4 ključne tehnologije pametnega omrežja za nov energetski sistem Inovacije v distribucijskih omrežjih

1. Razvoj novih materialov in opreme ter upravljanje sredstvi

1.1 Razvoj novih materialov in komponent

Različni novi materiali so neposredni nosilci za pretvorbo energije, prenos struje in operativno nadzor v novih sistemih distribucije in porabe električne energije, kar neposredno določa učinkovitost, varnost, zanesljivost in stroške sistema. Na primer:

• Novi prevodni materiali lahko zmanjšajo porabo energije, reševanje problemov, kot sta pomanjkanje energije in onesnaževanje okolja.

• Napredni elektromagnetni materiali, uporabljeni v senzorjih pametnih omrežij, pomagajo izboljšati zanesljivost delovanja sistema.

• Novi izolacijski materiali in izolacijske strukture lahko rešijo pogostejše probleme prehodnih impulznih presežkov napetosti, ki jih povzroča integracija elektronske opreme.

• Naslednje generacije mikrovalovskih radiofrekvenčnih naprav in močne elektronike, razvite na osnovi tretje generacije polprevodniških materialov (predstavljene z galijem nitridom (GaN) in škofijem krystalom (SiC)), lahko zagotovijo tehnično podporo za ohranjanje energije in zmanjšanje porabe v področjih komunikacij in elektronike.

1.2 Razvoj nove močne opreme in naprav za porabo električne energije

V smislu specifičnih novih izdelkov, podjetja razvijajo novo močno elektronsko opremo, posebej mehke normalno odprte preklopne naprave. S kontrolo aktivnih in reaktivnih tokov na povezanih vodnikih te naprave dosežejo funkcije, kot so ravnotežje moči, izboljšanje napetosti, prenos bremen in omejevanje tokov pri odpornikih.

V valovju Energetskega interneta, integracija novih tehnologij za realizacijo "funkcija + spremljanje + elektronizacija + digitalizacija + umetna inteligenca" omogoča podjetjem, da se premaknejo iz nizko-končne imitacije v visoko-končno proizvodnjo, razširijo iz enostavnih izdelkov do celostnih rešitev in se transformirajo iz proizvodnih tovarn do inovativnih objektov. To omogoča proizvodnjo in inovacije nizek-naponne električne opreme, da prispevajo k nizko-ogljikovemu, digitalnemu in trajnostnemu razvoju.

1.3 Tehnologija celozivljenjskega upravljanja sredstvi za močno opremo

Novi sistemi distribucije in porabe električne energije vključujejo širok spekter nove močne opreme in naprav za porabo, kar čini celozivljenjsko upravljanje in ekološki dizajn opreme za distribucijo zelo pomembnim. Ključno je, da se zagotovi varno delovanje vseh naprav, hkrati pa se doseže gospodarska učinkovitost.

Celozivljenjsko delovanje in vzdrževanje zajema fazo zahtev po nakupu, fazo sprejema opreme, fazo proizvodnje in delovanja ter fazo razbriševanja. V upravljanju sredstvi bi morala biti implementirana integrirana oblika, da se zagotovi deljenje podatkov in optimizirano upravljanje. Tehnologije, kot so "Internet +", bi morale biti integrirane, da se razširi obseg upravljanja in izboljša učinkovitost upravljanja.

2. Distribuirana proizvodnja in tehnologija mikrogrede

2.1Tehnologija distribuirane nove proizvodnje energije

2.1.1 Učinkova in ekonomična tehnologija razvoja nove in obnovljive energije

Z napredkom tehnologij razvoja nove energije, nekatere obnovljive virov energije (npr. vetra in sončne energije) so dosegli visoko raven uporabe in zdaj zasedajo dominantno položaj v sistemih distribucije električne energije. Vendar je ključnega pomena razviti nove materialne in integrirane tehnologije fotovoltaičnih panelov z nižjimi stroški in višjo učinkovitostjo.

Hkrati je potrebno nadalje spodbujati razvoj drugih virov energije, kot so vodikova energija, geotermalna energija in biomasna energija. Primeri takšnih tehnologij vključujejo tehnologije proizvodnje, shranjevanja in prevoza vodika, večrazsežne tehnologije uporabe geotermalne energije in tehnologije biogoriva.

Dodatno pa lahko usklajeni razvoj centralizirane in distribuirane nove energije zmanjša izgube pri prenosu, izboljša učinkovitost uporabe nove energije in poveča sposobnost mreže, da sprejme novo energijo, s tem pa prinaša boljše družbeno-ekonomske koristi.

