4 ключевые технологии умных сетей для новой энергетической системы: инновации в распределительных сетях

1. Исследование и разработка новых материалов и оборудования & управление активами

1.1 Исследование и разработка новых материалов и компонентов

Различные новые материалы являются прямыми носителями для преобразования энергии, передачи электроэнергии и оперативного контроля в новых системах распределения и потребления электроэнергии, непосредственно определяя эффективность, безопасность, надежность и стоимость системы. Например:

• Новые проводящие материалы могут снизить энергопотребление, решая проблемы, такие как нехватка энергии и загрязнение окружающей среды.

• Применение передовых электромагнитных материалов в датчиках интеллектуальной сети помогает улучшить надежность работы системы.

• Новые изоляционные материалы и изоляционные конструкции могут решить проблему более частых импульсных перенапряжений, вызванных интеграцией силовой электроники.

• Следующее поколение микроволновых радиочастотных устройств и силовой электроники, разработанное на основе третьего поколения полупроводниковых материалов (например, нитрида галлия (GaN) и карбида кремния (SiC)), может предоставить техническую поддержку для экономии энергии и снижения потребления в области связи и электроники.

1.2 Исследование и разработка нового энергетического оборудования и электроустановок

В отношении конкретных новых продуктов предприятия разрабатывают новое силовое электронное оборудование, особенно мягкие нормально открытые коммутационные устройства. Управляя активной и реактивной мощностью на подключенных линиях, эти устройства выполняют функции, такие как балансировка мощности, улучшение напряжения, перенос нагрузки и ограничение тока короткого замыкания.

В условиях развития Энергетического Интернета интеграция новых технологий для реализации "функциональности + мониторинга + электронизации + цифровизации + искусственного интеллекта" позволяет предприятиям выйти за рамки низкоуровневого копирования к высокотехнологичному производству, расширяться от отдельных продуктов до комплексных решений и трансформироваться от производственных заводов к инновационным объектам. Это позволяет низковольтному производству и инновациям в области электрооборудования способствовать углеродной нейтральности, цифровизации и устойчивому развитию.

1.3 Технология управления жизненным циклом энергетического оборудования

Новые системы распределения и потребления электроэнергии включают широкий спектр нового энергетического оборудования и устройств потребления, что делает важным полное управление жизненным циклом и экологическое проектирование оборудования распределения. Необходимо обеспечивать безопасную работу всего оборудования, одновременно достигая экономической эффективности.

Полный жизненный цикл эксплуатации и обслуживания охватывает фазу потребностей в закупках, фазу приемки оборудования, фазу производства и эксплуатации, а также фазу вывода из эксплуатации. В управлении активами следует внедрять интегрированный дизайн, чтобы обеспечить обмен данными и оптимизированное управление. Необходимо интегрировать технологии, такие как "Интернет+", чтобы расширить область управления и повысить его эффективность.

2. Распределенная генерация и технология микросетей

2.1 Технология распределенной генерации возобновляемой энергии

2.1.1 Эффективная и экономичная технология разработки новой и возобновляемой энергии

С развитием технологий разработки новой энергии некоторые источники возобновляемой энергии (например, ветровая и солнечная энергия) достигли высокого уровня применения и занимают доминирующее положение в системах распределения электроэнергии. Однако по-прежнему важно разрабатывать новые материалы и интегрированные технологии фотоэлектрических панелей с более низкой стоимостью и более высокой эффективностью.

Также необходимо дальнейшее продвижение других источников энергии, таких как водородная, геотермальная и биомасса. Примеры включают технологии производства, хранения и транспортировки водорода, многоступенчатые технологии использования геотермальной энергии и технологии биотоплива.

Кроме того, координированное развитие централизованной и распределенной новой энергии может снизить потери при передаче, повысить эффективность использования новой энергии и увеличить способность сети к ее абсорбции, что приводит к лучшим социальным и экономическим результатам.

2.2 Технология планирования распределенной энергии

Ключ к решению вопросов планирования и оптимизации владения распределенной энергией заключается в преодолении барьеров информационного общения и координации между различными субъектами.

