» ГЛАВНАЯ > К содержанию номера
» Все публикации автора
Журнал научных публикаций
«Наука через призму времени»
Июль, 2017 / Международный научный журнал
«Наука через призму времени» №4 2017
Автор: Черногорова Юлия Викторовна, студентка
Рубрика: Технические науки
Название статьи: Применение микро сетей для оптимизации энергетических затрат
УДК
519.837.4
ПРИМЕНЕНИЕ МИКРО СЕТЕЙ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ
Черногорова Юлия Викторовна
Россия,
Ставрополь, студентка СКФУ
Аннотация. Ожидается,
что будущие интеллектуальные сети будут объединенной сетью мелких
и автономных микрогридов, в дополнение к магистрали электропитания. Используя микроисточники, такие как возобновляемые источники энергии
и комбинированные теплоэлектростанции, микрогриды могут поставлять
электрические и тепловые нагрузки в местных районах экономичным и экологически
чистым способом. Тем не менее, значительные технические проблемы возникают при
планировании, эксплуатации и контроле микрогридов из-за случайности в
производстве возобновляемой энергии, эффекта буферизации устройств хранения энергии и высокой мобильности. В этой статье мы
исследуем ключевые особенности микрогридов и предоставляем всесторонний обзор.
Ключевые
слова: микрогрид, интеллектуальные сети, стохастическое
моделирование.
В обозримом будущем энергия
будет оставаться основой мировой экономики. Однако из-за быстрого роста цен на
энергоносители, изменения климата и развитие технологий, перестройка
энергетической отрасли стала международным приоритетом. Критическим шагом
является использование возобновляемых источников энергии для экономичного и
экологически чистого производства энергии. Согласно прогнозу
Международного энергетического агентства, выработка электроэнергии из
возобновляемых источников энергии почти утроится с 2010 до 2035 года, достигнув
31% от общего объема производства электроэнергии в мире, при этом
возобновляемая энергия на гидро, ветровой и солнечной
энергии обеспечит 50%, 25% и 7,5%, соответственно, от общего производства
возобновляемой энергии к 2035 году [1]. С другой стороны, общая
энергетическая и экономическая эффективность генерации ископаемых видов топлива
может быть улучшена на основе внедрения новых технологий со стороны комбинированных
теплоэнергетических (ТЭУ) установок. ТЭУ можно использовать для обеспечения как
электрических, так и тепловых нагрузок за счет использования отработанного
тепла, выделяемого при производстве электроэнергии, что, в свою очередь,
уменьшает тепловое загрязнение в системах водоснабжения. Использование тепловой
мощности ТЭУ может быть дополнительно улучшено за счет использования тепла в
качестве источника энергии для управления системой охлаждения, такой, как
холодильник для абсорбции. Используя ТЭУ для сбора и применения значительной
части отработанного тепла, общая энергетическая эффективность ТЭУ может
достигать 80% [2]. Поскольку непостоянный и зависящий от погодных условий выход
возобновляемых источников энергии может поставить под угрозу надежность
энергосистемы и привести к сокращению нагрузки из-за несбалансированного
энергоснабжения и спроса, системы хранения энергии, такие как батареи, колесные
диски и тепловые буферы (например, резервуары для горячей воды) могут использоваться
для сглаживания прерывистого источника питания.
Некоторые из микроисточников и
устройств хранения энергии могут быть эффективно
интегрированы на места, такие как небольшие районы, университеты или школы или
коммерческие районы, которые приводят к образованию локальных, мелкомасштабных
и автономных сетей, обычно называемых микрогридами. Микрогрид может работать либо совместно с сетью, чтобы
включить энергетические транзакции с основной электрической сетью, либо в
автономном режиме, если в основной сетке есть неисправность. В дополнение к
экономическим и экологическим выгодам использования возобновляемых источников
энергии и ТЭУ, другие преимущества микрогридов включают:
·
Снижение потерь энергии. Используя преимущества микроресурсов и нагрузок, микрогриды могут значительно
снизить потери энергии при передаче и распределении электричества и тепла и
улучшить использование возобновляемых источников энергии;
·
Повышение надежности: поскольку микросхема может
работать в островном режиме, если есть неисправность в основной сетке,
отрицательное влияние отключений в системах передачи и распределения может быть
уменьшено, и, таким образом, надежность системы может быть улучшена;
·
Усовершенствование управления
энергопотреблением: при согласованном управлении микроресурсами
и нагрузками в микросхеме электрическая и/или тепловая мощность может быть
лучше распределена между местными заказчиками;
·
Преимущества для основной сетки: благодаря
эффективному управлению энергией микрогридов можно уменьшить энергопотребление
из основной сетки, что избавит от перегрузок сети передачи/распределения. Более
того, микрогриды могут использоваться для предоставления вспомогательных услуг
(таких как регулирование частоты) основной сетке, что потенциально повышает
надежность основной сети.
