4 nøkkelteknologier for smarte nett i det nye kraftsystemet: Innovasjoner i distribusjonsnettene

1. Forskning og utvikling av nye materialer og utstyr & eiendomsforvaltning

1.1 Forskning og utvikling av nye materialer og komponenter

Forskjellige nye materialer fungerer som direkte bærere for energiomvandling, kraftoverføring og driftsstyring i nye typen kraftfordelings- og forbrukersystemer, og bestemmer direkte driftseffektivitet, sikkerhet, pålitelighet og systemkostnader. For eksempel:

• Nye ledende materialer kan redusere energiforbruk, løse problemer som energimangel og miljøforurensning.

• Avanserte elektriske magnetiske materialer brukt i smart grid-sensorer bidrar til å forbedre systemets driftssikkerhet.

• Nye isolerende materialer og isolasjonsstrukturer kan løse de mer frekvente problemene med overvoltage på grunn av integrering av kraftelektronisk utstyr.

• Neste generasjon mikrobølge radiofrekvensenheter og kraftelektroniske enheter utviklet basert på tredjegenerasjons halvledermaterialer (representert av gallium-nitrid (GaN) og silisiumkarbid (SiC)) kan gi teknisk støtte for energibesparelse og reduksjon av forbruk i kommunikasjons- og elektronikkfeltet.

1.2 Forskning og utvikling av nytt kraftutstyr og elektriske forbruksanlegg

Med hensyn til spesifikke nye produkter, utvikler bedrifter nytt kraftelektronisk utstyr—spesielt mykt normalt-åpen skruvekontakt. Ved å kontrollere den aktive og reaktive effekten i tilkoblede linjer, oppnår disse enhetene funksjoner som effektbalansering, spenningforbedring, belastningsoverføring og begrensning av feilstrøm.

I bølgen av energiinternett, gjør integrasjon av nye teknologier det mulig å realisere "funksjon + overvåking + elektronisering + digitalisering + kunstig intelligens", noe som lar bedrifter gå fra lavkantig etterligning til høykantig produksjon, utvide seg fra enkle produkter til helhetsløsninger, og transformere fra produksjonsfabrikker til innovasjon-drevne anlegg. Dette lar lavspenningskraftutstyrsproduksjon og -innovasjon bidra til lavkarbonisering, digitalisering og bærekraftig utvikling.

1.3 Full-livssyklus eiendomsforvaltnings-teknologi for kraftutstyr

Nytype kraftfordelings- og forbrukersystemer involverer en rekke forskjellige nye kraftenheter og elektriske forbruksenheter, noe som gjør full-livssyklusforvaltning og økologisk design av kraftfordelingsutstyr ekstremt viktig. Det er nødvendig å sikre trygg drift av alt utstyr samtidig som man oppnår økonomisk effektivitet.

Full-livssyklusdrift og vedlikehold dekker innkjøpsbehovsfase, utstyrsgodkjenningsfase, produksjons- og driftsfase, og nedleggingsfase. I eiendomsforvaltning bør det implementeres en integrert design for å sikre dataoverskyting og optimal forvaltning. Teknologier som "Internet +" bør integreres for å utvide forvaltningsområdet og forbedre forvaltnings-effektiviteten.

2. Fordelt generering og mikrogrid-teknologi

2.1 Fordelt ny energigenereringsteknologi

2.1.1 Effektiv og økonomisk ny energi- & fornybar energiutviklingsteknologi

Med fremgang i ny energiutviklingsteknologier, har noen fornybare energikilder (f.eks. vind- og solenergi) nådd et høyt nivå av anvendelse og okkuperer nå en dominerende posisjon i kraftfordelingssystemer. Det er imidlertid fortsatt viktig å utvikle nye materialer og integrerte fotovoltaiske panelteknologier med lavere kostnader og høyere effektivitet.

Samtidig må utviklingen av andre energikilder—som hydrogenenergi, geotermisk energi og biomasseenergi—fremmes ytterligere. Eksempler inkluderer teknologier for hydrogenproduksjon, -lagring og -transport, flernivå geotermisk bruksteknologi, og biobrenselteknologi.

I tillegg kan koordinert utvikling av sentralisert og fordelt ny energi redusere overføringskostnader, forbedre ny energiutiliseringseffektivitet, og forbedre nettets evne til å absorbere ny energi, noe som gir bedre sosiale og økonomiske fordele.

2.2 Planleggingsteknologi for fordelt energi

Kjernen i å håndtere planlegging og optimalisering av eierskap av fordelt energi ligger i å bryte ned informasjonskommunikasjonshinder og koordineringshinder mellom ulike enheter.

Fra et teknisk perspektiv, må flere tekniske begrensninger tas hensyn til under planleggingsfasen, herunder spenningsnivå, kortslutningsstrømnivå og strømkvalitet (blink, harmonier).

