4 Teknologi Smart Grid Utama untuk Sistem Kuasa Baru: Inovasi dalam Rangkaian Pengedaran

1. Penyelidikan & Pembangunan Bahan dan Peralatan Baru & Pengurusan Aset

1.1 Penyelidikan & Pembangunan Bahan dan Komponen Baru

Pelbagai bahan baru bertindak sebagai pengangkut terus untuk pemindahan tenaga, penghantaran kuasa, dan kawalan operasi dalam sistem pengagihan dan penggunaan kuasa jenis baru, menentukan secara langsung kecekapan operasi, keselamatan, kebolehpercayaan, dan kos sistem. Sebagai contoh:

• Bahan konduktif baru dapat mengurangkan penggunaan tenaga, menangani isu-isu seperti kekurangan tenaga dan pencemaran alam sekitar.

• Bahan magnet elektrik canggih yang digunakan dalam sensor grid pintar membantu meningkatkan kebolehpercayaan operasi sistem.

• Bahan isolasi baru dan struktur isolasi dapat menyelesaikan masalah lebih kerap voltan pulsa sementara yang disebabkan oleh integrasi peralatan elektronik kuasa.

• Peranti radio frekuensi mikro gelombang generasi seterusnya dan peranti elektronik kuasa yang dibangunkan berdasarkan bahan semikonduktor generasi ketiga (yang diwakili oleh nitrid galium (GaN) dan karbida silikon (SiC)) dapat menyediakan sokongan teknikal untuk pengurangan penggunaan tenaga dan penggunaan tenaga dalam bidang komunikasi dan elektronik.

1.2 Penyelidikan & Pembangunan Peralatan Kuasa Baru dan Fasiliti Penggunaan Elektrik

Dari segi produk baru tertentu, syarikat-syarikat mengembangkan peralatan elektronik kuasa baru—terutamanya peralatan pemutus litar lembut biasa terbuka. Dengan mengawal aliran kuasa aktif dan reaktif pada pengumpan yang disambung, peralatan ini mencapai fungsi seperti penyeimbangan kuasa, peningkatan voltan, pemindahan beban, dan had batas arus gangguan.

Di tengah-tengah gelombang Internet Tenaga, integrasi teknologi baru untuk merealisasikan "fungsi + pemantauan + elektronifikasi + digitalisasi + kecerdasan buatan" membolehkan syarikat-syarikat bergerak dari peniruan rendah kepada pembuatan tinggi, memperluas dari produk tunggal kepada penyelesaian menyeluruh, dan bertransformasi dari kilang pembuatan kepada kemudahan yang didorong inovasi. Ini membolehkan pembuatan dan inovasi peralatan elektrik rendah voltan menyumbang kepada pengurangan karbon, digitalisasi, dan pembangunan mampan.

1.3 Teknologi Pengurusan Aset Sepanjang Hayat untuk Peralatan Kuasa

Sistem pengagihan dan penggunaan kuasa jenis baru melibatkan pelbagai jenis peralatan kuasa baru dan peranti penggunaan elektrik, menjadikan pengurusan sepanjang hayat dan reka bentuk ekologi peralatan pengagihan sangat penting. Ia adalah penting untuk memastikan operasi selamat semua peralatan sambil mencapai kecekapan ekonomi.

Pengendalian dan penyelenggaraan sepanjang hayat merangkumi fasa permintaan pembelian, fasa penerimaan peralatan, fasa pengeluaran dan operasi, dan fasa penghentian. Dalam pengurusan aset, reka bentuk terpadu harus dilaksanakan untuk memastikan perkongsian data dan pengurusan yang dioptimumkan. Teknologi seperti "Internet +" harus diintegrasikan untuk memperluas skop pengurusan dan meningkatkan kecekapan pengurusan.

2. Teknologi Pembangkitan Teragih dan Mikrogird

2.1 Teknologi Pembangkitan Tenaga Baharu Teragih

2.1.1 Teknologi Pembangunan Tenaga Baharu & Tenaga Boleh Diperbaharui yang Efisien dan Ekonomi

Dengan kemajuan teknologi pembangunan tenaga baharu, beberapa sumber tenaga boleh diperbaharui (misalnya, tenaga angin dan tenaga suria) telah mencapai tahap aplikasi yang tinggi dan kini menduduki kedudukan dominan dalam sistem pengagihan kuasa. Walau bagaimanapun, masih penting untuk mengembangkan bahan baru dan teknologi panel fotovoltaik terintegrasi dengan kos yang lebih rendah dan kecekapan yang lebih tinggi.

