4 kluczowe technologie inteligentnej sieci elektrycznej dla nowego systemu energetycznego: Innowacje w sieciach dystrybucji

1. Badania i Rozwój Nowych Materiałów i Urządzeń oraz Zarządzanie Aktywami

1.1 Badania i Rozwój Nowych Materiałów i Komponentów

Różnorodne nowe materiały stanowią bezpośrednie nośniki dla przekształcania energii, transmisji mocy i kontroli operacyjnej w nowych systemach dystrybucji i zużycia energii elektrycznej, bezpośrednio określając efektywność działania, bezpieczeństwo, niezawodność i koszty systemu. Na przykład:

• Nowe materiały przewodzące mogą zmniejszyć zużycie energii, rozwiązywać problemy takie jak niedobór energii i zanieczyszczenie środowiska.

• Zaawansowane magnetyczne materiały elektryczne stosowane w czujnikach inteligentnych sieci elektroenergetycznych pomagają poprawić niezawodność działania systemu.

• Nowe materiały izolacyjne i struktury izolacji mogą rozwiązać częstsze problemy z przejściowymi impulsami napięcia spowodowane integracją sprzętu elektronicznego mocy.

• Następnego pokolenia urządzenia mikrofalowe radiofrezowe i sprzęt elektroniczny mocy opracowane na podstawie trzeciego pokolenia półprzewodników (reprezentowane przez azotan galu (GaN) i węglan krzemu (SiC)) mogą dostarczać wsparcie technologiczne dla oszczędzania energii i redukcji zużycia w dziedzinie komunikacji i elektroniki.

1.2 Badania i Rozwój Nowego Sprzętu Elektrycznego i Obiektów Zużywających Energię

W zakresie konkretnych nowych produktów przedsiębiorstwa rozwijają nowy sprzęt elektroniczny mocy - szczególnie miękkie normalnie otwarte przekaźniki. Kontrolując aktywne i bierną moc na połączonych liniach, te urządzenia osiągają funkcje takie jak bilansowanie mocy, poprawa napięcia, przenoszenie obciążeń i ograniczanie prądu awaryjnego.

W ramach fali Internetu Energetycznego, integracja nowych technologii umożliwia realizację "funkcji + monitorowania + elektronizacji + cyfryzacji + sztucznej inteligencji", co pozwala przedsiębiorstwom wyjść poza niskopoziomową imitację do produkcji wysokiej jakości, rozszerzyć się z pojedynczych produktów na kompleksowe rozwiązania i przekształcić się z fabryk produkcyjnych w obiekty napędzane innowacjami. To pozwala na to, aby produkcja i innowacje urządzeń elektrycznych niskiego napięcia przyczyniły się do dekarbonizacji, cyfryzacji i zrównoważonego rozwoju.

1.3 Technologia Zarządzania Aktywami W Całym Cyklu Życia Sprzętu Elektrycznego

Nowe systemy dystrybucji i zużycia energii obejmują szeroką gamę nowego sprzętu elektrycznego i urządzeń zużywających energię, co sprawia, że zarządzanie w całym cyklu życia i ekologiczny projekt są bardzo ważne. Jest kluczowe zapewnienie bezpiecznej pracy wszystkich urządzeń, jednocześnie osiągając efektywność ekonomiczną.

Zarządzanie operacjami i utrzymaniem w całym cyklu życia obejmuje fazę wymagań zakupowych, fazę przyjęcia sprzętu, fazę produkcji i eksploatacji oraz fazę wycofania. W zarządzaniu aktywami powinien być zastosowany zintegrowany projekt, aby zapewnić udostępnianie danych i zoptymalizowane zarządzanie. Powinna być również zintegrowana technologia "Internet +", aby rozszerzyć zakres zarządzania i poprawić efektywność zarządzania.

