4 tecnologie chiave per la smart grid nel nuovo sistema elettrico: innovazioni nelle reti di distribuzione
1. Ricerca e Sviluppo di Nuovi Materiali e Attrezzature & Gestione degli Asset
1.1 Ricerca e Sviluppo di Nuovi Materiali e Componenti
Vari nuovi materiali costituiscono i vettori diretti per la conversione dell'energia, la trasmissione e il controllo operativo nei sistemi di distribuzione e consumo di energia di nuova generazione, determinando direttamente l'efficienza operativa, la sicurezza, l'affidabilità e i costi del sistema. Ad esempio:
I nuovi materiali conduttori possono ridurre il consumo energetico, affrontando problemi come la scarsità di energia e l'inquinamento ambientale.
I materiali magnetici elettrici avanzati applicati nei sensori della smart grid aiutano a migliorare l'affidabilità dell'operatività del sistema.
I nuovi materiali isolanti e le strutture di isolamento possono risolvere i problemi più frequenti di sovratensioni transitorie causate dall'integrazione di apparecchiature elettroniche di potenza.
I dispositivi radiofrequenza a microonde e i dispositivi elettronici di potenza di prossima generazione sviluppati in base ai materiali semiconduttori di terza generazione (rappresentati da nitruro di gallio (GaN) e carburo di silicio (SiC)) possono fornire supporto tecnico per il risparmio energetico e la riduzione del consumo nel campo delle comunicazioni e dell'elettronica.
1.2 Ricerca e Sviluppo di Nuove Attrezzature Elettriche e Impianti di Consumo Energetico
In termini di prodotti specifici, le imprese sviluppano nuove attrezzature elettroniche di potenza, in particolare interruttori a scatto morbido normalmente aperti. Controllando i flussi di potenza attiva e reattiva sulle linee di alimentazione connesse, questi dispositivi realizzano funzioni come il bilanciamento del potere, l'ottimizzazione della tensione, il trasferimento del carico e la limitazione della corrente di guasto.
Nel contesto dell'Internet dell'Energia, l'integrazione di nuove tecnologie per realizzare "funzione + monitoraggio + elettronizzazione + digitalizzazione + intelligenza artificiale" consente alle imprese di passare da un'imitazione di basso livello alla produzione di alta gamma, espandendosi da singoli prodotti a soluzioni complete e trasformandosi da fabbriche di produzione a strutture guidate dall'innovazione. Ciò permette alla manifattura e all'innovazione di attrezzature elettriche a bassa tensione di contribuire alla decarbonizzazione, alla digitalizzazione e allo sviluppo sostenibile.
1.3 Tecnologia di Gestione degli Asset a Ciclo Completo per Attrezzature Elettriche
I nuovi sistemi di distribuzione e consumo di energia coinvolgono una vasta gamma di nuove attrezzature elettriche e dispositivi di consumo, rendendo estremamente importante la gestione a ciclo completo e la progettazione ecologica delle attrezzature di distribuzione. È essenziale garantire l'operatività sicura di tutte le attrezzature, al contempo raggiungendo l'efficienza economica.
L'operatività e la manutenzione a ciclo completo coprono la fase di richiesta di acquisto, la fase di accettazione dell'attrezzatura, la fase di produzione e operatività e la fase di smantellamento. Nella gestione degli asset, dovrebbe essere implementata una progettazione integrata per garantire la condivisione dei dati e la gestione ottimizzata. Dovrebbero essere integrate tecnologie come "Internet +" per ampliare la portata della gestione e migliorarne l'efficienza.
2. Tecnologia di Generazione Distribuita e Microreti
2.1 Tecnologia di Generazione Distribuita di Nuova Energia
2.1.1 Tecnologia di Sviluppo Efficiente ed Economico di Nuova Energia e Fonti di Energia Rinnovabile
Con l'avanzamento delle tecnologie di sviluppo delle nuove energie, alcune fonti di energia rinnovabile (ad esempio, l'energia eolica e solare) hanno raggiunto un alto livello di applicazione e ora occupano una posizione dominante nei sistemi di distribuzione di energia. Tuttavia, rimane cruciale sviluppare nuovi materiali e tecnologie di pannelli fotovoltaici integrati con costi inferiori e maggiore efficienza.
