas. Los logros relevantes se centran principalmente en el control de dispositivos de generación de energía individuales, con poca consideración de estrategias de control coordinado para múltiples dispositivos de generación de nueva energía conectados al sistema a través de inversores conectados a la red.
Permanecen sin resolver cuestiones clave: el mecanismo de distribución desequilibrada de potencia entre múltiples inversores durante los cambios de paso de potencia; el mecanismo de interacción de estrategias de control de múltiples escalas temporales para múltiples inversores; y la insuficiencia del control de pendiente tradicional (basado en curvas de características de frecuencia de potencia activa y tensión de potencia reactiva) cuando la resistencia de las líneas de distribución de energía no es despreciable, lo que impide que la GD participe en la regulación primaria de frecuencia y tensión.
2.6 Tecnología de Almacenamiento de Energía Distribuida
Desde una perspectiva de energía, los problemas estáticos y dinámicos de los sistemas de distribución de energía de nueva generación son esencialmente problemas de desequilibrio de potencia en diferentes escalas de tiempo:
En la escala de tiempo relativamente larga de los períodos de carga pico, el desequilibrio de potencia entre los lados de generación y carga conduce a problemas estáticos como las diferencias de pico-valle.
En la escala de tiempo relativamente corta desde los cambios de paso de potencia hasta la activación de la regulación primaria de frecuencia/tensión, el equipo electrónico de potencia carece de la inercia del rotor de los generadores síncronos y no puede apoyar al sistema contra el desequilibrio de potencia, resultando en una disminución de la estabilidad del sistema y una deterioración de la calidad de la energía.
La tecnología de almacenamiento de energía distribuida proporciona una solución viable para abordar los problemas estáticos y dinámicos causados por el desequilibrio de potencia en diferentes escalas de tiempo.
2.6.1 Tecnología de Aplanamiento de Picos y Regulación de Frecuencia para el Almacenamiento de Energía
El almacenamiento de energía tipo energía, representado por el almacenamiento de bombeo distribuido, baterías de flujo, baterías de iones de litio y tecnologías de almacenamiento de frío/calor, puede eliminar picos de carga, aplanar picos y valles, suavizar fluctuaciones y operar en conjunto con pilas de carga para mitigar los impactos de la potencia de carga, mejorando así la tasa de utilización del equipo de distribución de energía.
La tecnología de aplanamiento de picos y regulación de frecuencia para el almacenamiento de energía impone altos requisitos a los sistemas de almacenamiento de energía en términos de capacidad, velocidad de respuesta, costo, seguridad y densidad de potencia/energía. Un solo tipo de almacenamiento de energía no puede cumplir con estos requisitos, por lo que es necesario investigar tecnologías de almacenamiento híbrido con ventajas comprehensivas.
2.6.2 Tecnología de Mejora de Estabilidad y Calidad de Energía
La tecnología de almacenamiento de energía distribuida proporciona una solución viable para mejorar la estabilidad y la calidad de la energía de los sistemas de distribución de energía de nueva generación.
Algunos académicos han propuesto un método que coordina los sistemas de almacenamiento de energía con estrategias de control de inversores conectados a la red para permitir que la GD proporcione apoyo dinámico de estabilidad al sistema. Con la integración a gran escala de equipos electrónicos de potencia que reduce la inercia del sistema, los inversores conectados a la red combinados con el almacenamiento de energía se convertirán en un medio importante para mejorar la estabilidad dinámica del sistema.
Además, el almacenamiento de energía tipo potencia, representado por supercondensadores, se caracteriza por una rápida capacidad de respuesta y juega un papel clave en la mejora de la calidad de la energía de los sistemas de distribución de energía. Actualmente, los dispositivos de almacenamiento de energía de gran capacidad, seguros y económicos para la tecnología de almacenamiento de energía distribuida aún no se han aplicado de manera madura, no cumpliendo plenamente con las necesidades de aplanamiento de picos de la integración a gran escala de cargas incrementales.
2.6.3 Tecnología de Microredes
Considerar el control coordinado de diversos recursos distribuidos a nivel de microred y equiparar la microred a una fuente de voltaje/corriente externamente puede reducir la complejidad del control de estabilidad de frecuencia y tensión en los sistemas de distribución de energía.
Considerar la ayuda mutua de energía y la optimización de despacho a nivel de clúster de microredes puede aprovechar las características complementarias de la nueva energía y las cargas en diferentes regiones para abordar problemas de despacho económico, como las fluctuaciones de la salida de la GD y las diferencias de pico-valle.
