4 Tecnologias Chave de Rede Inteligente para o Novo Sistema de Energia: Inovações nas Redes de Distribuição
1. Pesquisa e Desenvolvimento de Novos Materiais e Equipamentos & Gestão de Ativos
1.1 Pesquisa e Desenvolvimento de Novos Materiais e Componentes
Vários novos materiais atuam como os portadores diretos para a conversão de energia, transmissão de energia e controle operacional em sistemas de distribuição e consumo de energia do tipo novo, determinando diretamente a eficiência operacional, segurança, confiabilidade e custos do sistema. Por exemplo:
Novos materiais condutores podem reduzir o consumo de energia, abordando problemas como escassez de energia e poluição ambiental.
Materiais magnéticos elétricos avançados aplicados em sensores de redes inteligentes ajudam a melhorar a confiabilidade da operação do sistema.
Novos materiais isolantes e estruturas de isolamento podem resolver os problemas mais frequentes de sobretensão transitória causados pela integração de equipamentos eletrônicos de potência.
Dispositivos de micro-ondas e radiofrequência de próxima geração e dispositivos eletrônicos de potência desenvolvidos com base em materiais semicondutores de terceira geração (representados por nitreto de gálio (GaN) e carbeto de silício (SiC)) podem fornecer suporte técnico para a conservação de energia e redução do consumo nos campos de comunicação e eletrônica.
1.2 Pesquisa e Desenvolvimento de Novos Equipamentos Elétricos e Instalações de Consumo de Energia
Em termos de produtos específicos, as empresas desenvolvem novos equipamentos eletrônicos de potência, especialmente disjuntores normalmente abertos suaves. Controlando os fluxos de potência ativa e reativa nos alimentadores conectados, esses dispositivos alcançam funções como equilíbrio de potência, melhoria de tensão, transferência de carga e limitação de corrente de falha.
Amid the wave of the Energy Internet, integrating new technologies to realize "function + monitoring + electronization + digitalization + artificial intelligence" enables enterprises to move beyond low-end imitation to high-end manufacturing, expand from single products to comprehensive solutions, and transform from manufacturing factories to innovation-driven facilities. This allows low-voltage electrical equipment manufacturing and innovation to contribute to low-carbonization, digitalization, and sustainable development.
1.3 Tecnologia de Gestão de Ativos ao Longo de Todo o Ciclo de Vida para Equipamentos Elétricos
Sistemas de distribuição e consumo de energia do tipo novo envolvem uma variedade de novos equipamentos elétricos e dispositivos de consumo de energia, tornando a gestão ao longo de todo o ciclo de vida e o design ecológico dos equipamentos de distribuição extremamente importantes. É essencial garantir a operação segura de todos os equipamentos, enquanto se alcança a eficiência econômica.
A operação e manutenção ao longo de todo o ciclo de vida abrange a fase de demanda de aquisição, a fase de aceitação de equipamentos, a fase de produção e operação, e a fase de descomissionamento. Na gestão de ativos, deve-se implementar um design integrado para garantir o compartilhamento de dados e a gestão otimizada. Tecnologias como "Internet +" devem ser integradas para expandir o escopo de gestão e melhorar a eficiência de gestão.
2. Tecnologia de Geração Distribuída e Microgrid
2.1 Tecnologia de Geração Distribuída de Nova Energia
2.1.1 Tecnologia de Desenvolvimento Eficiente e Econômico de Nova Energia & Energia Renovável
Com os avanços nas tecnologias de desenvolvimento de nova energia, algumas fontes de energia renováveis (por exemplo, energia eólica e solar) alcançaram um alto nível de aplicação e agora ocupam uma posição dominante nos sistemas de distribuição de energia. No entanto, é crucial desenvolver novos materiais e tecnologias de painéis fotovoltaicos integrados com custos mais baixos e maior eficiência.
Ao mesmo tempo, o desenvolvimento de outras fontes de energia, como a energia de hidrogênio, energia geotérmica e energia de biomassa, precisa ser ainda mais promovido. Exemplos incluem tecnologias de produção, armazenamento e transporte de hidrogênio, tecnologias de utilização geotérmica em várias etapas e tecnologias de biocombustíveis.
