4 viktiga smarta nätteknologier för det nya elsystemet: Innovationer i distributionsnät

1. Utveckling av nya material och utrustning & tillgångshantering

1.1 Utveckling av nya material och komponenter

Olika nya material fungerar som direkta bärande element för energiomvandling, elförsörjning och driftkontroll i nya typen av elfördelnings- och elanvändningssystem, vilket direkt bestämmer driftseffektivitet, säkerhet, tillförlitlighet och systemkostnader. Till exempel:

• Nya ledande material kan minska energiförbrukningen och lösa problem som energibrist och miljöföroreningar.

• Avancerade elektriska magnetiska material som används i smarta nätverkssensorer hjälper till att förbättra systemets driftsäkerhet.

• Nya isolerande material och isoleringsstrukturer kan lösa de mer frekventa problemen med överspänning orsakade av integreringen av strömkällor.

• Nästa generations mikrovågsradiofrekvensenheter och stromkällor som utvecklas baserat på tredje generations halvledarmaterial (som galliumnitrid (GaN) och kiselkarbid (SiC)) kan erbjuda tekniskt stöd för energibesparing och minskad energiförbrukning inom kommunikation och elektronik.

1.2 Utveckling av ny elkraftutrustning och elförbrukningsanläggningar

När det gäller specifika nya produkter utvecklar företag ny strömkällutrustning, särskilt mjuka normalt öppna skyddskontakter. Genom att kontrollera den aktiva och reaktiva effekten i anslutna linjer uppnår dessa enheter funktioner som effektbalans, spänningsförbättring, belastningsöverföring och begränsning av felström.

I vågen av energiinternet, genom att integrera nya teknologier för att realisera "funktion + övervakning + elektronisering + digitalisering + artificiell intelligens", kan företag gå ifrån lågnivåimitation till högnivåtillverkning, expandera från enskilda produkter till omfattande lösningar och transformera från tillverkningsfabriker till innovationsdrivna anläggningar. Detta gör att tillverkning och innovation av lågspänningsekonomisk utrustning bidrar till nedkyld energi, digitalisering och hållbar utveckling.

1.3 Full-lifecycle tillgångshanteringsteknik för elkraftutrustning

Nya typen av elfördelnings- och elförbrukningssystem involverar en mängd olika ny elkraftutrustning och elförbrukningsenheter, vilket gör full-lifecycle-hantering och ekologisk design av elfördelningsutrustning extremt viktigt. Det är nödvändigt att säkerställa säker drift av all utrustning samtidigt som ekonomisk effektivitet uppnås.

Full-lifecycle drift och underhåll täcker inköpsbehovsfasen, utrustningsaccepteringsfasen, produktion och driftfasen samt avvecklingsfasen. I tillgångshantering bör integrerad design implementeras för att säkerställa datadelning och optimerad hantering. Tekniker som "Internet +" bör integreras för att utöka omfattningen av hantering och förbättra hanteringsverksamheten.

2. Distribuerad generering och mikronätteknologi

2.1Distribuerad ny energigenereringsteknik

2.1.1 Effektiv och ekonomisk ny energi- och förnybar energiutvecklingsteknik

Med framsteg i ny energiutvecklingsteknik har vissa förnybara energikällor (t.ex. vind- och solenergi) nått ett högt nivå av tillämpning och nu intar en dominerande position i elfördelningsystem. Det är dock fortfarande viktigt att utveckla nya material och integrerade fotovoltaiska paneltekniker med lägre kostnader och högre effektivitet.

Samtidigt behöver utvecklingen av andra energikällor—som väteenergi, geotermisk energi och biomassaenergi—vidare främjas. Exempel inkluderar tekniker för produktion, lagring och transport av väte, flernivågeotermisk användning och biobränsletekniker.

Vidare kan samordnad utveckling av centraliserad och distribuerad ny energi reducera transmissionförluster, förbättra ny energianvändningseffektivitet och öka nätets förmåga att absorbera ny energi, vilket leder till bättre sociala och ekonomiska fördelar.

2.2 Planeringsmetodik för distribuerad energi

Nyckeln till att hantera planering och optimering av distribuerad energiegenskap ligger i att bryta ner informationskommunikationsbarriärer och koordineringsbarriärer mellan olika entiteter.

Från teknisk synvinkel måste fler tekniska begränsningar beaktas under planeringsfasen, inklusive spänningsnivå, kortslutningsströmnivå och strömkvalitet (blinkning, harmonier).

Från matematisk synvinkel är planeringsmetoder som involverar flera objektiv och flera osäkerheter kombinatorisk optimering mycket komplexa. Därför är multiobjektiv optimeringsplanering som integrerar resurser och operationer avgörande.