Contemporaneamente, lo sviluppo di altre fonti di energia, come l'energia idrogeno, geotermica e biomassa, deve essere ulteriormente promosso. Ad esempio, le tecnologie di produzione, stoccaggio e trasporto dell'idrogeno, le tecnologie di utilizzo geotermico a più stadi e le tecnologie dei biocarburanti.
Inoltre, lo sviluppo coordinato di nuove energie centralizzate e distribuite può ridurre le perdite di trasmissione, migliorare l'efficienza di utilizzo delle nuove energie e aumentare la capacità della rete di assorbire nuove energie, fornendo così migliori benefici sociali ed economici.
2.2 Tecnologia di Pianificazione dell'Energia Distribuita
La chiave per affrontare la pianificazione e l'ottimizzazione della proprietà dell'energia distribuita sta nell'eliminare le barriere di comunicazione e di coordinamento tra diverse entità.
Dal punto di vista tecnico, durante la fase di pianificazione devono essere considerate più vincoli tecnici, inclusi il livello di tensione, il livello di corrente di cortocircuito e la qualità dell'energia (lampeggio, armoniche).
Dal punto di vista matematico, i metodi di pianificazione che coinvolgono l'ottimizzazione multi-obiettivo e multi-incertezza sono estremamente complessi. Pertanto, è fondamentale la pianificazione ottimale multi-obiettivo che integra risorse e operazioni.
Inoltre, si dovrebbe prestare attenzione a: condurre analisi e valutazioni di reti per sistemi con energia distribuita; studiare l'integrazione e la pianificazione ottimale di sistemi di distribuzione di energia e reti di comunicazione; e sviluppare modelli e strumenti di simulazione per l'analisi complessiva di affidabilità, rischio ed economia.
2.3 Tecnologia di Supporto Attivo per la Generazione Distribuita di Nuova Energia
La generazione distribuita (DG) non solo deve regolare la frequenza e la tensione entro un certo range, ma deve anche sopprimere i cambiamenti rapidi di frequenza e tensione.
Attualmente, alcuni studiosi hanno proposto un "compensatore di inerzia-rigidità", che consente alla DG di fornire supporto istantaneo di frequenza e tensione quando il sistema subisce deficit di potenza. La capacità di supporto di inerzia di frequenza della DG viene espressa quantitativamente tramite la compensazione di potenza attiva fornita durante i cambiamenti di potenza a gradini, fornendo una base per formulare successivamente gli standard di connessione alla rete.
2.4 Tecnologia di Previsione della Produzione per la Generazione Distribuita di Nuova Energia
La generazione distribuita di nuova energia presenta una distribuzione spaziale ampia, caratteristiche micro-meteorologiche complesse circostanti e impatti significativi da edifici e attività umane, rendendo la previsione della produzione sfidante.
Le attuali ricerche sulla previsione della produzione della generazione distribuita di nuova energia si concentrano principalmente sull'utilizzo delle previsioni meteorologiche e delle condizioni climatiche per la previsione della produzione di energia, enfatizzando eccessivamente l'impatto delle condizioni naturali sulla produzione di nuova energia. Mancano di considerare le caratteristiche di distribuzione spaziale della DG e i fattori legati alle attività sociali umane.
2.5 Tecnologia di Controllo Cluster per la Generazione Distribuita di Nuova Energia
Il controllo distribuito è un metodo ideale di controllo cluster per la DG nei sistemi di distribuzione di energia con alta penetrazione di nuova energia.
Attualmente, la ricerca sulla tecnologia di controllo cluster per la generazione distribuita di nuova energia è ancora agli inizi. Gli risultati principali si concentrano principalmente sul controllo di singoli dispositivi di generazione, con poca considerazione per le strategie di controllo coordinato per più dispositivi di generazione di nuova energia connessi al sistema tramite inverter a rete.