2.2 Tehnologija planiranja distribuirane energije

Ključ za reševanje planiranja in optimizacije lastništva distribuirane energije leži v prelomu informacijskih komunikacijskih ovir in koordinacijskih ovir med različnimi entitetami.

Iz tehničnega vidika je treba v fazi planiranja upoštevati več tehničnih omejitev, vključno z ravnmi napetosti, ravnmi kratkoročnih tokov in kakovostjo energije (trepetanje, harmonike).

Iz matematičnega vidika so metode planiranja, ki vključujejo več ciljev in več neznanosti, kombinatorično optimizacijo zelo kompleksne. Zato je ključnega pomena večciljinsko optimizacijsko planiranje, ki združuje vire in operacije.

Dodatno pa je treba posvetiti pozornost: izvajanju analize in ocenjevanja omrežja za sisteme z distribuirano energijo; raziskovanju integracije in optimalnega planiranja sistemov distribucije energije in komunikacijskih omrežij; in razvoju modelov in simulacijskih orodij za celostno analizo zanesljivosti, tveganja in ekonomije.

2.3 Aktivna podpora tehnologiji distribuirane nove proizvodnje energije

Distribuirana proizvodnja (DG) mora ne le prilagoditi frekvenco in napetost v določenem obsegu, ampak tudi utišati hitre spremembe frekvence in napetosti.

Trenutno so nekateri znanstveniki predlagali "inertno-stegnostni kompensator," ki omogoča DG, da pruža trenutno podporo frekvenci in napetosti, ko sistem doživi manjek moči. Frekvenčna inertna podpora DG je kvantitativno izražena z aktivno močno kompenzacijo, ki jo pruža med spremembami moči, kar pruža osnovo za izdelavo nadaljnjih standardov za povezovanje na omrežje.

2.4 Tehnologija napovedovanja izhoda distribuirane nove proizvodnje energije

Distribuirana nova proizvodnja energije ima široko prostorsko porazdelitev, zapletene okoliške mikroklimatske značilnosti in velik vpliv zgradb in človeških dejavnosti, kar napovedovanje izhoda oteži.

Trenutna raziskovanja o izhodu distribuirane nove proizvodnje energije se glavno osredotočajo na uporabo vremenskih napovedi in klimatskih pogojev za napoved proizvodnje, s prevelikim poudarkom na vplivu naravnih pogojev na izhod nove energije. Manjka upoštevanje prostorskih značilnosti DG in dejavnikov, povezanih s človeškimi družbenimi dejavnostmi.

2.5 Tehnologija skupinskega nadzora distribuirane nove proizvodnje energije

Distribuiran nadzor je idealna skupinska metoda nadzora za DG v sistemih distribucije z visokim deležem nove energije.

Trenutno je raziskovanje tehnologije skupinskega nadzora distribuirane nove proizvodnje energije še v začetku. Relevanta dosežka se glavno osredotočajo na nadzor posameznih naprav za proizvodnjo, z manjšim upoštevanjem koordiniranih strategij nadzora za več novih naprav za proizvodnjo, povezanih s sistemom preko inverterskih naprav.

Ključni problemi ostajajo nerazrešeni: mehanizem neravnomernega razporeditve moči med več inverterskimi napravami med spremembami moči; mehanizem interakcije veččasovnih strategij nadzora za več inverterskih naprav; in nedostatek tradicionalnega propadanja (na osnovi karakterističnih krivulj aktivne moči-frekvence in reaktivne moči-napetosti), ko je upor protodistribucijskih vrvi nezanedljiv, kar onemogoča DG, da sodeluje pri primarnem frekvenčnem in napetostnem reguliranju.

2.6 Tehnologija distribuiranega shranjevanja energije

Iz perspektive moči so statični in dinamični problemi novih sistemov distribucije električne energije bistveno problemi neravnotežja moči na različnih časovnih lestvicah:

• Na relativno dolgi časovni lestvici obdobja vrhovnih obremenitev, neravnotežje moči med proizvodnjo in obremenitvijo vodi do statičnih problemov, kot so razlike med vrhovima in dolinama.

• Na relativno kratki časovni lestvici od sprememb moči do aktiviranja primarne frekvenčne/voltne regulacije, elektronska oprema za moč nima rotorine inercije sinhronnih generatorjev in ne more podpirati sistema proti neravnotežju moči, kar vodi do zmanjšane stabilnosti sistema in poslabšanja kakovosti moči.

