Programska skupina

• Klasifikacija ARRS

  KODA	VEDA	PODROČJE	PODPODROČJE
  2.12.00	Tehnika	Električne naprave
  2.03.00	Tehnika	Energetika

• Klasifikacija CERIF

  KODA	VEDA	PODROČJE
  T001	TEHNOLOŠKE VEDE	Elektronika in elektriška tehnologija

• Ključne besede

energetska učinkovitost, električne naprave, električni stroji in pogoni, električna omrežja, elektroenergetski sistem, vodenja, zaščita, načrtovanje, modeliranje, optimizacija, obnovljivi viri energije, pametna in mikro omrežja, energetska prilagodljivost

Vrednotenje bibliografskih kazalcev raziskovalne uspešnosti po metodologiji ARRS (pravilnik) Vrednotenje skupine izbranih raziskovalcev (možno spreminjanje članov)

Podatki za zadnjih 5 let (citati za zadnjih 10 let) na dan 23.03.2020; A3 za obdobje 2013-2017

Citiranost bibliografskih zapisov v COBIB.SI, ki so povezani z zapisi citatnih baz

Predlagani raziskovalni program obravnava problematiko energetske učinkovitosti, na ravni električnih naprav, strojev in pogonov, skozi raven električnih omrežij s porazdeljeno proizvodnjo, problemi zaščite in vodenja konfiguracijo omrežja, aktivnimi uporabniki omrežja, upravljanjem z energijo in prožnostjo energije, in se konča na ravni vodenja elektroenergetskega sistema z regulacijo frekvence kontrolo in regulacijskimi rezervami. Električne naprave in elektroenergetski sistemi so hrbtenica sodobne družbe. Za zmanjšanje vpliva pomanjkanja fosilnih goriv in prehoda v nizkoogljično družbo je treba povečati učinkovitost električnih naprav in energetskih sistemov. Vse aktivnosti v predlaganem raziskovalnem programu so v popolnem soglasju s Slovensko strategijo pametne specializacije - S4, kot tudi z novim energetskim zakonodajnim svežnjem EU - Čista energija za vse Evropejce. Predlagane dejavnosti neposredno podpirajo uresničitev zastavljenih ciljev za leto 2030: vsaj 32% energije iz obnovljivih virov in vsaj 32,5% izboljšanje energetske učinkovitosti, kar je mogoče doseči z aktivno vlogo porabnikov energije.

Elektromagnetne naprave in pogoni, ki jih napajajo pretvorniki močnostne elektronike: Načrtovanje elektromagnetnih naprav bo izvedeno z integralnim pristopom, ob upoštevanju interakcij vseh komponent v napravah. Klasične metode načrtovanja obravnavajo povezane dinamične pojave zelo poenostavljene in temeljijo na empiričnem znanju, kar vodi do suboptimalnih tehnoloških rešitev. Cilj uporabljenega integralnega pristopa k načrtovanju naprav je omogočiti integracijo komponent močnostne elektronike v magnetne komponente, kar lahko privede do pomembnih izboljšav na področju opisanih tehničnih problemov.

Vodenje elektroenergetskega sistema: Raziskave bodo osredotočene na regulacijske rezerve. Glede na spreminjajoče obratovalne pogoje bo potrebna regulacijska rezerva določena dinamično. Preostali razpoložljivi viri bodo lahko uporabljeni za druge storitve na trgu z električno energijo. Raziskovali bomo napredne algoritme stabilizacije generatorjev s poudarkom na stabilnosti kolesnega kota.

Električna omrežja: Raziskave bodo osredotočene na zanesljivostne metode vzdrževanja elementov elektroenergetskega omrežja, plinske odvodnike z v naprej definirano karakteristiko vžiga in na preprečevanje interakcij med visokonapetostnim in nizkonapetostnim ozemljitvenim sistemom. Razvili bomo nov sistem upravljanja z energijo z avtonomnim algoritmom odločanja in s samoučečimi se modeli naprav. Raziskali bomo možnosti za implementacijo novih konceptov prožnega obratovanja distribucijskih omrežij.

Raziskovalni program predlaga nekaj novih rešitev, ki bi lahko bistveno vplivale na razvoj znanosti na področjih energetsko učinkovitih elektromagnetnih naprav in pogonov, vodenja elektroenergetskega sistema in obratovanja električnih omrežij.

Na področju elektromagnetih naprav in pogonov je predlagan inovativen pristop k povečanju energetske učinkovitosti, gostote moči in zmogljivosti EM naprav, ki presega omejitve in pomanjkljivosti, zakoreninjene v uveljavljenih (klasičnih) pristopih načrtovanja naprav in njihovega vodenja. Z uveljavitvijo predlaganih metod načrtovanja bi celostne metode, ki temeljijo na razumevanju osnovnih fizikalnih pojavov, izpodrinile pretežno empirične klasične metode.

Pri vodenju elektroenergetskega sistema so predlagani novi koncepti na področju stabilizacije sistema in dinamičnega določanja potrebnih regulacijskih rezerv, ki jih je mogoče hitro implementirati.

V okviru raziskovalnega programa bodo raziskave potekale tudi na področjih do sedaj še nerešenih problemov med katere sodita interakcije med visokonapetostnim in nizkonapetostnim ozemljilnim sistemom in modeliranje ter oblikovanje karakteristike vžiga plinskih odvodnikov. Na obeh področjih je mogoče pričakovati izvirne rešitve.

