Разработка и исследование методов оптимального управления и планирования для энергосистем с возобновляемыми источниками энергии.

Актуальность и степень проработанности темы исследования. В настоящее время потребление электроэнергии в настоящее время увеличивается в связи с быстрым экономическим ростом. Этот экономический рост стимулирует промышленность к использованию более энергоемкого оборудования. Такое увеличение потребления электроэнергии приводит к многочисленным проблемам в электрических сетях, включая увеличение потерь и стоимости электроэнергии из-за роста затрат на топливо, в дополнение к увеличению выбросов парниковых газов и увеличению отклонения напряжения. С другой стороны, доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в сети увеличилась благодаря их многочисленным преимуществам, включая чистую, устойчивую энергию, помощь в снижении потерь электроэнергии и решение некоторых из предыдущих проблем. Однако эти источники имеют непостоянный характер выработки, и их неоптимальная интеграция в электрическую сеть может привести к еще большим проблемам. Поэтому оператор сети сталкивается с большими проблемами в обеспечении потребителей электрической энергией в должном объеме и качестве, избегая при этом аварийных отключений. Поэтому возникает необходимость в корректном планировании работы энергосистемы с подключенной генерацией на базе ВИЭ, а также решить задачу оптимального потокораспределения. Интеграция распределенной генерации на базе ВИЭ (РГВ) в традиционные энергосистемы обеспечивает множество экономических, технических и экологических преимуществ. Эти преимущества включают в себя: повышение надежности работы энергосистемы, предоставление чистых и устойчивых решений для удовлетворения растущего спроса на электроэнергию, снижение потерь электроэнергии и снижение эксплуатационных расходов в пиковые периоды. Однако неправильное планирование подключения этих источников к существующей сети может вызвать технические и экономические проблемы. Планирование РГВ связано с правильным размещением и определение оптимальной мощности устанавливаемых блоков. В противном случае неправильное планирование приводит к неблагоприятным последствиям, таким как увеличение потерь электроэнергии и отклонение напряжения в узлах сети. С другой стороны, реактивная мощность имеет решающее значение для работы электрических сетей как с точки зрения надежности, так и с экономической точки зрения. Требования к реактивной мощности постоянно меняются в зависимости от нагрузки и конфигурации системы. Изменение реактивной мощности вызывает колебания напряжения в системе. Любое изменение потребляемой мощности может привести к изменению уровней напряжения и увеличению потерь мощности в системе. Основной задачей оператора энергосистемы является поддержание напряжения в узлах нагрузки в требуемом для потребителей диапазоне с минимальными потерями мощности. Корректное регулирование реактивной мощности может улучшить качество передаваемой электроэнергии, а также снизить потери активной мощности. Напротив, если реактивная мощность распределяется неоптимально, то это принесет большие экономические потери, значительные потери активной мощности и даже может угрожать надежности работы энергосистемы. Эти дополнительные потери мощности приводят к нарушению баланса мощности, падению напряжения и недоотпуску электроэнергии. Для надежной работы любой энергосистемы необходимо минимизировать потери активной мощности. Эта ситуация может быть улучшена оператором путем перераспределения выработки реактивной мощности в системе, сформулировав ее как оптимизационную задачу по оптимальному распределению выработки реактивной мощности (Optimal reactive power dispatch, далее - ORPD) с оптимально установленными блоками РГВ и без них для снижения потерь мощности и отклонения напряжения. Расчет