Tehnologija distribuiranega shranjevanja energije pruža možno rešitev za obravnavanje statičnih in dinamičnih problemov, ki so povzročeni neravnotežjem moči na različnih časovnih lestvicah.

2.6.1 Tehnologija odstranjevanja vrhov in regulacije frekvence za shranjevanje energije

Energetska shranjevanja, predstavljena z distribuiranimi pumpiranimi shrambi, tokovimi baterijami, litij-ionskimi baterijami in tehnologijami hladne/gorive shrambe, lahko odstranijo vrhove obremenitev, odstranijo vrhove in izpolnijo doline, zgladijo nihanja in delujejo skupaj s stolpi za polnjenje, da zmanjšajo vpliv moči polnjenja, s tem pa izboljšajo uporabnost opreme za distribucijo električne energije.

Tehnologija odstranjevanja vrhov in regulacije frekvence za shranjevanje energije postavlja visoke zahteve na sisteme shranjevanja energije glede kapacitete, hitrosti odziva, stroškov, varnosti in gostote moči/energije. En sam tip shranjevanja energije ne more zadostiti teh zahtev, zato je potrebno raziskovati hibridne tehnologije shranjevanja energije s komprehensivnimi prednostmi.

2.6.2 Tehnologija izboljšanja stabilnosti in kakovosti moči

Tehnologija distribuiranega shranjevanja energije pruža možno rešitev za izboljšanje stabilnosti in kakovosti moči novih sistemov distribucije električne energije.

Nekateri znanstveniki so predlagali metodo, ki koordinira sisteme shranjevanja energije z kontrolnimi strategijami povezanih inverterskih naprav, da DG pruža dinamično stabilno podporo sistemu. S velikomaskim vključevanjem elektronske opreme za moč bo kombinacija povezanih inverterskih naprav in shranjevanja energije postala pomembna metoda za izboljšanje dinamične stabilnosti sistema.

Dodatno pa igrajo energetska shranjevanja, predstavljena s superkapacitorji, zaradi svoje hitre odzivne zmogljivosti ključno vlogo pri izboljšanju kakovosti moči sistemov distribucije električne energije. Trenutno pa še niso zrelo uporabljene velikokapacitne, varne in ekonomične naprave za distribuirano shranjevanje energije, ki ne zmožno popolnoma zadostiti potrebam odstranjevanja vrhov pri velikomaskem vključevanju dodatnih obremenitev.

2.6.3 Tehnologija mikrogrede

Če se upošteva koordinirani nadzor različnih distribuiranih virov na ravni mikrogrede in mikrogredo enačimo z zunanjim virom napetosti/toka, se lahko zmanjša kompleksnost nadzora frekvence in napetosti v sistemih distribucije električne energije.

Če se upošteva vzajemna pomoč in optimizacija razporejanja na ravni skupin mikrogred, se lahko izkoristi komplementarna značilnost nove energije in obremenitev v različnih regijah, da se rešijo ekonomska vprašanja, kot so nihanja izhoda DG in razlike med vrhovima in dolinama.

2.6.4 Tehnologija dinamične stabilnosti frekvence in napetosti za mikrogrede nove energije

Kot relativno neodvisna in avtonomna regija, mikrogrede nove energije soočajo z dinamičnimi problemi stabilnosti, podobno kot sistemi distribucije električne energije.

Nekateri znanstveniki so predlagali kontrolno strategijo virtualnega sinhronnega generatorja (VSG). VSG je običajna kontrolna metoda za izboljšanje dinamične podpore frekvence in napetosti DG. Njegov ključni ideja je, da se povezane inverterske naprave nadzirajo, da simulično izvirne značilnosti (aktivna moč-frekvencija in reaktivna moč-napetost) sinhronnih generatorjev.

Virtualna inercija in demping sinhronnih generatorjev, simulirani z tradicionalno VSG tehnologijo, so običajno fiksni. Pod različnimi vrstami motenj moči fiksni parametri inercije ne morejo zadostiti zahtevam stabilnosti in hitrosti dinamične regulacije frekvence mikrogrede.

Na podlagi zgornjih razmislek so nekateri znanstveniki predlagali tehnologijo prilagodljivega virtualnega inercialnega nadzora. Dodatno pa so nekateri znanstveniki predlagali generalizirano propadajočo kontrolno tehnologijo z izboljšavo tradicionalne propadajoče kontrole, ki vključuje sekundarno frekvenčno kontrolno v tradicionalno propadajočo kontrolno, da simulira inercijo in demping.

