«Гибридное моделирование энергосистемы для создания дорожной карты возобновляемой энергетики для Казахстана с высокой пространственной, временной и технической дезагрегацией

Цель проекта

— Разработка интегрированного гибридного инструмента моделирования энергетической системы, включающего модель долгосрочного планирования энергетической системы и операционную модель электроэнергетической системы; разработка дорожной карты развития возобновляемых источников энергии до 2030 и 2050 годов, соответствующей оптимальным операционным параметрам, обеспечивающим надежность, экономическую целесообразность и экологичность энергетической системы.

Основным результатом данного исследования является дорожная карта возобновляемой энергетики Казахстана с данными оптимального географического размещения, времени постройки и объема инвестиций с учетом потенциала возобновляемой энергии в данном регионе и спроса на энергию данного региона. В данной работе будет проведено линкование долгосрочной TIMES/MARKAL модели энергосистемы Казахстана с операционной электроэнергетической моделью ELMOD. Конечный интегрированный инструмент будет использован для разработки дорожной карты возобновляемой энергетики страны. Разработанный инструмент станет системой поддержки принятия решений в области планирования энергетики и будет интересен лицам, принимающим решения, таким как Министерство энергетики Республики Казахстан, АО «Жасыл Даму», АО “KEGOC”, “Самрук-Энерго” и другим. Разработанный интегрированный инструмент может также использован для других энергетических и экологических стратегий.

Для достижения целей проекта необходимо выполнить следующие задачи:

Задача 1. Обновление долгосрочной модели энергетической системы.

Задача 2. Создание операционной электроэнергетической модели с высокой пространственной, временной, технической дезагрегацией.

Задача 3. Линкование инструментов моделирования.

Задача 4. Разработка дорожной карты возобновляемой энергетики для Казахстана.

Задача 5. Анализ чувствительности и оценка неопределенностей.

Актуальность проекта:

Генерация электроэнергии за счет возобновляемых источников энергии нестабильна, специфичная для местоположения и предсказуемая только в ограниченной степени. Нестабильность возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнца, привносят большую изменчивость и неопределенность в планирование и эксплуатацию энергетической системы, что может оказать влияние на надежность энергосистемы. Надежность энергосистемы в основном состоит из безопасности и адекватности. Энергосистема может считаться безопасной, если она может противостоять потерям (или потенциально многочисленным потерям) ключевых компонентов системы, таких как генераторы или линии передачи. Энергосистема адекватна, если имеется достаточная установленная мощность для удовлетворения спроса. Для ввода более высоких долей переменных возобновляемых источников энергии требуется преобразование рынка электроэнергетики во многих аспектах, ключевым из которых является адаптация методов его оперативного управления. Без тщательного долгосрочного планирования, а также оперативного планирования, внедрение высокой доли возобновляемых источников энергии может негативно отразиться на надежности работы энергетической системы, а также привести к существенному увеличению затрат на генерацию электроэнергию в связи с переменными расходами. Основная гипотеза исследования заключается в том, что гибридные модели дают исчерпывающее описание возможных сценариев развития энергетической системы путем рассмотрения межвременных, межрегиональных и межсекторальных связей.

Рис.1. Предлагаемое связка моделей. Собственная разработанная схема.

Ожидаемые результаты

Данное исследование важно не только для казахстанского сообщества, но и мирового научного сообщества, так как представляет методологию линкования пространственно- дезагрегированных моделей и учитывает связь между вводом возобновляемых источников энергии и центральном отоплением, что особенно важно в странах с продолжительными и суровыми зимами.