Rimangono irrisolti problemi chiave: il meccanismo di distribuzione non equilibrata di potenza tra più inverter durante i cambiamenti di potenza a gradini; il meccanismo di interazione delle strategie di controllo a multi-tempistica per più inverter; e l'insufficienza del controllo di pendenza tradizionale (basato su curve caratteristiche di potenza attiva-frequenza e potenza reattiva-tensione) quando la resistenza delle linee di distribuzione di potenza non è trascurabile, impedendo alla DG di partecipare alla regolazione primaria di frequenza e tensione.
2.6 Tecnologia di Accumulo di Energia Distribuita
Dal punto di vista del potere, i problemi statici e dinamici dei nuovi sistemi di distribuzione di energia sono essenzialmente problemi di squilibrio di potenza su scale temporali diverse:
Su una scala temporale relativamente lunga durante i periodi di picco di carico, lo squilibrio di potenza tra il lato di generazione e il lato di carico porta a problemi statici come differenze di picco-valle.
Su una scala temporale relativamente breve dai cambiamenti di potenza a gradini all'attivazione della regolazione primaria di frequenza/tensione, l'equipaggiamento elettronico di potenza manca dell'inerzia del rotore dei generatori sincroni e non può supportare il sistema contro lo squilibrio di potenza, riducendo la stabilità del sistema e deteriorando la qualità dell'energia.
La tecnologia di accumulo di energia distribuita fornisce una soluzione fattibile per affrontare i problemi statici e dinamici causati dallo squilibrio di potenza su scale temporali diverse.
2.6.1 Tecnologia di Riduzione dei Picchi e Regolazione della Frequenza per l'Accumulo di Energia
L'accumulo di energia di tipo energetico, rappresentato da pompe idroelettriche distribuite, batterie a flusso, batterie a ioni di litio e tecnologie di accumulo di freddo/calore, può eliminare i picchi di carico, ridurre i picchi e riempire le valli, attenuare le fluttuazioni e operare in concomitanza con le colonnine di ricarica per mitigare l'impatto del potere di ricarica, migliorando così l'utilizzo delle attrezzature di distribuzione di energia.
La tecnologia di riduzione dei picchi e regolazione della frequenza per l'accumulo di energia impone requisiti elevati ai sistemi di accumulo di energia in termini di capacità, velocità di risposta, costo, sicurezza e densità di potenza/energia. Un singolo tipo di accumulo di energia non può soddisfare questi requisiti, quindi è necessario condurre ricerche su tecnologie di accumulo ibrido con vantaggi complessivi.
2.6.2 Tecnologia di Miglioramento della Stabilità e della Qualità dell'Energia
La tecnologia di accumulo di energia distribuita fornisce una soluzione fattibile per migliorare la stabilità e la qualità dell'energia dei nuovi sistemi di distribuzione di energia.
Alcuni studiosi hanno proposto un metodo che coordina i sistemi di accumulo di energia con le strategie di controllo degli inverter a rete per consentire alla DG di fornire supporto di stabilità dinamica al sistema. Con l'integrazione su larga scala di equipaggiamento elettronico di potenza che riduce l'inerzia del sistema, gli inverter a rete combinati con l'accumulo di energia diventeranno un mezzo importante per migliorare la stabilità dinamica del sistema.
Inoltre, l'accumulo di energia di tipo potenza, rappresentato dai supercondensatori, presenta capacità di risposta rapida e svolge un ruolo chiave nel miglioramento della qualità dell'energia dei sistemi di distribuzione. Attualmente, dispositivi di accumulo di energia a grande capacità, sicuri ed economici per la tecnologia di accumulo di energia distribuita non sono ancora stati ampiamente applicati, non riuscendo a soddisfare pienamente le esigenze di riduzione dei picchi per l'integrazione su larga scala di carichi incrementali.
2.6.3 Tecnologia Microrete
Considerando il controllo coordinato di varie risorse distribuite a livello di microrete e trattando la microrete come una sorgente di tensione/corrente esterna, si può ridurre la complessità del controllo di stabilità di frequenza e tensione nei sistemi di distribuzione di energia.
Considerando la mutua assistenza di potenza e l'ottimizzazione della dispatch a livello di cluster di microreti, si possono sfruttare le caratteristiche complementari di nuova energia e carichi in diverse regioni per affrontare problemi di dispatch economico come le fluttuazioni di output della DG e le differenze di picco-valle.