оптимального потокораспределения (Optimal power flow, далее - OPF) в области эксплуатации и планирования развития современных энергосистем приобретает все большее значение. Классическая задача OPF была основана только с учетом наличия тепловых электростанций, которые потребляют в основном ископаемое топливо. Расчет OPF с наличием ВИЭ является очень сложной задачей из-за его непостоянного характера выработки. Самая большая проблема, с которой сталкиваются операторы гибридных систем генерации, заключается в том, что ВИЭ не могут быть запланированы таким же образом, как традиционные, из-за их стохастического характера. Кроме того, крупномасштабная интеграция ВИЭ в электросети является очень сложным вопросом для системных операторов, поскольку климатические факторы, такие как солнечное излучение и скорость ветра, вносят большую неопределенность в график работы энергосистемы. В этом контексте выбор правильного подхода к оптимизации для конкретной задачи также является сложной задачей. Кроме того, оптимальное планирование работы генерации посредством оптимального планирования гибридной генерации может эффективно способствовать выполнению различных задач оператора электроэнергетической системы, принося множество преимуществ потребителям, включая режимную надежность, качество производимой энергии, в конечном итоге снижая общие затраты на электроэнергию. Кроме того, оптимальное планирование гибридной системы выработки электроэнергии может эффективно облегчить различные задачи системного оператора, предоставляя потребителям множество преимуществ, включая надежность электроснабжения, качество вырабатываемой энергии, что в конечном итоге снижает общую стоимость электроэнергии. С другой стороны, одной из проблем эксплуатации является взаимодействие между генерации на базе ВИЭ и трансформаторами с устройствами РПН, которые в основном предназначены для компенсации изменений напряжения, вызванных медленными изменениями нагрузки. Интеграция ВИЭ приводит к быстрым колебаниям напряжения, что приводит к избыточному количеству срабатываний устройств РПН. Увеличение количества операций с устройствами РПН увеличивает затраты на техническое обслуживание и ремонт, которые несет сетевая компания, и сокращает срок службы трансформатора. для решения этих задач разработан подход по оптимизации распределения мощности в энергосистеме за заданный интервал времени (в работе -24 часа) (общепринятый английский термин: Dynamic Optimal Power Flow, поэтому далее используется аббревиатура DOPF), интегрированный с ВИЭ, с учетом ежедневного количества операций для трансформаторов с РПН. Разработка новых эффективных алгоритмов и математических моделей для улучшения поведения энергосистемы с ВИЭ, в различных ситуациях является актуальной темой для современной электроэнергетики и соответствует разделу "В рамках научной специальности разрабатываются ... прикладные аспекты интеграции информационных технологий и объектов электротехники, электроэнергетики ...", "паспорт специальности 05.09.05 - Теоретическая электротехника". Близкой тематикой в России занимались Н.И.Воропай, П.А.Бутырин, В.З. Манусов, П.В. Матренин, С.Е. Кокин, А.В. Паздерин, В.А.Камаев, М.В. Щербаков, Т.Н. Яковкина, Е.А Волошин, В.А. Баринов, В.А. Строев, Ф.А. Иванов, С.В. Смоловика, а также зарубежные ученые: M.A. Abido, A.M. Imran, K.Chen, H. Singh, P. Nallagownden, I. Elamvazuthi, J. Radosavljevic, J. Qian, J. Zhang, P.P. Biswas, P.N. Suganthan, E. Kaymaz, S. Duman, B. Liu, J. Li, T. Niknam, и другие исследователи.
Цель работы. Целью работы является разработка и исследование методов оптимального управления и планирования развития энергосистем с ВИЭ и без них. Целью найти оптимальный режим управления и планирования энергосистемы является минимизация эксплуатационных затрат, выбросов газа, потерь активной мощности, отклонений напряжения.
