КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-19-00773

НазваниеКомплексная оценка эффектов интеграции возобновляемых источников энергии в электрические сети России

РуководительГрязина Елена Николаевна, Доктор физико-математических наук

Прежний руководитель Воробьев Петр Евгеньевич, дата замены: 20.03.2023

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2024 г. 

Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии

Ключевые словавозобновляемая энергетика, статическая устойчивость, переходные процессы, силовая электроника

Код ГРНТИ44.29.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Активное внедрение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для снижения глобальных выбросов парниковых газов является устойчивым трендом уже более 10-ти лет. Однако, именно в последний год данная проблема стала, возможно, самой актуальной из стоящих перед мировым сообществом на сегодняшний день. Прошедшая в конце октября 2021 года конференция ООН по изменению климата окончательно утвердила мировую повестку по полной декарбонизации в ближайшие два-три десятилетия. Данный процесс уже получил название «энергопереход 4.0», и по масштабам его уже сравнивают с индустриальной революцией. Следует отметить, что во многих странах (прежде всего, в странах Евросоюза) к сегодняшнему дню уже сложился устойчивый тренд на быстрый рост доли ВИЭ, причем, это произошло буквально в течение последних 10-15 лет. Так, если в начале 21 века доля ВИЭ в мировом годовом объеме строительства новой генерации составляла около 20%, то в 2020 году она была уже 80%. Таким образом, можно однозначно сказать, что возобновляемые источники будут в скором времени являться основными во всех энергосистемах мира. К сожалению, до настоящего времени Россия находилась, по большей части, в стороне от данного тренда. На сегодняшний день доля возобновляемой генерации (считая только солнечную и ветровую, и не учитывая ГЭС) в энергобалансе нашей страны составляет всего около 1%, что более чем на порядок ниже чем в странах-лидерах (до 30%). Существующие сегодня планы по увеличению этой доли до 10% к 2040 году все равно не позволяют говорить о следовании мировому тренду. Низкое внедрение ВИЭ связано отчасти, с устоявшимися представлениями о климатической непригодности нашей страны для солнечной и ветровой генерации, и отчасти с утверждениями о невозможности интеграции заметных объемов ВИЭ без существенного улучшения сетевой инфраструктуры. Однако, опыт других стран, в том числе близких к России климатически (например, Дания. Германия, Великобритания) показывает, что существенное увеличение доли ВИЭ вполне возможно и реально, однако требует реализации определенных технических и технологических решений. В настоящем проекте мы ставим целью исследование возможных сценариев интеграции больших объемов ВИЭ в Российскую энергосистему. Предполагается провести комплексный анализ влияния ВИЭ на все аспекты работы энергосистемы, от рынков на сутки вперед и рынков мощности, до быстрых электромеханических переходных процессов. Мы ставим амбициозную цель: доказать, что достижение высокой доли ВИЭ в России возможно и оправдано, и явно продемонстрировать различные сценарии внедрения ВИЭ в Российскую энергосистему. В частности, мы хотим показать, что: а) Потенциал возобновляемой энергетики в России очень велик, и что утверждение о неблагоприятном для этого климате не соответствует действительности; б) Уже в существующие электрические сети возможно интегрировать существенные объемы ВИЭ с минимальными корректировками в принципы управления сетью; в) Внедрение новых, но полностью реалистичных принципов и алгоритмов управления сетью, позволит без ущерба для надежности интегрировать в Российскую энергосистему большие объемы ВИЭ (50% и более) Мы продемонстрируем наши результаты на максимально реалистичных моделях с использованием программно-аппаратного моделирования в реальном времени, и разработаем ряд практических рекомендаций по поэтапному внедрению больших объемов ВИЭ в Российскую энергосистему.