Sementara itu, pembangunan sumber tenaga lain—seperti tenaga hidrogen, tenaga geotermal, dan tenaga biomassa—perlu dipromosikan lebih lanjut. Contohnya termasuk teknologi penghasilan-penyimpanan-pengangkutan hidrogen, teknologi penggunaan geotermal berperingkat, dan teknologi biobahan api.

Selain itu, pembangunan bersama tenaga baharu pusat dan teragih dapat mengurangkan kerugian penghantaran, meningkatkan kecekapan penggunaan tenaga baharu, dan meningkatkan keupayaan grid untuk menyerap tenaga baharu, sehingga memberikan manfaat sosial dan ekonomi yang lebih baik.

2.2 Teknologi Perancangan untuk Tenaga Teragih

Kunci untuk menangani perancangan dan pengoptimuman kepemilikan tenaga teragih terletak pada penyelesaian rintangan komunikasi maklumat dan koordinasi penjadualan antara entiti-entiti yang berbeza.

Dari sudut pandangan teknikal, lebih banyak batasan teknikal mesti dipertimbangkan semasa fasa perancangan, termasuk tahap voltan, tahap arus pendek, dan kualiti kuasa (kedipan, harmonik).

Dari sudut pandangan matematik, kaedah perancangan yang melibatkan pengoptimuman kombinatorial multi-matlamat dan multi-kepastian adalah sangat kompleks. Oleh itu, perancangan pengoptimuman multi-matlamat yang mengintegrasikan sumber daya dan operasi adalah penting.

Selain itu, perhatian harus diberikan kepada: analisis dan penilaian rangkaian bagi sistem dengan tenaga teragih; penyelidikan integrasi dan perancangan optimal sistem pengagihan kuasa dan rangkaian komunikasi; dan pembangunan model dan alat simulasi untuk analisis keseluruhan kebolehpercayaan, risiko, dan ekonomi.

2.3 Teknologi Sokongan Aktif untuk Pembangkitan Tenaga Baharu Teragih

Pembangkitan teragih (DG) tidak hanya perlu menyesuaikan frekuensi dan voltan dalam lingkungan tertentu, tetapi juga menekan perubahan cepat frekuensi dan voltan.

Pada masa kini, beberapa sarjana telah mencadangkan "penyokong inertia-keteguhan," yang membolehkan DG memberikan sokongan frekuensi dan voltan seketika apabila sistem mengalami kekurangan kuasa. Kecenderungan sokongan inertia frekuensi DG dinyatakan secara kuantitatif menggunakan kompensasi kuasa aktif yang disediakan semasa perubahan langkah kuasa, menyediakan asas untuk merumuskan piawaian sambungan grid seterusnya.

2.4 Teknologi Ramalan Output untuk Pembangkitan Tenaga Baharu Teragih

Pembangkitan tenaga baharu teragih mempunyai taburan spasial yang luas, ciri-ciri mikrometerologi sekeliling yang kompleks, dan impak yang signifikan dari bangunan dan aktiviti manusia, menjadikan ramalan output menjadi sukar.

Penyelidikan semasa tentang output pembangkitan tenaga baharu teragih terutamanya fokus pada penggunaan ramalan cuaca dan keadaan iklim untuk ramalan pembangkitan, dengan penekanan berlebihan pada impak keadaan semula jadi terhadap output tenaga baharu. Ia kurang mempertimbangkan ciri-ciri taburan spasial DG dan faktor-faktor berkaitan aktiviti sosial manusia.

2.5 Teknologi Kawalan Kluster untuk Pembangkitan Tenaga Baharu Teragih

Kawalan teragih adalah kaedah kawalan kluster yang ideal untuk DG dalam sistem pengagihan kuasa dengan penetrasi tenaga baharu yang tinggi.

Pada masa kini, penyelidikan tentang teknologi kawalan kluster untuk pembangkitan tenaga baharu teragih masih dalam tahap awal. Pencapaian relevan terutamanya fokus pada kawalan peranti pembangkitan tunggal, dengan sedikit pertimbangan strategi kawalan bersama untuk pelbagai peranti pembangkitan tenaga baharu yang disambung ke sistem melalui inverter grid-connected.

