4 ключові технології розумної електромережі для нової системи електропостачання: інновації в розподільчих мережах

1. Дослідження та розробка нових матеріалів та обладнання та управління активами

1.1 Дослідження та розробка нових матеріалів та компонентів

Різноманітні нові матеріали є безпосередніми носіями для перетворення енергії, передачі електроенергії та операційного контролю в нових системах розподілу та споживання електроенергії, безпосередньо визначаючи ефективність роботи, безпеку, надійність та витрати системи. Наприклад:

• Нові провідні матеріали можуть знизити витрати енергії, вирішуючи проблеми, такі як дефіцит енергії та забруднення середовища.

• Сучасні електромагнітні матеріали, застосовані в датчиках інтелектуальних мереж, допомагають покращити надійність роботи системи.

• Нові ізоляційні матеріали та структури ізоляції можуть вирішити більш часті проблеми тимчасового імпульсного наднапруги, спричинені інтеграцією електронного обладнання.

• Наступне покоління пристроїв радіочастотної світла та електронних пристроїв, розроблене на основі матеріалів третього покоління (на прикладі галію нітраду (GaN) та карбіду кремнію (SiC)), може надати технічну підтримку для економії енергії та зниження споживання в комунікаційній та електронній галузях.

1.2 Дослідження та розробка нового електрообладнання та електроенергетичних установок

Щодо конкретних нових продуктів, підприємства розробляють нове електронне обладнання, особливо м'які нормально-відкриті комутатори. Керуючи активними та реактивними потоками енергії на з'єднаних лініях, ці пристрої досягають функцій, таких як балансування енергії, покращення напруги, перенос навантаження та обмеження струму аварійного режиму.

У хвилі Енергетичної Мережі, інтеграція нових технологій для реалізації "функціональності + моніторингу + електронізації + цифровізації + штучного інтелекту" дозволяє підприємствам вийти за межі низької імітації до висококваліфікованого виробництва, розширитися з окремих продуктів до комплексних рішень та перетворитися з заводів-виробників на інноваційні об'єкти. Це дозволяє виробництву та інноваціям низьковольтного електрообладнання внести внесок у низьковуглецевість, цифровізацію та стале розвиток.

1.3 Технологія повного циклу життя управління активами електрообладнання

Нові системи розподілу та споживання електроенергії включають широкий спектр нового електрообладнання та електроенергетичних пристроїв, що робить повне управління циклом життя та екологічний дизайн електрообладнання надзвичайно важливими. Необхідно забезпечити безпечну роботу всього обладнання, одночасно досягаючи економічної ефективності.

Повне управління експлуатацією та обслуговуванням охоплює етап потреби в закупівлі, етап прийняття обладнання, етап виробництва та експлуатації, а також етап списання. У управлінні активами слід реалізовувати інтегрований дизайн, щоб забезпечити обмін даними та оптимізоване управління. Технології, такі як "Інтернет +", слід інтегрувати, щоб розширити сферу управління та підвищити ефективність управління.

2. Розподілена генерація та технологія мікро-мереж

2.1 Технологія розподіленої генерації нової енергії

2.1.1 Ефективна та економічна технологія розвитку нової та відновлюваної енергії

З появою нових технологій розвитку енергетики, деякі види відновлюваної енергії (наприклад, вітряна та сонячна енергія) досягли високого рівня застосування та займають домінуючу позицію в системах розподілу електроенергії. Однак, все ще важливо розробляти нові матеріали та інтегровані технології фотovoltaic панелей з нижчими витратами та вищою ефективністю.

Одночасно, розробка інших джерел енергії, таких як воднева, геотермальна та біомасова енергія, повинна бути подальше сприяна. Приклади включають технології виробництва, зберігання та транспортування водню, технології багатоступеневого використання геотермальної енергії та технології біодизельного палива.

Крім того, координований розвиток централізованої та розподіленої нової енергії може зменшити втрати під час передачі, покращити ефективність використання нової енергії та підвищити здатність мережі поглинати нову енергію, що в свою чергу приносить кращі соціальні та економічні переваги.