Гибридное моделирование умной энергосистемы

Сотрудниками AITU при сотрудничестве с учеными из Турции (Gazi University) и Великобритании (The University of Edinburgh) опубликована статья в рейтинговом журнале «Energies» https://doi.org/10.3390/en15072404 входящий по CiteScore БД Scopus в Q1 (Процентиль 85) и с Impact Factor: 3.004. В статье методами моделирования исследован и предложен новый эффективный способ управления электрэнергией в микросети. Задача усложнена тем, что в системе есть агенты представляющие нестабильные возобновляемые источники энергии, аккумуляторные станции, электромобили и потребителей. В статье сформулированы недостатки существующих методов и предложена новая структура для оптимальной интеграции Трансактивной Энергии в умную энергосистему и включает алгоритм аукциона. Система моделируется как виртуальная электростанция на основе рынка на сутки вперед и балансирующего рынка между агентами, которые регулируют прибыль в системе и энергетические дисбалансы.

Рис. Исследуемая энергосистема с 33 узлами

Результаты исследования показали, что аукционные рынки можно использовать для оптимальной диспетчеризации, а также для управления перегрузками и минимизации системных затрат. Предложен способ снижения перегрузки, который учитывает стимулы для ключевых агентов, участвующих в трансактивной энергосети. Результаты исследования показывают, что мультиагентный подход позволяет собственникам энергетических ресурсов формировать и участвовать в местных энергетических рынках.

Данное международное исследование (Казахстан, Турция, Великобритания) финансировалось Министерством образования и науки Республики Казахстан (грант AP09261258) и авторы выражают признательность программе стажировки Исламского банка и программе развития академических связей Королевской инженерной академии.

Подробнее вы можете прочитать в статье с открытым доступом:
Amanbek, Y., Kalakova, A., Zhakiyeva, S., Kayisli, K., Zhakiyev, N., & Friedrich, D. (2022). Distribution Locational Marginal Price Based Transactive Energy Management in Distribution Systems with Smart Prosumers—A Multi-Agent Approach. Energies, 15(7), 2404. https://doi.org/10.3390/en15072404 ISSN: 1996-1073

Члены исследовательской группы

Нурхат Жакиев имеет степень PhD по физике. Основная тема научных исследований посвящена математическому и компьютерному моделированию физических процессов, оптимизационным методам и моделированию в среде GAMS и Wolfram Mathematica. https://www.mendeley.com/authors/56043145000/ https://orcid.org/0000-0002-4904-2047 https://publons.com/researcher/D-6159-2017/

Омиргалиев Руслан, младший научный сотрудник, образование: магистр электрической инженерии.

Научные интересы: физика, математика, программирование, аналитика данных

Основные публикации, связанные с направлением проекта:

Omirgaliyev, R., Salkenov, A, Bapiyev, I, Zhakiyev N. (2021, December). Industrial Application of Machine Learning Clustering for a Combined Heat and Power Plant: A Pavlodar Case Study. In 2021 IEEE 5th International Conference on Information and Telecommunication Technologies and Radio Electronics (UkrMiCo).
Социал Ж., Жакив Н., Омиргалиев Р., Применение методов моделирования и машинного обучения для оптимального планирования состава генерирующего оборудования ТЭЦ, Сборник тезисов Форума молодых ученых в секции Цифровой Казахстан (сентябрь, 2021)

Ербол Ахметбеков получил докторскую степень в Институте теплофизики Новосибирского научного центра Сибирского Отделения Академии Наук. Ахметбеков Ербол является кандидатом технических наук (PhD), имеет опыт работы в области вычислительной науки, математики и физики. Ербол участвовал в подготовке Концепции по переходу к зеленой экономике, принятой в 2013 году. Ербол работал над проектом разработки гибридной модели экономического равновесия c моделью TIMES для оценки комплексного влияния системы торговли квотами на экономику страны. https://www.mendeley.com/authors/36070493900/ h- index=4.