2.6.5 Makro-nadzorna tehnologija za skupine mikrogred

Ključni problemi v delovanju in nadzoru skupin mikrogred vključujejo, kako doseči unificirano reguliranje več mikrogred in kako doseči vzajemno pomoč in optimizirano delovanje.

Nekateri znanstveniki so predlagali štiristopenjsko nadzorno strukturo za skupine mikrogred, vključno z slojem distribucije, slojem skupine mikrogred, slojem mikrogrede in slojem enote.

Na sloju skupine mikrogred se uporabljata dve glavni strategiji: nadzor gospodarja in nadzor med sodobniki.

• Nadzor gospodarja zahteva visoko komunikacijo med mikrogredmi in stavlja veliko pritiska na gospodarsko nadzorno enoto za reguliranje napetosti in frekvence.

• Nadzor med sodobniki premoči te pomanjkljivosti: vsaka enota mikrogrede izvaja samostojen nadzor med sodobniki na podlagi prednastavljenih propadajočih krivulj, brez potrebe po komunikaciji ali nadzoru višjih stopnji.

Nekateri znanstveniki so predlagali nadzorno strategijo za mešane skupine mikrogred, sestavljene iz AC in DC mikrogred. Ta strategija standardizira značilnosti aktivne moči-frekvence AC mikrogred in značilnosti aktivne moči-napetosti DC mikrogred, da se dobi unificirano nadzorno merilo, s tem pa omogoči nadzor med sodobniki mešanih skupin mikrogred.

Za reševanje izzivov realnega časa optimizacije razporejanja skupin mikrogred so nekateri znanstveniki predlagali metodologijo za koordinirano optimizacijo skupin mikrogred na podlagi delno opazljivega Markovskega procesa odločanja (POMDP) v decentralizirani strukturi. Ta metoda omogoča optimizacijsko modeliranje na podlagi delno opazljenih informacij, tudi pri slabi komunikaciji, in uporablja Lagrangeeve multiplikatorje za dekupiranje ciljnega funkcionala, zmanjša kompleksnost reševanja. Ta raziskava pruža pomembno usmerjanje za realizacijo realnega časa optimizacije razporejanja skupin mikrogred z kompleksnimi spremenljivkami in nadzorom med sodobniki.

3. Tehnologija interakcije virov in obremenitev

Tehnologija uporabe in upravljanja fleksibilnih obremenitev

Uporaba fleksibilnih obremenitev je ključna povezava v prihodnjem razvoju pametne uporabe energije in ohranjanja energije, ki prispeva k razvoju družbe, ki ohranja energijo.

Raziskovanje tehnologije regulacije fleksibilnih obremenitev vključuje:

• Klasifikacijo in modeliranje fleksibilnih obremenitev glede na njihove značilnosti, da se v celoti izkorišča potencial elastičnosti obremenitev.

• Aktivno izboljšanje mehanizmov fleksibilnih obremenitev in napredek pri gradnji demonstracijskih projektov.

• Uporabo inteligentnih tehnologij za diferencirano analizo vedenja uporabnikov in izboljšanje natančnosti regulacije.

Učinkovito upravljanje obremenitev lahko olajša neravnotežje ponudbe in povpraševanja v sistemih nove energije, ki je povzročeno nestabilnostjo nove energije in negotovostjo na strani obremenitev. Trenutno že ima tehnologija upravljanja električne obremenitve funkcije, kot so upravljanje stroškov električne energije, upravljanje izgub moči, analiza krajevanja kradenja električne energije in deljenje podatkov.

S razvojem tehnologij, ki so podprte s podatki, virtualnimi elektrarnami in 5G komunikacijo, se bodo sistemi upravljanja električne obremenitve znatno izboljšali v smislu napovedovanja podatkov o obremenitvi, tehnologije koordiniranega nadzora obremenitev in učinkovitosti upravljanja. To bo močno podprlo koordinirano delovanje različnih komponent (npr. distribuirane proizvodnje, električnih vozil in sistemov shranjevanja energije) in izboljšalo racionalno uporabo virov.

3.1 Metode računanja pretoka moči, ki upoštevajo negotovosti virov in obremenitev

Računanje pretoka moči je pomembna osnova za načrtovanje in operativno razporejan