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 22-49-02065

НазваниеТехнологические решения для максимальной интеграции возобновляемых источников в электрические сети

РуководительСидоров Денис Николаевич, 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№63 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DST).

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

Ключевые словавозобновляемые источники энергии (ВИЭ), инттеграция ВИЭ в электричсекие сети, гибкость электрических сетей, автоматическое управление

Код ГРНТИ44.00.00

СтатусЗакрыт досрочно

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Главной целью предлагаемого проекта является создание новых стратегий и инструментов для максимизации доли чистой энергии в электрических сетях России и Индии. Проект соответствует глобальным целям достижения нулевых выбросом углекислого газа. Консорциум, сформированный из Российских (Сколтех) и Индийских (признанные Индийские технологические институты (ИТИ) во главе с ИТИ Канпур) исследователей, ставит следующие цели проекта: (a) Оценка энергосистемы Индии и России на предмет их плотности (grid strength) и максимально допустимой мощности возобновляемых источников энергии (ВИЭ), которую можно внедрить в эти сети (hosting capacity); (b) Разработка эталонных моделей для изучения систем с различной долей ВИЭ; (c) Разработка передовых методов мониторинга для энергосистем с ВИЭ; (d) Анализ проблем устойчивости систем с высокой долей ВИЭ; (e) Разработка технологий для повышения гибкости энергосистем с помощью передовых алгоритмов управления и защиты. Вышеуказанные цели были сформулированы в результате детальной оценки значимости различных стратегически важных направлений исследований в области возобновляемой энергетики. Наша цель состоит в том, чтобы попытаться решить, возможно, наиболее сложные задачи, связанные с увеличением доли ВИЭ в сегодняшних электрических сетях, а также применить современные технологии и современные научные методы для разработки методов планирования, мониторинга, защиты и управления, необходимых для следующего поколения систем управления генерацией/распределением электрической энергии (Energy Management Systems/Distribution Management Systems - EMS / DMS). В настоящее время общеизвестно, что интеграция значительной доли ВИЭ в существующие электроэнергетические системы внесет существенные изменения в их динамику из-за особых свойств инверторов, используемых для подключения ВИЭ. Таким образом, традиционные подходы к управлению энергосистемами могут стать неприменимыми в сетях с высокой долей возобновляемых источников. Дополнительные трудности создает стохастический характер большинства возобновляемых источников, что еще больше усложняет задачи планирования и управления энергосистемами. Эта комбинация сложных динамических свойств с стохастической природы ВИЭ требует новых гибких инструментов, робастных по отношению к различным типам неопределенностей, и, в то же время, позволяющих осуществлять высокоточное регулирование сети. Понимание этих неопределенностей, а также специфики динамических свойств систем с высокой долей ВИЭ требует наличие экспертизы из двух основных областей: а) энергетические системы и б) силовая электроника. Эти области традиционно были разделены, однако современные исследования энергосистем/электрических сетей требуют глубоких знаний в обеих областях. В этом проекте ставим целью поиск новых интеллектуальные сетевые решений для сложных систем с высокой долей ВИЭ, что является гораздо более сложной исследовательской/практической задачей по сравнению с обычными электросетями. Здесь сложность проблемы выражается в следующих ключевых проблемах: 1. Установить, как интеграция ВИЭ влияет на ключевые характеристики энергосистемы, которые определяют ее динамику. Следовательно, как интеграция ВИЭ влияет на работу стратегий защиты и управления системы. Здесь мы имеем в виду изменения, например, инерции энергосистемы (напрямую связанной с устойчивостью по частоте и углу) и/или величин токов коротких замыканий (напрямую связанных со устойчивостью по напряжению), которые являются ключевыми факторами, влияющими на общую надежность системы, то есть устойчивость по отношению к различным возмущениям. 2. Увеличение максимальной мощности ВИЭ, которую можно интегрировать в существующие сети (hosting capacity), что имеет решающее значение для оптимального использования возобновляемых источников, прежде всего ветряных и солнечных. 3. Мониторинг в реальном времени ключевых системных параметров, например уровня надежность системы, и создание передовых инструментов для систем управление генерацией/распределением энергии (EMS/DMS), включая мониторинг запасов устойчивости в режиме реального времени. 4. Установить природу и возможные последствия динамического взаимодействия между различными контурами управления возобновляемыми источниками (подключаемыми в сеть посредством инверторов). Здесь мы хотим исследовать вопросы возникновения суб- и супер-синхронных колебаний и разработать новые алгоритмы для их обнаружения и мониторинга в режиме реального времени, что критически важно для предотвращения потенциальных резонансных явлений, ведущих к фатальным сбоям в работе оборудования и потенциальным каскадным событиям. Здесь использование передовых технологий измерения, таких как системы векторных измерений (Phasor Measurement Units - PMU), может стать необходимым для обеспечения требуемых уровней точности мониторинга. 