Isu-isu utama masih belum terselesaikan: mekanisme pengagihan kuasa tidak seimbang antara pelbagai inverter semasa perubahan langkah kuasa; mekanisme interaksi strategi kawalan multi-time-scale untuk pelbagai inverter; dan ketidakcukupan kawalan droop tradisional (berdasarkan ciri-ciri frekuensi-kuasa aktif dan voltan-kuasa reaktif) apabila rintangan laluan pengagihan kuasa tidak boleh diabaikan, yang mencegah DG daripada menyertai pengaturan frekuensi dan voltan primer.

2.6 Teknologi Penyimpanan Tenaga Teragih

Dari perspektif kuasa, isu-isu statik dan dinamik sistem pengagihan kuasa jenis baru pada dasarnya adalah masalah ketidakseimbangan kuasa pada skala masa yang berbeza:

• Pada skala masa yang relatif panjang semasa tempoh beban puncak, ketidakseimbangan kuasa antara sisi pembangkitan dan beban menyebabkan isu-isu statik seperti perbezaan puncak-lembah.

• Pada skala masa yang relatif singkat dari perubahan langkah kuasa hingga aktivasi pengaturan frekuensi/voltan primer, peralatan elektronik kuasa kekurangan inersia rotor generator sinkron dan tidak dapat menyokong sistem terhadap ketidakseimbangan kuasa, menyebabkan penurunan kestabilan sistem dan penurunan kualiti kuasa.

Teknologi penyimpanan tenaga teragih menyediakan penyelesaian yang layak untuk menangani isu-isu statik dan dinamik yang disebabkan oleh ketidakseimbangan kuasa pada skala masa yang berbeza.

2.6.1 Teknologi Penyimpanan Tenaga untuk Pengurangan Puncak dan Pengaturan Frekuensi

Penyimpanan tenaga jenis tenaga—yang diwakili oleh penyimpanan pompa teragih, bateri aliran, bateri litium-ion, dan teknologi penyimpanan sejuk/panas—dapat menghapuskan puncak beban, mengurangi puncak dan mengisi lembah, meratakan fluktuasi, dan beroperasi bersama-sama dengan tiang cas untuk mengurangkan impak kuasa cas, sehingga meningkatkan kadar penggunaan peralatan pengagihan kuasa.

Teknologi pengurangan puncak dan pengaturan frekuensi untuk penyimpanan tenaga menuntut sistem penyimpanan tenaga yang tinggi dari segi kapasiti, laju respons, kos, keselamatan, dan ketumpatan kuasa/tenaga. Jenis penyimpanan tenaga tunggal tidak dapat memenuhi tuntutan ini, oleh itu penyelidikan tentang teknologi penyimpanan tenaga hibrid dengan kelebihan komprehensif adalah perlu.

2.6.2 Teknologi Peningkatan Stabiliti dan Kualiti Kuasa

Teknologi penyimpanan tenaga teragih menyediakan penyelesaian yang layak untuk meningkatkan stabiliti dan kualiti kuasa sistem pengagihan kuasa jenis baru.

Beberapa sarjana telah mencadangkan kaedah yang mengkoordinasikan sistem penyimpanan tenaga dengan strategi kawalan inverter grid-connected untuk membolehkan DG memberikan sokongan stabil dinamik kepada sistem. Dengan integrasi besar-besaran peralatan elektronik kuasa yang mengurangkan inersia sistem, inverter grid-connected bersama dengan penyimpanan tenaga akan menjadi cara penting untuk meningkatkan stabiliti dinamik sistem.

Selain itu, penyimpanan tenaga jenis kuasa—yang diwakili oleh superkapasitor—memiliki ciri-ciri respons yang cepat dan memainkan peranan penting dalam meningkatkan kualiti kuasa sistem pengagihan. Pada masa kini, peranti penyimpanan tenaga teragih yang besar, selamat, dan ekonomi belum sepenuhnya diterapkan, gagal memenuhi keperluan pengurangan puncak integrasi besar-besaran beban tambahan.

2.6.3 Teknologi Mikrogird

Mengambil kira kawalan bersama pelbagai sumber teragih pada aras mikrogird dan menyamakan mikrogird dengan sumber voltan/arus luaran dapat mengurangkan kekompleksan kawalan kestabilan frekuensi dan voltan dalam sistem pengagihan kuasa.

Mengambil kira bantuan dan pengoptimuman penjadualan pada aras kluster mikrogird dapat memanfaatkan ciri-ciri pelengkap tenaga baharu dan beban di wilayah-wilayah yang berbeza untuk menangani isu-isu penjadualan ekonomi seperti fluktuasi output DG dan perbezaan puncak-lembah.