Для достижения поставленной цели решались следующие научные задачи: 1. Модифицированный алгоритм оптимизации роя частиц (PSO) был разработан для решения многих проблем планирования и управления. 2. Были предложены новые варианты веса инерции и коэффициента ускорения для улучшения однокритериального PSO и многокритериального PSO (MOPSO). 3. Предложен улучшенный алгоритм PSO для определения оптимального местоположения и мощности блоков РГВ. Основной задачей является минимизация потерь активной мощности системы при соблюдении нескольких эксплуатационных ограничений. 4. Разработаны постановка задачи и решение для одно- и многокритериальной задачи ORPD в энергосистемах без ВИЭ для снижения потерь и улучшения профиля напряжения. 5. Была использована функция теории нечетких множеств была использована для поиска наилучшего компромиссного решения среди имеющихся Парето-оптимальных решений. 6. Был разработан метод решения задачи ORPD, основанный на определении оптимального места установки и мощности одного или нескольких блоков ВИЭ одновременно для минимизации потерь электроэнергии и отклонения напряжения. 7. В отсутствие ВИЭ проблема OPF была выражена в виде однокритериальных и многокритериальных функций. Целью решения задачи OPF является снижение затрат на топливо, потерь мощности, выбросов и улучшение профилей напряжения. Когда задача OPF решена, многие экономические, технические и экологические преимущества обеспечиваются за счет улучшения предыдущих целевых функций. 8. Разработан метод решения задачи OPF для одно- и многокритериальных постановок задачи для гибридной энергосистемы, состоящей из тепловых электростанций и стохастически заданных ветряных и солнечных электростанций. Кроме того, чтобы смоделировать неопределенный характер работы ВИЭ, были использованы функции плотности вероятности (PDF) Вейбулла и логнормальной для прогнозирования выработки мощности ВИЭ. 9. Метод DOPF с учетом ВИЭ разработан с ограничениями на ежедневное количество операций устройств РПН. Эксплуатационные расходы, в том числе (затраты на топливо и затраты на потери мощности), потери мощности, ежедневное количество операций переключения отпаек РПН являются рассматриваемыми целевыми функциями.
Научная новизна работы и теоретическая значимость работы заключаются в том, что: 1. Улучшенный алгоритм PSO разработан для решения многих проблем планирования и эксплуатации энергосистем. Для улучшения работы PSO и MOPSO был предложен новый вариант веса инерции и коэффициента ускорения. 2. Разработан новый способ решения задачи ORPD с добавлением ВИЭ. В рамках этого подхода были определены оптимальное местоположение и мощность нескольких установок ВИЭ на основе ORPD. Это позволяет значительно снизить потери мощности в сети, чего нельзя достичь, используя другие методы решения задачи ORPD. 3. Предлагается новая формулировка и метод решения задачи OPF, учитывающий стохастический характер выработки ветряными и солнечными электростанциями. Более того, формулируется новая целевая функция для минимизации суммарных затрат на генерацию, которая учитывает затраты на топливо для тепловых электростанций, в дополнение к прямым затратам, резервным затратам на переоценку и штрафным затратам на недооценку плановой мощности от неопределенных ВИЭ. 4. разработан подход оптимизации распределения мощности в энергосистеме за заданный интервал времени (в работе -24 часа) (общепринятый английский термин: Dynamic Optimal Power Flow, поэтому далее используется аббревиатура DOPF), интегрированный с ВИЭ, с учетом ежедневного количества операций для трансформаторов с РПН. Впервые в подходе DOPF было учтено практическое ограничение, такое как максимально допустимое количество операций в день для устройств РПН. 5. Впервые в модели DOPF минимизация ежедневного количества операций для устройств РПН была принята в качестве целевой функции для увеличения срока службы трансформаторов, снижения затрат на техническое обслуживание, амортизацию и эксплуатационные расходы.
Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты могут быть интегрированы в систему оператора, ведущего режим сети, для определения оптимальных значений всех переменных управления энергосистемой при наличии и отсутствии ВИЭ, что обеспечивает оптимальную работу сети с технической и экономической точек зрения. Кроме того, результаты полученной работы могут быть использованы оператором энергосистемы при планировании развития энергосистем для включения в нее генерации на базе ВИЭ. Предложенный алгоритм оптимальной эксплуатации и планирования энергосистем является важным вычислительным инструментом эффективной и безопасной эксплуатации энергосистемы, который может быть использован в учебном процессе.