4 Teknologi Smart Grid Utama untuk Sistem Tenaga Baru: Inovasi dalam Jaringan Distribusi
1. Penelitian dan Pengembangan Bahan dan Peralatan Baru & Manajemen Aset
1.1 Penelitian dan Pengembangan Bahan dan Komponen Baru
Berbagai bahan baru bertindak sebagai pembawa langsung untuk konversi energi, transmisi listrik, dan kontrol operasi dalam sistem distribusi dan konsumsi listrik tipe baru, secara langsung menentukan efisiensi operasional, keamanan, keandalan, dan biaya sistem. Misalnya:
Bahan konduktif baru dapat mengurangi konsumsi energi, mengatasi masalah seperti kekurangan energi dan pencemaran lingkungan.
Bahan magnetik listrik canggih yang diterapkan pada sensor jaringan pintar membantu meningkatkan keandalan operasi sistem.
Bahan isolasi baru dan struktur isolasi dapat mengatasi masalah lebih sering terjadi overvoltage sementara yang disebabkan oleh integrasi peralatan elektronik daya.
Perangkat radio frekuensi mikro gelombang dan perangkat elektronik daya generasi berikutnya yang dikembangkan berdasarkan bahan semikonduktor generasi ketiga (yang diwakili oleh nitrida gallium (GaN) dan karbida silikon (SiC)) dapat memberikan dukungan teknis untuk konservasi energi dan pengurangan konsumsi di bidang komunikasi dan elektronik.
1.2 Penelitian dan Pengembangan Peralatan Listrik Baru dan Fasilitas Konsumsi Listrik
Dalam hal produk-produk baru spesifik, perusahaan mengembangkan peralatan elektronik daya baru—terutama switchgear biasanya terbuka. Dengan mengontrol aliran daya aktif dan reaktif pada umpan yang terhubung, perangkat-perangkat ini mencapai fungsi seperti penyeimbangan daya, peningkatan tegangan, transfer beban, dan batasan arus gangguan.
Di tengah gelombang Internet Energi, mengintegrasikan teknologi baru untuk mewujudkan "fungsi + pemantauan + elektronifikasi + digitalisasi + kecerdasan buatan" memungkinkan perusahaan melampaui imitasi rendah menjadi manufaktur tingkat tinggi, dari produk tunggal ke solusi komprehensif, dan dari pabrik manufaktur ke fasilitas berbasis inovasi. Ini memungkinkan manufaktur dan inovasi peralatan listrik rendah tegangan berkontribusi pada karbonisasi rendah, digitalisasi, dan perkembangan berkelanjutan.
1.3 Teknologi Manajemen Aset Sepanjang Siklus Hidup untuk Peralatan Listrik
Sistem distribusi dan konsumsi listrik tipe baru melibatkan berbagai macam peralatan listrik baru dan perangkat konsumsi listrik, sehingga manajemen sepanjang siklus hidup dan desain ekologis peralatan distribusi sangat penting. Harus dipastikan bahwa semua peralatan beroperasi dengan aman sambil mencapai efisiensi ekonomi.
Operasi dan pemeliharaan sepanjang siklus hidup mencakup fase permintaan pembelian, fase penerimaan peralatan, fase produksi dan operasi, dan fase pensiun. Dalam manajemen aset, desain terintegrasi harus diterapkan untuk memastikan berbagi data dan manajemen yang dioptimalkan. Teknologi seperti "Internet +" harus diintegrasikan untuk memperluas ruang lingkup manajemen dan meningkatkan efisiensi manajemen.
2. Teknologi Pembangkitan Terdistribusi dan Mikrogrid
2.1 Teknologi Pembangkitan Energi Baru Terdistribusi
2.1.1 Teknologi Pengembangan Energi Baru & Energi Terbarukan yang Efisien dan Ekonomis
Dengan kemajuan teknologi pengembangan energi baru, beberapa sumber energi terbarukan (misalnya, angin dan tenaga surya) telah mencapai tingkat aplikasi yang tinggi dan kini menduduki posisi dominan dalam sistem distribusi listrik. Namun, masih penting untuk mengembangkan bahan dan teknologi panel fotovoltaik terintegrasi dengan biaya lebih rendah dan efisiensi lebih tinggi.
Sementara itu, pengembangan sumber energi lainnya—seperti energi hidrogen, panas bumi, dan biomassa—perlu ditingkatkan lebih lanjut. Contohnya termasuk teknologi produksi, penyimpanan, dan transportasi hidrogen, teknologi pemanfaatan panas bumi multi tahap, dan teknologi bahan bakar bio.