Načrtovane raziskave in predvidene rešitve na področjih sistemov za upravljanje z energijo in obratovanja distribucijskih omrežij nakazujejo povsem nove koncepte, ki lahko znatno vplivajo tako na razvoj znanosti kot tudi na pristop k obratovanju distribucijskih omrežij. Omenjene rešitve omogočajo vpeljavo trga prožnosti energije v polnem obsegu.

Predlagani raziskovalni program temelji na nadaljevanju in razširitvi preteklega raziskovalnega dela, ki je potekalo v tesnem sodelovanju z različnimi industrijskimi partnerji. Uspešno sodelovanje z industrijskimi partnerji se kaže v številnih patentnih prijavah in podeljenih patentih na področju razvoja sistemov za uporovno točkovno varjenje (UTV), kakor tudi v uspešno zaključenem aplikativnem ARRS projektu in številnih znanstvenih objavah. Na tem področju načrtujemo razvoj izboljšanega varilnega transformatorja z integriranim izhodnim sinhronim usmernikom, kar bi povečalo izkoristek transformatorja za več kot 25% in omogočilo izboljšano (frekvenčno neodvisno) dinamiko varilnega toka. Na ta način bi lahko sistemi za UTV prešli na delovanje pri višjih frekvencah, kar bi znatno povečalo gostoto moči naprave. Prav tako poteka projektno sodelovanje s proizvajalcem avtomobilov AUDI na področju razvoja visoko učinkovitih električnih strojev/pogonov za potrebe elektromobilnosti, kjer se za dosego zelo ambicioznih in strogih ciljev uspešno uporablja začrtan pristop razvoja EM naprav in njihovega vodenja. Rezultati dela PS v obeh izpostavljenih primerih neposredno vplivajo pri nastajanju novih proizvodov, tehnoloških rešitev in inovacij.

Podobne stanje se kaže tudi na področjih vodenja elektroenergetskega sistema in električnih omrežij. Področja raziskav, ki jih naslavljamo v raziskovalnem programu, predstavljajo naravno nadaljevanje in razširitev našega preteklega raziskovalnega dela. Razvite rešitve na področjih vodenja elektroenergetskih omrežij, vzdrževanja in ozemljitvenih sistemov naslavljajo realne probleme in imajo velike možnosti za implementacijo v sistemih za prenos in distribucijo električne energije. Nove rešitve, ki bodo v okviru programa razvite na področju plinskih odvodnikov, imajo velik tržni potencial. Njihovi proizvajalci kažejo velik interes za proizvodnjo plinskih odvodnikov, ki jim je mogoče ustrezno oblikovati karakteristiko vžiga. Načrtovane raziskave na področju obratovanja distribucijskega omrežja so nadaljevanje in razširitev našega preteklega raziskovalnega dela. Rezultati uvedbe obratovanja v sklenjeni srednjenapetostni zanki kažejo na velik potencial za njihovo implantacijo v specifičnih delih distribucijskih omrežij, kjer je zahtevana večja zanesljivost napajanja. Rešitve na področju sistemov za upravljanje z energijo, ki bodo razvite v sklopu izvajanja raziskovalnega programa, se kažejo kot eden od ključnih elementov za uspešno vpeljavo trga prožnosti energije in imajo velik tržni potencial. Še več, pri ustrezni implementaciji lahko postanejo gibalo razvoja novih izdelkov in storitev, ki podpirajo in izboljšujejo delovanje sistema za upravljanje z energijo. Odgovorni bilančnih skupin, pa tudi operater prenosnega omrežja, kažejo svoj interes za uvedbo trga prožnosti energije in uporabo sistema storitev, ki jih ta lahko ponudi. Predlagani sistem za upravljanje z energijo bo sposoben samostojnih odločitev in avtomatiziranega tvorjenja modelov naprav. Takšen bo sprejemljiv tudi za uporabnike električnih omrežij, ki se jim ne bo treba ukvarjati z njim. V električnih omrežjih, kjer bodo uporabniki opremljeni s takšnimi sistemi za upravljanje z energijo, bo mogoče vpeljati tudi povsem nov koncept fleksibilnega omrežja, ki lahko znatno preseže današnje omejitev in veljavne paradigme obratovanja omrežja. To je lahko začetek resničnih fleksibilnih aktivnih omrežij (pametih omrežij).

Vsi rezultati raziskovalnega programa imajo velik potencial za implementacijo v električnih omrežjih in v elektroenergetskem sistemu ali v novih in izboljšanih izdelkih za trg.

Razvoju in popularizaciji elektromobilnosti bo sledil tudi neizogiben razvoj družbene infrastrukture, ki bo potrebna za zagotavljanje električne energije za elektromobilnost. Izboljšanje učinkovitosti električnih naprav za proizvodnjo in rabo električne energije ter dvig zanesljivosti in kakovosti delovanja elektroenergetskih sistemov vpliva na stroške, povezane z njihovo uporabo. Posledično se rezultati tega raziskovalnega programa kažejo v življenjskem standardu in kakovosti družbenih dejavnosti. Razviti sistem za upravljanje z energijo omogoča uvedbo trga s prožnostjo energije in sodelovanje vseh uporabnikov elektroenergetskih omrežij v storitvah prožnosti energije. S tem se jim omogoči dodatne prihodke za opravljene storitve prožnosti, njihov nivo udobja in kakovost bivanja p a n e bosta zmanjšana, saj bo sistem za upravljanje z energijo sposoben avtonomnega odločanja v korist lastnika. Takšni sistemi upravljanja z energijo lahko sprožijo razvoj celotnega področja novih podpornih tehnologij in sistemov storitev, hkrati pa naredijo pametna omrežja sprejemljiva, za želena in dobrodošla za vse uporabnike elektroenergetskih omrežij.