2.6.4 Tecnología de Estabilidad Dinámica de Frecuencia y Tensión para Microredes de Nueva Energía
Como una región relativamente independiente y autónoma, las microredes de nueva energía enfrentan problemas de estabilidad dinámica similares a los de los sistemas de distribución de energía.
Algunos académicos han propuesto una estrategia de control de generador virtual síncrono de fuente de tensión (VSG). El VSG es un método de control común para mejorar las capacidades de soporte dinámico de frecuencia y tensión de la GD. Su idea central es controlar los inversores conectados a la red para simular las características externas (potencia activa-frecuencia y potencia reactiva-tensión) de los generadores síncronos.
La inercia y amortiguación virtuales de los generadores síncronos simulados por la tecnología VSG tradicional generalmente son fijas. Bajo diferentes tipos de perturbaciones de potencia, los parámetros de inercia fijos no pueden cumplir con los requisitos de estabilidad y rapidez de la regulación dinámica de frecuencia de la microred.
Basándose en estas consideraciones, algunos académicos han propuesto tecnología de control de inercia virtual adaptable. Además, otros académicos han propuesto tecnología de control de pendiente generalizada mejorando el control de pendiente tradicional—incorporando el control de frecuencia secundario en el control de pendiente tradicional para simular las características de inercia y amortiguación.
2.6.5 Tecnología de Control Macro para Clústeres de Microredes
Las cuestiones clave en la operación y control de clústeres de microredes incluyen cómo lograr la regulación unificada de múltiples microredes y cómo realizar la ayuda mutua de energía y la operación optimizada.
Algunos académicos han propuesto una estructura de control de cuatro niveles para clústeres de microredes, que incluye la capa de distribución de energía, la capa de clúster de microredes, la capa de microred y la capa de unidad.
Se utilizan dos estrategias principales en la capa de clúster de microredes: control maestro-esclavo y control peer-to-peer.
El control maestro-esclavo requiere una alta comunicación entre microredes y ejerce una presión significativa en la unidad de control maestro para la regulación de tensión y frecuencia.
El control peer-to-peer supera estas deficiencias: cada unidad de microred realiza un control autónomo peer-to-peer basado en curvas de pendiente preestablecidas, sin necesidad de comunicación o control superior.
Algunos académicos han propuesto una estrategia de control para clústeres de microredes híbridas compuestas por microredes AC y DC. Esta estrategia normaliza las características de potencia activa-frecuencia de las microredes AC y las características de potencia activa-tensión de las microredes DC para obtener una escala de control unificada, permitiendo el control peer-to-peer de clústeres de microredes híbridas.
Para abordar los desafíos de la optimización de despacho en tiempo real para clústeres de microredes, algunos académicos han propuesto un método de modelado para la optimización coordinada de clústeres de microredes basado en un proceso de decisión de Markov parcialmente observable (POMDP) bajo una estructura descentralizada. Este método permite el modelado de optimización basado en información parcialmente observada incluso en condiciones de comunicación débil y utiliza multiplicadores de Lagrange para decoplar la función objetivo, reduciendo la complejidad de la solución. Esta investigación proporciona orientación importante para la realización de la optimización de despacho en tiempo real de clústeres de microredes con variables complejas y control peer-to-peer.
3. Tecnología de Interacción Fuente-Carga
Tecnología de Utilización Flexible de Cargas y Gestión de Cargas
La utilización flexible de cargas es un eslabón clave en el futuro desarrollo del uso inteligente de la energía y la conservación de energía, contribuyendo al desarrollo de una sociedad ahorradora de energía.
La investigación sobre la tecnología de regulación de cargas flexibles incluye:
Clasificar y modelar las cargas flexibles según sus características para aprovechar al máximo el potencial de elasticidad de la carga.
Mejorar activamente los mecanismos de carga flexible y avanzar en la construcción de proyectos demostrativos.
Utilizar tecnologías inteligentes para realizar un análisis diferenciado del comportamiento del usuario y mejorar la precisión de la regulación.
Una gestión efectiva de la carga puede aliviar el desequilibrio de oferta y demanda en los sistemas de nueva energía causado por la inestabilidad de la nueva energía y las incertidumbres en el lado de la carga. Actualmente, la tecnología de gestión de carga de energía ya tiene funciones como la gestión de tarifas, la gestión de pérdidas de energía, el análisis de robo de electricidad y la compartición de datos.