Selain itu, pengembangan koordinatif energi baru terpusat dan terdistribusi dapat mengurangi kerugian transmisi, meningkatkan efisiensi penggunaan energi baru, dan meningkatkan kemampuan jaringan untuk menyerap energi baru, sehingga memberikan manfaat sosial dan ekonomi yang lebih baik.
2.2 Teknologi Perencanaan untuk Energi Terdistribusi
Kunci untuk mengatasi perencanaan dan optimasi kepemilikan energi terdistribusi terletak pada pemecahan hambatan komunikasi informasi dan hambatan koordinasi penjadwalan antara entitas yang berbeda.
Dari sudut pandang teknis, lebih banyak batasan teknis harus dipertimbangkan selama fase perencanaan, termasuk level tegangan, level arus pendek, dan kualitas daya (kedip, harmonik).
Dari sudut pandang matematika, metode perencanaan yang melibatkan optimasi kombinatorial multi-tujuan dan multi-kepastian sangat kompleks. Oleh karena itu, perencanaan optimasi multi-tujuan yang mengintegrasikan sumber daya dan operasi sangat penting.
Selain itu, perhatian juga harus diberikan pada: analisis dan evaluasi jaringan untuk sistem dengan energi terdistribusi; penelitian integrasi dan perencanaan optimal sistem distribusi listrik dan jaringan komunikasi; dan pengembangan model dan alat simulasi untuk analisis keandalan, risiko, dan ekonomi secara menyeluruh.
2.3 Teknologi Dukungan Aktif untuk Pembangkitan Energi Baru Terdistribusi
Pembangkitan terdistribusi (DG) tidak hanya perlu menyesuaikan frekuensi dan tegangan dalam rentang tertentu, tetapi juga menekan perubahan cepat frekuensi dan tegangan.
Saat ini, beberapa ahli telah mengusulkan "kompensator inersia-kaku," yang memungkinkan DG memberikan dukungan frekuensi dan tegangan instan saat sistem mengalami defisit daya. Kemampuan dukungan inersia frekuensi DG diekspresikan secara kuantitatif menggunakan kompensasi daya aktif yang disediakan selama perubahan langkah daya, memberikan dasar untuk merumuskan standar grid-connection berikutnya.
2.4 Teknologi Prediksi Output untuk Pembangkitan Energi Baru Terdistribusi
Pembangkitan energi baru terdistribusi memiliki ciri-ciri distribusi spasial yang luas, karakteristik mikrometeorologi sekitarnya yang kompleks, dan dampak signifikan dari bangunan dan aktivitas manusia, membuat prediksi output menjadi tantangan.
Penelitian saat ini tentang output pembangkitan energi baru terdistribusi terutama fokus pada penggunaan prakiraan cuaca dan kondisi iklim untuk prediksi pembangkitan, dengan penekanan berlebihan pada dampak kondisi alam terhadap output energi baru. Hal ini kurang mempertimbangkan karakteristik distribusi spasial DG dan faktor-faktor yang berkaitan dengan aktivitas sosial manusia.
2.5 Teknologi Kontrol Kluster untuk Pembangkitan Energi Baru Terdistribusi
Kontrol terdistribusi adalah metode kontrol kluster ideal untuk DG dalam sistem distribusi listrik dengan penetrasi energi baru yang tinggi.
Saat ini, penelitian tentang teknologi kontrol kluster untuk pembangkitan energi baru terdistribusi masih dalam tahap awal. Prestasi terkait sebagian besar fokus pada kontrol perangkat pembangkitan tunggal, dengan sedikit pertimbangan strategi kontrol koordinatif untuk beberapa perangkat pembangkitan energi baru yang terhubung ke sistem melalui inverter grid-connected.
Masalah kunci yang belum terselesaikan: mekanisme distribusi daya tidak seimbang antara beberapa inverter selama perubahan langkah daya; mekanisme interaksi strategi kontrol multi-time-scale untuk beberapa inverter; dan ketidakcukupan kontrol droop tradisional (berdasarkan kurva karakteristik daya aktif-frekuensi dan daya reaktif-tegangan) ketika resistansi garis distribusi daya tidak dapat diabaikan, yang mencegah DG berpartisipasi dalam regulasi frekuensi dan tegangan primer.