Poglavje E (33. točka): Predstavitev raziskovalnega programa za ocenjevanje prijave po kriteriju »Znanstvena, tehnološka oziroma inovacijska odličnost«

1. Opis predlagane vsebine glede na stanje na področju predlaganih raziskav

Predlog raziskovalnega programa (PRP) obravnava problem energetske učinkovitosti od ravni električnih naprav, strojev in pogonov, skozi raven električnih omrežij z razpršeno proizvodnjo, problemi zaščite in vodenja, konfiguracijo omrežja, aktivnimi uporabniki omrežja, upravljanja z energijo in energetsko prožnostjo ter se zaključi na ravni vodenja elektroenergetskega sistema z regulacijo frekvence in rezerv moči. Električne naprave in elektroenergetski sistemi predstavljajo temelj sodobne družbe. Zaradi zmanjševanja zalog fosilnih goriv in težnje po nizkoogljični družbi je nujno povečati učinkovitost električnih naprav in elektroenergetskih sistemov. Vse aktivnosti v PRP so popolnoma usklajene s slovensko strategijo pametne specializacije - S4 [1], pa tudi z novim energetskim zakonodajnim okvirom EU - paketom čiste energije za vse Evropejce [2]. Aktivnosti, predlagane v PRP, neposredno podpirajo uresničitev zastavljenih ciljev za leto 2030: vsaj 32% energije iz obnovljivih virov in vsaj 32,5% izboljšanje energetske učinkovitosti, kar bi bilo potrebno doseči z aktivno vlogo odjemalcev energije.

Elektromagnetne naprave in pogoni napajani s pretvorniki z močnostno elektroniko

V današnjem času vse več elektromagnetnih (EM) komponent deluje v okviru naprav, ki vsebujejo elemente močnostne elektronike. Posledično so takšne EM komponente izpostavljene pulznim (neharmoničnim) vzbujanjem z veliko vsebnostjo višjeharmonskih komponent. Posledice takšnih vzbujanj so med drugim zmanjšana energetska učinkovitost celotne naprave, zmanjšanje gostote moči naprave (povečanje dimenzij in porabe materialov), zmanjšana zanesljivost delovanja naprave ter skrajšana življenjska doba naprave [3]-[9]. Med takšne naprave spadajo na primer pretvorniki močnostne elektronike, ki vsebujejo magnetne komponente ter visokozmogljivi električni pogoni. V obeh omenjenih skupinah naprav je nezaželene posledice možno preprečiti ali bistveno zmanjšati na dva glavna načina: z ustrezno zasnovo EM komponent ter ustreznim vodenjem. Da bi bile vse elektromagnetne naprave primerne za trg, morajo presegati minimalno učinkovitost [10].

Pretvorniki močnostne elektronike se uporabljajo za priključitev enot za proizvodnjo s spremenljivo hitrostjo na električno omrežje. Njihov delež in nazivne moči naraščajo, kar zahteva njihovo odpornost na okvare v elektroenergetskem sistemu, kot je opisano v zahtevah za priključitev generatorjev na omrežje [11]. Generatorske enote s spremenljivo hitrostjo so večinoma vetrne elektrarne s sinhronskimi generatorji in asinhronski generatorji z navitimi rotorji. Njihova moč je v razponu več MW. Težave pri njihovem delovanju so povezane z dušenjem elektromehanskih nihanj [12], odpornostjo na okvare [13] in zagotavljanjem frekvenčno-vztrajnostnega odziva [14]. Najnovejši postopki in prakse za preverjanje skladnosti vetrnih enot s kodeksi omrežja so podani v [15]. Najsodobnejše stanje pri obratovanja hidroenergetskih enot s spremenljivo hitrostjo je podano v [16], vendar je obravnavana le regulacija frekvence. Različni prečrpovalni hidro sistemi so opisani v [17]. Njihovo aktivno delovanje med motnjami v elektroenergetskem sistemu pa ni posebej obravnavano.

Vodenje elektroenergetskega sistema

Ko se pomikamo od posameznih naprav k energetskemu sistemu, postaja stabilnost moči pomembna. Raziskave na tem področju vključujejo stabilizacijo frekvence [18], dinamiko nihanj malih signalov [19], optimizacijo regulatorja dušenja [19] in stabilizacijo moči kot storitev na trgu električne energije [21]. Stabilizacija moči je povezana tudi s regulacijo delovne moči in frekvence. Na rezervno moč in energijo, ki sta potrebni za uravnavanje delovne moči in frekvence (regulacijska rezerva), vplivajo negotovosti zaradi nihanja moči obremenitve in moči, ki jo proizvajajo fotovoltaične (PV) in vetrne elektrarne. Na potrebno regulacijsko rezervo vpliva tudi sodelovanje pri nadzoru omrežja [22] in izravnava električne energije [23]. Ker so proizvodne enote, ki temeljijo na obnovljivih virih energije, manj predvidljive kot klasične, se pričakuje povečanje kontrolnih aktivacij klasičnih enot, kot tudi količina potrebnih regulacijskih rezerv. V literaturi je mogoče najti različne pristope za napovedovanje vetrne energije [24] in določanje regulacijskih rezerv na podlagi napake napovedi [25]. Medsistemsko sodelovanje na področju nadzora omrežij v kontinentalni Evropi se izvaja prek procesa sodelovanja INC (iz ang. Imbalance Netting Cooperation) na področju neravnotežja med mrežami [26]. Osnovni cilj procesa INC je znižanje cen električne energije za končne uporabnike.