2.2 Технологія планування розподіленої енергії

Ключ до вирішення питань планування та оптимізації власності розподіленої енергії полягає в тому, щоб знищити бариери інформаційної комунікації та координації диспетчерських послуг між різними суб'єктами.

З технічної точки зору, під час етапу планування необхідно врахувати більше технічних обмежень, включаючи рівень напруги, рівень короткозамкнення, та якість електроенергії (мерехтіння, гармоніки).

З математичної точки зору, методи планування, що включають багатоцільову та багатовимірну комбінаторну оптимізацію, є надзвичайно складними. Тому критично важливо багатоцільове оптимізаційне планування, що інтегрує ресурси та операції.

Крім того, слід звернути увагу на: проведення аналізу та оцінки мережі для систем з розподіленою енергією; дослідження інтеграції та оптимального планування систем розподілу електроенергії та комунікаційних мереж; розробку моделей та інструментів моделювання для комплексного аналізу надійності, ризику та економіки.

2.3 Активна підтримка технології розподіленої генерації нової енергії

Розподілена генерація (DG) має не лише регулювати частоту та напругу в певному діапазоні, але й придушувати швидкі зміни частоти та напруги.

Наразі деякі науковці запропонували "компенсатор інерції-жорсткості", який дозволяє DG надавати моментальну підтримку частоти та напруги, коли система досідається дефіциту потужності. Здатність частотної інерційної підтримки DG кількісно виражається за допомогою активної потужності, яка надається під час змін потужності, що надає основу для формулювання подальших стандартів підключення до мережі.

2.4 Технологія прогнозування виходу розподіленої генерації нової енергії

Розподілена генерація нової енергії характеризується широким просторовим розподілом, складними мікрометеорологічними характеристиками оточення та значним впливом будівель та людської діяльності, що робить прогнозування виходу складним.

Сучасні дослідження прогнозування виходу розподіленої генерації нової енергії в основному зосереджуються на використанні прогнозів погоди та кліматичних умов для прогнозування виробництва електроенергії, з надмірним акцентом на вплив природних умов на випуск нової енергії. Вони не враховують просторові характеристики DG та фактори, пов'язані з людською соціальною діяльністю.

2.5 Технологія кластерного контролю розподіленої генерації нової енергії

Розподілений контроль є ідеальним методом кластерного контролю DG в системах розподілу електроенергії з високою проникненням нової енергії.

Наразі дослідження технології кластерного контролю розподіленої генерації нової енергії ще знаходяться на початковій стадії. Основні досягнення зосереджені на контролю окремих пристроїв генерації електроенергії, з малою увагою до координаційних стратегій контролю для декількох пристроїв генерації нової енергії, підключених до системи через інвертори підключення до мережі.

Ключові питання залишаються нерозв'язаними: механізм нерівномірного розподілу потужності між кількома інверторами під час змін потужності; взаємодія механізмів керування з багатьма часовими масштабами для кількох інверторів; недостатність традиційного керування зсуви (на основі характеристик активної потужності-частоти та реактивної потужності-напруги), коли опір ліній розподілу електроенергії неможливо занедбати, що не дозволяє DG брати участь у первинному регулюванні частоти та напруги.

2.6 Технологія розподіленого зберігання енергії

З точки зору електроенергетики, статичні та динамічні проблеми нових систем розподілу електроенергії є, по суті, проблемами нерівноваги потужності на різних часових масштабах:

• На довгому часовому масштабі піків навантаження, нерівновага потужності між сторонами генерації та навантаження призводить до статичних проблем, таких як різниця пік-долина.

• На короткому часовому масштабі від змін потужності до активізації первинного регулювання частоти/напруги, електронне обладнання не має роторної інерції синхронних генераторів і не може підтримувати систему проти нерівноваги потужності, що призводить до зниження стабільності системи та погіршення якості електроенергії.

Технологія розподіленого зберігання енергії надає можливість вирішення статичних та динамічних проблем, спричинених нерівновагою потужності на різних часових масштабах.