2.6 Teknologi Penyimpanan Energi Terdistribusi
Dari perspektif daya, masalah statis dan dinamis sistem distribusi listrik tipe baru pada dasarnya adalah masalah ketidakseimbangan daya pada skala waktu yang berbeda:
Pada skala waktu yang relatif lama selama periode beban puncak, ketidakseimbangan daya antara sisi pembangkitan dan beban menyebabkan masalah statis seperti perbedaan puncak-lembah.
Pada skala waktu yang relatif singkat dari perubahan langkah daya hingga aktivasi regulasi frekuensi/voltase primer, peralatan elektronik daya kekurangan inersia rotor generator sinkron dan tidak dapat mendukung sistem melawan ketidakseimbangan daya, menghasilkan penurunan stabilitas sistem dan kualitas daya yang memburuk.
Teknologi penyimpanan energi terdistribusi memberikan solusi yang dapat dilakukan untuk mengatasi masalah statis dan dinamis yang disebabkan oleh ketidakseimbangan daya pada skala waktu yang berbeda.
2.6.1 Teknologi Pemotongan Puncak dan Regulasi Frekuensi untuk Penyimpanan Energi
Penyimpanan energi jenis energi—yang diwakili oleh penyimpanan pompa terdistribusi, baterai aliran, baterai lithium-ion, dan teknologi penyimpanan dingin/panas—dapat menghilangkan puncak beban, memotong puncak dan mengisi lembah, meratakan fluktuasi, dan beroperasi bersama dengan stasiun pengisian untuk mengurangi dampak daya pengisian, sehingga meningkatkan efisiensi penggunaan peralatan distribusi listrik.
Teknologi pemotongan puncak dan regulasi frekuensi untuk penyimpanan energi menuntut tinggi terhadap sistem penyimpanan energi dalam hal kapasitas, kecepatan respons, biaya, keamanan, dan densitas daya/energi. Jenis penyimpanan energi tunggal tidak dapat memenuhi tuntutan ini, sehingga penelitian tentang teknologi penyimpanan energi hibrid dengan keunggulan komprehensif diperlukan.
2.6.2 Teknologi Peningkatan Stabilitas dan Kualitas Daya
Teknologi penyimpanan energi terdistribusi memberikan solusi yang dapat dilakukan untuk meningkatkan stabilitas dan kualitas daya sistem distribusi listrik tipe baru.
Beberapa ahli telah mengusulkan metode yang mengkoordinasikan sistem penyimpanan energi dengan strategi kontrol inverter grid-connected untuk memungkinkan DG memberikan dukungan stabilitas dinamis ke sistem. Dengan integrasi skala besar peralatan elektronik daya yang mengurangi inersia sistem, inverter grid-connected yang dikombinasikan dengan penyimpanan energi akan menjadi cara penting untuk meningkatkan stabilitas dinamis sistem.
Selain itu, penyimpanan energi jenis daya—yang diwakili oleh superkapasitor—memiliki kemampuan respons cepat dan memainkan peran kunci dalam meningkatkan kualitas daya sistem distribusi listrik. Saat ini, perangkat penyimpanan energi kapasitas besar, aman, dan ekonomis untuk teknologi penyimpanan energi terdistribusi belum diterapkan secara matang, gagal sepenuhnya memenuhi kebutuhan pemotongan puncak untuk integrasi skala besar beban inkremental.
2.6.3 Teknologi Mikrogrid
Dengan mempertimbangkan kontrol koordinatif berbagai sumber daya terdistribusi pada tingkat mikrogrid dan menyamakan mikrogrid sebagai sumber tegangan/arusan secara eksternal dapat mengurangi kompleksitas kontrol stabilitas frekuensi dan tegangan pada sistem distribusi listrik.
Dengan mempertimbangkan bantuan daya dan optimasi penjadwalan pada tingkat kluster mikrogrid, dapat memanfaatkan karakteristik saling melengkapi energi baru dan beban di berbagai wilayah untuk mengatasi masalah penjadwalan ekonomis seperti fluktuasi output DG dan perbedaan puncak-lembah.
2.6.4 Teknologi Stabilitas Dinamis Frekuensi dan Tegangan untuk Mikrogrid Energi Baru
Sebagai wilayah yang relatif mandiri dan otonom, mikrogrid energi baru menghadapi masalah stabilitas dinamis yang mirip dengan sistem distribusi listrik.