Além disso, o desenvolvimento coordenado de energia nova centralizada e distribuída pode reduzir as perdas de transmissão, melhorar a eficiência de utilização da nova energia e aumentar a capacidade da rede de absorver a nova energia, proporcionando assim melhores benefícios sociais e econômicos.
2.2 Tecnologia de Planejamento de Energia Distribuída
A chave para lidar com o planejamento e otimização da propriedade de energia distribuída está em quebrar as barreiras de comunicação de informações e coordenação de despacho entre diferentes entidades.
Do ponto de vista técnico, mais restrições técnicas devem ser consideradas na fase de planejamento, incluindo o nível de tensão, o nível de corrente de curto-circuito e a qualidade da energia (flicker, harmônicos).
Do ponto de vista matemático, os métodos de planejamento envolvendo otimização combinatória multiobjetivo e multiincerteza são altamente complexos. Portanto, é crucial o planejamento de otimização multiobjetivo que integra recursos e operações.
Além disso, deve-se prestar atenção a: realizar análise e avaliação de rede para sistemas com energia distribuída; pesquisar a integração e planejamento ótimo de sistemas de distribuição de energia e redes de comunicação; e desenvolver modelos e ferramentas de simulação para análise abrangente de confiabilidade, risco e economia.
2.3 Tecnologia de Suporte Ativo para Geração Distribuída de Nova Energia
A geração distribuída (DG) não apenas precisa ajustar a frequência e a tensão dentro de um certo intervalo, mas também suprimir mudanças rápidas na frequência e na tensão.
Atualmente, alguns estudiosos propuseram um "compensador de inércia-rigidez", que permite à DG fornecer suporte instantâneo de frequência e tensão quando o sistema experimenta déficits de potência. A capacidade de suporte de inércia de frequência da DG é expressa quantitativamente usando a compensação de potência ativa fornecida durante mudanças de passo de potência, fornecendo uma base para formular padrões de conexão à rede subsequentes.
2.4 Tecnologia de Previsão de Saída para Geração Distribuída de Nova Energia
A geração distribuída de nova energia apresenta ampla distribuição espacial, características meteorológicas microambientes complexas e impactos significativos de edifícios e atividades humanas, tornando a previsão de saída desafiadora.
As pesquisas atuais sobre a previsão de saída da geração distribuída de nova energia se concentram principalmente no uso de previsões meteorológicas e condições climáticas para a previsão de geração de energia, com ênfase excessiva no impacto das condições naturais na saída de nova energia. Falta consideração das características de distribuição espacial da DG e fatores relacionados às atividades sociais humanas.
2.5 Tecnologia de Controle em Cluster para Geração Distribuída de Nova Energia
O controle distribuído é um método ideal de controle em cluster para DG em sistemas de distribuição de energia com alta penetração de nova energia.
Atualmente, a pesquisa sobre tecnologia de controle em cluster para geração distribuída de nova energia ainda está em seus primórdios. As realizações relevantes se concentram principalmente no controle de dispositivos individuais de geração de energia, com pouca consideração para estratégias de controle coordenado de múltiplos dispositivos de geração de nova energia conectados ao sistema via inversores de conexão à rede.
Questões-chave permanecem sem solução: o mecanismo de distribuição desequilibrada de potência entre múltiplos inversores durante mudanças de passo de potência; o mecanismo de interação de estratégias de controle de múltiplas escalas temporais para múltiplos inversores; e a inadequação do controle de droop tradicional (baseado em curvas de características de potência ativa-frequência e potência reativa-tensão) quando a resistência das linhas de distribuição de energia não é desprezível, impedindo a DG de participar da regulação primária de frequência e tensão.
2.6 Tecnologia de Armazenamento de Energia Distribuída
Do ponto de vista de energia, os problemas estáticos e dinâmicos dos sistemas de distribuição de energia do tipo novo são, essencialmente, problemas de desequilíbrio de potência em diferentes escalas de tempo:
Na escala de tempo relativamente longa dos períodos de pico de carga, o desequilíbrio de potência entre os lados de geração e carga leva a problemas estáticos, como diferenças de pico-vale.