С технической точки зрения, во время планирования необходимо учитывать больше технических ограничений, включая уровень напряжения, уровень короткого замыкания и качество электроэнергии (мерцание, гармоники).

С математической точки зрения, методы планирования, включающие многокритериальную и многонеопределенную комбинаторную оптимизацию, чрезвычайно сложны. Поэтому критически важна многокритериальная оптимизация планирования, которая интегрирует ресурсы и операции.

Кроме того, следует обратить внимание на: проведение сетевого анализа и оценки систем с распределенной энергией; исследование интеграции и оптимального планирования систем распределения электроэнергии и сетей связи; разработку моделей и инструментов моделирования для комплексного анализа надежности, рисков и экономики.

2.3 Активная поддержка технологии распределенной генерации новой энергии

Распределенная генерация (DG) должна не только регулировать частоту и напряжение в определенном диапазоне, но и подавлять быстрые изменения частоты и напряжения.

В настоящее время некоторые ученые предложили "компенсатор инерции-жесткости", который позволяет DG предоставлять мгновенную поддержку частоты и напряжения при дефиците мощности в системе. Способность DG поддерживать инерцию частоты количественно выражается через активную мощность, предоставленную при скачкообразных изменениях мощности, что служит основой для разработки последующих стандартов подключения к сети.

2.4 Технология прогнозирования выхода распределенной генерации новой энергии

Распределенная генерация новой энергии характеризуется широким пространственным распределением, сложными микрометеорологическими характеристиками окружающей среды и значительным влиянием зданий и человеческой деятельности, что делает прогнозирование выхода сложным.

Текущие исследования по прогнозированию выхода распределенной генерации новой энергии в основном сосредоточены на использовании прогнозов погоды и климатических условий для прогнозирования выработки электроэнергии, с чрезмерным акцентом на влиянии природных условий на выход новой энергии. Они не учитывают пространственные характеристики DG и факторы, связанные с человеческой социальной деятельностью.

2.5 Кластерная технология управления распределенной генерацией новой энергии

Распределенное управление является идеальным методом кластерного управления DG в системах распределения электроэнергии с высокой проникающей способностью новой энергии.

В настоящее время исследования кластерной технологии управления распределенной генерацией новой энергии находятся в начальной стадии. Основные достижения сосредоточены на управлении отдельными генерирующими устройствами, с малым вниманием к координационным стратегиям управления несколькими генерирующими устройствами, подключенными к системе через инверторы.

Остаются нерешенными ключевые вопросы: механизм неравномерного распределения мощности между несколькими инверторами при скачкообразных изменениях мощности; механизм взаимодействия многомасштабных стратегий управления несколькими инверторами; недостаточность традиционного управления по падению (основанного на характеристиках активной мощности-частоты и реактивной мощности-напряжения), когда сопротивление линий распределения электроэнергии нельзя игнорировать, что препятствует участию DG в первичном регулировании частоты и напряжения.

2.6 Технология распределенного хранения энергии

С точки зрения энергии, статические и динамические проблемы новых систем распределения электроэнергии в сущности являются проблемами несоответствия мощности на разных временных масштабах:

• На относительно длинном временном масштабе пиковых нагрузок, несоответствие мощности между стороной генерации и стороны нагрузки приводит к статическим проблемам, таким как разница между пиком и впадиной.

• На относительно коротком временном масштабе от скачкообразных изменений мощности до активации первичного регулирования частоты/напряжения, силовая электроника не имеет роторной инерции синхронных генераторов и не может поддерживать систему против несоответствия мощности, что приводит к снижению устойчивости системы и ухудшению качества электроэнергии.

Технология распределенного хранения энергии предоставляет реальное решение для решения статических и динамических проблем, вызванных несоответствием мощности на разных временных масштабах.

2.6.1 Технология сглаживания пиков и регулирования частоты для хранения энергии

Энергоемкое хранение энергии, представленное распределенными насосными хранилищами, проточными батареями, литий-ионными батареями и технологиями хранения тепла/холода, может устранять пиковые нагрузки, сглаживать пики и впадины, уравнивать колебания и работать совместно с зарядными станциями, чтобы смягчить воздействие мощности зарядки, тем самым повышая коэффициент использования оборудования распределения электроэнергии.