Fra et matematisk perspektiv er planleggingsmetoder som involverer multiobjektiv og multi-usikker kombinatorisk optimalisering svært komplekse. Derfor er multiobjektiv optimaliseringsplanlegging som integrerer ressurser og operasjoner kritisk.

Videre bør det legges merke til: gjennomføre nettanalyse og vurdering for systemer med fordelt energi; forsk på integrering og optimal planlegging av kraftfordelingssystemer og kommunikasjonsnettverk; og utvikle modeller og simuleringsverktøy for helhetlig pålitelighets-, risiko- og økonomisk analyse.

2.3 Aktiv støtte-teknologi for fordelt ny energigenerering

Fordelt generering (DG) må ikke bare justere frekvens og spenning innen et visst område, men også dempe rask endring i frekvens og spenning.

For øyeblikket har noen forskere foreslått en "inert-stiv compensator", som lar DG gi øyeblikkelig frekvens- og spenningstøtte når systemet opplever effektmangel. Frekvensinertialstøtteevnen til DG uttrykkes kvantitativt ved hjelp av aktiv effektkompensasjon under effektskrittendringer, noe som gir en grunnlag for å formulere senere netttilkoplingsstandarder.

2.4 Utdataforutsigelses-teknologi for fordelt ny energigenerering

Fordelt ny energigenerering har bred romlig distribusjon, komplekse mikrometeorologiske egenskaper rundt, og betydelige påvirkninger fra bygninger og menneskelige aktiviteter, noe som gjør utdataforutsigelsen utfordrende.

Gjeldende forskning på utdata fra fordelt ny energigenerering fokuserer hovedsakelig på bruk av værmeldinger og klimatiske forhold for effektgenerering, med for stor vekt på naturlige forhold som påvirker ny energiutdata. Det mangler overvekt på romlig distribusjonskarakteristika til DG og faktorer relatert til menneskelige sosiale aktiviteter.

2.5 Klusterkontrollteknologi for fordelt ny energigenerering

Distribuert kontroll er en ideal klusterkontrollmetode for DG i kraftfordelingssystemer med høy penetrasjon av ny energi.

For øyeblikket er forskningen på klusterkontrollteknologi for fordelt ny energigenerering fortsatt i sin barndom. Relevante oppnåelser fokuserer hovedsakelig på kontroll av enkelt effektkilde-enheter, med lite hensyn til koordinerte kontrollstrategier for flere nye energigenereringsenheter koblet til systemet via nettkoppledde invertere.

Kjerneproblemer er fortsatt uopløste: mekanismen for ubalansert effektfordeling mellom flere invertere under effektskrittendringer; interaksjonsmekanismen for multi-tidskalakontrollstrategier for flere invertere; og mangel på tradisjonell droop-kontroll (basert på aktiv effekt-frekvens og reaktiv effekt-spenning karakteristikkurver) når motstanden i kraftfordelingslinjer ikke kan ignoreres, noe som hindrer DG fra å delta i primær frekvens- og spenningregulering.

2.6 Fordelt energilagringsteknologi

Fra et energiperspektiv, er statiske og dynamiske problemer i nye typen kraftfordelingssystemer i essensen effektubalansproblemer på ulike tidskalaer:

• På det relativt lange tidskalaet av toppbelastningsperioder, fører effektubalans mellom genererings- og lastside til statiske problemer som topp-dal differenser.

• På det relativt korte tidskalaet fra effektskrittendringer til aktivasjon av primær frekvens-/spenningregulering, mangler kraftelektronisk utstyr roterens inertie fra synkronmotorer, og kan ikke støtte systemet mot effektubalans, noe som fører til redusert systemstabilitet og forverret strømkvalitet.

Fordelt energilagringsteknologi gir en gjennomførbart løsning for å håndtere de statiske og dynamiske problemene som skyldes effektubalans på ulike tidskalaer.

2.6.1 Toppavskjæring og frekvensreguleringsteknologi for energilagring

Energityper energilagring—representert av fordelt pompelagring, flytceller, litium-ionbatterier, og varme/koldelagringsteknologier—kan eliminere belastningstopper, skjære topp og fylle daler, glatte fluktueringer, og operere sammen med opladningspile for å mildre ladeeffektinfluens, noe som forbedrer utnyttelsesgraden av kraftfordelingsutstyr.

Toppavskjæring og frekvensreguleringsteknologi for energilagring stiller høye krav til energilagringsystemer i form av kapasitet, respons tid, kostnad, sikkerhet og effekt/energidensitet. En enkelt energilagringstype kan ikke oppfylle disse kravene, så forskning på hybrid energilagringsteknologier med helhetlige fordele er nødvendig.