Na escala de tempo relativamente curta, desde as mudanças de passo de potência até a ativação da regulação primária de frequência/tensão, o equipamento eletrônico de potência carece da inércia do rotor dos geradores síncronos e não pode suportar o sistema contra o desequilíbrio de potência, resultando em redução da estabilidade do sistema e deterioração da qualidade da energia.
A tecnologia de armazenamento de energia distribuída fornece uma solução viável para abordar os problemas estáticos e dinâmicos causados pelo desequilíbrio de potência em diferentes escalas de tempo.
2.6.1 Tecnologia de Corta-Picos e Regulação de Frequência para Armazenamento de Energia
O armazenamento de energia do tipo energia, representado por armazenamento de bomba distribuído, baterias de fluxo, baterias de íon-lítio e tecnologias de armazenamento de frio/calor, pode eliminar picos de carga, cortar picos e preencher vales, suavizar flutuações e operar em conjunto com postos de recarga para mitigar o impacto da potência de recarga, melhorando assim a taxa de utilização dos equipamentos de distribuição de energia.
A tecnologia de corta-picos e regulação de frequência para armazenamento de energia impõe requisitos elevados aos sistemas de armazenamento de energia em termos de capacidade, velocidade de resposta, custo, segurança e densidade de potência/energia. Um único tipo de armazenamento de energia não pode atender a esses requisitos, portanto, é necessário pesquisar tecnologias de armazenamento híbrido com vantagens abrangentes.
2.6.2 Tecnologia de Melhoria de Estabilidade e Qualidade de Energia
A tecnologia de armazenamento de energia distribuída fornece uma solução viável para melhorar a estabilidade e a qualidade de energia dos sistemas de distribuição de energia do tipo novo.
Alguns estudiosos propuseram um método que coordena sistemas de armazenamento de energia com estratégias de controle de inversores de conexão à rede para permitir que a DG forneça suporte de estabilidade dinâmica ao sistema. Com a grande integração de equipamentos eletrônicos de potência reduzindo a inércia do sistema, inversores de conexão à rede combinados com armazenamento de energia se tornarão um meio importante para melhorar a estabilidade dinâmica do sistema.
Além disso, o armazenamento de energia do tipo potência, representado por supercapacitores, possui capacidades de resposta rápida e desempenha um papel fundamental na melhoria da qualidade de energia dos sistemas de distribuição de energia. Atualmente, dispositivos de armazenamento de energia de grande capacidade, seguros e econômicos para tecnologia de armazenamento de energia distribuída ainda não foram aplicados de forma madura, não conseguindo atender plenamente às necessidades de corta-picos da grande integração de cargas incrementais.
2.6.3 Tecnologia de Microgrid
Considerando o controle coordenado de diversos recursos distribuídos no nível de microgrid e equiparando o microgrid a uma fonte de tensão/corrente externa, pode-se reduzir a complexidade do controle de estabilidade de frequência e tensão nos sistemas de distribuição de energia.
Considerando a assistência mútua de energia e a otimização de despacho no nível de clusters de microgrids, pode-se aproveitar as características complementares de nova energia e cargas em diferentes regiões para abordar questões de despacho econômico, como flutuações de saída da DG e diferenças de pico-vale.
2.6.4 Tecnologia de Estabilidade Dinâmica de Frequência e Tensão para Microgrids de Nova Energia
Como uma região relativamente independente e autônoma, os microgrids de nova energia enfrentam problemas de estabilidade dinâmica semelhantes aos dos sistemas de distribuição de energia.
Alguns estudiosos propuseram uma estratégia de controle de gerador síncrono virtual (VSG). O VSG é um método comum de controle para melhorar as capacidades de suporte dinâmico de frequência e tensão da DG. Sua ideia central é controlar os inversores de conexão à rede para simular as características externas (potência ativa-frequência e potência reativa-tensão) dos geradores síncronos.