5. Необходимость в инструментах мониторинга устойчивости в реальном времени на основе данных измерений и без использования моделей системы. Такие методы необходимы для для работы в условиях переменной топологии сети, стохастического характера ВИЭ и других возможных неопределенностей. Здесь будет предложен новый подход, основанный на теории Ляпунова, в качестве замены традиционным подходам, основанным на знании модели сети. 6. Разработка специальных схем превентивного и корректирующего управлений, подходящих для сетей с высокой долей ВИЭ. Наличие устройств силовой электроники значительно ускоряет все переходные процессы, так что существующие контуры управления больше не могут гарантировать стабильную работу системы. Мы стремимся изучить варианты интеграции, например, систем накопления электроэнергии, для повышения безопасности и устойчивости сети. 7. Специфическая динамика инверторов, которая сильно отличается от обычных синхронных машин, требует тщательного пересмотра концепций защиты энергосистем. Как с точки зрения функционирования существующих защитных схем (например, дистанционная защита), так и для координации систем защиты. Эту проблему можно решить, используя разработанные эталонные модели ВИЭ в сочетании с передовыми инструментами мониторинга. 8. В результате изменения динамических свойств системы, существующие схемы защиты целостности системы (System Integrity Protection Schemes - SIPS), например, аварийная разгрузка, могут работать неправильно. Наша цель - разработать адаптивные и надежные подходы, поддерживаемые технологией векторных измерений, подходящие для систем с высокой долей ВИЭ. 9. Наконец, предлагаемые новые решения и инструменты для мониторинга, защиты и управления должны быть надлежащим образом протестированы на реалистичных сценариях. Мы будем использоваться не только классическое компьютерное моделирование, но и моделирование с помощью программно-аппаратных комплексов доступных обеим командам проекта - в России (Сколтех) и Индии (ИИТ Канпур). Созданный Консорциум Российской и Индийской команд представляет собой сильную группу экспертов для решения всех перечисленных задач. Команды состоят из экспертов в области как электроэнергетики, так и силовой электроники, и обе команды имеют многолетний опыт работы на национальном и международном уровне, которая подтверждается их лидирующими позициями в определении направлений исследований в области электроэнергетики. Члены консорциума имеют признанные публикации самого высокого международного уровня, доказанное успешное сотрудничество с индустриальными партнерами, сотрудничество с законодательными/регулирующими органами в области разработки стратегий развития электроэнергетики в своих странах. Члены Консорциума уже имеют успешный опыт ведения совместного крупномасштабного международного проекта, посвященного разработке новых методов предотвращения масштабных блэкаутов. Вне всяких сомнений, Консорциум Российской и Индийской команд обладает необходимой квалификацией и опытом для успешного и своевременного выполнения всех задач проекта и получения научных результатов мирового уровня.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта будет разработан ряд новых методов, подходов и технических решений для оптимальной интеграции возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в современные электрические сети. Таким образом, проект внесет прямой вклад в проблему чистой энергетики, критически важную для национальной экономики как Российской Федерации, так и Индии. Ожидается, что результаты будут достигнуты благодаря совместному сотрудничеству высококвалифицированных исследователей из академических институтов обеих стран. Научная группа проекта будет сосредоточена на важных и сложных исследовательских вопросах, которые описаны ниже. Обширный мировой опыт эксплуатации объектов ВИЭ (подключаемых к сети с помощью инверторов) показывает, что с увеличением доли ВИЭ оценка и поддержание устойчивости сети становятся проблемой как на магистральном, так и на распределительном уровнях. Безопасная, надежная, гибкая и экономичная работа электрических сетей, являющихся ключевой инфраструктурой каждой страны, имеет колоссальное значение, поэтому настоящий проект направлен на разработку ряда новых методов мониторинга, защиты и регулирования для электрических сетей с высокой долей ВИЭ, подключенных при помощи инверторов. Ожидается, что результаты этого проекта будут использоваться в энергетическом секторе, обеспечивая экономичное и доступное производство, передачу и потребление энергии. Научная работа над проектом разделена на пять направлений исследований (НИ), как описано ниже. Направление 1 посвящено разработке репрезентативных эталонных моделей для магистральных и распределительных сетей. Модели позволят тестировать различные сценарии интеграции ВИЭ в существующие электрические сети Индии и России. Будут разработаны три типа моделей: стационарные модели, полные и упрощенные динамические модели. Последний тип моделей незаменим при анализе динамики и устойчивости электрических сетей с большим количеством объектов генерации (чаще всего, инверторов). Модели будут разработаны с учетом характерных особенностей электрических сетей России и Индии и будут далее использованы для валидации практической применимости результатов проекта. Направление 2 будет посвящено разработке новых количественных показателей для оценки плотности сети (англ. grid strength) и предельно допустимой мощности ВИЭ (англ. “hosting capacity”)для сетей как на магистральном так и на распределительном уровне. Данное направление позволит предоставить практические методики для принятия решений по интеграции ВИЭ на различных уровнях ЭЭС. Ожидается, что данные методики будут обеспечивать максимальную интеграцию ВИЭ, что приведет к получению значительного экономического эффекта и сокращению выбросов CO2. Направление 3 ставит задачей разработку эффективных и надежных методов оперативного мониторинга устойчивости электрических сетей с ВИЭ. Будут разработаны методы оценки устойчивости по напряжению и частоте, методы обнаружения и мониторинга колебаний, как суб-синхронных, так и супер-синхронных, методы оценки демпфирования доминирующих колебательных мод. Эти методы лягут в основу будущих информационно-коммуникационных систем для нового поколения систем мониторинга для электрических сетей с преобладанием инверторов. Направление 4 посвящено новым подходам к защите и автоматическому управлению электрическими сетями с высокой долей ВИЭ. В частности, мы разработаем новые методы корректирующего управления для генераторов и автоматической разгрузки с учетом высокой доли ВИЭ в энергобалансе. Кроме того, будет создан набор централизованных и децентрализованных алгоритмов для реализации виртуальной инерции и стабилизирующих алгоритмов управления инверторами, схем адаптивной защиты для сетей с высокой долей генерации посредством инверторов (converter interfaced generation - CIG). Таким образом, данное направление создаст основу для новых автоматизированных систем управления электрическими сетями с увеличенной долей ВИЭ. Направление 5 сосредоточится на проверке достоверности разработанных методов с помощью моделирования в реальном времени, т.е. на использовании программно-аппаратного комплекса цифрового моделирования в режиме реального времени, золотого стандарта в области моделирования энергосистем, позволяющего протестировать разработанные методы в реальных условиях. Мы будем использовать эталонные модели, разработанные в рамках проекта, для тестирования различных сценариев с целью валидации наших новых подходов и решений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект посвящен разработке ряда методов для упрощения интеграции возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в электрические сети и увеличения предельной доли таких источников, которые сеть способна принять. Интеграция в сеть высокой доли возобновляемых источников, подключаемых через преобразовательные устройства, может представлять существенные сложности с точки зрения управления сетью, и настоящий проект направлен на то, чтобы минимизировать эти сложности. Глобальной целью проекта является разработка новых методов для оценки состояния сети и условий режимов, методов оценки запасов устойчивости, а также новых методов управления возобновляемыми источниками энергии, подключенными к сети (путем реализации алгоритмов управления в инверторах). Эти задачи весьма сложны из-за наличия взаимодействия между отдельными преобразовательными устройствами (инверторами), подключенными к сети, а также из-за возможного взаимодействия инверторов с другими компонентами сети. Традиционные методы, используемые в электрических сетях (методы для мониторинга и управление) в большинстве случаев оказываются не применимыми для сетей с высокой долей ВИЭ, и требуется разработка специальных методов для таких сетей. С другой стороны, используемые для подключения ВИЭ инверторы обладают большим потенциалом с точки зрения реализации различных методов управления, особенно в части скорости реализации управляющих воздействий, что дает новые возможности для реализации сложных алгоритмов управления, которые было невозможно реализовать в классических электрических сетях. Первый этап проекта был, в-основном, посвящен разработке моделей различной степени комплексности, а также подбору и адаптации под задачи проекта реалистичных моделей электрических сетей (распределительные сети разных классов напряжения). Важной частью этапа была разработка моделей инверторов разной степени сложности. Это связано с тем, что детальные модели инверторов как правило невозможно напрямую (или нецелесообразно) интегрировать в имеющиеся модели сетей, так что модели инверторов необходимо специальным образом адаптировать в соответствие с конкретными задачами. Мы ставили целью разработку набора моделей разной степени сложности, что позволит подбирать модель нужной степени детализации под конкретные задачи. На первом этапе проекты были получены следующие основные результаты: - разработан/адаптирован ряд репрезентативных моделей распределительных сетей для разных классов напряжения. Проведено предварительное моделирование различных режимов/сценариев для оценки качества моделей и их соответствия задачам проекта. -разработан набор детальных моделей инверторов для двух основных режимов: следования за сетью и задания сети. Модели имеют высокую степень детализации вплоть до моделирования переключений полупроводниковых элементов. Были рассмотрены разные алгоритмы управления инверторами, и модели были сделаны “открытыми”, так, что необходимая конфигурация может быть собрана из различных комбинаций систем управления разного уровня. -разработан набор упрощенных моделей инверторов разной степени детализации. Таким образом, модель нужной сложности может быть подобрана в соответствие с требованиями конкретной задачи. Например, для исследования переходных процессов может быть выбрана модель с явным представлением контура управления током и блока фазовой автоподстройки частоты, в то время как для задач статического (или медленно меняющегося) потокораспределения может использоваться модель инвертора как идеального источника мощности. -разработан новый подход к оценке “плотности” сети, основанный на оценке близости режима к границам допустимых значений параметров режима (например, узловых напряжений или токов в линиях). Данный подход также позволяет определять оптимальную стратегию управления подключенных к сети устройств (например, систем накопления энергии или систем компенсации реактивной мощности) для приведения режимных параметров в область допустимых значений. Таким образом, можно реализовывать сетевые сервисы экономически оптимальным образом.

Публикации