2.6.4 Tecnologia di Stabilità Dinamica di Frequenza e Tensione per Microreti di Nuova Energia
Come area relativamente indipendente e autonoma, le microreti di nuova energia affrontano problemi di stabilità dinamica simili a quelli dei sistemi di distribuzione di energia.
Alcuni studiosi hanno proposto una strategia di controllo di generatore virtuale a sorgente di tensione (VSG). Il VSG è un metodo di controllo comune per migliorare le capacità di supporto dinamico di frequenza e tensione della DG. L'idea centrale è controllare gli inverter a rete per simulare le caratteristiche esterne (potenza attiva-frequenza e potenza reattiva-tensione) dei generatori sincroni.
L'inerzia e l'amortimento virtuali dei generatori sincroni simulati dalla tecnologia VSG tradizionale sono generalmente fissi. Sotto diversi tipi di disturbi di potenza, parametri di inerzia fissi non possono soddisfare i requisiti di stabilità e rapidità della regolazione dinamica di frequenza della microrete.
Basandosi su queste considerazioni, alcuni studiosi hanno proposto una tecnologia di controllo di inerzia virtuale adattativa. Inoltre, altri studiosi hanno proposto una tecnologia di controllo di pendenza generalizzato migliorando il controllo di pendenza tradizionale - incorporando il controllo di frequenza secondario nel controllo di pendenza tradizionale per simulare caratteristiche di inerzia e amortimento.
2.6.5 Tecnologia di Controllo Macro per Cluster di Microreti
I problemi chiave nell'operazione e controllo dei cluster di microreti includono come realizzare una regolazione unificata di più microreti e come realizzare la mutua assistenza di potenza e l'ottimizzazione dell'operazione.
Alcuni studiosi hanno proposto una struttura di controllo a quattro livelli per i cluster di microreti, inclusi il livello di distribuzione di potenza, il livello di cluster di microreti, il livello di microrete e il livello di unità.
Due strategie principali vengono utilizzate a livello di cluster di microreti: controllo master-schiavo e controllo peer-to-peer.
Il controllo master-schiavo richiede una forte comunicazione tra le microreti e impone una pressione significativa sull'unità di controllo principale per la regolazione di tensione e frequenza.
Il controllo peer-to-peer supera questi difetti: ogni unità di microrete esegue un controllo peer-to-peer autonomo basato su curve di pendenza predefinite, senza la necessità di comunicazione o controllo di livello superiore.
Alcuni studiosi hanno proposto una strategia di controllo per cluster di microreti ibride composte da microreti AC e DC. Questa strategia standardizza le caratteristiche di potenza attiva-frequenza delle microreti AC e le caratteristiche di potenza attiva-tensione delle microreti DC per ottenere una scala di controllo unificata, consentendo il controllo peer-to-peer di cluster di microreti ibride.
Per affrontare le sfide dell'ottimizzazione della dispatch in tempo reale per i cluster di microreti, alcuni studiosi hanno proposto un metodo di modellazione per l'ottimizzazione coordinata dei cluster di microreti basato su un processo decisionale di Markov parzialmente osservabile (POMDP) sotto una struttura decentralizzata. Questo metodo consente la modellazione di ottimizzazione basata su informazioni parzialmente osservate anche in condizioni di debole comunicazione e utilizza i moltiplicatori di Lagrange per decouplare la funzione obiettivo, riducendo la complessità della soluzione. Questa ricerca fornisce indicazioni importanti per realizzare l'ottimizzazione della dispatch in tempo reale di cluster di microreti con variabili complesse e controllo peer-to-peer.
3. Tecnologia di Interazione Fonte-Carico
Tecnologia di Utilizzo Flessibile del Carico e Gestione del Carico
L'utilizzo flessibile del carico è un anello chiave nello sviluppo futuro dell'uso intelligente dell'energia e del risparmio energetico, contribuendo allo sviluppo di una società risparmiatrice di energia.