Förutom detta bör man fokusera på: att genomföra nätverksanalys och utvärdering för system med distribuerad energi; att undersöka integration och optimal planering av elfördelningsystem och kommunikationsnätverk; och att utveckla modeller och simuleringss verktyg för omfattande tillförlitlighets-, risk- och ekonomianalys.

2.3 Aktiv stödteknik för distribuerad ny energigenerering

Distribuerad generering (DG) måste inte bara justera frekvens och spänning inom en viss gräns, utan också dämpa snabba förändringar i frekvens och spänning.

På nuvarande tidpunkt har vissa forskare föreslagit en "inert-stivhet-kompensator", som möjliggör DG att ge omedelbart frekvens- och spänningsstöd när systemet upplever effektmängdsbrist. Frekvensinertialstödförmågan hos DG kvantifieras med den aktiv effekt som kompenserats under effektmängdsstegförändringar, vilket ger grund för formulering av efterföljande nätanslutningsstandarder.

2.4 Utmatningsprognosmetodik för distribuerad ny energigenerering

Distribuerad ny energigenerering har bred spatial spridning, komplexa omgivande mikrometeorologiska egenskaper och betydande påverkan från byggnader och mänsklig verksamhet, vilket gör utmatningsprognoser utmanande.

Nuvarande forskning om distribuerad ny energigenerering fokuserar huvudsakligen på att använda väderprognoser och klimatförhållanden för effektgenereringsprognoser, med för stor vikt vid naturliga förhållanden på ny energiutmatning. Det saknas överväganden av den spatiala spridningen av DG och faktorer relaterade till mänsklig social verksamhet.

2.5 Klusterkontrollteknik för distribuerad ny energigenerering

Distribuerad kontroll är en idealisk klusterkontrollmetod för DG i elfördelningsystem med hög ny energipenetration.

På nuvarande tidpunkt är forskningen om klusterkontrollteknik för distribuerad ny energigenerering fortfarande i sin linda. Relevanta resultat fokuserar huvudsakligen på kontroll av enskilda effektgenereringsenheter, med liten hänsyn till samordnade kontrollstrategier för flera nya energigenereringsenheter anslutna till systemet via nätanslutna inverterare.

Viktiga frågor återstår olösta: mekanismen för obalanserad effektfordelning mellan flera inverterare under effektmängdsstegförändringar; interaktionen mellan flera tidskalig kontrollstrategier för flera inverterare; och bristen på traditionell droopkontroll (baserad på aktiv effekt-frekvens och reaktiv effekt-spänningskarakterskurvor) när resistansen i elfördelningslinjer är icke försumbar, vilket hindrar DG från att delta i primär frekvens- och spänningsreglering.

2.6 Distribuerad energilagringsmetodik

Från energiperspektiv är de statiska och dynamiska problemen i nya typen av elfördelningsystem i grunden problem med effektbalans på olika tidskal:

• På det relativt långa tidskal av toppbelastningsperioder leder effektbalans mellan genererings- och belastningssidan till statiska problem som topp-dalg skillnader.

• På det relativt korta tidskal från effektmängdsstegförändringar till aktivering av primär frekvens/spänningsreglering saknar strömkällutrustning roteringsmomentet av synkrona generatorer och kan inte stödja systemet mot effektbalans, vilket leder till minskad systemstabilitet och försämrade strömkvaliteter.

Distribuerad energilagringsmetodik erbjuder en genomförbar lösning för att hantera de statiska och dynamiska problemen orsakade av effektbalans på olika tidskal.

2.6.1 Energilagringsteknik för toppavtagning och frekvensreglering

Energityp av energilagring—representerad av distribuerad pumpslagring, flödesbatterier, lithium-ion-batterier och kall/värmelagringsmetoder—kan eliminera belastningstoppar, skära av toppar och fylla dal, jämnar ut svängningar och opererar i kombination med laddningsstationer för att mildra laddningseffekter, vilket förbättrar utnyttjandegraden av elfördelningsutrustning.

Energilagringsteknik för toppavtagning och frekvensreglering ställer höga krav på energilagringssystem i termer av kapacitet, responsivitet, kostnad, säkerhet och effekt/energidensitet. En enda energilagringsmetod kan inte uppfylla dessa krav, så forskning om hybridenergilagringstekniker med sammanlagda fördelar är nödvändig.

2.6.2 Förbättringsteknik för stabilitet och strömkvalitet

Distribuerad energilagringsmetodik erbjuder en genomförbar lösning för att förbättra stabiliteten och strömkvaliteten i nya typen av elfördelningsystem.