Технология сглаживания пиков и регулирования частоты для хранения энергии предъявляет высокие требования к системам хранения энергии в отношении емкости, скорости отклика, стоимости, безопасности и плотности мощности/энергии. Одиночный тип хранения энергии не может удовлетворить этим требованиям, поэтому необходимо проводить исследования по гибридным технологиям хранения энергии с комплексными преимуществами.

2.6.2 Технология улучшения стабильности и качества электроэнергии

Технология распределенного хранения энергии предоставляет реальное решение для улучшения стабильности и качества электроэнергии новых систем распределения электроэнергии.

Некоторые ученые предложили метод, который координирует системы хранения энергии с стратегиями управления инверторами, подключенными к сети, чтобы позволить DG предоставлять динамическую стабильную поддержку системе. С массовым внедрением силовой электроники, уменьшающей инерцию системы, инверторы, подключенные к сети, в сочетании с системами хранения энергии, станут важным средством для улучшения динамической стабильности системы.

Кроме того, энергоемкое хранение, представленное суперконденсаторами, обладает быстрой реакцией и играет ключевую роль в улучшении качества электроэнергии в системах распределения. В настоящее время большие, безопасные и экономичные устройства хранения энергии для технологии распределенного хранения энергии еще не нашли широкого применения, что не позволяет полностью удовлетворить потребности в сглаживании пиков при массовом внедрении дополнительных нагрузок.

2.6.3 Технология микросетей

Учитывая координационное управление различных распределенных ресурсов на уровне микросетей и рассматривая микросеть как источник напряжения/тока с внешней стороны, можно уменьшить сложность управления стабильностью частоты и напряжения в системах распределения электроэнергии.

Учитывая взаимопомощь и оптимизацию диспетчеризации на уровне кластера микросетей, можно использовать комплементарные характеристики новой энергии и нагрузок в различных регионах для решения экономических задач, таких как колебания выхода DG и разница между пиком и впадиной.

2.6.4 Технология динамической стабильности частоты и напряжения для микросетей новой энергии

Как относительно независимый и автономный регион, микросети новой энергии сталкиваются с динамическими проблемами стабильности, аналогичными системам распределения электроэнергии.

Некоторые ученые предложили стратегию управления виртуальным синхронным генератором (VSG). VSG - это распространенный метод для улучшения динамической поддержки частоты и напряжения DG. Его основная идея заключается в управлении инверторами, подключенными к сети, чтобы смоделировать внешние характеристики (активная мощность-частота и реактивная мощность-напряжение) синхронных генераторов.

Виртуальная инерция и демпфирование, моделируемые традиционной технологией VSG, обычно фиксированы. При различных типах возмущений мощности, фиксированные параметры инерции не могут удовлетворить требованиям стабильности и быстроты динамического регулирования частоты микросети.

На основе вышеуказанных соображений, некоторые ученые предложили адаптивную технологию управления виртуальной инерцией. Кроме того, другие ученые предложили усовершенствованную технологию управления по падению, включив вторичное регулирование частоты в традиционное управление по падению, чтобы смоделировать характеристики инерции и демпфирования.

2.6.5 Макро-технология управления кластерами микросетей

Ключевые вопросы в эксплуатации и управлении кластерами микросетей включают, как достичь единого регулирования нескольких микросетей и как реализовать взаимопомощь и оптимизацию мощности.

Некоторые ученые предложили четырехуровневую структуру управления кластерами микросетей, включающую уровни распределения электроэнергии, кластера микросетей, микросети и единицы.

Два основных подхода используются на уровне кластера микросетей: главный-ведомый контроль и равноправный контроль.

• Главный-ведомый контроль требует высокой коммуникации между микросетями и создает значительное давление на главный блок управления для регулирования напряжения и частоты.

• Равноправный контроль преодолевает эти недостатки: каждый блок микросети выполняет автономный равноправный контроль на основе заранее заданных кривых падения, без необходимости коммуникации или верхнего уровня управления.

Некоторые ученые предложили стратегию управления для гибридных кластеров микросетей, состоящих из AC и DC микросетей. Эта стратегия стандартизирует характеристики активной мощности-частоты AC микросетей и активной мощности-напряжения DC микросетей, чтобы получить единый масштаб управления, позволяющий выполнять равноправный контроль гибридных кластеров микросетей.

