4 ključne tehnologije pametne mreže za novi sustav snabdijevanja strujom Inovacije u distribucijskim mrežama

1. Istraživanje i razvoj novih materijala i opreme & upravljanje imovinom

1.1 Istraživanje i razvoj novih materijala i komponenti

Različiti novi materijali služe kao direktni nosači za pretvorbu energije, prenos struje i operativnu kontrolu u novim sistemima distribucije i potrošnje električne energije, direktno određujući operativnu učinkovitost, sigurnost, pouzdanost i troškove sistema. Na primjer:

• Novi vodljivi materijali mogu smanjiti potrošnju energije, rješavajući probleme poput nedostatka energije i zagađenja okoliša.

• Napredni elektromagnetni materijali primjenjeni u senzorima pametnih mreža pomažu u poboljšanju pouzdanosti operacije sustava.

• Novi izolacijski materijali i izolacijske strukture mogu riješiti problem češćih privremene impulsnog prenapona uzrokovanog integracijom elektroničke opreme.

• Sljedeće generacije mikrovalnih radiofrekvencijskih uređaja i elektroničkih uređaja razvijeni na osnovi materijala treće generacije (predstavljena galijskim azotom (GaN) i ugljenikom silicijem (SiC)) mogu pružiti tehničku podršku za štednju energije i smanjenje potrošnje u području komunikacija i elektronike.

1.2 Istraživanje i razvoj nove električne opreme i objekata potrošnje struje

U pogledu specifičnih novih proizvoda, poduzeća razvijaju novu elektroničku opremu - posebno mekanu normalno otvorenu napravu za prekid. Kontrolirajući aktivne i reaktivne strujne toke na povezanim povratnim linijama, ovi uređaji ostvaruju funkcije poput ravnoteže snage, poboljšanja napona, prenosa opterećenja i ograničenja struja greške.

Tijekom vala Energetske interneta, integriranjem novih tehnologija kako bi se ostvarila "funkcija + nadzor + elektronizacija + digitalizacija + umjetna inteligencija", poduzeća mogu napredovati od niskokvalitetne imitacije do visokokvalitetne proizvodnje, proširiti se s pojedinačnih proizvoda do kompleksnih rješenja i transformirati se iz proizvodnih tvornica u inovativne instalacije. To omogućuje proizvodnji i inovaciji niskonaponske električne opreme doprinijeti niskougljičnosti, digitalizaciji i održivom razvoju.

1.3 Tehnologija upravljanja imovinom tijekom cijelog životnog ciklusa električne opreme

Novi sistemi distribucije i potrošnje električne energije uključuju veliku varijetu nove električne opreme i uređaja za potrošnju struje, što čini upravljanje tijekom cijelog životnog ciklusa i ekološki dizajn opreme za distribuciju struje izuzetno važnim. Važno je osigurati sigurnu operaciju sve opreme dok se postiže ekonomičnost.

Operacija i održavanje tijekom cijelog životnog ciklusa obuhvaća fazu potrebe za nabavkom, fazu prihvata opreme, fazu proizvodnje i operacije, te fazu dekomisije. U upravljanju imovinom treba implementirati integrirani dizajn kako bi se osiguralo dijeljenje podataka i optimizirano upravljanje. Trebalo bi integrirati tehnologije poput "Internet +" kako bi se proširio raspon upravljanja i poboljšala učinkovitost upravljanja.

2. Distribuirana proizvodnja i mikromrežna tehnologija

2.1 Tehnologija distribuirane nove energetskog proizvodnje

2.1.1 Efikasna i ekonomična tehnologija razvoja nove i obnovljive energije

S napretkom tehnologija razvoja nove energije, neki obnovljivi izvori energije (npr. vjetar i sunce) dosegli su visoku razinu primjene i sada zauzimaju dominantnu poziciju u sistemima distribucije struje. Međutim, i dalje je važno razvijati nove materijale i integrisane fotovoltaične panelne tehnologije s nižim troškovima i većom učinkovitosti.

Isto tako, razvoj drugih izvora energije, poput vodikove energije, geotermalne energije i bioenergije, treba dalje potaknuti. Primjeri uključuju tehnologije proizvodnje, skladistišta i transporta vodika, više-etapne tehnologije iskorištavanja geotermalne energije i tehnologije biogoriva.