Električna omrežja

Za zagotovitev zanesljivega delovanja elektroenergetskega sistema je treba njegove elemente ustrezno vzdrževati. Vzdrževanje na podlagi zanesljivosti (RCM) [27,28] je sodoben pristop, ki je nadomestil vzdrževanje na osnovi časa in pogojev. V nekaterih primerih so lahko objekti visoke napetosti (VN) postavljeni relativno blizu objektov nizke napetosti (NN). V primeru napak ali udara strele lahko napetost v visokonapetostnem omrežju povzroči prenapetost v NN omrežju [29,30]. Ta prenapetost v NN omrežju lahko povzroči uničenje naprav v objektu, v nekaterih primerih pa tudi pojav električnega udara, ki ga je treba preprečiti.

Na zmožnost srednjenapetostnih (SN) in NN distribucijskih omrežij za vključevanje distribuiranih proizvodnih enot [31] ter na zanesljivost oskrbe in zmogljivost omrežja lahko vplivajo aktivni elementi omrežja in hranilniki energije [32] ter ustrezna rekonfiguracija omrežja. [33]. Ena od izvedljivih rešitev je stalno obratovanje zaprte zanke v SN omrežjih, kjer je potrebno nadgraditi sistem zaščite, da se zagotovi zahtevana občutljivost in zanesljivost delovanja le-te [34]. V NN omrežjih je eden najpomembnejših prenapetostnih zaščitnih elementov plinski prenapetostni odvodnik. Uporabljajo se za zaščito naprav in električnih vodov pred učinki prenapetosti, ki jih povzroča neposreden udarec strele. Širša uporabnost tega zaščitnega elementa je omejena predvsem zaradi njegove vžigne karakteristike, ki je odvisna predvsem od lastnosti plina ter oblike in materiala elektrod [35]. Še ena šibka točka tega zaščitnega elementa je zmožnost ugašanja električnega obloka po prenehanju delovanja prenapetostni [36], kar ima za posledico direktni zemeljski stik in uničenje elementa.

Sistemi za upravljanje energije (EMS) bi lahko bili ena od ključnih tehnologij za uvedbo trga energetske prožnosti (EFM), kot je predvideno v [2]. EFM je razširitev obstoječega energetskega trga. Odnosi med zainteresiranimi stranmi v okviru EFM so opredeljeni v splošnih okvirih pametne prožnosti (USEF) [37], kjer poudarek ni na ključnem elementu, odjemalcu elektroenergetskega omrežja. EMS bi moral vključevati vse vrste naprav, ki jih je mogoče nadzorovati (proizvodnja energije, shranjevanje, poraba), ter vse oblike energije in energetskih nosilcev. Na voljo morajo biti za gospodinjstva, zgradbe, tovarne in skupnosti. Žal obstoječi EMS ne presega ravni avtomatizacije in daljinskega upravljanja [38-40].

Literatura

[1] SVRK, Slovenia’s Smart Specialization Strategy, http://www.svrk.gov.si/fileadm...

[2] European Commision, https://ec.europa.eu/energy/en....

[3] P. Rasilo, et al, "Simulink Model for PWM-Supplied Laminated Magnetic Cores Including Hysteresis, Eddy-Current, and Excess Losses," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 2, pp. 1683-1695, Feb. 2019.

[4] S. Xue et al., "Iron Loss Model for Electrical Machine Fed by Low Switching Frequency Inverter," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 53, no. 11, pp. 1-4, Nov. 2017, Art no. 2801004.

[5] M. Popescu et al., "A General Model for Estimating the Laminated Steel Losses Under PWM Voltage Supply," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 46, no. 4, pp. 1389-1396, July-Aug. 2010.

[6] A. Salem et al., "A Comparative Study of the Effect of Different Converter Topologies on the Iron Loss of Nonoriented Electrical Steel," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 50, no. 11, pp. 1-4, Nov. 2014.

[7] P. Rasilo et al., "Effect of Multilevel Inverter Supply on Core Losses in Magnetic Materials and Electrical Machines," IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 30, no. 2, pp. 736-744, June 2015.

[8] R. Brezovnik, et al., "Impact of the Switching Frequency on the Welding Current of a Spot-Welding System," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 64, no. 12, pp. 9291-9301, Dec. 2017.

[9] B. Klopcic et al., "Advanced Control of a Resistance Spot Welding System," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, no. 1, pp. 144-152, Jan. 2008.