Con el desarrollo de tecnologías impulsadas por datos, plantas de energía virtual y comunicaciones 5G, los sistemas de gestión de carga de energía se verán significativamente mejorados en términos de predicción de datos de carga, tecnología de control de coordinación de carga y eficacia de la gestión. Esto apoyará fuertemente la operación coordinada de diversos componentes (por ejemplo, generación distribuida, vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía) y mejorará la utilización racional de los recursos.
3.1 Métodos de Cálculo de Flujo de Potencia Considerando Incertidumbres Fuente-Carga
El cálculo de flujo de potencia es una base importante para la planificación y operación de despacho de los sistemas de distribución de energía.
Actualmente, algunos académicos han propuesto métodos de cálculo de flujo de potencia que consideran las incertidumbres de la salida de energía fotovoltaica y eólica. Además, otros académicos han propuesto métodos de cálculo de flujo de potencia que consideran las incertidumbres de la carga y las respuestas de la carga a las demandas de aplanamiento de picos.
En general, la investigación existente ha considerado extensivamente las incertidumbres en varios eslabones de la interacción fuente-carga y ha propuesto métodos de cálculo de flujo de potencia para incertidumbres individuales. Sin embargo, falta un análisis integrado de múltiples incertidumbres y sus efectos de acoplamiento, lo que limita la precisión del cálculo de flujo de potencia en los sistemas de distribución de energía de nueva generación complejos.
3.2 Tecnología de Despacho Óptimo Multiobjetivo para Sistemas de Distribución de Energía Bajo el Modo de Interacción Fuente-Carga
Bajo el modo de interacción fuente-carga, las decisiones de despacho afectan en gran medida la seguridad y confiabilidad de la operación del sistema.
Actualmente, algunos académicos han propuesto soluciones de optimización de flujo de potencia multiobjetivo utilizando optimización de cono de segundo orden y algoritmos de optimización de enjambre de partículas. Estas soluciones utilizan conjuntos de soluciones óptimas de Pareto para realizar evaluaciones multidimensionales de las soluciones óptimas potenciales, brindando a los despachadores opciones de toma de decisiones más flexibles y facilitando la realización de un despacho seguro, estable y económico bajo el modo de interacción fuente-carga.
3.3 Tecnología de Operación Económica en el Entorno de Mercado de Energía
Orientar a múltiples entidades para participar en transacciones de mercado de energía a través de diversos métodos de incentivo es un medio importante para promover la interacción fuente-carga. Las formas técnicas específicas incluyen respuesta a la demanda (DR) y plantas de energía virtual (VPPs).
Actualmente, la investigación relevante se centra en utilizar mecanismos de incentivo de precios para estimular el entusiasmo de los usuarios por la participación. Para aprovechar y movilizar plenamente los recursos ajustables en el sistema, algunos académicos han realizado investigaciones sobre: conciencia situacional global de fuente-red-carga; evaluación cuantitativa en tiempo real de las capacidades de respuesta; implementación de estrategias de respuesta desde grupo a individual; tecnología de control coordinado de fuente-red-carga; y características de múltiples escalas temporales de las cargas. Esta investigación proporciona ideas para el desarrollo de tecnología de balance dinámico de potencia del sistema basada en la respuesta a la demanda.
La investigación sobre la interacción fuente-carga se centra principalmente en dos aspectos: tecnología de análisis y optimización de flujo de potencia, y mecanismos de orientación de mercado.
En cuanto a la tecnología de análisis y optimización de flujo de potencia, las tecnologías existentes ignoran las características de acoplamiento espacio-temporal y de correlación térmica causadas por la agregación de fuente-carga en los sistemas de distribución de energía, lo que dificulta mejorar la precisión del control de flujo de potencia de los sistemas de distribución de energía de nueva generación y lograr el aplanamiento de las diferencias de pico-valle en escalas de tiempo cortas.
En cuanto a los mecanismos de orientación de mercado, considerando el retraso inevitable de la respuesta de la carga, la respuesta a la demanda no puede resolver perfectamente el problema de las diferencias de pico-valle de los sistemas de distribución de energía. Es necesario integrar la tecnología de control de carga flexible profunda para permitir que las curvas de consumo de energía de la carga sigan en tiempo real las curvas de generación de nueva energía, logrando así un equilibrio fuente-carga en tiempo real, resolviendo fundamentalmente el problema de las diferencias de pico-valle y mejorando la tasa de utilización del equipo de distribución de energía.