2. Technologia Generacji Rozproszonej i Mikrosieci

2.1 Technologia Generacji Nowej Energiej Rozproszonej

2.1.1 Efektywna i Ekonomiczna Technologia Rozwoju Nowych Źródeł Energiej i Odnawialnych Źródeł Energiej

Z postępami w technologiach rozwoju nowych źródeł energii niektóre odnawialne źródła energii (np. energia wiatru i słoneczna) osiągnęły wysoki poziom zastosowania i zajmują dominującą pozycję w systemach dystrybucji energii. Jednak nadal jest kluczowe, aby opracować nowe materiały i technologie paneli fotowoltaicznych o niższych kosztach i wyższej efektywności.

Ponadto, rozwój innych źródeł energii, takich jak energia wodorowa, geotermalna i biomasy, musi być dalej promowany. Przykładem może być technologia produkcji, przechowywania i transportu wodoru, wieloetapowe technologie wykorzystania geotermii i technologie biopaliw.

Dodatkowo, skoordynowany rozwój centralnych i rozproszonych nowych źródeł energii może zmniejszyć straty transmisyjne, poprawić efektywność wykorzystania nowych źródeł energii i zwiększyć zdolność sieci do absorpcji nowych źródeł energii, co przyniesie lepsze korzyści społeczne i ekonomiczne.

2.2 Technologia Planowania Energiej Rozproszonej

Klucz do rozwiązywania problemów planowania i optymalizacji własności energii rozproszonej polega na przełamaniu barier komunikacyjnych i koordynacji dyspozycji między różnymi podmiotami.

Z perspektywy technicznej, w fazie planowania należy uwzględnić więcej ograniczeń technicznych, w tym poziom napięcia, poziom prądu zwarciowego i jakość energii (blask, harmoniki).

Z matematycznego punktu widzenia, metody planowania obejmujące wielocelowe i wieloaspektowe optymalizacje kombinatoryczne są bardzo złożone. Dlatego kluczowe jest wielocelowe planowanie optymalizacyjne integrujące zasoby i operacje.

Ponadto należy zwrócić uwagę na: przeprowadzanie analizy sieci i oceny systemów z energią rozproszoną; badanie integracji i optymalnego planowania systemów dystrybucji energii i sieci komunikacyjnych; opracowywanie modeli i narzędzi symulacyjnych do kompleksowej analizy niezawodności, ryzyka i ekonomiki.

2.3 Aktywna Technologia Wsparcia Generacji Nowej Energiej Rozproszonej

Generacja rozproszona (DG) musi nie tylko dostosować częstotliwość i napięcie w pewnym zakresie, ale także tłumić szybkie zmiany częstotliwości i napięcia.

Obecnie niektórzy naukowcy zaproponowali "kompensator bezwładności-sprężystości", który umożliwia DG dostarczanie natychmiastowego wsparcia częstotliwości i napięcia, gdy system doświadcza deficytów mocy. Możliwość wsparcia bezwładności częstotliwości DG jest wyrażona ilościowo poprzez kompensację mocy aktywnej podczas zmian krokowych mocy, co stanowi podstawę do formułowania kolejnych standardów podłączenia do sieci.

2.4 Technologia Prognozowania Wydajności Generacji Nowej Energiej Rozproszonej

Generacja nowej energii rozproszonej charakteryzuje się szerokim rozłożeniem przestrzennym, złożonymi mikrometeorologicznymi cechami otoczenia i znacznym wpływem budynków i działalności ludzkiej, co sprawia, że prognozowanie wydajności jest trudne.

Obecne badania nad generacją nowej energii rozproszonej skupiają się głównie na wykorzystaniu prognoz pogody i warunków klimatycznych do prognozowania generacji mocy, z nadmiernym naciskiem na wpływ naturalnych warunków na wydajność nowych źródeł energii. Brakuje uwzględnienia przestrzennych cech DG i czynników związanych z działalnością społeczną ludzi.

2.5 Technologia Kontroli Klastra Generacji Nowej Energiej Rozproszonej

Dystrybucyjna kontrola jest idealną metodą kontroli klastra dla DG w systemach dystrybucji energii z wysokim stopniem penetracji nowych źródeł energii.