Айдана Калакова имеет степень магистра по Электротехнической и Компьютерной Инженерии Назарбаев Университета. Имеет опыт работы научным ассистентом в Назарбаев Университете. Вела исследовательскую работу по теме: «Управление Динамической Энергией в Умных Распределительных Сетях». Специализируется в использовании Алгоритмов/Машинного

Обучения для решения оптимизационных задач в управлении электроэнергии. Есть практический опыт в проектах связанных с использованием систем накопления энергии и умных домов. https://www.mendeley.com/authors/57204639045/

Айдын Бакдолотов (исполнитель) cнс АО «Институт экономических исследовании», Магистр энергетики из Университета Пердью, США. Он имеет опыт энергетического моделирования и будет отвечать за завершение 2-го и 3-го этапов и распределение результатов. Он является экспертом в области энергоэффективности и экономики энергетики. Неполная занятость. https://www.mendeley.com/authors/56405546400/ h index=3.

Список избранных публикаций:

1. Zhakiyev N., Akhmetbekov Y., Silvente J., Kopanos G. Optimal Energy Dispatch and Maintenance of an Industrial Coal-Fired Combined Heat and Power Plant in Kazakhstan// 9th International Conference on Applied Energy, ICAE2017, 21-24 August 2017, Cardiff, UK, Energy Procedia, 2017 https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.12.187 (Q2)

2. Zhakiyev, N., Otarov, R. (2017). Scheduling and planning for optimal operations of power plants using a unit commitment approach. Sustainable Energy in Kazakhstan: Moving to Cleaner Energy in a Resource-Rich Country, 109, Routledge Taylor and Francis Group. (Scopus)

3. Kopanos G., Murele O.C., Silvente J., Zhakiyev N., Akhmetbekov Y., Tutkushev D. (2018). Efficient planning of energy production and maintenance of large-scale combined heat and power plants. Energy Conversion and Management,169,390-403. IF=5.589 (Q1)

4. Assembayeva, M., Egerer, J., Mendelevitch, R., & Zhakiyev, N. (2018). A spatial electricity market model for the power system: The Kazakhstan case study. Energy, 149, 762-778. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.02.011 (Q1)

5. Assembayeva, M., Egerer, J., Mendelevitch, R., & Zhakiyev, N. (2019). Spatial electricity market data for the power system of Kazakhstan. Data in Brief, 103781. https://doi.org/10.1016/j.dib.2019.103781 (Q3)

6. De Miglio R., Akhmetbekov Y., Baigarin K., Bakdolotov A., Tosato G.C. (2014). Cooperation benefits of Caspian countries in their energy sector development. Energy Strategy Reviews 4: 52 – 60 (IF 1.2)

Результаты

1. S. Zhakiyeva, M. Gabbassov, Y. Akhmetbekov, G. Akybayeva and N. Zhakiyev, «The Development of a Risk Assessment Modeling for the Power System of Kazakhstan,» 2021 IEEE International Conference on Smart Information Systems and Technologies (SIST), 2021, pp. 1-4, doi: 10.1109/SIST50301.2021.9465892. (indexed in IEEE, Scopus, WoS. Quartile-NA, CiteScore-NA)

2. Amanbek Y., Kalakova A., Zhakiyeva S., Zhakiyev N., Fridrich D. «Distribution-LMP based Transactive Energy Management in Distribution Systems with Smart Prosumers — A Multi-Agent Approach» IEEE Transactions on Smart Grid (2021, Submitted, ISSN 1949-3053)

3. Zhakiyeva, S., Mukatov, B., Nassirkhan, R., & Zhakiyev, N. (2020, November). The Network Reliability Assessment and Risk Prevention Measures for the Power System of Kazakhstan Due to High Renewables. In 2020 IEEE 2nd International Conference on Advanced Trends in Information Theory (ATIT) (pp. 154-157). IEEE. (indexed in IEEE, Scopus, WoS. Quartile-NA, CiteScore-NA)

4. B. Sarsembayev, D. Zholtayev, and Ton Duc Do, Maximum Power Tracking of Variable-Speed Wind Energy Conversion Systems based on a Near-Optimal Servomechanism Control System // Optimal Control Applications and Methods (ISSN: 0143-2087, Q2), (2021, Submitted).