2.6.2 Stabilitet og strømkvalitetforbedringsteknologi

Fordelt energilagringsteknologi gir en gjennomførbart løsning for å forbedre stabiliteten og strømkvaliteten i nye typen kraftfordelingssystemer.

Noen forskere har foreslått en metode som koordinerer energilagringsystemer med nettkoppledde inverterekontrollstrategier for å la DG gi dynamisk stabilitetstøtte til systemet. Med store mengder integrerte kraftelektroniske enheter som reduserer systeminertien, vil nettkoppledde invertere kombinert med energilagring bli et viktig middel for å forbedre systemets dynamiske stabilitet.

I tillegg, har energityper energilagring—representert av superkondensatorer—raske responskapasiteter og spiller en nøkkelrolle i å forbedre strømkvaliteten i kraftfordelingssystemer. For øyeblikket har ikke store kapasiteter, sikre og økonomiske energilagringsenheter for fordelt energilagringsteknologi blitt moden anvendt, og klarer ikke å oppfylle behovet for toppavskjæring for store mengder integrerte inkrementelle belaster.

2.6.3 Mikrogrid-teknologi

Ved å ta hensyn til koordinert kontroll av ulike fordelt ressurser på mikrogridnivå og sette mikrogrid lik en spenning/strømkilde eksternt, kan kompleksiteten av frekvens- og spenningstabilitetskontroll i kraftfordelingssystemer reduseres.

Ved å ta hensyn til kraftmutualisme og ruteoptimalisering på mikrogridklusternivå, kan man utnytte de komplementære egenskapene til ny energi og belastning i ulike regioner for å håndtere økonomiske ruteproblemer som DG-utdatafluktueringer og topp-dal differenser.

2.6.4 Frekvens- og spenningdynamisk stabilitetsteknologi for ny energi mikrogrids

Som et relativt selvstendig og autonomt område, står ny energi mikrogrids overfor dynamiske stabilitetsproblemer som ligner de i kraftfordelingssystemer.

Noen forskere har foreslått en spenningkilde-virtuell synkrongenerator (VSG) kontrollstrategi. VSG er en vanlig kontrollmetode for å forbedre dynamisk frekvens- og spenningstøttekapasiteten til DG. Kjernen i tanken er å kontrollere nettkoppledde invertere for å simulere eksterne kjennetegn (aktiv effekt-frekvens og reaktiv effekt-spenning) av synkrongeneratorer.

Den virtuelle inertien og dempingen av synkrongeneratorer simulert av tradisjonell VSG-teknologi er generelt fast. Under ulike typer effektstyringer, kan ikke faste inertiekarakteristika oppfylle stabilitets- og hurtighetskravene til mikrogrid frekvensdynamisk regulering.

Basert på ovennevnte overvekt, har noen forskere foreslått adaptiv virtuell inertiekontrollteknologi. I tillegg har andre forskere foreslått generalisert droop-kontrollteknologi ved å forbedre tradisjonell droop-kontroll—ved å inkludere sekundær frekvenskontroll i tradisjonell droop-kontroll for å simulere inertie- og dempingsegenskaper.

2.6.5 Makrokontrollteknologi for mikrogridkluster

Kjerneproblemer i drift og kontroll av mikrogridkluster inkluderer hvordan man kan oppnå enhetlig regulering av flere mikrogrids, og hvordan man kan realisere kraftmutualisme og optimalisert drift.

Noen forskere har foreslått en firetrinns kontrollstruktur for mikrogridkluster, inkludert kraftfordelingslag, mikrogridklusterlag, mikrogridlag og enhetslag.

To hovedstrategier brukes på mikrogridklusterlag: hoved-underkontroll og peer-to-peer-kontroll.

• Hoved-underkontroll krever høy kommunikasjon mellom mikrogrids og setter betydelig press på hovedkontrolleenheten for spenning- og frekvensregulering.

• Peer-to-peer-kontroll overkommer disse svakheter: hver mikrogrid-enhet utfører autonom peer-to-peer-kontroll basert på forhåndsbestemte droopkurver, uten behov for kommunikasjon eller overordnet kontroll.

Noen forskere har foreslått en kontrollstrategi for hybrid mikrogridkluster sammensatt av AC- og DC-mikrogrids. Denne strategien standardiserer de aktive effekt-frekvenskarakteristika av AC-mikrogrids og de aktive effekt-spenningkarakteristika av DC-mikrogrids for å få en enhetlig kontrollskala, noe som tillater peer-to-peer-kontroll av hybrid mikrogridkluster.