Obecnie badania nad technologią kontroli klastra generacji nowej energii rozproszonej są nadal w początkowej fazie. Osiągnięcia związane z tymi badaniami koncentrują się głównie na kontroli pojedynczych urządzeń generujących, z niewielkim uwzględnieniem strategii koordynowanej kontroli wielu urządzeń generujących nowej energii podłączonych do systemu za pomocą invertorów podłączonych do sieci.

Kluczowe kwestie pozostają nierozwiązane: mechanizm nierównomiernego rozdziału mocy między wieloma invertorami podczas zmian krokowych mocy; mechanizm interakcji strategii kontrolnych wieloskalowych dla wielu invertorów; oraz niewystarczalność tradycyjnej kontroli opadu (opartej na krzywych charakterystyk mocy aktywnej-częstotliwości i mocy reaktywnej-napięcia), gdy opór linii dystrybucji mocy jest niezauważalny, co uniemożliwia DG uczestnictwo w pierwotnej regulacji częstotliwości i napięcia.

2.6 Technologia Dystrybucyjnego Magazynowania Energiej

Z perspektywy energetycznej, statyczne i dynamiczne problemy nowych systemów dystrybucji energii są w istocie problemami nierównowagi mocy na różnych skalach czasowych:

• Na dłuższej skali czasowej okresów szczytowych, nierównowaga mocy między stroną generującą a stroną obciążenia prowadzi do problemów statycznych, takich jak różnice szczyt-dolina.

• Na krótszej skali czasowej od zmian krokowych mocy do aktywacji pierwotnej regulacji częstotliwości/napięcia, sprzęt elektroniczny mocy brakuje bezwładności wirnika synchronicznego generatora i nie może wspierać systemu przeciwko nierównowadze mocy, co prowadzi do obniżenia stabilności systemu i pogorszenia jakości energii.

Technologia dystrybucyjnego magazynowania energii oferuje wykonalne rozwiązanie do rozwiązywania problemów statycznych i dynamicznych spowodowanych nierównowagą mocy na różnych skalach czasowych.

2.6.1 Technologia Skracania Szczytów i Regulacji Częstotliwości dla Magazynowania Energiej

Magazynowanie energii typu energii, reprezentowane przez dystrybucyjne pompowanie, baterie przepływowe, baterie litowo-jonowe i technologie magazynowania zimna/ciepła, może eliminować szczyty obciążeń, skracać szczyty i wypełniać doliny, gładzić fluktuacje i działać wraz z ładowarkami, aby złagodzić wpływ mocy ładowania, co zwiększa wykorzystanie sprzętu dystrybucji energii.

Technologia skracania szczytów i regulacji częstotliwości dla magazynowania energii stawia wysokie wymagania dla systemów magazynowania energii w zakresie pojemności, szybkości reakcji, kosztów, bezpieczeństwa i gęstości mocy/energii. Jeden typ magazynowania energii nie może spełnić tych wymagań, dlatego niezbędne są badania nad technologiami hybrydowego magazynowania energii o kompleksowych zaletach.

2.6.2 Technologia Wzmacniania Stabilności i Jakości Energiej

Technologia dystrybucyjnego magazynowania energii oferuje wykonalne rozwiązanie do poprawy stabilności i jakości energii w nowych systemach dystrybucji energii.

Niektórzy naukowcy zaproponowali metodę, która koordynuje systemy magazynowania energii ze strategiami kontroli invertora podłączonego do sieci, aby umożliwić DG dostarczanie dynamicznego wsparcia stabilności systemowi. Z dużą skalą integracji sprzętu elektronicznego mocy, które zmniejsza bezwładność systemu, invertory podłączone do sieci w połączeniu z magazynowaniem energii stają się ważnym środkiem do wzmacniania dynamicznej stabilności systemu.