Для решения проблем оптимизации диспетчеризации в реальном времени кластеров микросетей, некоторые ученые предложили метод моделирования для координационной оптимизации кластеров микросетей на основе частично наблюдаемого процесса Маркова (POMDP) в децентрализованной структуре. Этот метод позволяет выполнять оптимизационное моделирование на основе частично наблюдаемой информации даже при слабой коммуникации, используя множители Лагранжа для декомпозиции целевой функции, что уменьшает сложность решения. Это исследование предоставляет важные рекомендации для реализации оптимизации диспетчеризации в реальном времени кластеров микросетей с комплексными переменными и равноправным контролем.

3. Технология взаимодействия источника и нагрузки

Гибкая технология использования нагрузки и управления нагрузкой

Гибкое использование нагрузки является ключевым элементом будущего развития интеллектуального использования энергии и энергосбережения, способствуя развитию энергосберегающего общества.

Исследования по технологии гибкого регулирования нагрузки включают:

• Классификацию и моделирование гибких нагрузок на основе их характеристик для полного раскрытия потенциала эластичности нагрузки.

• Активное улучшение механизмов гибкой нагрузки и продвижение строительства демонстрационных проектов.

• Использование интеллектуальных технологий для дифференцированного анализа поведения пользователей и улучшения точности регулирования.

Эффективное управление нагрузкой может снизить дисбаланс спроса и предложения в системах новой энергии, вызванный нестабильностью новой энергии и неопределенностью на стороне нагрузки. В настоящее время технологии управления нагрузкой уже имеют функции, такие как управление тарифами, управление потерями, анализ краж электроэнергии и обмен данными.

С развитием технологий, основанных на данных, виртуальных электростанций и 5G-коммуникаций, системы управления нагрузкой будут значительно улучшены в области прогнозирования данных нагрузки, технологии координационного управления нагрузкой и эффективности управления. Это будет сильно поддерживать согласованную работу различных компонентов (например, распределенной генерации, электромобилей и систем хранения энергии) и улучшать рациональное использование ресурсов.

3.1 Методы расчета потока мощности, учитывающие неопределенности источника и нагрузки

Расчет потока мощности является важным основанием для планирования и диспетчеризации систем распределения электроэнергии.

В настоящее время некоторые ученые предложили методы расчета потока мощности, учитывающие неопределенности выхода фотоэлектрических и ветровых установок. Кроме того, другие ученые предложили методы расчета потока мощности, учитывающие неопределенности нагрузки и реакции нагрузки на требования по сглаживанию пиков.

В целом, существующие исследования широко учитывали неопределенности в различных звеньях взаимодействия источника и нагрузки и предложили методы расчета потока мощности для отдельных неопределенностей. Однако отсутствует интегрированный анализ множества неопределенностей и их взаимодействия, что ограничивает точность расчета потока мощности в сложных новых системах распределения электроэнергии.

3.2 Технология многокритериальной оптимальной диспетчеризации систем распределения электроэнергии в режиме взаимодействия источника и нагрузки

В режиме взаимодействия источника и нагрузки решения по диспетчеризации в значительной степени влияют на безопасность и надежность работы системы.

В настоящее время некоторые ученые предложили многокритериальные оптимизационные решения для потока мощности, используя методы оптимизации второго порядка и алгоритмы оптимизации роя частиц. Эти решения используют множества Парето-оптимальных решений для многомерной оценки потенциально оптимальных решений, предоставляя диспетчерам более гибкие варианты принятия решений и облегчая безопасное, стабильное и экономически эффективное управление в режиме взаимодействия источника и нагрузки.

3.3 Технология экономической эксплуатации в условиях рынка электроэнергии

Стимулирование участия различных субъектов в торгах на рынке электроэнергии различными методами стимулирования является важным средством для продвижения взаимодействия источника и нагрузки. Конкретные технические формы включают управление спросом (DR) и виртуальные электростанции (VPPs).

В настоящее время основное внимание уделяется использованию ценовых стимулов для стимулирования энтузиазма пользоват