Dodatno, koordinirani razvoj centralizirane i distribuirane nove energije može smanjiti gubitke prijenosa, poboljšati učinkovitost korištenja nove energije i povećati sposobnost mreže da apsorbira novu energiju, stvarajući bolje društvene i ekonomske koristi.

2.2 Tehnologija planiranja distribuirane energije

Ključ za rješavanje planiranja i optimizacije vlasništva nad distribuiranom energijom leži u rušenju barijera u informacijskoj komunikaciji i koordinaciji raspoređivanja među različitim entitetima.

S tehničkog stajališta, tijekom faze planiranja mora se uzeti u obzir više tehničkih ograničenja, uključujući nivo napona, nivo strujnog prekida i kvaliteta struje (treperenje, harmonici).

S matematičkog stajališta, metode planiranja koje uključuju multiobjektivnu i multineodređenu kombinatornu optimizaciju vrlo su složene. Stoga je ključna multiobjektivna optimizacijska planiranja koja integriše resurse i operacije.

Dodatno, treba obratiti pažnju na: analizu i procjenu mreže za sustave s distribuiranom energijom; istraživanje integracije i optimalnog planiranja sustava distribucije struje i komunikacijskih mreža; i razvoj modela i alata za simulaciju za cjelovitu analizu pouzdanosti, rizika i ekonomije.

2.3 Aktivna podrška tehnologija za distribuiranu novu energetsku proizvodnju

Distribuirana proizvodnja (DG) mora ne samo prilagoditi frekvenciju i napon unutar određenog raspona, već i supresirati brze promjene u frekvenciji i naponskom nivou.

Trenutno, neki znanstvenici predlagaju "inercijski-stalni kompenzator", koji omogućuje DG-u da pruži trenutnu podršku frekvenciji i naponskom nivou kada sustav doživi nedostatak snage. Inercijska sposobnost podrške frekvenciji DG kvantitativno se izražava pomoću akcivne strujne kompenzacije pružene tijekom promjene strujnog koraka, pružajući temelj za formuliranje budućih standarda za spoj na mrežu.

2.4 Tehnologija predviđanja proizvodnje distribuirane nove energije

Distribuirana nova energetskog proizvodnja karakterizira se širokom prostornom distribucijom, složenim okolnim mikroklimatskim karakteristikama i značajnim utjecajima građevina i ljudskih aktivnosti, što čini predviđanje proizvodnje izazovnim.

Trenutna istraživanja o distribuiranoj proizvodnji nove energije uglavnom se fokusiraju na korištenje prognoza vremena i klimatskih uvjeta za predviđanje proizvodnje, s previše naglaska na utjecaj prirodnih uvjeta na proizvodnju nove energije. Nedostaje razmatranje prostorne distribucijske karakteristike DG-a i faktora vezanih za ljudske društvene aktivnosti.

2.5 Tehnologija klaster kontrole distribuirane nove energije

Distribuirana kontrola je idealna metoda klaster kontrole DG-a u sistemima distribucije struje s visokim procentom nove energije.

Trenutno, istraživanja o tehnologiji klaster kontrole distribuirane nove energije još su u početku. Relevanta dostignuća uglavnom se fokusiraju na kontrolu pojedinačnih uređaja za proizvodnju struje, s malo razmatranja o koordiniranim strategijama kontrole za više uređaja za proizvodnju nove energije povezanih s sustavom putem invertora za spoj na mrežu.

Ključni problemi još nisu riješeni: mehanizam neravnomjernog rasporeda snage među više invertora tijekom promjene strujnog koraka; interakcijski mehanizam više-vremenskih skalnih strategija kontrole za više invertora; i nedostatak tradicionalne propustne kontrole (temeljene na karakterističnim krivuljama aktivne struje-frekvencije i reaktivne struje-napona) kada otpor linija distribucije struje nije zanemarljiv, što onemogućuje DG-u sudjelovanje u primarnoj regulaciji frekvencije i napona.

2.6 Tehnologija distribuiranog skladištenja energije

Sa strane snage, statički i dinamički problemi novog tipa sustava distribucije struje su u biti problemi neravnoteže snage na različitim vremenskim skalama:

• Na relativno dugoj vremenskoj skali tijekom vrhunskih razdoblja opterećenja, neravnoteža snage između strane proizvodnje i strane opterećenja dovodi do statičkih problema poput razlike između vrha i doline.

