Твой проект —
твоя профессиональная
Траектория

Адаптивный алгоритм оптимального управления microgrid с использованием накопителей электроэнергии

Партнер
ООО «Полюс-НТ»
ВУЗ
ИГУ
Актуальность

Развитие современных энергетических технологий, в первую очередь технологий распределенной генерации (солнечная, ветроэнергетика, использование биомассы, газовые турбины малой мощности) и систем хранения электроэнергии открывают принципиальные возможности для создания энергосистем совершенно нового типа – локальных энергосистем со значительной долей генерации электроэнергии на основе местных ресурсов, которая может быть распределена по разным субъектам этой энергосистемы. Такая энергосистема может поддерживать связь с более крупной (региональной, национальной) энергосистемой за счет подключения к электрическим сетям, но из сети потребляет не основную часть потребляемой электроэнергии. Такая энергосистема называется microgrid («микросеть») со слабой связью с сетью. Самой важной технической проблемой создания таких энергосистем является поддержание заданных значений напряжения и частоты тока для каждого из потребителей и бесперебойное электроснабжение этих потребителей. Решение проблемы связано с обеспечением баланса мощностей: мощность генерации в каждый момент времени должна равняться сумме мощностей всех потребителей, мощности потерь в сетях и оборудовании, мощности, развиваемой накопителями электроэнергии в режиме потребления электроэнергии. При этом важно учитывать, что накопители могут использоваться и в режиме выдачи электроэнергии в сеть, и тогда сумма мощностей генерации и накопителей в режиме выдачи должна равняться сумме мощностей потребителей и мощности потерь. Обеспечение описанного баланса мощностей обеспечивается в microgrid за счет того, что все потребители, все генерирующее оборудование и все накопители электроэнергии обмениваются информацией о себе и своем режиме работы друг с другом и, реализуя автоматический алгоритм оптимального управления,устанавливают значение своей мощности.

Вторая проблема, возникающая при проектировании и создании локальных энергосистем типа microgrid, это обеспечение экономичности такой системы и выбор минимально необходимого состава оборудования, необходимого для создания энергосистемы. Вариант создания локальной энергосистемы в целом ряде случаев вполне может конкурировать со строительством или расширением сетевой инфраструктуры. Для этого должна быть обеспечена оптимизация стоимости строительства локальной энергосистемы.

В рамках кейса мы предлагаем вам поучаствовать в предложении решений обеих этих проблем.

Описание

Мы предлагаем вам решить две инженерные технико-экономические задачи по проектированию энергосистемы типа microgrid со слабой связью с сетью, используя для этого специально созданный модельный стенд microgrid, который находится в зоне Лаборатории Энергии.

Первая задача состоит в проектировании оптимальной архитектуры энергосистемы небольшого поселения, действующая модель которого развернута на стенде microgrid, и в создании алгоритма оптимального управления этой энергосистемой. Решение этой задачи мы предлагаем в виде интересной игры. В этой игре вам предстоит управлять энергосистемой с диспетчерского пункта, набирая очки за каждый удачной пройденный без отключения электроснабжения потребителей игровой такт, и теряя очки, если кто-то из потребителей все-таки оказался отключен. Целью игры является прохождение 10 тактов длительностью 1 минута каждый без единого отключения, то есть с набором максимального количества очков. При этом условия игры будут меняться: будет изменяться погода и графики нагрузки потребителей в течение игры. С правилами игры в можете ознакомиться в Приложении 1. Стенд представляет собой модель энергосистемы, в которой есть некоторое количество потребителей разной категории. Категория определяет штрафы за отключение: отключение больниц (социально важных объектов) штрафуется сильнее всего, отключение заводов чуть менее, отключение домов штрафуется только если оно происходит часто или надолго. Вашей задачей является разработка такого алгоритма управления подачей энергии потребителям и мощности объектов генерации, который позволяет автоматически при изменении условий (нагрузки потребителей, погодных условий) осуществлять такие управляющие воздействия, при которых все потребители будут всегда обеспечены необходимой мощностью. Вам нужно создать алгоритм управления, учитывающий:

  1. Наличие в энергосистеме разных типов потребителей,

  2. Наличие в энергосистеме солнечных электростанций, ветровых электростанций, дизель-генераторных электростанций, накопителей электроэнергии,

  3. Особенности работы каждого из перечисленных типов оборудования (максимальная и минимальная мощность, диапазон и шаг регулирования мощности, зависимость мощности от погодных условий, максимальный накапливаемый заряд, скорость заряда и разряда, величину потерь при заряде и разряде и другие параметры),

  4. Наличие в энергосистеме управляемых выключателей (реклоузеров), позволяющих отключать подачу электроэнергии по отходящим от них линиям электропередач всем потребителям, которые подключены к этой линии,

  5. Переменный и заранее точно не известный график нагрузки потребителей,

  6. Меняющиеся и заранее точно не известные погодные условия (освещенность, скорость ветра),

  7. Возможность неожиданных аварий на линиях электропередач.


Вторая задача связана с оценкой возможностей использования систем хранения электроэнергии в энергосистеме России. Технологии хранения электроэнергии большой энергоемкости стремительно развиваются, и мы предлагаем вам оценить, насколько эффективно они могут быть использованы для более оптимального управления суточным графиком генерации и потребления электроэнергии в России. Вам нужно будет проанализировать суточные графики генерации и потребления электроэнергии в различных объединенных энергосистемах (ОЭС) Единой энергосистемы (ЕЭС) России, а также данные о прогнозируемой стоимости накопителей разных типов (все данные – в Приложении 2), и оценить, подтвердив ваши выводы расчетом, насколько широко накопители энергии имеет смысл использовать в энергосистеме России, где они должны размещаться (централизованно на подстанциях и электростанциях или у каждого конечного потребителя), какова величина российского рынка накопителей электроэнергии и какой совокупный экономический эффект может быть достигнут при использовании накопителей электроэнергии.

При этом мы просим вас рассмотреть использование накопителей электроэнергии только в одной функции – для сглаживания графика суточной нагрузки и генерации. Накопители позволяют накапливать электроэнергию в то время суток, когда нагрузка потребителей минимальна (ночью), и выдавать электроэнергию в сеть тогда, когда нагрузка потребителей максимально (вечер, примерно с 17:00 до 19:00), заменяя в этой функции объекты генерации (электростанции). Таким образом, накопители дают возможность сгладить график генерации и потребления, подняв его в ночные часы и убрав пик в вечерние часы.

Для решения второй задачи вам необходимо будет разработать модель оценки экономического эффекта применения накопителей электроэнергии, при помощи которой вы сможете ответить на указанные вопросы.

Скачать приложение: polusnt_1.docx, polusnt_2.pptx

Результат

В рамках решения первой задачи вы должны ответить на два вопроса:

  1. Какой должна быть оптимальная архитектура (состав объектов, топология электрических сетей) локальной энергосистемы при заданных на стенде потребителях?

  2. Каким должен быть алгоритм оптимального управления локальной энергосистемой, имеющей развернутую на стенде архитектуру?


    Критерием оптимальности выбранного вами алгоритма является получение при его реализации в игре максимального количества очков (прохождение 10 тактов без отключений) на пяти разных наборах погодных условий и графиков нагрузки.

Результат должен быть приведен в виде:

  1. Списка состава объектов энергосистемы следующего вида:


Наименование объекта

Количество (вписать)

1

Дизель-генераторные электростанции (ДЭС)


2

Ветрогенераторы (ВЭС)


3

Солнечные электростанции (СЭС)


4

Накопители электроэнергии


5

Подстанции с выключателями


6

Распределительные устройства



Состав объектов должен соответствовать правилам – нельзя ставить объектов более, чем это указано в правилах.