Vissa forskare har föreslagit en metod som samordnar energilagringsystem med nätanslutna inverterarkontrollstrategier för att möjliggöra DG att ge dynamiskt stabiliserande stöd till systemet. Med storskalig integration av strömkällutrustning som minskar systeminertien kommer nätanslutna inverterare tillsammans med energilagring att bli en viktig metod för att förbättra systemets dynamiska stabilitet.

Utöver detta har energityp av energilagring—representerad av superkondensatorer—snabb responsförmåga och spelar en viktig roll för att förbättra strömkvaliteten i elfördelningsystem. För närvarande har stora kapacitets, säkra och ekonomiska energilagringsenheter för distribuerad energilagringsmetodik ännu inte mognat till tillämpning, vilket inte fullt ut uppfyller behoven av toppavtagning för storskalig integration av ökade belastningar.

2.6.3 Mikronätteknik

Genom att ta hänsyn till samordnad kontroll av olika distribuerade resurser på mikronivå och betrakta mikronät som en spänning/stromkälla extern kan komplexiteten av frekvens- och spänningsstabilitetskontroll i elfördelningsystem reduceras.

Genom att ta hänsyn till effektmutuell hjälp och dispatchoptimering på mikronätgruppnivå kan man utnyttja kompletterande egenskaper hos ny energi och belastningar i olika regioner för att hantera ekonomiska dispatchproblem som DG-utmatningsfluktuationer och topp-dalskillnader.

2.6.4 Frekvens- och spänningsdynamisk stabilitetsteknik för ny energimikronät

Som en relativt oberoende och autonom region står ny energimikronät inför dynamiska stabilitetsproblem liknande dem i elfördelningsystem.

Vissa forskare har föreslagit en spänningskälla virtuell synkron generator (VSG) kontrollstrategi. VSG är en vanlig kontrollmetod för att förbättra den dynamiska frekvens- och spänningsstödförmågan hos DG. Dess kärnidea är att kontrollera nätanslutna inverterare för att simulerar externa karaktärer (aktiv effekt-frekvens och reaktiv effekt-spänning) av synkrona generatorer.

Den virtuella inertion och dämpning av synkrona generatorer som simuleras av traditionell VSG-teknik är vanligtvis fast. Under olika typer av effektperturbationer kan fasta inertparametrar inte uppfylla stabilitets- och snabbhetskraven för mikronätets frekvensdynamiska reglering.

Baserat på ovanstående överväganden har vissa forskare föreslagit adaptiv virtuell inertkontrollteknik. Utöver detta har andra forskare föreslagit generaliserad droopkontrollteknik genom att förbättra traditionell droopkontroll—inkorporera sekundär frekvenskontroll i traditionell droopkontroll för att simulerar inertion och dämpningsegenskaper.

2.6.5 Makrokontrollteknik för mikronätgrupper

Viktiga frågor i drift och kontroll av mikronätgrupper inkluderar hur man ska uppnå enhetlig reglering av flera mikronät och hur man ska realisera effektmutuell hjälp och optimerad drift.

Vissa forskare har föreslagit en fyranivåkontrollstruktur för mikronätgrupper, inklusive elfördelningsnivå, mikronätgruppenivå, mikronät-nivå och enhetsnivå.

Två huvudstrategier används på mikronätgruppenivå: huvud-underkontroll och peer-to-peer-kontroll.

• Huvud-underkontroll kräver hög kommunikation mellan mikronät och pålägger betydande tryck på huvudkontrollenhet för spännings- och frekvensreglering.

• Peer-to-peer-kontroll övervinner dessa brister: varje mikronätenhet utför autonoma peer-to-peer-kontroller baserat på förinställda droopkurvor, utan behov av kommunikation eller överordnad kontroll.

Vissa forskare har föreslagit en kontrollstrategi för hybridmikronätgrupper bestående av AC- och DC-mikronät. Denna strategi standardiserar den aktiva effekt-frekvenskaraktären för AC-mikronät och den aktiva effekt-spänningsegenskapen för DC-mikronät för att erhålla en enhetlig kontrollskala, vilket möjliggör peer-to-peer-kontroll av hybridmikronätgrupper.

