Розвиток наукових засад оптимальної взаємодії розосереджених енергетичних ресурсів в локальних електроенергетичних системах

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorДерев’янко, Денис Григорович
dc.date.accessioned2025-01-03T10:03:39Z
dc.date.available2025-01-03T10:03:39Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractДерев’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.
dc.description.abstractotherDerevianko D.G. Development of scientific principles of optimal interaction of distributed energy resources in local electric power systems. – Qualifying scientific work on the rights of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences in the specialty 05.14.01 “Energy Systems and Complexes”. – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, Ukraine, 2024. In recent years, the transition to decarbonized, decentralized, and digital energy systems has increased the cybersecurity risks of such systems, and the impact of weather conditions on the operation of certain types of generating units raises the issue of energy security in a new way. The increase in the share of electricity generation from sources of distributed generation (DG) and renewable energy sources (RES) in the overall energy balance has a number of advantages and disadvantages. In particular, the lack of flexibility of the system has become a more noticeable problem with the increase in the share of different types of RES and distributed energy resources (DER), especially when various thermal units were gradually decommissioned at the same time. The importance of DER as a separate type of network “resource” is growing more and more every year. DG sources and prosumers are a significant energy resource connected to the grid. In order to involve them in the provision of ancillary services during network operation, they need to be combined and controlled in order to be able to jointly manage them as a group of generators to provide services that meet the requirements of transmission system operators (TSOs) and distribution system operators (DSOs). DER can no longer be seen as separate devices connected to the grid, they should be integrated and managed as part of transmission and distribution systems. The implementation of DER affects distribution network (DN) and turns them into active elements of local electric power systems (LES). Therefore, with the increase in the share of generated electricity from DG sources, their influence on the parameters of DN of LES modes increases. This, in turn, necessitates the development of a methodology for mutual integration of LES with DER with a centralized power system, which will create conditions for ensuring the appropriate parameters of power supply quality and reliability. Such integration is possible only under the condition of optimal interaction of DER, which are both individual DG installations or energy storage systems (ESS), and LES as a whole. For LES with DG and ESS, it is important to develop scientific principles, namely the creation of methodology and practical tools (methods, models, algorithms and programs) for the optimal interaction of DER, taking into account the peculiarities of their functioning and the needs of the power system. A critical analysis of international experience in solving this problem determined the directions of scientific research, the results of which are presented in the dissertation. The main purpose of the work is the development of scientific and scientificapplied foundations of optimal interaction of DER in LES with the use of methodology development, development of models and methods that ensure the aggregation and interaction of DG elements and storage devices within such systems and these systems with operators of distribution systems of UES of Ukraine. The dissertation solves the topical scientific and applied problem of the development of scientific bases for the optimal interaction of DER in LES regarding the development of theoretical foundations, the development of models and methods that ensure the aggregation and interaction of DG elements and storage devices within such systems and with distribution system operators of the united energy system (UES) of Ukraine. Practical implementation of the research results contributes to improving the efficiency of the functioning of LES with DER. In the first section, an analysis of the structure and features of the functioning of LES with DER is carried out. A detailed analysis of DER system models made it possible to identify individual elements of DER , such as active consumers and virtual power plants. The analyzed legislative framework for the introduction of DG sources in Ukraine made it possible to determine the existing basis for ensuring the interaction of different types of DER s through the introduction of local electricity markets. The basic requirements for participants in local electricity markets are systematized. The carried out analysis of the criteria for assessing the energy efficiency and energy performance of the functioning of the LES with the DER made it possible to determine the components for the economic analysis of these systems. The analysis of methods and ways to optimize the technical and economic characteristics of LES with DER made it possible to determine the main directions of optimization. The carried out classification of the LES control system with DG sources and energy storage systems made it possible to determine the main directions of operation of LES control systems and outlined the directions of aggregation of different types of DG and ESS. A hierarchical model of functioning of LES with different types of DER s has been formed. The second section is devoted to the models of optimal interaction between the active consumer and the LES through the development of approaches to determining the technical and economic indicators of the functioning of active consumers in the context of managing the demand for energy resources. On the basis of the analysis of the structure and modes of active consumers, the task of optimizing the modes of their functioning has been formulated, which makes it possible to take into account both the economic and energy characteristics of their performance. The proposed model for assessing the efficiency of functioning of an active consumer combines economic and energy indicators. Taking into account the analysis of the obtained set of values of the proposed indicator of efficiency of functioning of the active consumer, it is concluded that its maximum value can be achieved through an increase in the coefficient of autonomy of the active consumer, and, consequently, the share of electricity consumed from the sources of DG and the storage system, as well as through maximizing the profit from the sale of surplus electricity generated by the sources of the DG to the grid. The set of performance indicators of the active consumer has been expanded on the basis of an indicator that takes into account the latter's response to demand management programs. The proposed method of visualization of indicators of functioning of an active consumer makes it possible to carry out a multifactorial assessment of the effectiveness of its work with the help of Schumann diagrams. The built profiles of functioning of the active consumer reflect the efficiency of his work in relation to the average and maximum values of the functions of the