2.6.4 Teknologi Stabiliti Dinamik Frekuensi dan Voltan untuk Mikrogird Tenaga Baharu

Sebagai kawasan yang relatif bebas dan autonomi, mikrogird tenaga baharu menghadapi isu-isu stabiliti dinamik yang serupa dengan sistem pengagihan kuasa.

Beberapa sarjana telah mencadangkan strategi kawalan generator sinkron virtual berbasis voltan (VSG). VSG adalah kaedah kawalan yang biasa untuk meningkatkan sokongan frekuensi dan voltan dinamik DG. Idea utamanya adalah mengawal inverter grid-connected untuk mensimulasikan ciri-ciri luaran (frekuensi-kuasa aktif dan voltan-kuasa reaktif) generator sinkron.

Inersia dan redaman generator sinkron yang disimulasikan oleh teknologi VSG tradisional biasanya tetap. Di bawah pelbagai jenis gangguan kuasa, parameter inersia tetap tidak dapat memenuhi tuntutan kestabilan dan kecepatan pengaturan frekuensi dinamik mikrogird.

Berdasarkan pertimbangan di atas, beberapa sarjana telah mencadangkan teknologi kawalan inersia virtual adaptif. Selain itu, sarjana lain telah mencadangkan teknologi kawalan droop umum dengan meningkatkan kawalan droop tradisional—mengintegrasikan pengawalan frekuensi sekunder ke dalam kawalan droop tradisional untuk mensimulasikan ciri-ciri inersia dan redaman.

2.6.5 Teknologi Kawalan Makro untuk Kluster Mikrogird

Isu-isu utama dalam operasi dan kawalan kluster mikrogird termasuk bagaimana mencapai pengaturan seragam pelbagai mikrogird dan bagaimana merealisasikan bantuan kuasa dan operasi yang dioptimumkan.

Beberapa sarjana telah mencadangkan struktur kawalan empat tahap untuk kluster mikrogird, termasuk lapisan pengagihan kuasa, lapisan kluster mikrogird, lapisan mikrogird, dan lapisan unit.

Dua strategi utama digunakan pada lapisan kluster mikrogird: kawalan master-slave dan kawalan peer-to-peer.

• Kawalan master-slave memerlukan komunikasi yang tinggi antara mikrogird dan memberikan tekanan yang signifikan pada unit kawalan utama untuk pengaturan voltan dan frekuensi.

• Kawalan peer-to-peer mengatasi kelemahan ini: setiap unit mikrogird melakukan kawalan peer-to-peer autonomi berdasarkan kurva droop yang ditetapkan, tanpa keperluan komunikasi atau kawalan aras atas.

Beberapa sarjana telah mencadangkan strategi kawalan untuk kluster mikrogird hibrid yang terdiri dari mikrogird AC dan DC. Strategi ini menstandarkan ciri-ciri frekuensi-kuasa aktif mikrogird AC dan ciri-ciri voltan-kuasa aktif mikrogird DC untuk mendapatkan skala kawalan yang seragam, membolehkan kawalan peer-to-peer kluster mikrogird hibrid.

Untuk menangani cabaran pengoptimuman penjadualan masa nyata untuk kluster mikrogird, beberapa sarjana telah mencadangkan kaedah pemodelan untuk pengoptimuman koordinasi kluster mikrogird berdasarkan proses keputusan Markov separa terlihat (POMDP) di bawah struktur terdesentralisasi. Kaedah ini membolehkan pemodelan pengoptimuman berdasarkan maklumat yang separa dilihat walaupun dalam keadaan komunikasi lemah dan menggunakan pengganda Lagrange untuk memisahkan fungsi objektif, mengurangkan kekompleksan penyelesaian. Penyelidikan ini memberikan panduan penting untuk merealisasikan pengoptimuman penjadualan masa nyata kluster mikrogird dengan pembolehubah yang kompleks dan kawalan peer-to-peer.

3. Teknologi Interaksi Sumber-Beban

Teknologi Penggunaan Beban Fleksibel dan Pengurusan Beban

Penggunaan beban fleksibel adalah tautan kunci dalam pembangunan penggunaan tenaga pintar dan pengurusan tenaga pada masa depan, menyumbang kepada pembangunan masyarakat yang hemat tenaga.

Penyelidikan tentang teknologi pengaturan beban fleksibel termasuk:

• Pengelasan dan pemodelan beban fleksibel berdasarkan ciri-ciri mereka untuk memanfaatkan potensi elastisitas beban secara maksimum.