Чтобы реализовать все потенциальные
преимущества микрогридов, должно быть эффективное управление микрогридами. Недавние достижения в области
информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) предоставили возможности для
обеспечения расширенной работы и контроля микрогридов под эгидой
интеллектуальной сети. Согласно стандарту IEEE 2030 [2], будущая
интеллектуальная сеть представляет собой взаимосвязанную сеть из трех
подсистем:
•
Система электроснабжения, основанная на
традиционном виде электрической сети, которая состоит из четырех основных
областей производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии;
•
Коммуникационная система, наиболее подходящая
для связи с различными системами и устройствами для обмена информацией; а также
•
Информационная система, в которой хранятся и
обрабатываются данные для принятия решений по эксплуатации и управлению
электроэнергией.
Такая же архитектура применима
к микрогридам, которые представляют собой
мелкомасштабные и автономные сети. Основываясь на двусторонней связи во всем микрогриде, можно обрабатывать информацию и принимать
решения при работе и управлении микрогридами.
Стандарт IEEE 2030 определяет
совместимость ИКТ с системой электропитания, приложениями и нагрузками
конечного пользователя. Однако, как получить необходимую информацию и
воздействовать на полученную информацию для оптимальной работы и контроля
микрогрида? Она является специфической для применения и требует обширных
исследований. Эта проблема еще более сложна для планирования микрогрида,
поскольку она требует исследований не только функций управления и контроля
микрогридов, но и всех возможных вариантов и комбинаций микроисточников и
устройств хранения энергии. Для решения различных
задач стохастические моделирующие и оптимизационные инструменты могут
использоваться для облегчения планирования, работы и контроля микрогрида. В
частности, могут быть установлены стохастические модели для характеристики
случайности в производстве возобновляемой энергии. Также стохастические
инструменты оптимизации могут быть использованы для планирования работы и
управления микрогридами.
В типичная конфигурации микро сети: электрические нагрузки и микроресурсы подключаются через низковольтную
распределительную сеть, а тепловые нагрузки и источники ТЭЦ расположены близко
друг к другу, чтобы минимизировать потери при передаче тепла. Два микро ресурса
ТЭЦ, два не- ТЭЦ -микро ресурса и два устройства
хранения энергии подключены к трем микрогридам. Микрогрид подключается к основной сетке электросети (на
уровне среднего напряжения) через автоматический выключатель общей связи,
который можно использовать для подключения или отключения всего микрогрида от
основной сетки. Соответственно, микрогрид имеет два режима работы, то есть
режим с взаимодействия с сетью и изолированный режим. В нормальном состоянии
микрогрид подключен к основной сети, чтобы обеспечить
энергетические транзакции с основной сетью с точки зрения импорта и экспорта
энергии. Однако всякий раз, когда в основной сетке происходит сбой, микро сеть
работает в изолированном режиме. В этом случае микроресурсы
используются для подачи всех нагрузок в микрогрид. Обратите внимание, что
приоритетный островной режим также может поддерживаться в микрогриде.
Работа микроконтроллеров и управление ими могут быть установлены
либо централизованно, либо автономно. Центральный контроллер отвечает за определение
режимов работы микро сети.
Преимущество централизованной
работы и управления заключается в высокой эффективности с точки зрения
глобальной оптимальности. Однако тяжелая зависимость может привести к проблеме
единственной точки отказа. Более того, сеть связи для обмена информацией между центральным
и местным контроллерами может отсутствовать, особенно в отдаленных районах.
Поэтому в исследовательском сообществе наблюдается тенденция децентрализовать
работу и контроль микрогридов [3], которые устанавливаются каждым микро
контроллером на основе локальных измерений напряжения и тока. Например,
децентрализованное управление отключением может обеспечить совместное
использование активной и реактивной мощности в микрогриде
без использования центрального контроллера и сети связи [4]. Некоторые недавние
исследования показывают, что децентрализованные операции и контроль микрогридов
могут способствовать децентрализованной связи через недорогие беспроводные сети
(например, сети Wi-Fi и ZigBee)
за счет использования метода многоагентной
координации [4].