Ponadto, magazynowanie energii typu mocy, reprezentowane przez superkondensatory, cechuje się szybkimi możliwościami reakcji i odgrywa kluczową rolę w poprawie jakości energii w systemach dystrybucji energii. Obecnie, dużej pojemności, bezpieczne i ekonomiczne urządzenia magazynowania energii dla technologii dystrybucyjnego magazynowania energii nie zostały jeszcze dojrzałe zastosowane, nie spełniając w pełni potrzeb skracania szczytów przy dużej skali integracji dodatkowych obciążeń.

2.6.3 Technologia Mikrosieci

Uważając na koordynowaną kontrolę różnych zasobów dystrybucyjnych na poziomie mikrosieci i traktując mikrosieć jako źródło napięcia/prądu zewnętrzne, można zredukować złożoność kontroli stabilności częstotliwości i napięcia w systemach dystrybucji energii.

Uważając na wzajemne wsparcie mocy i optymalizację dyspozycji na poziomie klastra mikrosieci, można wykorzystać uzupełniające cechy nowych źródeł energii i obciążeń w różnych regionach, aby rozwiązać problemy ekonomicznej dyspozycji, takie jak fluktuacje wydajności DG i różnice szczyt-dolina.

2.6.4 Technologia Dynamicznej Stabilności Częstotliwości i Napięcia dla Mikrosieci Nowych Źródeł Energiej

Jako względnie niezależny i autonomiczny obszar, mikrosieci nowych źródeł energii mają do czynienia z problemami dynamicznej stabilności podobnymi do tych występujących w systemach dystrybucji energii.

Niektórzy naukowcy zaproponowali strategię kontroli generatora synchronicznego wirtualnego (VSG). VSG jest powszechną metodą kontroli, która poprawia dynamiczne wsparcie częstotliwości i napięcia DG. Jej głównym pomysłem jest kontrola invertora podłączonego do sieci, aby symulować zewnętrzne cechy (moc aktywna-częstotliwość i moc reaktywna-napięcie) generatora synchronicznego.

Wirtualna bezwładność i tłumienie generatora synchronicznego symulowane przez tradycyjną technologię VSG są zwykle stałe. Podczas różnych rodzajów zakłóceń mocy, stałe parametry bezwładności nie mogą spełnić wymagań stabilności i szybkości dynamicznej regulacji częstotliwości mikrosieci.

Biorąc pod uwagę powyższe rozważania, niektórzy naukowcy zaproponowali technologię adaptacyjnej kontroli wirtualnej bezwładności. Ponadto, inni naukowcy zaproponowali technologię uogólnionej kontroli opadu, poprzez udoskonalenie tradycyjnej kontroli opadu, włączając drugorzędową regulację częstotliwości do tradycyjnej kontroli opadu, aby symulować cechy bezwładności i tłumienia.

2.6.5 Technologia Makro-Kontroli dla Klastrów Mikrosieci

Kluczowe kwestie w działaniu i kontroli klastrów mikrosieci dotyczą tego, jak osiągnąć jednolitą regulację wielu mikrosieci i jak zrealizować wzajemne wsparcie mocy i optymalizację działania.

Niektórzy naukowcy zaproponowali czteropoziomową strukturę kontroli dla klastrów mikrosieci, obejmującą warstwę dystrybucji energii, warstwę klastra mikrosieci, warstwę mikrosieci i warstwę jednostki.

Dwie główne strategie stosowane na warstwie klastra mikrosieci to kontrola master-slave i peer-to-peer.

• Kontrola master-slave wymaga wysokiej komunikacji między mikrosieciami i stwarza duży ciśnienie na jednostkę kontrolną główną do regulacji napięcia i częstotliwości.

• Kontrola peer-to-peer pokonuje te wady: każda jednostka mikrosieci wykonuje autonomiczną kontrolę peer-to-peer na podstawie wcześniej ustawionych krzywych opadu, bez potrzeby komunikacji lub kontroli wyższego poziomu.