För att hantera utmaningarna med realtidsdispatchoptimering för mikronätgrupper har vissa forskare föreslagit en modelleringmetod för koordinerad optimering av mikronätgrupper baserad på partiellt observerbar Markovbeslutprocess (POMDP) under en decentraliserad struktur. Denna metod möjliggör optimeringsmodellering baserat på delvis observerad information även under svaga kommunikationsvillkor och använder Lagrange-multiplikatorer för att decoupla målfunktionen, vilket minskar lösningens komplexitet. Detta forskning ger viktiga riktlinjer för att realisera realtidsdispatchoptimering av mikronätgrupper med komplexa variabler och peer-to-peer-kontroll.

3. Käll-belastningsinteraktionsteknik

Flexibel belastningsanvändning och belastningshanteringsteknik

Flexibel belastningsanvändning är en viktig länk i den framtida utvecklingen av smart energianvändning och energibesparing, vilket bidrar till utvecklingen av en energisparerande samhälle.

Forskning om flexibel belastningsregleringsteknik inkluderar:

• Klassificering och modellering av flexibla belastningar baserat på deras egenskaper för att fullt ut utnyttja belastningselasticitetspotential.

• Aktivt förbättra flexibla belastningsmekanismer och främja konstruktion av demonstrationsprojekt.

• Använda intelligenta tekniker för att utföra differentierad analys av användarbeteende och förbättra regleringsprecision.

Effektiv belastningshantering kan lindra tillgänglighetsimbalance i nya energisystem orsakade av instabiliteten i ny energi och osäkerheter på belastningssidan. För närvarande har strömbelastningshanteringsteknik redan funktioner som elavgiftshantering, energiförlusthantering, stöldelanalys och datadelning.

Med utvecklingen av data-driven tekniker, virtual power plants (VPP) och 5G-kommunikation kommer strömbelastningshanteringssystem att markant förbättras i termer av belastningsdataprediktion, belastningskoordineringskontrollteknik och hanteringsverksamhet. Detta kommer att starkt stödja samordnad drift av olika komponenter (t.ex. distribuerad generering, elbilar och energilagringssystem) och förbättra den rationella resursanvändningen.

3.1 Strömflödeskalkylmetoder som tar hänsyn till käll-belastningsosäkerheter

Strömflödeskalkyl är en viktig grund för elfördelningsystemsplanering och dispatchdrift.

För närvarande har vissa forskare föreslagit strömflödeskalkylmetoder som tar hänsyn till osäkerheter i fotovoltaisk och vindkraftsutmatning. Utöver detta har andra forskare föreslagit strömflödeskalkylmetoder som tar hänsyn till belastningsosäkerheter och osäkerheter i belastningsrespons till toppavtagningsbehov.

Generellt sett har befintlig forskning extensivt tagit hänsyn till osäkerheter i olika länkar av käll-belastningsinteraktion och föreslagit strömflödeskalkylmetoder för individuella osäkerheter. Dock finns det ett brist på integrerad analys av flera osäkerheter och deras kopplingsverkningar, vilket begränsar noggrannheten i strömflödeskalkylen i komplexa nya typen av elfördelningsystem.

3.2 Multiobjektiv optimal dispatchteknik för elfördelningsystem under käll-belastningsinteraktionsläge

Under käll-belastningsinteraktionsläget påverkar dispatchbeslut i stor utsträckning systemets driftsäkerhet och tillförlitlighet.

För närvarande har vissa forskare föreslagit multiobjektiv strömflöeskoptimeringlösningar med hjälp av andragradskonoptimering och partikelsvärmoptimeringalgoritmer. Dessa lösningar använder Pareto-optimala lösningssätt för att genomföra flerdimensionella utvärderingar av potentiella optimala lösningar, vilket ger dispatchare mer flexibla beslutsmöjligheter och underlättar realiseringen av säker, stabil och ekonomisk dispatch under käll-belastningsinteraktionsläge.

3.3 Ekonomisk driftsteknik i energimarknadsomgivning

Att guida flera parter att delta i energimarknadsaffärer genom olika incitamentsmetoder är en viktig metod för att främja käll-belastningsinteraktion. Specifika tekniska former inkluderar demand response (DR) och virtual power plants (VPP).

För närvarande fokuserar relevant forskning på att använda prisincitamentmekanismer för att stimulera användarnas entusiasm för deltagande. För att fullt ut utnyttja och mobilisera justerbarkapaciteter i systemet har vissa forskare genomfört forskning om: övergripande situationsovervakning av källa-nät-belastning; realtidskvantitativ utvärdering av responsförmåga; genomförande av responsstrategier från grupp till individ; källa-nät-belastningskoordinerad kontrollteknik; och flertidskalig karaktär av belastningar. Denna forskning ger idéer för utvecklingen av systemets dynamiska energibalanseringsteknik baserat på demand response.

Forskning om käll-belastningsinter