2.6.1 Технологія зниження піків та регулювання частоти зберігання енергії

Енергетичні системи зберігання, представлені розподіленими насосними системами, поточними батареями, літіє-іонними батареями та технологіями зберігання холоду/тепла, можуть усунути піки навантаження, згладити коливання та працювати разом з зарядними станціями, щоб знизити вплив потужності зарядки, що підвищує ефективність використання обладнання розподілу електроенергії.

Технологія зниження піків та регулювання частоти зберігання енергії ставить високі вимоги до систем зберігання щодо їхньої потужності, швидкості відгуку, вартості, безпеки та густини потужності/енергії. Жоден тип зберігання не може задовольнити ці вимоги, тому необхідні дослідження гібридних технологій зберігання з комплексними перевагами.

2.6.2 Технологія підвищення стабільності та якості електроенергії

Технологія розподіленого зберігання енергії надає можливість підвищення стабільності та якості електроенергії нових систем розподілу електроенергії.

Деякі науковці запропонували метод, який координує системи зберігання енергії зі стратегіями керування інверторами підключення до мережі, що дозволяє DG надавати динамічну стабільну підтримку системі. З великим масштабом інтеграції електронного обладнання, що зменшує інерцію системи, інвертори підключення до мережі, поєднані з системами зберігання, стануть важливим засобом для підвищення динамічної стабільності системи.

Крім того, потужні системи зберігання, представлені суперконденсаторами, мають швидку відповідь та відіграють ключову роль у підвищенні якості електроенергії систем розподілу. Наразі великої потужності, безпечні та економічні системи зберігання для технології розподіленого зберігання енергії ще не були зріло застосовані, що не дозволяє повністю задовольнити потреби у зниженні піків при великому масштабі інтеграції додаткових навантажень.

2.6.3 Технологія мікро-мереж

З урахуванням координаційного керування різноманітних розподілених ресурсів на рівні мікро-мереж та розгляд мікро-мережі як джерела напруги/струму зовні може знизити складність керування стабільністю частоти та напруги в системах розподілу електроенергії.

З урахуванням взаємної допомоги та оптимізації диспетчеризації на рівні кластерів мікро-мереж можна скористатися комплементарними характеристиками нової енергії та навантажень в різних регіонах, щоб вирішити економічні питання диспетчеризації, такі як коливання виходу DG та різниця пік-долина.

2.6.4 Технологія динамічної стабільності частоти та напруги для нових енергетичних мікро-мереж

Як відносно незалежна та автономна область, нові енергетичні мікро-мережі стикаються з динамічними проблемами стабільності, подібними до тих, що є в системах розподілу електроенергії.

Деякі науковці запропонували стратегію керування віртуального синхронного генератора (VSG). VSG - це загальний метод, що покращує динамічні характеристики підтримки частоти та напруги DG. Його основна ідея полягає в керуванні інверторами підключення до мережі, щоб імітувати зовнішні характеристики (активна потужність-частота та реактивна потужність-напруга) синхронних генераторів.

Віртуальна інерція та демпфування, імітовані традиційною технологією VSG, зазвичай є фіксованими. При різних типах енергетичних збурень, фіксовані параметри інерції не можуть задовольнити вимоги до стабільності та швидкості динамічного регулювання частоти мікро-мереж.

На основі вищезазначеного, деякі науковці запропонували адаптивну технологію віртуального інерційного керування. Крім того, інші науковці запропонували узагальнену технологію керування зсуви, вдосконалюючи традиційне керування зсуви, включаючи вторинне регулювання частоти в традиційне керування зсуви, щоб імітувати характеристики інерції та демпфування.

2.6.5 Макрокерування кластерів мікро-мереж

Ключові питання в операційному керуванні кластерів мікро-мереж включають те, як досягти єдиного регулювання кількох мікро-мереж та як реалізувати взаємну допомогу та оптимізовану роботу.

Деякі науковці запропонували чотиривимірну структуру керування кластерів мікро-мереж, включаючи шар розподілу електроенергії, шар кластерів мікро-мереж, шар мікро-мереж та шар одиниць.

На шарі кластерів мікро-мереж використовуються дві основні стратегії: головне-підпорядковане керування та парне керування.

• Головне-підпорядковане керування вимага