For å håndtere utfordringene med sanntid-ruteoptimalisering for mikrogridkluster, har noen forskere foreslått en modelleringmetode for koordinert optimalisering av mikrogridkluster basert på delvis observerbar Markov beslutningsprosess (POMDP) under en desentralisert struktur. Denne metoden lar optimalisering basert på delvis observerte informasjon, selv under svake kommunikasjonsforhold, og bruker Lagrange-multiplikatorer for å dekoble målfunksjonen, noe som reduserer løsningskompleksiteten. Denne forskningen gir viktig veiledning for å realisere sanntid-ruteoptimalisering av mikrogridkluster med komplekse variabler og peer-to-peer-kontroll.

3. Kilde-last interaksjonsteknologi

Flexibel lastbruk og lastforvaltningsteknologi

Flexibel lastbruk er en nøkkelenkede i fremtidig utvikling av smart energibruk og energibesparelse, og bidrar til utviklingen av en energibesparelsessamfunn.

Forskning på fleksibel lastreguleringsteknologi inkluderer:

• Klassifisering og modellering av fleksible laster basert på deres egenskaper for å fullt ut utnytte lastelasticitetspotensialet.

• Aktiv forbedring av fleksible lastmekanismer og fremme av demonstrasjonsprosjektbygging.

• Bruk av intelligente teknologier for å gjøre differensierte analyser av brukeratferd og forbedre reguleringens nøyaktighet.

Effektiv lastforvaltning kan mildre tilbud-beholdningsubalansen i nye energisystemer som følge av usikkerheten i ny energi og usikkerheter på lastside. For øyeblikket har kraftlastforvaltningsteknologi allerede funksjoner som strømavgiftsforvaltning, krafttapforvaltning, stjålens-tråd-analyse, og datadeling.

Med utviklingen av data-drevne teknologier, virtuelle kraftverk, og 5G-kommunikasjon, vil kraftlastforvaltningssystemer bli betydelig forbedret i form av lastdataforutsigelse, lastkoordinert kontrollteknologi, og forvaltningsmessig effektivitet. Dette vil støtte den koordinerte drift av ulike komponenter (f.eks. fordelt generering, elbiler, og energilagringssystemer) og forbedre den rasjonelle ressursutnyttelsen.

3.1 Strømflateberegningmetoder som tar hensyn til kilde-last usikkerheter

Strømflateberegning er en viktig grunnlag for kraftfordelingssystemplanlegging og rutedrift.

For øyeblikket har noen forskere foreslått strømflateberegningmetoder som tar hensyn til usikkerheter i fotovoltaisk- og vindkraftutdata. I tillegg har andre forskere foreslått strømflateberegningmetoder som tar hensyn til lastusikkerheter og usikkerheter i lastrespons til toppavskjæringsbehov.

Generelt sett har eksisterende forskning omfattende tatt hensyn til usikkerheter i ulike lenker i kilde-last interaksjon og foreslått strømflateberegningmetoder for individuelle usikkerheter. Det mangler imidlertid en integrert analyse av flere usikkerheter og deres koblede effekter, noe som begrenser nøyaktigheten i strømflateberegning i komplekse nye typen kraftfordelingssystemer.

3.2 Flere objektiver optimal rute-teknologi for kraftfordelingssystemer under kilde-last interaksjonsmodus

Under kilde-last interaksjonsmodus, påvirker ruttebeslutninger i stor grad systemets driftssikkerhet og -pålitelighet.

For øyeblikket har noen forskere foreslått flere objektiver strømflateoptimaliseringløsninger ved hjelp av andrebetinget konuskjønnsoptimalisering og partikkelsvarmeflyt-algoritmer. Disse løsningene bruker Pareto-optimal løsningssett for å gjennomføre flerdimensjonale evalueringer av potensielle optimale løsninger, noe som gir rutteoperatører mer fleksible beslutningsmuligheter og forenkler realiseringen av sikker, stabil og økonomisk ruting under kilde-last interaksjonsmodus.

3.3 Økonomisk driftsteknologi i kraftmarkedsmiljø

Å veilede flere enheter til å delta i kraftmarkedstransaksjoner gjennom ulike incitamentmetoder er et viktig middel for å fremme kilde-last interaksjon. Spesifikke tekniske former inkluderer etterspørselsrespons (DR) og virtuelle kraftverk (VPPs).

For øyeblikket fokuserer relevant forskning på å bruke prisincitamentmekanismer for å stimulere brukernes entusiasme for deltakelse. For å fullt ut utnytte og mobilisere justerbare ressurser i systemet, har noen forskere gjort forskning på: total situasjonsbevissthet for kilde-nett-last; sanntid kvantitativ evaluering av responsekapasiteter; implementering av responssystemer fra gruppe til individ; koordinert kontrollteknologi for kilde-nett-last; og multi-tidskalaegettrekk hos laster. Denne forskningen gir ideer for utviklingen av systemdynamisk effektbalansteknologi basert på etterspørselsrespons.