[10] Maarten van Werkhoven et al., IEA 4E EMSA: “Policy Guidelines for Motor Driven Units, Part 1: Analysis of standards and regulations for pumps, fans and compressors”, Switzerland 2016, Part 2: Recommendations for aligning standards and regulations for pumps, fans and compressors, Switzerland 2018

[11] Establishing a Network Code on Requirements for Grid Connection of Generators, Commission Regulation (EU) 2016/631, Apr. 2016.

[12] J. L. Domínguez-García et al., “Power oscillation damping supported by wind power: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 16, no. 7 p.p. 4994-5006, Sep. 2012.

[13] J. J. Justo at al., “Doubly-fed induction generator based wind turbines: A comprehensive review of fault ride-through strategies”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 45, p.p. 447-467, May 2015.

[14 ] M. Dreidy et al., “Inertia response and frequency control techniques for renewable energy sources: A review,” Renew. Sust. Energ. Rev., vol. 69, pp. 144–155, Mar. 2017.

[15] A. Etxegarai ar al., “Current procedures and practices on grid code compliance verification of renewable power generation,” Renew. Sust. Energ. Rev., vol. 71, pp. 191-202, May. 2017.

[16] M. Valavi and A. Nysveen, “Variable-Speed Operation of Hydropower Plants: A Look at the Past, Present, and Future”, IEEE Ind. Appl. Mag., vol. 24 no. 5, pp. 18-27, Sep.-Oct. 2018.

[17] L. Ruppert et al., “An analysis of different pumped storage schemes from a technological and economic perspective”, Energy, vol. 141, pp. 368-379, Dec. 2017.

[18] D. Sharma et al., “Power system frequency stabiliser for modern power systems”, IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 12 , Issue: 9, Page s: 1961 – 1969, 2018.

[19] C. Canizares et al., “Benchmark Models for the Analysis and Control of Small-Signal Oscillatory Dynamics in Power Systems”, IEEE Transactions on Power Systems, vol. 32, pp: 715 – 722, 2017.

[20] M. A. Hannan et al., “Artificial Intelligent Based Damping Controller Optimization for the Multi-Machine Power System: A Review”, IEEE Access, vol. 6, Page s: 39574 – 39594, 2018.

[21] H. Golpîra, et al., “Power System Stabilizer Services Pricing in an Electricity Market”, Electric Power Components and Systems 43(18), September 2015.

[22] Establishing a Guideline on Electricity Transmission System Operation, Commission Regulation (EU) 2017/1485, Aug. 2017.

[23] Establishing a Guideline on Electricity Balancing, Commission Regulation (EU) 2017/2195, Nov. 2017.

[24] N. Zhang et al., “Modeling conditional forecast error for wind power in generation scheduling”, IEEE Trans. Power Syst., vol. 29, no. 3, pp 1316–1324, May 2014.

[25] K. De Vos, and J. Driesen, “Dynamic operating reserve strategies for wind power integration,” IET Renew. Power Gener., vol. 8, no. 6, pp. 598-610, Aug. 2014.

[26] P. Zolotarev, et al., “Grid control cooperation – a framework for technical and economical cross-border optimization for load frequency control,” in Proc. Cigre 2012, C2-107, 2012, pp. 1-13.

[27] R. Arno et al., "Equipment Failure Characteristics and RCM for Optimizing Maintenance Cost," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 52, no. 2, pp. 1257-1264, 2016.

[28] H. Mirsaeedi et al., ‘’Electricity Distribution System Maintenance Budgeting: A Reliability-Centered Approach’’, EEE Transactions on Power Delivery, vol. 33, no. 4, pp. 1599 – 1610, 2018.

[29] X. Wu et al., ‘’Substation Grounding Study Input Parameter Sensitivity Analysis and Simulation Strategies,’’ IEEE Transactions on Industry Applications, 2019, early access, DOI: 10.1109/TIA.2018.2885475.

[30] M. R. Alemi et al., ‘’Wide-Band Modeling of Tower-Footing Grounding Systems for the Evaluation of Lightning Performance of Transmission Lines’’, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 57, no. 6, pp, 1627 – 1636, 2015.

[31] N. Sreckovic et al., ‘’Determining roof surfaces suitable for the installation of PV systems, based on LiDAR data, pyranometer measurements, and distribution network configuration’’, Energy, vol. 96, pp. 404-414, 2016. [32] E. Belic et al. ‘’ GPU-based online optimization of low voltage distribution network operation’’, IEEE transactions on smart grid, vol. 8, no. 3, pp. 1460-1468, 2017.

[33] A. Azizivahed et. al., ‘’Energy Management Strategy in Dynamic Distribution Network Reconfiguration considering Renewable Energy Resources and Storage’’, IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2019, early access, DOI: 10.1109/TSTE.2019.2901429.

[34] K. Pereira et all, “A multiobjective optimization technique to develop protection systems of distribution networks with distributed generation,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 33, no. 6, pp. 7064–7075, Nov. 2018.

[35] M. Pejovic e all., ‘’Processes in insulating gas induced by electrical breakdown responsible for commercial gas-filled surge arresters delay response’’, Vacuum, vol. 137, pp. 85-91, March 2017.

[36] M. Bizjak et all., ‘’Spark breakdown in gas-discharge-tube surge arrester at voltage pulse’’, IEEE transactions on power delivery, vol. 30, no. 3, pp 1552-1560, 2015.

[37] Universal Smart Flexibility Framework, https://www.usef.energy/downlo...