• Meningkatkan mekanisme beban fleksibel secara aktif dan memajukan pembinaan projek demonstrasi.

• Menggunakan teknologi cerdas untuk melakukan analisis berbeza-beza tingkah laku pengguna dan meningkatkan ketepatan pengaturan.

Pengurusan beban yang efektif dapat mengurangkan ketidakseimbangan bekalan-permintaan dalam sistem tenaga baharu yang disebabkan oleh ketidakstabilan tenaga baharu dan ketidakpastian pada sisi beban. Pada masa kini, teknologi pengurusan beban kuasa sudah mempunyai fungsi seperti pengurusan yuran elektrik, pengurusan kehilangan kuasa, analisis pencurian elektrik, dan perkongsian data.

Dengan pembangunan teknologi berdasarkan data, tumbuhan kuasa maya, dan komunikasi 5G, sistem pengurusan beban kuasa akan ditingkatkan secara signifikan dari segi prediksi data beban, teknologi kawalan koordinasi beban, dan keberkesanan pengurusan. Ini akan menyokong operasi bersama pelbagai komponen (seperti pembangkitan teragih, kenderaan elektrik, dan sistem penyimpanan tenaga) dan meningkatkan penggunaan rasional sumber daya.

3.1 Kaedah Pengiraan Aliran Kuasa Mengambil Kira Ketidakpastian Sumber-Beban

Pengiraan aliran kuasa adalah asas penting untuk perancangan dan operasi penjadualan sistem pengagihan kuasa.

Pada masa kini, beberapa sarjana telah mencadangkan kaedah pengiraan aliran kuasa yang mengambil kira ketidakpastian output fotovoltaik dan tenaga angin. Selain itu, sarjana lain telah mencadangkan kaedah pengiraan aliran kuasa yang mengambil kira ketidakpastian beban dan ketidakpastian respons beban terhadap permintaan pengurangan puncak.

Secara keseluruhan, penyelidikan yang ada telah mempertimbangkan secara luas ketidakpastian dalam pelbagai tautan interaksi sumber-beban dan mencadangkan kaedah pengiraan aliran kuasa untuk ketidakpastian individu. Namun, masih kurang analisis terpadu ketidakpastian berbilang dan kesannya yang saling berkait, yang membatasi ketepatan pengiraan aliran kuasa dalam sistem pengagihan kuasa jenis baru yang kompleks.

3.2 Teknologi Penjadualan Optimal Multi-Matlamat untuk Sistem Pengagihan Kuasa di Bawah Mod Pengurusan Sumber-Beban

Di bawah mod interaksi sumber-beban, keputusan penjadualan secara besar-besaran mempengaruhi keselamatan dan kebolehpercayaan operasi sistem.

Pada masa kini, beberapa sarjana telah mencadangkan penyelesaian pengoptimuman aliran kuasa multi-matlamat menggunakan pengoptimuman kon cakera kedua dan algoritma optimasi gerombolan zarah. Penyelesaian ini menggunakan set penyelesaian Pareto untuk melakukan penilaian multi-dimensi potensi penyelesaian optimum, memberikan pilihan pengambilan keputusan yang lebih fleksibel kepada jurujadual dan memudahkan realisasi penjadualan yang selamat, stabil, dan ekonomi di bawah mod interaksi sumber-beban.

3.3 Teknologi Operasi Ekonomi dalam Lingkungan Pasaran Kuasa

Menyokong pelbagai entiti untuk menyertai transaksi pasaran kuasa melalui pelbagai kaedah insentif adalah cara penting untuk mempromosikan interaksi sumber-beban. Bentuk teknikal spesifik termasuk respons permintaan (DR) dan tumbuhan kuasa maya (VPPs).

Pada masa kini, penyelidikan yang berkaitan fokus pada penggunaan mekanisme insentif harga untuk mendorong minat pengguna. Untuk memanfaatkan dan menggerakkan sumber daya yang boleh disesuaikan dalam sistem, beberapa sarjana telah melakukan penyelidikan tentang: kesedaran situasi keseluruhan sumber-grid-beban; penilaian kuantitatif masa nyata keupayaan respons; pelaksanaan strategi respons dari kumpulan hingga individu; teknologi kawalan koordinasi sumber-grid-beban; dan ciri-ciri multi-skala masa beban. Penyelidikan ini memberikan idea untuk pembangunan teknologi keseimbangan kuasa dinamik sistem berdasarkan respons permintaan.