• Na relativno kratkoj vremenskoj skali od promjene strujnog koraka do aktivacije primarne regulacije frekvencije/napona, elektronička oprema za upravljanje snage nedostaje rotorne inercije sinkronih generatora i ne može podržati sustav protiv neravnoteže snage, što rezultira smanjenom stabilnošću sustava i pogoršanom kvalitetom struje.

Tehnologija distribuiranog skladištenja energije pruža moguću rješenja za rješavanje statičkih i dinamičkih problema uzrokovanih neravnotežom snage na različitim vremenskim skalama.

2.6.1 Tehnologija smanjenja vrha i regulacije frekvencije za skladištenje energije

Energetski tip skladištenja energije, predstavljen distribuiranim pumpiranjem, tokom baterijama, litijum-ionnim baterijama i tehnologijama hlađenja/zagrijavanja, može eliminirati vrhune opterećenja, smanjiti vrhove i ispuniti doline, izglatiti fluktuacije i raditi u kombinaciji s naplatnim stupcima kako bi ublažili utjecaj opterećenja punjenja, time poboljšavajući iskorištavanje opreme za distribuciju struje.

Tehnologija smanjenja vrha i regulacije frekvencije za skladištenje energije postavlja visoke zahtjeve na sustave za skladištenje energije u pogledu kapaciteta, brzine odgovora, troškova, sigurnosti i gustoće snage/energije. Jedan tip skladištenja energije ne može zadovoljiti ove zahtjeve, stoga je potrebno istraživanje hibridnih tehnologija skladištenja energije s kompleksnim prednostima.

2.6.2 Tehnologija poboljšanja stabilnosti i kvalitete struje

Tehnologija distribuiranog skladištenja energije pruža moguću rješenja za poboljšanje stabilnosti i kvalitete struje novog tipa sustava distribucije struje.

Neki znanstvenici su predložili metodu koja koordinira sustave za skladištenje energije s strategijama kontrole invertora za spoj na mrežu kako bi DG pružio dinamičku podršku stabilnosti sustavu. S velikom integracijom elektroničke opreme za upravljanje snage, smanjivanjem inercije sustava, invertori za spoj na mrežu kombinirani s skladištenjem energije postat će važan sredstvo za poboljšanje dinamičke stabilnosti sustava.

Dodatno, tip skladištenja energije predstavljen superkapacitorima ima brzu sposobnost odgovora i igra ključnu ulogu u poboljšanju kvalitete struje u sustavima distribucije struje. Trenutno, veliki kapacitet, sigurni i ekonomični uređaji za skladištenje energije za tehnologiju distribuiranog skladištenja energije još nisu dozrijele za primjenu, ne mogući u potpunosti zadovoljiti potrebe za smanjenjem vrha kod velike integracije inkrementalnih opterećenja.

2.6.3 Mikromrežna tehnologija

Razmatrajući koordiniranu kontrolu različitih distribuiranih resursa na razini mikromreže i smatrajući mikromrežu izvanjskim izvorom napona/struje, može se smanjiti složenost kontrole stabilnosti frekvencije i napona u sustavima distribucije struje.

Razmatrajući pomoć u snazi i optimizaciju raspoređivanja na razini klastera mikromreža, može se iskoristiti komplementarni karakteristike nove energije i opterećenja u različitim regijama kako bi se riješili ekonomski problemi raspoređivanja poput fluktuacija proizvodnje DG-a i razlike između vrha i doline.

2.6.4 Tehnologija dinamičke stabilnosti frekvencije i napona za mikromreže nove energije

Kao relativno neovisna i autonomna regija, mikromreže nove energije suočavaju se s dinamičkim problemima stabilnosti sličnim onima sustava distribucije struje.

Neki znanstvenici su predložili strategiju kontrole virtualnog sinkronog generatora (VSG). VSG je uobičajena metoda za poboljšanje dinamičke podrške frekvencije i napona DG-a. Njegov ključni ideja je kontrolirati invertore za spoj na mrežu kako bi simulirali vanjske karakteristike (aktivna struja-frekvencija i reaktivna struja-napon) sinkronih generatora.

Virtualna inercija i demping sinkronih generatora simuliranih tradicionalnom VSG tehnologijom obično su fiksirani. Pod različitim tipovima strujnih perturbacija, fiksni parametri inercije ne mogu zadovoljiti zahtjeve za stabilnošću i brzinom dinamičke regulacije frekvencije mikromreže.