[38] V.H. Bui et all, ''A Multiagent-Based Hierarchical Energy Management Strategy for Multi-Microgrids Considering Adjustable Power and Demand Response'', IEEE Transactions on Smart Grids, 9, 1323 – 1333, 2018.

[39] D. Thomas et all., ''Optimal operation of an energy management system for a grid-connected smart building considering photovoltaics’ uncertainty and stochastic electric vehicles’ driving schedule,'' Applied Energy, 210, 1188-1206, 2018

[40] R. Zhang, & J. Tao, ''GA-Based Fuzzy Energy Management System for FC/SC-Powered HEV Considering H₂ Consumption and Load Variation'', IEEE Transactions on Fuzzy Systems, 26, 1833 – 1843, 2018.

2. Cilji raziskave s poudarkom na izvirnosti predlaganih raziskav ter njihovim potencialnim vplivom na razvoj novih raziskovalnih smeri

Elektromagnetne naprave in pogoni napajani s pretvorniki z močnostno elektroniko

Načrtovanje EM naprav mora biti izvedeno s celostnim pristopom, ob upoštevanju interakcij vseh komponent v napravi, to pa bistveno presega trenutno stanje tehnike. Pulzno vzbujanje EM komponent ima velik vpliv na izgube in delovanje naprave, zlasti na dinamične izgube v navitjih in železnih jedrih v obravnavanih napravah. Klasične metode načrtovanja pogosto obravnavajo opisane dinamične pojave zelo poenostavljeno in temeljijo na empiričnem znanju, kar vodi do neoptimalnih tehnoloških rešitev. V okviru predhodne raziskave je naša raziskovalna skupina razvila različne dinamične modele izgub magnetizacije v železnih jedrih, ki ustrezno opisujejo temeljne pojave v primeru pulznega vzbujanja. V prihodnjem raziskovalnem delu bodo ti modeli posplošeni tudi za opis vrtilnih magnetnih polj, ki nastopijo ob uporabi impulznih vzbujanj EM strojev. Dobljeni modeli se bodo lahko uporabili v postopku načrtovanja EM naprav in bodo omogočali izbiro najustreznejših materialov in izboljšanje geometrij načrtovanih naprav. Cilj celostnega pristopa razvoja je tudi čim večja integracija elementov močnostno elektronike v magnetne komponente, kar lahko privede do bistvenih izboljšav na področju opisane problematike (na primer vgradnja sinhronega usmernika v navitja transformatorja močnostnega DC-DC pretvornika). Uporaba opisanih modelov pa ni omejena samo na področje načrtovanja, temveč igra veliko vlogo tudi pri zagotavljanju ustreznega vodenja, kar je še posebej pomembno pri visoko učinkovitih pogonih. Cilj raziskovanja je razvoj nelinearnih konceptov vodenja navora oz. hitrosti visokozmogljivih pogonov z izmeničnimi motorji v različnih obratovalnih stanjih. Poleg doseganja visoke dinamike želimo istočasno zagotoviti visoke izkoristke tudi v prehodnih stanjih, kar je posebej pomembno na področju elektromobilnosti. Razviti regulacijski koncepti izhajajo iz specifičnih strukturnih lastnosti izmeničnih pogonov napajanih z razsmerniki močnostne elektronike in vključujejo upoštevanje magnetne nelinearnosti in izgube, nelinearne opazovalnike nemerljivih električnih in mehanskih stanj, optimizacijo polja, zmanjšanje harmonskih popačitev toka in upoštevanje nezanesljivosti parametrov. Razviti koncepti morajo zagotavljati globalno stabilnost oziroma vsaj določitev mejnih področij lokalne stabilnosti.

Raziskave se bodo razširile na razvoj in izvedbo novih shem vodenja proizvodnih enot s spremenljivo hitrostjo vrtenja, ki bodo zagotavljale skladnost z zahtevami določenimi s kodeksom omrežja [11]. S tem bomo nadaljevali naše dosedanje raziskovalno delo na področju modeliranja in vodenja električnih strojev ter raziskav iz področja turbinskih sistemov. Sinteza vodenja sinhronskega generatorja za prečrpovalne hidro enote bo predvidoma izvedena v sodelovanju s TU Graz.

Vodenje elektroenergetskega sistema

Raziskava bo zajemala razvoj in ovrednotenje dinamičnega načrtovanja regulacijske rezerve. Glavna novost je razvoj metode, ki, na podlagi spreminjajočih se pogojev delovanja v omrežju, dinamično določa zahtevano regulacijsko rezervo. Če se rezerva določi dinamično, se preostali razpoložljivi viri lahko uporabijo za druge storitve na trgu z električno energijo. S tem bomo nadaljevali naše dosedanje raziskovalno sodelovanje z University North iz Varaždina, ki je usmerjena na vpliv vetrnih proizvodnih enot. V nadaljevanju bo raziskava upoštevala tudi vpliv procesa INC na dinamično določanje regulacijske rezerve, kar do sedaj še ni bilo obravnavano v literaturi. Predvideno je sodelovanje z RWTH Aachen, poleg tega bo raziskovalno delo temeljilo tudi na izkušnjah pridobljenih s projekti za slovenskega sistemskega operaterja prenosnega omrežja.