Ожидаемые результаты
В ходе проекта предполагается выполнить комплексную оценку эффектов внедрения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в Российскую энергосистему. Будет оценен потенциал возобновляемой энергетики в ряде регионов России, разработаны репрезентативные модели электрических сетей России, оценено влияние возобновляемых источников на работу сети и выработаны рекомендации по поэтапному внедрению возобновляемых источников в Российскую энергосистему. Данные результаты могут быть использованы для существенного повышения доли ВИЭ как в энергосистеме в целом, так и в отдельных регионах. Основные результаты по 4-м направлениям проекта: Направление 1. Репрезентативные модели Российской энергосистемы: статическая и динамическая. Динамическая модель будет включать в себя модели генераторов с системами регулирования частоты и напряжения, а также модели возобновляемых источников энергии. Направление 2. Оценка потенциала ВИЭ для различных регионов страны (не менее 10-ти) и оценка эффекта внедрения различных объемов ВИЭ в эти регионы. Определение предельных объемов внедрения ВИЭ, не требующие расширения сетевой инфраструктуры (по каждому из рассмотренных регионов). Направление 3. Будет определено влияние ВИЭ на динамические свойства энергосистемы и разработаны новые алгоритмы управления, позволяющие повысить предельную долю ВИЭ. Направление 4. Будет проведена валидация результатов проекта с помощью моделирования в реальном времени на программно-аппаратном комплексе RTDS. Будут разработаны практические рекомендации по поэтапному повышению доли ВИЭ в рассматриваемых регионах и проведена идентификация возможных потребностей в расширении сетевой инфраструктуры и изменении алгоритмов управления.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект нацелен на всестороннюю оценку потенциала внедрения возобновляемой генерации в электрические сети России. Комплексная оценка будут включать в себя как анализ потенциала возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в России, так и способности существующих сетей принять большие объемы ВИЭ. Также, будут исследованы изменения в рынках энергии и мощности. Будут также исследованы ограничения, накладываемые существующей сетевой инфраструктурой, идентифицированы наиболее ограничивающие факторы, а также будут даны рекомендации по возможному расширению сетевой инфраструктуры для увеличения потенциала сети по подключению больших объемов ВИЭ. В ходе первого этапа проекта нами был выполнен анализ потенциала возобновляемых источников в ряде регионов России, разработаны репрезентативные модели для Российской энергосистемы, проведены предварительные исследования рынка энергии при наличие ВИЭ с построением репрезентативных кривых спроса и предложения для разных регионов. Был также проведен более детальный анализ потенциала внедрения ВИЭ в отдельные регионы с учетом существующей генерации и потребления, а также при наличие сетевых ограничений. Уже на этой стадии проекта понятно, что Россия обладает огромным потенциалом по внедрению возобновляемых источников энергии (ветровых и солнечных) и уже существующая сетевая инфраструктура позволяет включать достаточно большие объемы ВИЭ в различные регионы. Основные результаты проекта за первый год: - выполнена оценка потенциала возобновляемой генерации (солнечной и ветровой) в ряде регионов России. Нами были использованы реальные исторические погодные данные для определения возможных профилей генерации. Мы выделили 10 регионов (5 для ветровой и 5 для солнечной энергии), наиболее перспективных с точки зрения выработки ВИЭ. Отметим, что результаты, полученные с использованием реальных погодных данных существенно отличаются от результатов на основе средних значений инсоляции и скорости ветра - на основе открытых данных разработана репрезентативная модель Российской энергосистемы, включающая более 250 узлов и более 400 линий. Разработаны и включены в модель сети динамические модели генераторов с турбинами и системами АРВ. Дополнительно, к динамическим моделям применены методы понижения порядка, для снижения степени сложности модели. - на основе открытых данных Оператора Торговой Системы оптового рынка был проведен анализ проведен анализ рынка электрической энергии с составлением репрезентативных кривых спроса и предложения для ряда регионов, а также проведена оценка влияния ВИЭ на кривые предложения. - проведена оценка потенциала внедрения ВИЭ в различные регионы России с учетом существующей сетевой инфраструктуры. Отдельно оценен потенциал внедрения ветровых и солнечных источников энергии с учетом имеющейся в регионах генерации и потребления и сетевых ограничений. В результате оценки получено два списка регионов (один для ветровой, другой – для солнечной энергетики) с наибольшими потенциально возможными объемами внедрения. Полученные таким образом наборы регионов отличаются от наборов, полученных только оценкой потенциала ВИЭ на основе климатических данных, так как сетевая инфраструктура оказывает существенное влияние на предельные объемы внедрения в каждом регионе. В дополнение, проведена примерная оценка необходимости субсидирования ВИЭ в каждом из рассмотренных регионов. Отметим, что для некоторых регионов внедрение ВИЭ уже является экономически оправданным даже без учета субсидирования. Полный объем возобновляемой генерации, которая может быть включена в существующие сети уже сейчас (в 10 выбранных регионов) составляет почти 40 ГВт. Таким образом, уже на этой стадии проекта становится понятно, что потенциал возобновляемой энергетики в России пока используется лишь на малую часть, и уже сегодня страна может получить серьезные преимущества от внедрения больших объемов ВИЭ, даже с уже имеющейся сетевой инфраструктурой без ее масштабной перестройки.