Na osnovu gornjih razmatranja, neki znanstvenici su predložili adaptivnu kontrolu virtualne inercije. Također, drugi znanstvenici su predložili generaliziranu droop kontrolu poboljšavanjem tradicionalne droop kontrole - uključujući sekundarnu frekvencijsku kontrolu u tradicionalnu droop kontrolu kako bi se simulirale karakteristike inercije i dempinga.

2.6.5 Makro kontrolna tehnologija za klaster mikromreža

Ključni problemi u operaciji i kontroli klastera mikromreža uključuju kako postići jedinstvenu regulaciju više mikromreža i kako ostvariti pomoć u snazi i optimiziranu operaciju.

Neki znanstvenici su predložili četveroslojni kontrolni sustav za klaster mikromreža, uključujući sloj distribucije struje, sloj klastera mikromreža, sloj mikromreže i sloj jedinice.

Dvije glavne strategije koriste se na sloju klastera mikromreža: master-slave kontrola i peer-to-peer kontrola.

• Master-slave kontrola zahtijeva visoku komunikaciju između mikromreža i stavlja veliki pritisak na glavnu kontrolnu jedinicu za regulaciju napona i frekvencije.

• Peer-to-peer kontrola prevladava ove nedostatke: svaki mikromrežni jedinica provodi samostalnu peer-to-peer kontrolu na osnovu unaprijed postavljenih droop krivulja, bez potrebe za komunikacijom ili nadređenom kontrolom.

Neki znanstvenici su predložili kontrolnu strategiju za hibridne klaster mikromreža sastavljene od AC i DC mikromreža. Ova strategija standardizira karakteristike aktivne struje-frekvencije AC mikromreža i karakteristike aktivne struje-napona DC mikromreža kako bi se dobila jedinstvena kontrolna skala, omogućujući peer-to-peer kontrolu hibridnih klastera mikromreža.

Za rješavanje izazova u stvarnom vremenu optimizacije raspoređivanja klastera mikromreža, neki znanstvenici su predložili metod modeliranja za koordiniranu optimizaciju klastera mikromreža temeljen na djelomično vidljivom Markovljevom procesu odlučivanja (POMDP) u decentraliziranoj strukturi. Ovaj metod omogućuje modeliranje optimizacije na osnovu djelomično vidljivih informacija čak i pod slabim komunikacijskim uvjetima i koristi Lagrangeove multiplikatore za dekupliranje ciljne funkcije, smanjujući složenost rješenja. Ovo istraživanje pruža važnu uputu za ostvarivanje stvarnog vremena optimizacije raspoređivanja klastera mikromreža s kompleksnim varijablama i peer-to-peer kontrolom.

3. Tehnologija interakcije izvora i opterećenja

Tehnologija fleksibilne upotrebe opterećenja i upravljanja opterećenjem

Fleksibilna uporaba opterećenja je ključni element u budućem razvoju pametne upotrebe energije i štednje energije, doprinoseći razvoju društva sa spašavanjem energije.

Istraživanja o tehnologiji regulacije fleksibilnog opterećenja uključuju:

• Klasifikaciju i modeliranje fleksibilnog opterećenja na osnovu njihovih karakteristika kako bi se u potpunosti iskoristio potencijal elastičnosti opterećenja.

• Aktivno poboljšanje mehanizama fleksibilnog opterećenja i napredak u izgradnji demonstracijskih projekata.

• Korištenje pametnih tehnologija za diferencirani analizu ponašanja korisnika i poboljšanje točnosti regulacije.

Efektivno upravljanje opterećenjima može ublažiti nesrazmernost ponude i potražnje u novim energetskim sustavima uzrokovano nestabilnošću nove energije i neizvjesnostima na strani opterećenja. Trenutno, tehnologija upravljanja opterećenjima već ima funkcije poput upravljanja troškovima struje, upravljanja gubitcima, analize krađe struje i dijeljenja podataka.

S razvojem tehnologija pokrenutih podacima, virtualnih elektrana i 5G komunikacije, sustavi za upravljanje opterećenjima bit će značajno poboljšani u pogledu predviđanja podataka o opterećenju, tehnologije koordinirane kontrole opterećenja i učinkovitosti upravljanja. To će jakim tempom podržavati koordiniranu operaciju različitih komponenti (poput distribuirane proizvodnje, električnih vozila i sustava za skladištenje energije) i poboljšati racionalnu uporabu resursa.

3.1 Metode izračuna strujnog toka uzimanju u obzir neizvjesnosti