Pomembne so tudi aktivnosti na področju razvoja naprav za izvajanje nadzornih storitev v elektroenergetskem sistemu. To je postalo pomembnejše z novo uredbo Evropske unije o vzpostavitvi zahtev za priključitev generatorjev na omrežje. Načrtujemo analizo kratkoročne stabilnosti frekvence in razvoj naprav za zagotavljanje frekvenčno-inercialnega odziva. Raziskava se bo osredotočila tudi na področje stabilnosti kota rotorja v analizi elektroenergetskega sistema. Cilj predstavlja razvoj naprednih algoritmov za naprave za izboljšanje dušenja nihanj v elektroenergetskem sistemu. Novost našega pristopa bo razvoj in realizacija novih regulacijskih shem za dušenje nihanja moči za enote s spremenljivo hitrostjo.

Električna omrežja

Visokonapetostni objekt (VN), ki se nahaja v bližini stanovanjskih stavb, predstavlja tveganje zaradi morebitnega dviga električnega potenciala. Raziskave na tem področju so nezadostne in nedokončne. Cilj naše raziskave je izbira določenih ukrepov, ki bi zmanjšali tveganje za nastanek električnega udara na NN napeljavah in ozemljilih, kar je popolnoma nov pristop. Z izsledki raziskav bi omogočili vpeljavo zaščitnih ukrepov v prakso in s tem zmanjšali tveganje za živa bitja.

Zanesljivo delovanje je ključnega pomena za vsako elektroenergetsko omrežje. Sodoben pristop k reševanju tega problema je učinkovito upravljanje premoženja z učinkovitim sistemom vzdrževanja kot bistvenim elementom. Trenutno se v večini primerov uporabljajo metode preventivnega vzdrževanja. Novi trendi v vzdrževanju vodijo do vzdrževanja na podlagi zanesljivosti (RCM), ki zahteva učinkovito spremljanje naprav in analizo zanesljivosti. Raziskovalni cilj je raziskati in izvesti najprimernejši način prehoda iz vzdrževanja na podlagi časa (TBM) prek vzdrževanja na podlagi pogojev (CBM) na vzdrževanje na podlagi zanesljivosti (RCM). Opisani pristop je popolnoma nov.

Plinski odvodniki so najpomembnejši elementi prenapetostne zaščite v NN omrežjih. Zaradi svojske sposobnosti prevajanja in odvajanja velikih tokov, se uporabljajo za ščitenje naprav in električnih napeljav pred vplivi prenapetosti, ki so posledica direktnega udara strele v objekt. Navedeno vpliva na zanesljivost delovanja elektroenergetskega sistema. Cilj raziskave je izboljšanje vžigne karakteristike in lastnosti ugašanja električnega obloka. Rezultati raziskav se lahko razširijo na uporabo v stikalni tehniki prekinjanja električnega toka.

Obstoječi sistemi upravljanja z energijo (EMS) se večinoma uporabljajo za pridobivanje podatkov in statistično analizo porabe energije. Raziskovalni cilj je razviti popolnoma nov EMS, primeren za aktivno sodelovanje na trgu energetske prilagodljivosti. Vsebuje modul za avtomatsko generiranje modela in avtonomno logiko odločanja. EMS bo lahko povezal omrežje in delovanje omrežja. Storitve energetske prožnosti bodo omogočene le, če bodo lastniku EMS lahko zagotovile zadostne koristi.

Raziskave na področju delovanja distribucijskih omrežij bodo usmerjene v zagotavljanje ustreznih napetostnih profilov, zmanjševanje izgub v omrežju in izboljšanje zanesljivosti napajanja. To bo doseženo z uvedbo (EMS) nadzorovanih naprav v obliki porabe energije, shranjevanja energije, proizvodnje energije, nadzora pretoka energije, preklapljanja in zaščite. Takšno distribucijsko omrežje bo lahko gostilo večji delež nadzorovanih distribuiranih proizvodnih enot in delovalo kot mikro omrežje, pripravljeno za zagotavljanje storitev za trg energetske prožnosti. Predlagani pristop bistveno presega obstoječa pametna in mikro omrežja ter obstoječe pristope k delovanju distribucijskega sistema. Vsi elementi omrežja so aktivni in pripravljeni za zagotavljanje storitev energetske prožnosti. Predlagani pristop vključuje rekonfiguracijo omrežja z zmožnostjo stalnega obratovanja zaprte zanke, optimalno povezavo razpršenih proizvodnih enot, lokalnih krmilnih enot in novo metodologijo za parametriranje in izvedbo sistema zaščite.

3. Metodologija

Elektromagnetne naprave in pogoni napajani s pretvorniki z močnostno elektroniko

Dinamični modeli izgub bodo razviti na osnovi ustreznega fizikalnega ozadja za vse vrste sodobnih materialov, ki se uporabljajo v obravnavanih napravah. Razviti modeli bodo potrjeni z uporabo ustreznih meritev. Potrjeni modeli bodo nadalje integrirani v sodobne postopke načrtovanja EM naprav (tako pri uporabi modelov s koncentriranimi parametri kot tudi modelov s končnimi elementi). Dobljeni modeli bodo omogočali analizo možnosti integracije komponent močnostne elektronike v EM naprave. Nadgrajeni dinamični modeli sodobnih pogonov bodo osnova tudi za razvoj novih visoko-učinkovitih in zmogljivih načinov vodenja. Vsi dobljeni teoretični izsledki bodo potrjeni tudi eksperimentalno. Začrtan raziskovalni program bo potekal v sodelovanju s tujimi univerzami, kot sta na primer RWTH Aachen in TU Darmstadt in industrijskimi partnerji.