 

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект нацелен на всестороннюю оценку потенциала внедрения возобновляемой генерации в электрические сети России. Комплексная оценка включает в себя как анализ потенциала возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в России, так и способности существующих сетей принять большие объемы ВИЭ. Также, будут исследованы изменения в рынках энергии и мощности. Будут также исследованы ограничения, накладываемые существующей сетевой инфраструктурой, идентифицированы наиболее ограничивающие факторы, а также будут даны рекомендации по возможному расширению сетевой инфраструктуры для увеличения потенциала сети по подключению больших объемов ВИЭ. Основные результаты проекта за второй год: Сформулированы и проанализированы сценарии внедрения ВИЭ с точки зрения их влияния на рынок на сутки вперед с учетом актуальных данных по нагрузке и генерации. Предложено несколько методов аппроксимации на основе гауссовых процессов для эффективного численного решения задачи оптимизации установившегося режима энергосистемы с вероятностными ограничениями. Для анализа влияния различных объемов ВИЭ разработаны новые методы расчета запасов устойчивости, оценки предельных режимов и противоаварийного управления. Проведена оценка допустимой доли ВИЭ в России с учетом динамически обновляемых допустимых перетоков мощности в контролируемых сечениях единой энергетической системы, потенциала выработки возобновляемой энергии в наиболее перспективных регионах России, локальных погодных условий и энергобаланса этих регионов. Разработана детальная модель солнечной станции с преобразовательными элементами в программной среде PSCAD. Разработана новая библиотека Python с открытым кодом для анализа потребления электроэнергии и дезагрегации нагрузки. Разработана программа оптимизации суточного потребления пригорода с электромобилями.

 

Публикации

1. Балуев Д., Али М., Грязина Е. State of the art approach for comprehensive power system security assessment—Real case study International Journal of Electrical Power and Energy Systems, Volume 155, Part B, January 2024, 109594 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2023.109594

2. Варец А., Грязина Е. Assessment of the hosting capacity of a suburban area for a fleet of electric vehicles with uncoordinated and optimized charging strategies 2023 IEEE Belgrade PowerTech, 2023 IEEE Belgrade PowerTech, 1-72023 IEEE Belgrade PowerTech, 1-5 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/PowerTech55446.2023.10202705

3. Камышев И., Терзия В., Грязина Е. Edframe: Open-Source Library for End-to-End Energy Disaggregation in PythonEdframe: Open-Source Library for End-to-End Energy Disaggregation in Python 2023 IEEE Belgrade PowerTech, 2023 IEEE Belgrade PowerTech, 1-7 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/PowerTech55446.2023.10202926

4. Митрович М., Кундачина О., Лукашевич А., Буденный С., Воробьев П., Терзия В., Максимов Ю. Дека Д. GP CC-OPF: Gaussian Process based optimization tool for Chance-Constrained Optimal Power Flow Software impacts, 16 (2023) 100489 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.simpa.2023.100489

5. Митрович М., Лукашевич А., Воробьев П., Терзия В., Буденный С., Максимов Ю., Дека Д. Data-driven stochastic AC-OPF using Gaussian process regression International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Volume 152, October 2023, 109249 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2023.109249

6. Митрович М., Лукашевич А., Воробьев П., Терзия В., Максимов Ю. Дека Д. Fast Data-Driven Chance Constrained AC-OPF using Hybrid Sparse Gaussian Processes 2023 IEEE Belgrade PowerTech, 2023 IEEE Belgrade PowerTech, 1-7 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/PowerTech55446.2023.10202724