  1. Схема топологии электрической сети локальной энергосистемы и описание этой топологии в следующем виде:


Линия

1

2

3

4

5

Потребители

  1. Больница №1






  1. Больница №2






  1. Завод №1






  1. Завод №2






  1. Микрорайон №1






  1. Микрорайон №2






  1. Микрорайон №3






  1. Микрорайон №4






  1. Микрорайон №5






  1. Микрорайон №6






В таблице заполняются выделенные ячейки. Ячейке присваивается значение «1», если данный потребитель питается от данной линии, и значение «0», если данный потребитель не питается от данной линии.


  1. Схема или описание алгоритма управления энергосистемой, которая должна включать:

- входные данные,

- порядок обработки данных,

- порядок принятия решения,

- выходные данные – управляющие команды на оборудование (ДЭС, выключатели на подстанциях, выключатели на заводах),

- рассчитываемые входные данные для следующего такта управления.


В рамках решения второй задачи – про экономически оправданное использование накопителей электроэнергии в энергосистеме России – должна быть подготовлена презентация, в которой должны быть приведены ответы на следующие вопросы:


  1. Как накопители электроэнергии должны использоваться в энергосистеме России для сглаживания суточных пиков нагрузки потребителей и генерации электроэнергии?

  2. На основе какой предлагаемой вами технико-экономической модели вы производили оценку экономического эффекта использования накопителей?

  3. При какой стоимости накопителей ($/кВт∙ч) оказывается экономически оправданным использование накопителей для сглаживания графика потребления электроэнергии на 1800 МВт во время вечернего пика потребления?

  4. Каков масштаб использования накопителей (по мощности – МВт, по емкости - кВт∙ч) экономически оправдано использовать в российской энергосистеме для сглаживания пиков потребления при стоимости накопителей $350 за кВт∙ч?

  5. В каких ОЭС в первую очередь имеет смысл использовать накопители для сглаживания графика нагрузки?

  6. Какой экономический эффект может быть достигнут при использовании определенного вами количества накопительных мощностей (млрд. рублей в год) и какой объем рынка (млрд. рублей в год) открывает возможность получения этого эффекта?

Требования

В рамках решения первой задачи проектируемая вами энергосистема и алгоритм управления этой энергосистемой должны удовлетворять следующим требованиям:

  1. Должна быть обеспечена максимальная надежность электроснабжения всех потребителей;

  2. Стоимость владения энергосистемой (сумма стоимостей оборудования и израсходованного топлива) должна быть минимально возможной;

  3. Алгоритм должен обеспечивать адаптивное изменение управляющих воздействий на объекты энергосистемы при изменении внешних условий (погодные условия, аварийные режимы, изменение графика нагрузки);

  4. Алгоритм должен обеспечивать быстродействие от ввода данных до автоматической выдачи управляющих воздействий (в игре на стенде) не более 1 минуты.

В рамках решения второй задачи должны быть выполнены следующие требования:

  1. Должен быть проведен анализ графиков нагрузки и потребления по ОЭС и в рамках ЕЭС России, для каждой энергосистемы должны быть названы допустимые величины сглаживания графика (в МВт).

  2. Должна быть предложена технико-экономическая модель, позволяющая рассчитать минимально необходимую для получения экономического эффекта стоимость накопителей ($/кВт∙ч) и оценен экономический эффект от их применения.

  3. При создании технико-экономической модели должны быть учтены:

    1. Капитальные вложения в создание накопительных мощностей,

    2. Операционные расходы на использование накопителей,

    3. Потери электроэнергии в цикле заряд-разряд,

    4. Капитальные вложения в строительство новых объектов генерации (электростанций) для покрытия пиковой нагрузки, которые могут быть НЕ понесены в случае использования накопителей;

    5. Расходы на эксплуатацию этих объектов генерации и расходы на генерацию электроэнергии, которые могут быть НЕ понесены в случае использования накопителей.

  4. Все выводы в итоговой презентации должны быть обоснованы расчетами.

Ограничения

В рамках решения первой задачи:

  1. Ни один из потребителей 1-й (больницы) и 2-й (заводы) категорий не должен быть отключен

  2. Состав оборудования и объектов, его количество, управляющие воздействия не могут выходить за рамки правил игры, нельзя проектировать энергосистему с большим числом объектов, чем те, что размещены на стенде.