A inércia e amortecimento virtuais dos geradores síncronos simulados pela tecnologia VSG tradicional geralmente são fixos. Sob diferentes tipos de perturbações de potência, parâmetros de inércia fixos não podem atender aos requisitos de estabilidade e rapidez da regulação dinâmica de frequência do microgrid.
Com base nessas considerações, alguns estudiosos propuseram tecnologia de controle de inércia virtual adaptativa. Além disso, outros estudiosos propuseram tecnologia de controle de droop generalizado, aprimorando o controle de droop tradicional—incorporando o controle de frequência secundário no controle de droop tradicional para simular características de inércia e amortecimento.
2.6.5 Tecnologia de Controle Macro para Clusters de Microgrids
Questões-chave na operação e controle de clusters de microgrids incluem como alcançar a regulagem unificada de múltiplos microgrids e como realizar a assistência mútua de energia e a operação otimizada.
Alguns estudiosos propuseram uma estrutura de controle de quatro níveis para clusters de microgrids, incluindo a camada de distribuição de energia, a camada de cluster de microgrids, a camada de microgrid e a camada de unidade.
Duas principais estratégias são usadas na camada de cluster de microgrids: controle mestre-escravo e controle peer-to-peer.
O controle mestre-escravo requer alta comunicação entre microgrids e impõe pressão significativa na unidade de controle mestre para a regulação de tensão e frequência.
O controle peer-to-peer supera essas desvantagens: cada unidade de microgrid realiza controle peer-to-peer autônomo com base em curvas de droop pré-definidas, sem a necessidade de comunicação ou controle de nível superior.
Alguns estudiosos propuseram uma estratégia de controle para clusters de microgrids híbridos compostos por microgrids AC e DC. Esta estratégia padroniza as características de potência ativa-frequência dos microgrids AC e as características de potência ativa-tensão dos microgrids DC para obter uma escala de controle unificada, permitindo o controle peer-to-peer de clusters de microgrids híbridos.
Para abordar os desafios de otimização de despacho em tempo real para clusters de microgrids, alguns estudiosos propuseram um método de modelagem para a otimização coordenada de clusters de microgrids baseada em um processo de decisão de Markov parcialmente observável (POMDP) sob uma estrutura descentralizada. Este método permite a modelagem de otimização com base em informações parcialmente observadas, mesmo em condições de comunicação fraca, e usa multiplicadores de Lagrange para descobrir a função objetivo, reduzindo a complexidade da solução. Esta pesquisa fornece orientações importantes para a realização de otimização de despacho em tempo real de clusters de microgrids com variáveis complexas e controle peer-to-peer.
3. Tecnologia de Interação Fonte-Carga
Tecnologia de Utilização Flexível de Carga e Gerenciamento de Carga
A utilização flexível de carga é um elo-chave no desenvolvimento futuro do uso inteligente de energia e conservação de energia, contribuindo para o desenvolvimento de uma sociedade de economia de energia.
A pesquisa sobre tecnologia de regulação de carga flexível inclui:
Classificação e modelagem de cargas flexíveis com base em suas características para explorar plenamente o potencial de elasticidade de carga.
Melhoria ativa dos mecanismos de carga flexível e avanço na construção de projetos pilotos.
Uso de tecnologias inteligentes para realizar análise diferenciada do comportamento do usuário e melhorar a precisão da regulação.
O gerenciamento de carga eficaz pode aliviar o desequilíbrio de oferta e demanda nos sistemas de nova energia causado pela instabilidade da nova energia e incertezas no lado da carga. Atualmente, a tecnologia de gerenciamento de carga de energia já possui funções como gerenciamento de tarifas de energia, gerenciamento de perdas de energia, análise de roubo de energia e compartilhamento de dados.
Com o desenvolvimento de tecnologias impulsionadas por dados, plantas de energia virtual e comunicação 5G, os sistemas de gerenciamento de carga de energia serão significativamente aprimorados em termos de previsão de dados de carga, tecnologia de controle de coordenação de carga e eficácia de gerenciamento. Isso fornecerá forte suporte para a operação coordenada de vários componentes (por exemplo, geração distribuída, veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia) e melhorará a utilização racional de recursos.