Beberapa ahli telah mengusulkan strategi kontrol generator sinkron virtual (VSG) sumber tegangan. VSG adalah metode kontrol umum untuk meningkatkan kemampuan dukungan frekuensi dan tegangan dinamis DG. Ide intinya adalah mengontrol inverter grid-connected untuk mensimulasikan karakteristik eksternal (daya aktif-frekuensi dan daya reaktif-tegangan) generator sinkron.
Inersia dan redaman generator sinkron yang disimulasikan oleh teknologi VSG tradisional umumnya tetap. Di bawah gangguan daya berbagai jenis, parameter inersia tetap tidak dapat memenuhi persyaratan stabilitas dan kecepatan regulasi dinamis frekuensi mikrogrid.
Berdasarkan pertimbangan di atas, beberapa ahli telah mengusulkan teknologi kontrol inersia virtual adaptif. Selain itu, beberapa ahli lainnya telah mengusulkan teknologi kontrol droop generalisasi dengan memperbaiki kontrol droop tradisional—mengintegrasikan kontrol frekuensi sekunder ke dalam kontrol droop tradisional untuk mensimulasikan karakteristik inersia dan redaman.
2.6.5 Teknologi Kontrol Makro untuk Kluster Mikrogrid
Masalah kunci dalam operasi dan kontrol kluster mikrogrid termasuk bagaimana mencapai regulasi seragam beberapa mikrogrid dan bagaimana mewujudkan bantuan daya dan operasi optimal.
Beberapa ahli telah mengusulkan struktur kontrol empat tingkat untuk kluster mikrogrid, termasuk lapisan distribusi daya, lapisan kluster mikrogrid, lapisan mikrogrid, dan lapisan unit.
Dua strategi utama digunakan pada lapisan kluster mikrogrid: kontrol master-slave dan kontrol peer-to-peer.
Kontrol master-slave memerlukan komunikasi tinggi antara mikrogrid dan memberikan tekanan signifikan pada unit kontrol master untuk regulasi tegangan dan frekuensi.
Kontrol peer-to-peer mengatasi kekurangan ini: setiap unit mikrogrid melakukan kontrol peer-to-peer otomatis berdasarkan kurva droop yang telah ditetapkan, tanpa perlu komunikasi atau kontrol tingkat atas.
Beberapa ahli telah mengusulkan strategi kontrol untuk kluster mikrogrid hibrid yang terdiri dari mikrogrid AC dan DC. Strategi ini menstandarisasi karakteristik daya aktif-frekuensi mikrogrid AC dan karakteristik daya aktif-tegangan mikrogrid DC untuk mendapatkan skala kontrol yang seragam, memungkinkan kontrol peer-to-peer kluster mikrogrid hibrid.
Untuk mengatasi tantangan optimasi penjadwalan real-time untuk kluster mikrogrid, beberapa ahli telah mengusulkan metode pemodelan untuk optimasi koordinatif kluster mikrogrid berdasarkan proses keputusan Markov yang sebagian teramati (POMDP) di bawah struktur terdesentralisasi. Metode ini memungkinkan pemodelan optimasi berdasarkan informasi yang sebagian teramati bahkan dalam kondisi komunikasi lemah dan menggunakan pengali Lagrange untuk mendekopling fungsi tujuan, mengurangi kompleksitas solusi. Penelitian ini memberikan panduan penting untuk mewujudkan optimasi penjadwalan real-time kluster mikrogrid dengan variabel kompleks dan kontrol peer-to-peer.
3. Teknologi Interaksi Sumber-Beban
Teknologi Utilisasi Beban Fleksibel dan Manajemen Beban
Utilisasi beban fleksibel merupakan tautan kunci dalam pengembangan penggunaan energi cerdas dan konservasi energi di masa depan, berkontribusi pada pembangunan masyarakat hemat energi.
Penelitian tentang teknologi regulasi beban fleksibel meliputi:
Mengklasifikasikan dan memodelkan beban fleksibel berdasarkan karakteristiknya untuk sepenuhnya mengeksplorasi potensi elastisitas beban.
Secara aktif meningkatkan mekanisme beban fleksibel dan memajukan pembangunan proyek demonstrasi.
Menggunakan teknologi cerdas untuk melakukan analisis diferensial perilaku pengguna dan meningkatkan akurasi regulasi.
Manajemen beban yang efektif dapat mengurangi ketidakseimbangan pasokan-permintaan dalam sistem energi baru yang disebabkan oleh ketidakstabilan energi baru dan ketidakpastian di sisi beban. Saat ini, teknologi manajemen beban listrik sudah memiliki fungsi seperti manajemen tarif listrik, manajemen hilangnya daya, analisis pencurian listrik, dan berbagi data.