formed optimization task. The proposed method of visualization and the extended set of indicators make it possible to take into account the structure and established modes of operation of active consumers on the basis of their deviation from the target values of the specified functions. The third section analyzes the practical aspects of optimal operation of LES in the conditions of aggregation of different types of DER s. An optimization problem at the level of interaction of different types of DER s with each other within the specified systems has been formed. A comparative analysis of methods for determining the value of unit costs for generating electricity in systems with DG sources and storage devices has been carried out. The improved methodology for determining the LCOE (Levelized Cost of Energy) indicator makes it possible to take into account all types of energy sources in LES and give appropriate price signals to potential investors who are going to invest in the development of DER. A dimensionless function has been formed, which allows to obtain estimates of the level of unevenness of electricity consumption by loads depending on both the duration of the intervals, at each of which there is a constant power take-off, and the intensity of discharge of storage devices at these intervals. The proposed indicator of the effectiveness of the implementation of electricity demand management programs makes it possible to determine the actual capabilities of consumers to change their load schedules, which is extremely important for the system operator. An analysis has been carried out and the main functions that should be performed by the monitoring system in LES with DER have been formed. The fourth section formulates the basic requirements and procedures for the integration of DER into LES on the basis of market models of interaction. An analysis of the functional relationships of LES elements at different levels of interaction within the framework of the Smart Grid architecture model (SGAM) is carried out. It is determined that for different types of DER the interaction at different levels will be different. The latter is important because it made it possible to clarify the task of aggregating DER in LES. A market model of aggregation of DER in LES has been formed, which is based on the apparatus of game theory and rules of operation of the energy market of Ukraine and takes into account all possible modes of functioning of DER in LES. The proposed game-theoretic model of DER aggregation in LES makes it possible to form two strategic directions of DER management in LES during their aggregation. The first direction allows the aggregator to implicitly stimulate the DER to maximize the generation of electricity from DG and ESS, and the second creates more stringent conditions that will stimulate the DER to comply with the terms of the contract as much as possible. In the fifth section, game-theoretic models of optimal interaction of LES with the UES of Ukraine at the level of distribution system operators have been developed. The formulation of the optimization problem for models of local systems with DER and models of centralized electric power systems within the framework of game theory is formalized. A procedure for optimizing the model of the synthesized system within the framework of a formalized game based on the use of dynamic tariffication mechanisms within the framework of demand side management programs has been proposed, which allows to find the rational solution to the game problem by finding the Nash-equilibrium strategies of the players. Based on the results of the study, the architecture of the system of Smartmonitoring of LES with DER is proposed, which takes into account all types of sources of DG and ESS and the features of their functioning. Such a system operates in certain time intervals, ensuring the exchange of information flows, which allow, in turn, to manage energy flows, ensuring the optimal functioning of the monitoring system at all three levels, and therefore the optimal work of LES. The sixth section proposes a model for optimal interaction of DER of three types: “Uncontrolled DG generating units”, “Controlled DG generating units” and “Energy storage systems” with the LES aggregator/operator. The optimal strategies for aggregating different types of DER s in LES are determined on the basis of determining the Nash equilibrium for each type of DER when interacting with the aggregator. In order to ensure the possibility of compliance with the identified optimal strategies for aggregation of different types of DER s, requirements for monitoring and management procedures in LES have been formed. In the seventh section, scientific and methodological support for improving the efficiency of DER interaction in LES has been developed. The developed methodology for improving the energy efficiency of LES with active consumers makes it possible, on the basis of assessment of technical and economic parameters of the operating modes of active consumers, to form corrective actions regarding the modes of their operation and to determine the potential for improving the efficiency of its functioning, and therefore for the functioning of LES. Also, this methodology makes it possible to assess the potential of autonomous operation of active consumers, which will have an extremely positive impact on the operating modes of LES in the face of russian aggression. The developed regulatory and methodological support for the aggregation of different types of DER s in LES makes it possible to introduce local energy markets to increase the autonomy of LES with DER s, which is especially important in the functioning of the UES of Ukraine in the context of russian aggression. Improved game-theoretic models of interaction between DER and centralized electric power systems make it possible to increase the efficiency of their interaction due to the possibility of displaying versatile interaction (at the technical and economic/market levels), which will have a positive impact on the modes of operation of these systems.
dc.format.extent412 с.
dc.identifier.citationДерев’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.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/71548
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectрозосереджені енергетичні ресурси
dc.subjectлокальна електроенергетична система
dc.subjectлокальний ринок електричної енергії
dc.subjectелектроенергетична система
dc.subjectвиробництво електричної енергії
dc.subjectринкова модель
dc.subjectмережеві обмеження
dc.subjectсистема моніторингу
dc.subjectагрегатор
dc.subjectоператор системи розподілу
dc.subjectактивний споживач
dc.subjectтеорія ігор
dc.subjectмеханізм
dc.subjectdistributed energy resources
dc.subjectmicrogrid
dc.subjectlocal electricity market
dc.subjectelectric power system
dc.subjectelectricity production
dc.subjectmarket model
dc.subjectnetwork constraints
dc.subjectmonitoring system
dc.subjectaggregator
dc.subjectdistribution system operator
dc.subjectprosumer
dc.subjectgame theory
dc.subjectmechanism
dc.subject.udc621.316.1
dc.titleРозвиток наукових засад оптимальної взаємодії розосереджених енергетичних ресурсів в локальних електроенергетичних системах
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Derevianko_dys.pdf
Розмір:
6.98 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ЕП)
Дисертації (вільний доступ)