3.1 Métodos de Cálculo de Fluxo de Potência Considerando Incertezas Fonte-Carga
O cálculo de fluxo de potência é uma base importante para o planejamento e operação de despacho dos sistemas de distribuição de energia.
Atualmente, alguns estudiosos propuseram métodos de cálculo de fluxo de potência que consideram as incertezas de saída de energia fotovoltaica e eólica. Além disso, outros estudiosos propuseram métodos de cálculo de fluxo de potência que consideram as incertezas de carga e as incertezas na resposta de carga às demandas de corta-picos.
No geral, a pesquisa existente considerou extensivamente as incertezas em vários elos da interação fonte-carga e propôs métodos de cálculo de fluxo de potência para incertezas individuais. No entanto, falta uma análise integrada de múltiplas incertezas e seus efeitos acoplados, o que limita a precisão do cálculo de fluxo de potência em sistemas de distribuição de energia do tipo novo complexos.
3.2 Tecnologia de Despacho Ótimo Multiobjetivo para Sistemas de Distribuição de Energia no Modo de Interação Fonte-Carga
No modo de interação fonte-carga, as decisões de despacho afetam em grande parte a segurança e a confiabilidade da operação do sistema.
Atualmente, alguns estudiosos propuseram soluções de otimização de fluxo de potência multiobjetivo usando otimização de cone de segunda ordem e algoritmos de otimização por enxame de partículas. Essas soluções usam conjuntos de soluções ótimas de Pareto para realizar avaliações multidimensionais de soluções potenciais, fornecendo aos despachantes opções de tomada de decisão mais flexíveis e facilitando a realização de despacho seguro, estável e econômico no modo de interação fonte-carga.
3.3 Tecnologia de Operação Econômica no Ambiente de Mercado de Energia
Orientar múltiplas entidades a participar de transações no mercado de energia através de vários métodos de incentivo é um meio importante para promover a interação fonte-carga. Formas técnicas específicas incluem resposta à demanda (DR) e plantas de energia virtual (VPPs).
Atualmente, a pesquisa relevante se concentra no uso de mecanismos de incentivo de preço para estimular o entusiasmo dos usuários para participar. Para explorar e mobilizar plenamente os recursos ajustáveis no sistema, alguns estudiosos realizaram pesquisas sobre: consciência situacional global de fonte-rede-carga; avaliação quantitativa em tempo real das capacidades de resposta; implementação de estratégias de resposta do grupo ao indivíduo; tecnologia de controle coordenado de fonte-rede-carga; e características de múltiplas escalas de tempo de cargas. Esta pesquisa fornece ideias para o desenvolvimento de tecnologia de equilíbrio dinâmico de potência do sistema baseada em resposta à demanda.
A pesquisa sobre interação fonte-carga se concentra principalmente em dois aspectos: tecnologia de análise e otimização de fluxo de potência e mecanismos de orientação de mercado.
Em termos de tecnologia de análise e otimização de fluxo de potência, as tecnologias existentes ignoram as características de acoplamento espaço-temporal e as características de correlação térmica causadas pela agregação de fonte-carga nos sistemas de distribuição de energia, dificultando a melhoria da precisão do controle de fluxo de potência dos sistemas de distribuição de energia do tipo novo e a suavização das diferenças de pico-vale em escalas de tempo curtas.
Em termos de mecanismos de orientação de mercado, considerando o atraso inevitável da resposta de carga, a resposta à demanda não pode resolver perfeitamente o problema de diferença de pico-vale dos sistemas de distribuição de energia. É necessário integrar a tecnologia de controle de carga flexível profunda para permitir que as curvas de consumo de energia da carga acompanhem as curvas de geração de nova energia em tempo real, alcançando assim o equilíbrio fonte-carga em tempo real, resolvendo fundamentalmente o problema de diferença de pico-vale e melhorando a taxa de utilização dos equipamentos de distribuição de energia.
4. Tecnologia de Distribuição de Energia em Corrente Contínua