Le ricerche sulla tecnologia di regolazione del carico flessibile includono:
Classificazione e modellazione dei carichi flessibili in base alle loro caratteristiche per sfruttare appieno il potenziale di elasticità del carico.
Miglioramento attivo dei meccanismi di carico flessibile e avanzamento nella costruzione di progetti dimostrativi.
Utilizzo di tecnologie intelligenti per condurre analisi differenziata del comportamento degli utenti e migliorare l'accuratezza della regolazione.
Una gestione efficace del carico può alleviare il disequilibrio tra offerta e domanda nei sistemi di nuova energia causato dall'instabilità della nuova energia e dalle incertezze sul lato del carico. Attualmente, la tecnologia di gestione del carico elettrico dispone già di funzioni come la gestione delle tariffe, la gestione delle perdite, l'analisi antifrode e la condivisione dei dati.
Con lo sviluppo delle tecnologie basate sui dati, delle centrali elettriche virtuali e della comunicazione 5G, i sistemi di gestione del carico elettrico saranno significativamente migliorati in termini di previsione dei dati del carico, tecnologia di controllo coordinato del carico e efficacia della gestione. Ciò sosterrà fortemente l'operazione coordinata di vari componenti (ad esempio, generazione distribuita, veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia) e migliorerà l'utilizzo razionale delle risorse.
3.1 Metodi di Calcolo del Flusso di Potenza Considerando le Incertezze Fonte-Carico
Il calcolo del flusso di potenza è una base importante per la pianificazione e l'operatività di dispatch dei sistemi di distribuzione di energia.
Attualmente, alcuni studiosi hanno proposto metodi di calcolo del flusso di potenza che considerano le incertezze dell'output fotovoltaico e eolico. Inoltre, altri studiosi hanno proposto metodi di calcolo del flusso di potenza che considerano le incertezze del carico e le incertezze nella risposta del carico alle esigenze di riduzione dei picchi.
In generale, le ricerche esistenti hanno ampiamente considerato le incertezze in vari collegamenti di interazione fonte-carico e hanno proposto metodi di calcolo del flusso di potenza per incertezze individuali. Tuttavia, manca un'analisi integrata di multiple incertezze e dei loro effetti di accoppiamento, limitando l'accuratezza del calcolo del flusso di potenza nei complessi nuovi sistemi di distribuzione di energia.
3.2 Tecnologia di Dispatch Ottimale Multi-Obiettivo per i Sistemi di Distribuzione di Energia in Modalità di Interazione Fonte-Carico
In modalità di interazione fonte-carico, le decisioni di dispatch influenzano in gran misura la sicurezza e l'affidabilità dell'operatività del sistema.
Attualmente, alcuni studiosi hanno proposto soluzioni di ottimizzazione del flusso di potenza multi-obbiettivo utilizzando ottimizzazione a cono di secondo ordine e algoritmi di ottimizzazione a stormo di particelle. Queste soluzioni utilizzano insiemi di soluzioni ottimali di Pareto per condurre valutazioni multidimensionali delle potenziali soluzioni ottimali, fornendo ai dispatcher opzioni decisionali più flessibili e facilitando la realizzazione di un dispatch sicuro, stabile ed economico in modalità di interazione fonte-carico.
3.3 Tecnologia di Operatività Economica nell'Ambiente del Mercato Energetico
Guidare molteplici entità a partecipare alle transazioni del mercato energetico attraverso vari metodi incentivanti è un mezzo importante per promuovere l'interazione fonte-carico. Le forme tecniche specifiche includono la risposta alla domanda (DR) e le centrali elettriche virtuali (VPP).
Attualmente, le ricerche pertinenti si concentrano sull'uso di meccanismi di incentivo basati sui prezzi per stimolare l'entusiasmo degli utenti alla partecipazione. Per sfruttare e mobilitare pienamente le risorse regolabili nel sistema, alcuni studiosi hanno condotto ricerche su: percezione situazionale complessiva di fonte-rete-carico; valutazione quantitativa in tempo reale delle capacità di risposta; implementazione di strategie di risposta da gruppo a individuo; tecnologia di controllo coordinato di fonte-rete-carico; e caratteristiche a multi-scala