Поскольку
микрогриды предназначены для подачи электрических и тепловых нагрузок в
локальную область, максимальная емкость каждой микро сети ограничена. Поэтому
нагрузки в большой области можно разделить на несколько небольших групп, каждая
из которых снабжена микрогридом. Затем микрогриды могут быть связаны
между собой через общую распределительную сеть. В этом случае каждый
центральный контроллер должен иметь дополнительную координационную функцию с
соседними центральными котроллерами, что потенциально повышает надежность взаимосвязанных микрогридов.
По сравнению с традиционной и
хорошо зарекомендовавшей себя электрической сетью, концепция микрогрида
является новой и только начинает развиваться. Поэтому в ближайшие несколько
десятилетий планирование микро сетей станет критическим вопросом. Планирование
микрогридов обычно выполняется на многие годы вперед, чтобы найти оптимальную
комбинацию, конструкцию и калибровку микро сетей для удовлетворения будущих
потребностей в электро и тепловой энергии при
минимальных затратах, при этом удовлетворяя требованиям надежности системы.
Операции микро сетей в основном
включают в себя подразделение и экономичную пересылку. Обе функции имеют свои
отличительные особенности [4], поскольку микрогриды могут рассматриваться как
малые и автономные сети.
·
Функция разделения, обычно выполняется от одного
дня до одной недели, определяет, какой микроресурс
должен быть включен и в какое время, так чтобы стоимость операций свести к
минимуму [5]. Поскольку существует дополнительная стоимость некоторых
микроисточников, таких как генераторы, работающие на ископаемом топливе, более
экономично сократить количество включенных микроисточников. С
другой стороны, из-за некоторой стоимости запуска нежелательно часто включать и
выключать микроресурс;
·
Экономичная пересылка, обычно выполняемая от
нескольких минут до одного часа, принимает краткосрочные решения по включению
микроисточников для минимизации затрат на производство энергии, в то время как
контроль над операциями микро сети сопровождается загрузкой системы,
ограничениями потока и напряжения [5].
Управление микро сетью
выполняется в относительно небольшом временном промежутке, для достижения
краткосрочного баланса между производством электроэнергии и спросом. Функции
управления обычно называются автоматическим управлением генерацией в традиционной
электрической сети, которая регулирует мощность генераторов, измеряя баланс
потребления электроэнергии, отражаемый частотой системы. Например, если частота
системы увеличивается, а это означает, что генерируется больше энергии, чем
используется, так что все генераторы в микро сети ускоряются, необходимо
уменьшить выходную мощность некоторых или всех генераторов. Чтобы избежать
единственной точки отказа и снизить затраты на развертывание системы передачи
информации, децентрализованное управление спадом обычно используется в микро
сетях [6]. Активация активной и реактивной мощности каждым микроресурсом
регулируется на основе локальных измерений частоты и напряжения системы без
использования центрального контроллера.
Несмотря на существующие
инструменты моделирования и оптимизации планирования, эксплуатации и контроля
микро сетей, многие проблемы исследования микрогридов остаются открытыми. Как
видно из этого обзора, большинство существующих работ основано на моделировании
Монте-Карло. (МКМ) Несмотря на простоту в
моделировании микросхем с помощью (МКМ), его высокая вычислительная мощность
требует высокоэффективных вычислительных устройств, таких как мощные серверы и
рабочие станции, со значительной стоимостью. Поэтому теоретические модели все
же необходимо разрабатывать для планирования, эксплуатации и контроля микро
сетей.
Несмотря на все технические
проблемы, стохастическое управление информацией является основным средством для
работы микро сетей с целью использования возобновляемых источников энергии и
устройств хранения энергии, так что экономичные и
экологические выгоды микрогридов могут быть полностью реализованы. Связанные с
этим исследования являются междисциплинарными программами для совместной работы
в области информационно-коммуникационной систем.
Список литературы:
- International Energy Agency. World Energy Outlook 2012; International Energy Agency: Paris, France, 2012.
- United States Environmental Protection Agency—Combined Heat and Power Partnership. Available online: http://www.epa.gov/chp/ (accessed on 27 March 2014).
- Guide for Smart Grid Interoperability of Energy Technology and Information Technology Operation with the Electric Power System, and End-Use Applications and Loads; IEEE Standard, 2011.
- Wang, W.; Xu, Y.; Khanna, M. A survey on the communication architectures in smart grid. Comput. Netw. 2011, 55, 3604–3629.
- Miller, R.H.; Malinowski, J.H. Power System Operation; Mcgraw-Hill Professional: New York, NY, USA, 1994.
- Diaz, G.; Abd-el-Motaleb, A.M.; Mier, V. On the capacity factor of distributed wind generation in droop-regulated microgrids. IEEE Trans. Power Syst. 2013, 28, 1738–1746.
Комментарии:
