Розвиток наукових засад оптимальної взаємодії розосереджених енергетичних ресурсів в локальних електроенергетичних системах
Вантажиться...
Дата
2024
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Дерев’янко Д.Г. Розвиток наукових засад оптимальної взаємодії розосереджених енергетичних ресурсів в локальних електроенергетичних системах. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.14.01 «Енергетичні системи та комплекси». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, Україна, 2024.
Останніми роками перехід до декарбонізованих, децентралізованих і цифрових енергетичних систем збільшив ризики щодо кібербезпеки таких систем, а вплив погодних умов на роботу окремих типів генерувальних установок по-новому піднімає питання енергетичної безпеки. Зростання частки генерування електричної енергії від джерел розосередженої генерації (РГ) і нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії (НВДЕ) у загальному енергетичному балансі має ряд переваг і недоліків. Зокрема, відсутність гнучкості системи стала більш помітною проблемою зі зростанням частки різнотипних НВДЕ й розосереджених енергетичних ресурсів (РЕР), особливо коли одночасно поступово виводили з роботи різноманітні теплові установки. Важливість РЕР як окремого виду «ресурсу» мережі з кожним роком зростає дедалі більше. Джерела РГ та активні споживачі є значним енергетичним ресурсом, підключеним до мережі. Щоб задіяти їх у наданні допоміжних послуг під час роботи мережі, їх потрібно об’єднувати та контролювати, щоб мати можливість здійснювати спільне керування ними як групою генераторів для надання послуг, які відповідають вимогам операторів системи передачі (ОСП) та операторів системи розподілу (ОСР). Розосереджені енергетичні ресурси більше не можна розглядати як окремі пристрої, підключені до мережі, вони мають бути інтегровані та керовані як частина систем передачі й розподілу. Впровадження РЕР впливає на розподільні електричні мережі (ЕМ) і перетворює їх на активні елементи локальних електроенергетичних систем (ЛЕС). Відтак, зі зростанням частки генерованої електроенергії від джерел РГ збільшується їх вплив на параметри режимів ЕМ ЛЕС. Це, своєю чергою, викликає потребу розробити методологію взаємної інтеграції ЛЕС із РЕР із централізованою енергосистемою, котра створить умови для забезпечення відповідних параметрів якості електропостачання і надійності. Така інтеграція можлива лише за умови оптимальної взаємодії РЕР, котрі являють собою як окремі установки РГ чи системи накопичення енергії (СНЕ), так і локальні енергетичні системи в цілому. Для ЛЕС із джерелами РГ та СНЕ актуальним є розвиток наукових засад, а саме створення методології та практичного інструментарію (методів, моделей, алгоритмів і програм) оптимальної взаємодії РЕР з урахуванням особливостей їх функціонування і потреб енергосистеми. Критичний аналіз міжнародного досвіду вирішення проблеми визначили напрями наукових досліджень, результати яких викладені у дисертаційній роботі. Основна мета роботи – розвиток наукових і науково-прикладних основ оптимальної взаємодії РЕР у ЛЕС з використанням розвитку методології, розроблення моделей та методів, які забезпечують агрегацію і взаємодію елементів РГ і накопичувачів у межах таких систем та з операторами систем розподілу об’єднаної енергетичної системи (ОЕС) України. У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-прикладну проблему розвитку наукових основ оптимальної взаємодії РЕР у ЛЕС щодо розвитку теоретичних засад, розроблення моделей та методів, які забезпечують агрегацію і взаємодію елементів РГ і накопичувачів у межах таких систем та із операторами систем розподілу ОЕС України. Практичне впровадження результатів досліджень сприяє підвищенню ефективності функціонування ЛЕС із РЕР. У першому розділі проведено аналіз структури та особливостей функціонування ЛЕС із РЕР. Детальний аналіз моделей систем із РЕР дав змогу виокремити окремі елементи ЛЕС, – такі як активні споживачі та віртуальні електростанції. Проаналізована законодавча база щодо впровадження джерел РГ в Україні дала змогу визначити наявне підґрунтя для забезпечення взаємодії різнотипних РЕР завдяки запровадженню локальних ринків електричної енергії. Систематизовано основні вимоги до учасників локальних ринків електричної енергії. Проведений аналіз критеріїв оцінювання енергетичної ефективності та енергетичної результативності функціонування ЛЕС із РЕР дав змогу визначити складові для проведення економічного аналізу означених систем. Аналіз методів і способи оптимізації техніко-економічних характеристик ЛЕС із РЕР дав змогу визначити основні напрями оптимізації. Проведена класифікація системи керування ЛЕС із джерелами РГ та системами накопичення енергії дала змогу визначити основні напрями роботи систем керування ЛЕС й окреслила напрями агрегування різнотипних джерел РГ і СНЕ. Сформовано ієрархічну модель функціонування ЛЕС із різнотипними РЕР. Другий розділ присвячено моделям оптимальної взаємодії активного споживача та ЛЕС через розвиток підходів до визначення технічних й економічних показників функціонування активних споживачів в умовах керування попитом на енергетичні ресурси. На основі аналізу структури і режимів активних споживачів сформульовано задачу оптимізації режимів їх функціонування, що дає змогу врахувати як економічні, так і енергетичні характеристики їх роботи. Запропонована модель оцінювання ефективності функціонування активного споживача поєднує економічні й енергетичні показники. З урахуванням аналізу отриманої множини значень запропонованого показника ефективності функціонування активного споживача зроблено висновок, що максимального його значення можна досягти через збільшення коефіцієнта автономності роботи активного споживача, а отже, частки споживаної електроенергії від джерел РГ і системи накопичення, а також через максимізацію прибутку від продажу надлишків генерованої джерелами РГ електроенергії в мережу. Розширено множину показників ефективності функціонування активного споживача на основі показника, котрий враховує реакцію останнього на програми керування попитом. Запропонований спосіб візуалізації показників функціонування активного споживача дає змогу за допомогою діаграм Шумана проводити багатофакторне оцінювання ефективності його роботи. Побудовані профілі функціонування активного споживача відображають ефективність його роботи щодо середніх і максимальних значень функцій сформованої оптимізаційної задачі. Запропонований спосіб візуалізації та розширена множина показників дають змогу враховувати структуру та усталені режими роботи активних споживачів на основі їх відхилення від цільових значень заданих функцій. У третьому розділі проаналізовано практичні аспекти оптимальної роботи ЛЕС в умовах агрегування різнотипних РЕР. Сформовано оптимізаційну задачу на рівні взаємодії різнотипних РЕР між собою у межах означених систем. Проведено зіставний аналіз методів визначення величини питомих витрат на генерацію електроенергії в системах із джерелами РГ і накопичувачами. Удосконалена методологія визначення показника LCOE (Levelized Cost of Еnergy) дає змогу врахувати усі типи джерел енергії у ЛЕС та дати відповідні цінові сигнали потенційним інвесторам, котрі збираються інвестувати у розвиток РЕР. Сформовано безрозмірну функцію, яка дозволяє отримати оцінки рівня нерівномірності споживання електроенергії навантаженнями залежно як від тривалості інтервалів, на кожному з яких є постійний відбір потужності, так і інтенсивності розряду накопичувачів на цих інтервалах. Запропонований показник ефективності запровадження програм керування попитом на електричну енергію дає змогу визначити фактичні можливості споживачів щодо зміни своїх графіків навантаження, що вкрай важливо для системного оператора. Проведено аналіз та сформовано основні функції, які повинна виконувати система моніторингу в ЛЕС із РЕР. У четвертому розділі сформульовано основні вимоги та процедури інтеграції РЕР у ЛЕС на основі ринкових моделей взаємодії. Проведено аналіз функціональних зв’язків елементів ЛЕС на різних рівнях взаємодії у межах моделі «Smart Grid architecture model» (SGAM). Визначено, що для різних типів РЕР взаємодія на різних рівнях буде різнитися. Останнє є важливим, оскільки дало змогу уточнити завдання агрегування РЕР у ЛЕС. Сформовано ринкову модель агрегування РЕР у ЛЕС, що ґрунтується на апараті теорії ігор та правилах роботи енергетичного ринку України і враховує усі можливі режими функціонування РЕР у ЛЕС. Запропонована теоретико-ігрова модель агрегування РЕР у ЛЕС дає змогу сформувати два стратегічних напрями керування РЕР у ЛЕС під час їх агрегування. Перший напрям дає змогу агрегатору неявно стимулювати РЕР до максимізації генерування електричної енергії від джерел РГ та СНЕ, а другий створює більш жорсткі умови, котрі стимулюватимуть РЕР максимально дотримуватися умов контракту. У п’ятому розділі набули розвитку теоретико-ігрові моделі оптимальної взаємодії ЛЕС з ОЕС України на рівні операторів систем розподілу. Формалізовано постановку задачі оптимізації для моделей локальних систем із РЕР та моделей централізованих електроенергетичних систем у межах теорії ігор. Запропоновано процедуру оптимізації моделі синтезованої системи у межах формалізованої гри на основі використання механізмів динамічної тарифікації у межах програм керування попитом, котра дає змогу знайти раціональне рішення поставленої ігрової задачі знаходженням рівноважних за Нешем стратегій гравців. За результатами дослідження запропоновано архітектуру системи Smartмоніторингу ЛЕС із РЕР, котра враховує усі типи джерел РГ і СНЕ та особливості їх функціонування. Така система працює в певних часових інтервалах, забезпечуючи обмін інформаційними потоками, які дозволяють, у свою чергу, керувати енергопотоками, забезпечуючи оптимальне функціонування системи моніторингу на всіх трьох рінях, а відтак і оптимальну роботу ЛЕС. У шостому розділі запропоновано модель оптимальної взаємодії РЕР трьох типів: «Некеровані генерувальні установки РГ», «Керовані генерувальні установки РГ» та «Системи накопичення енергії» з агрегатором/оператором ЛЕС. Визначено оптимальні стратегій агрегування різнотипних РЕР у ЛЕС на основі визначення рівноваги за Нешем для кожного типу РЕР під час взаємодії з агрегатором. Для забезпечення можливості дотримання визначених оптимальних стратегій агрегування різнотипних РЕР сформовано вимоги до процедур моніторингу та керування у ЛЕС. У сьомому розділі розроблено науково-методичне забезпечення підвищення ефективності взаємодії РЕР у ЛЕС. Розроблена методика підвищення енергетичної ефективності ЛЕС з активними споживачами дає змогу на основі оцінювання технічних та економічних параметрів режимів роботи активних споживачів формувати коригувальні дії щодо режимів їх роботи та визначати потенціал до підвищення ефективності його функціонування, а відтак і до функціонування ЛЕС. Також ця методика дає змогу оцінити потенціал автономної роботи активних споживачів, що вкрай позитивно вплине на режими роботи ЛЕС в умовах російської агресії. Розроблене нормативно-методичне забезпечення агрегування різнотипних РЕР у ЛЕС дає змогу впроваджувати локальні енергетичні ринки для підвищення автономності роботи ЛЕС із РЕР, що особливо важливо за функціонування ОЕС України в умовах російської агресії. Удосконалені теоретико-ігрові моделі взаємодії РЕР із централізованими електроенергетичними системами дають змогу підвищити ефективність їхньої взаємодії завдяки можливості відображення різносторонньої взаємодії (на технічному та економічному/ринковому рівнях), що позитивно вплине на режими роботи зазначених систем.
Опис
Ключові слова
розосереджені енергетичні ресурси, локальна електроенергетична система, локальний ринок електричної енергії, електроенергетична система, виробництво електричної енергії, ринкова модель, мережеві обмеження, система моніторингу, агрегатор, оператор системи розподілу, активний споживач, теорія ігор, механізм, distributed energy resources, microgrid, local electricity market, electric power system, electricity production, market model, network constraints, monitoring system, aggregator, distribution system operator, prosumer, game theory, mechanism
Бібліографічний опис
Дерев’янко, Д. Г. Розвиток наукових засад оптимальної взаємодії розосереджених енергетичних ресурсів в локальних електроенергетичних системах : дис. … д-ра техн. наук : 05.14.01 – енергетичні системи та комплекси / Дерев’янко Денис Григорович. – Київ, 2024. – 412 с.