Niektórzy naukowcy zaproponowali strategię kontroli dla hybrydowych klastrów mikrosieci składających się z mikrosieci AC i DC. Ta strategia standaryzuje charakterystyki mocy aktywnej-częstotliwości mikrosieci AC i charakterystyki mocy aktywnej-napięcia mikrosieci DC, aby uzyskać jednolitą skalę kontroli, umożliwiając kontrolę peer-to-peer hybrydowych klastrów mikrosieci.

Aby rozwiązać wyzwania związane z optymalizacją dyspozycji w czasie rzeczywistym dla klastrów mikrosieci, niektórzy naukowcy zaproponowali metodę modelowania koordynowanej optymalizacji klastrów mikrosieci opartą na częściowo obserwowalnym procesie decyzyjnym Markova (POMDP) w ramach zdecentralizowanej struktury. Ta metoda umożliwia modelowanie optymalizacyjne na podstawie częściowo obserwowanych informacji nawet w warunkach słabego komunikatu i używa mnożników Lagrange'a do rozdzielenia funkcji celu, zmniejszając złożoność rozwiązania. Te badania dostarczają ważne wskazówki dla realizacji optymalizacji dyspozycji w czasie rzeczywistym dla klastrów mikrosieci z złożonymi zmiennymi i kontrolą peer-to-peer.

3. Technologia Interakcji Źródła-Obciążenia

Technologia Elastycznego Wykorzystania Obciążeń i Zarządzania Obciążeniami

Elastyczne wykorzystanie obciążeń jest kluczowym elementem przyszłego rozwoju inteligentnego zużycia energii i oszczędzania energii, przyczyniając się do rozwoju społeczeństwa oszczędzającego energię.

Badania nad technologią regulacji elastycznych obciążeń obejmują:

• Klasyfikację i modelowanie elastycznych obciążeń na podstawie ich cech, aby w pełni wykorzystać potencjał elastyczności obciążeń.

• Aktywne doskonalenie mechanizmów elastycznych obciążeń i rozwijanie projektów demonstracyjnych.

• Wykorzystanie inteligentnych technologii do różnicowego analizowania zachowania użytkowników i poprawy dokładności regulacji.

Efektywne zarządzanie obciążeniami może złagodzić niezbalansowanie popytu i podaży w systemach nowych źródeł energii spowodowane niestabilnością nowych źródeł energii i niepewnościami na stronie obciążeń. Obecnie technologia zarządzania obciążeniami energii już ma funkcje takie jak zarządzanie opłatami za energię, zarządzanie stratami energii, analiza kradzieży energii i udostępnianie danych.

Z rozwojem technologii opartych na danych, wirtualnych elektrowni i komunikacji 5G, systemy zarządzania obciążeniami energii zostaną znacznie wzmocnione w zakresie predykcji danych obciążeń, technologii koordynowanej kontroli obciążeń i efektywności zarządzania. To silnie wspomoże koordynowane działanie różnych komponentów (np. generacji rozproszonej, pojazdów elektrycznych i systemów magazynowania energii) i poprawi racjonalne wykorzystanie zasobów.

3.1 Metody Obliczania Prądu Mocy Uwzględniające Niepewności Źródła-Obciążenia

Obliczanie prądu mocy jest ważnym fundamentem dla planowania i operacji dyspozycyjnych systemów dystrybucji energii.

Obecnie niektórzy naukowcy zaproponowali metody obliczania prądu mocy, które uwzględniają niepewności wydajności fotowoltaiki i wiatrowej. Ponadto, inni naukowcy zaproponowali metody obliczania prądu mocy, które uwzględniają niepewności obciążeń i reakcji obciążeń na potrzeby skracania szczytów.

Ogólnie rzecz biorąc, istniejące badania szeroko uwzględniają niepewności w różnych odsłonach interakcji źródła-obciążenia i proponują metody obliczania prądu mocy dla poszczególnych niepewności.