Ученые «Сколтеха» и их коллеги из Аризонского университета и Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) разработали новый подход, позволяющий быстро восстанавливать стабильность электросетей при возникновении проблем, связанных с колебаниями спроса потребителей на электроэнергию. Результаты этого мультидисциплинарного исследования, находящегося на стыке анализа потребительского спроса, эксплуатации интеллектуальных сетей и управления энергосистемами, опубликованы в журнале Applied Energy.
Электросеть − сложная система, обеспечивающая управление производством, передачей и поставкой электроэнергии потребителям. Поскольку запасать энергию непосредственно по маршруту прохождения ЛЭП не представляется возможным, операторы сетей вынуждены обеспечивать стабильную работу электросети, поддерживая баланс (в идеале постоянный) между объемами выработки и потребления электроэнергии. Важным требованием является бесперебойное снабжение и удовлетворение потребностей потребителей в электроэнергии, однако такие непредвиденные ситуации, как сбои в работе электрооборудования, колебания, связанные с использованием возобновляемых источников энергии, или резкий подъем спроса на электроэнергию, могут отрицательно сказываться на стабильности работы сети и, как следствие, приводить к частичным или полным отключениям подачи электроэнергии.
Одним из наглядных примеров из реальной жизни является невозможность удовлетворения спроса на электроэнергию в жаркую погоду, когда активно используются кондиционеры. Если запасов электроэнергии не хватает, приходится проводить плановые отключения на всей электросети или ее отдельных частях. Такая практика управления сетью или, что еще хуже, сбои в работе сети, приводящие к неконтролируемым отключениям электроэнергии, не только создают большие неудобства для потребителей, но и мешают работе предприятий коммунального хозяйства, снижая при этом их рентабельность.
Для управления пиками потребительского спроса решающее значение имеет четкость в планировании поставок электроэнергии. Во избежание непредвиденных ситуаций используется несколько решений:
- применение генераторов,
- оказание вспомогательных услуг и своевременное управление спросом.
Последнее решение может применяться в отношении потребителей, которым может быть предложено сокращение объемов поставки электроэнергии с одновременным снижением тарифа в удобные для провайдера интервалы времени. Как вариант компании-поставщики могут также напрямую управлять нагрузкой, например, переключая подачу на кондиционеры или водонагреватели. Реагирование на изменение спроса — экономичное и гибкое решение, рассчитанное на готовность потребителей к временным неудобствам.
«При включении одновременно всех устройств для удовлетворения спроса на электроэнергию все они оказываются в одном и том же состоянии, т. е. потребляют энергию. Через некоторое время они выключаются, затем снова включаются и опять выключаются, причем происходит это практически одновременно. Если не принимать никаких мер, этот процесс будет продолжаться и далее. Иными словами, если все устройства работают синхронно, энергосистеме приходится выдерживать высокую нагрузку, связанную с колебаниями в потреблении, что приводит к возможной нестабильной работе сети и затруднению последующей регулировки спроса», − рассказывает старший преподаватель «Сколтеха» Хенни Уэрдан.
В своем недавнем исследовании ученые проанализировали релаксацию динамики энергопотребления на примере нескольких потребляющих устройств (кондиционеров) с термостатическим регулированием после сбоев в процессе управления спросом. Для обеспечения энергоэффективности, стабильной работы сети и возврата потребителей в «зону комфорта» релаксация должна происходить достаточно быстро.
«В качестве базовой использовалась дискретная модель, позволяющая регистрировать фактическую дискретную динамику системы по мере поступления информации и сигналов управления через дискретные интервалы времени. Ранее на примере модели в непрерывном времени было показано, что релаксацию можно ускорить, используя среднеполевой контроль, однако для управления нагрузкой на практике целесообразно применять более реалистичные, дискретные модели. В этой работе было продемонстрировано, что в дискретной модели имеет место явление супер-релаксация; также было показано, что модели, основанные на использовании нескольких параметров управления, позволяют операторам энергосистем эффективно управлять совокупной нагрузкой», — добавил аспирант «Сколтеха» Илья Лучников, ведущий автор исследования.
«Наша работа посвящена главным образом решению задачи оптимального использования энергоресурсов и обеспечения стабильной работы энергосистем. Однако проблема своевременного реагирования на спрос выходит за рамки задачи управления энергосистемами, поскольку она может возникать и в других областях и, в частности, в таких отраслях, как водоснабжение, нефтяная промышленность и переработка отходов», — заключает Хенни Уэрдан.