Dengan perkembangan teknologi berbasis data, pembangkit listrik virtual, dan komunikasi 5G, sistem manajemen beban listrik akan secara signifikan ditingkatkan dalam hal prediksi data beban, teknologi kontrol koordinatif beban, dan efektivitas manajemen. Ini akan mendukung operasi koordinatif berbagai komponen (misalnya, pembangkitan terdistribusi, kendaraan listrik, dan sistem penyimpanan energi) dan meningkatkan pemanfaatan sumber daya yang rasional.
3.1 Metode Perhitungan Aliran Daya dengan Pertimbangan Ketidakpastian Sumber-Beban
Perhitungan aliran daya adalah fondasi penting untuk perencanaan dan operasi penjadwalan sistem distribusi listrik.
Saat ini, beberapa ahli telah mengusulkan metode perhitungan aliran daya yang mempertimbangkan ketidakpastian output fotovoltaik dan angin. Selain itu, beberapa ahli lainnya telah mengusulkan metode perhitungan aliran daya yang mempertimbangkan ketidakpastian beban dan respon beban terhadap permintaan pemotongan puncak.
Secara keseluruhan, penelitian yang ada telah secara luas mempertimbangkan ketidakpastian di berbagai tautan interaksi sumber-beban dan mengusulkan metode perhitungan aliran daya untuk ketidakpastian individual. Namun, kurangnya analisis terpadu dari ketidakpastian ganda dan efek keterkaitannya membatasi akurasi perhitungan aliran daya dalam sistem distribusi listrik tipe baru yang kompleks.
3.2 Teknologi Penjadwalan Optimal Multi-Tujuan untuk Sistem Distribusi Listrik dalam Mode Interaksi Sumber-Beban
Dalam mode interaksi sumber-beban, keputusan penjadwalan sangat mempengaruhi keamanan dan keandalan operasi sistem.
Saat ini, beberapa ahli telah mengusulkan solusi optimasi aliran daya multi-tujuan menggunakan optimasi kerucut kedua dan algoritma optimasi gerombolan partikel. Solusi-solusi ini menggunakan himpunan solusi Pareto untuk melakukan evaluasi multidimensi solusi optimal potensial, memberikan opsi pengambilan keputusan yang lebih fleksibel bagi penjadwal dan memfasilitasi realisasi penjadwalan yang aman, stabil, dan ekonomis dalam mode interaksi sumber-beban.
3.3 Teknologi Operasi Ekonomis dalam Lingkungan Pasar Listrik
Memandu berbagai entitas untuk berpartisipasi dalam transaksi pasar listrik melalui berbagai metode insentif adalah cara penting untuk mempromosikan interaksi sumber-beban. Bentuk teknis spesifik termasuk respons permintaan (DR) dan pembangkit listrik virtual (VPPs).
Saat ini, penelitian relevan fokus pada penggunaan mekanisme insentif harga untuk merangsang antusiasme pengguna. Untuk sepenuhnya mengeksplorasi dan memobilisasi sumber daya yang dapat disesuaikan dalam sistem, beberapa ahli telah melakukan penelitian tentang: kesadaran situasional keseluruhan sumber-jaringan-beban; evaluasi kuantitatif real-time kemampuan respons; implementasi strategi respons dari grup hingga individu; teknologi kontrol koordinatif sumber-jaringan-beban; dan karakteristik multi-time-scale beban. Penelitian ini memberikan ide untuk pengembangan teknologi keseimbangan daya dinamis sistem berbasis respons permintaan.
Penelitian tentang interaksi sumber-beban terutama fokus pada dua aspek: teknologi analisis dan optimasi aliran daya, dan mekanisme panduan pasar.
Dalam hal teknologi analisis dan optimasi aliran daya, teknologi yang ada mengabaikan karakteristik keterkaitan spasio-temporal dan korelasi suhu yang disebabkan oleh agregasi sumber-beban dalam sistem distribusi listrik, sehingga sulit untuk meningkatkan akurasi kontrol aliran daya sistem distribusi listrik tipe baru dan mencapai penghalusan perbedaan puncak-lembah pada skala waktu singkat.
Dalam hal mekanisme panduan pasar, dengan mempertimbangkan keterlambatan waktu yang tidak terhindarkan dari respons beban, respons permintaan tidak dapat secara sempurna menyelesaikan masalah perbedaan puncak-lembah