Na osnovi teoretičnih dognanj bodo za proizvodne enote s spremenljivo hitrostjo razviti dinamični modeli s koncentriranimi parametri. Predlagane bodo nove sheme vodenja, ki bodo preizkušane tako z obsežnimi numeričnim simulacijami, kakor tudi eksperimentalno.

Vodenje elektroenergetskega sistema

Dinamično določanje regulacijske rezerve: Z uporabo sintetičnih in realnih podatkov iz terena bodo razviti deterministični in statistični modeli elektroenergetskega sistema. Predlagani bodo novi postopki za dinamično določanje regulacijske rezerve, ki bodo ovrednoteni z obsežnimi numeričnimi simulacijami in vzorci meritev iz terena.

Stabilizatorji elektroenergetskih sistemov: Obstoječa znanja o načrtovanju in delovanju električnih napravah in elektroenergetskih sistemov bomo dopolnili s teoretičnimi študijami obravnavane problematike. Na njihovi osnovi bomo razvili statične in dinamične matematične modele, ki bodo predstavljali zadovoljiv ekvivalent realnim sistemom. Na osnovi tako dobljenih modelov bomo opravili kvalitativno in kvantitativno analizo. S pomočjo dobljenih novih znanj bomo razvili nove rešitve in koncepte vodenja. Le-te bomo najprej temeljito preizkusili z numeričnimi simulacijami. Dokončno potrditev ustreznosti predlagane rešitve predstavljajo laboratorijski preizkusi na realnih objektih.

Električna omrežja

Interakcija med visokonapetostnimi in nizkonapetostnimi ozemljitvenimi sistemi: Izdelati programska orodja za simulacijske izračune medsebojnih vplivov ozemljil in vplivov na napetost koraka in dotika. Predlagati ustrezne ukrepe za zmanjšanje potenciala, ter jih potrditi s simulacijskim orodjem in z meritvami na terenu.

Vzdrževanje elementov omrežja: Izdelati algoritem RCM koncepta vzdrževanja, izdelati matematični model za spremljanje zanesljivosti obratovanja in stanja naprav, monitoring, diagnostiko in informacijski sistem v katerem bo algoritem deloval.

Plinski odvodnik: Izdelava matematičnega modela plinskega odvodnika, v programskem orodju algoritem za izračun električnega in magnetnega polja. Izdelava prototipa plinskega odvodnika, preskušanje in merjenje v laboratoriju ICEM in umerjanje modela z rezultati dobljenimi na prototipu.

Sistem za upravljanje z energijo (EMS): Raziskovalno delo na področju EMS bo vključevalo razvoj modelov samoučljivih električnih naprav, priključenih na EMS. Algoritmi, primerni za implementacijo v samoučljivi model, so umetne nevronske mreže na osnovi časovne vrste in strojno učenje. Oba bosta ocenjena, preden bo eden izmed njih izbran za izvedbo v modelih za samoučenje. Modeli posameznih naprav bodo samodejno izdelani na podlagi merjenih podatkov med normalnim delovanjem naprav. Razvili bomo avtonomni algoritem odločanja EMS, ki temelji na tržnem modelu. Vseboval bo postopke za združevanje porabe in proizvodnje električne energije, medtem ko bodo samoučljivi modeli naprav uporabljeni kot podpora pri odločanju. Razviti EMS bo preizkušen in ovrednoten na obstoječem eksperimentalnem sistemu med delovanjem brez omrežja in z omrežjem. Preizkusili se bodo tudi sposobnosti razvitega EMS glede na sposobnost samostojnega zagotavljanja storitev energetske prožnosti.

Delovanje distribucijskega omrežja: Razvili bomo algoritme za optimalno delovanje distribucijskega omrežja. V 1. koraku bodo vsebovali preoblikovanje omrežja in možnost delovanja zaprte zanke. Za operacijo z zaprto zanko bodo razviti in preizkušeni postopki za optimizacijo parametriranja zaščitnih naprav, ki zagotavljajo zadostno občutljivost in zanesljivost. V 2. koraku bodo razviti postopki, ki upoštevajo profile odjema in proizvodnje, fotovoltaični potencial razpoložljivih površin in možne konfiguracije omrežja za optimalno postavitev PV sistemov. V 3. koraku bodo razviti algoritmi, ki upoštevajo električna omrežja, opremljene z elementi EMS, kot so hranilniki energije, naprav za odjem in proizvodnjo, stikala in naprave za nadzor pretoka moči, z namenom določiti meje delovanja omrežja na odprtem trgu z energetsko prožnostjo. Vrednotenje razvitih algoritmov bo temeljilo na simulacijah, poskusih na eksperimentalnem sistemu in delno na testih v realnem omrežju.

4. Časovni prikaz aktivnosti po letih

Poglavje F (34. točka): Predstavitev raziskovalnega programa za ocenjevanje prijave po kriteriju »Potencialni vpliv zaradi razvoja, razširjanja in uporabe pričakovanih rezultatov raziskav«

1. Pomen za razvoj znanosti oziroma stroke

Raziskovalni program predlaga nekaj novih rešitev, ki bi lahko bistveno vplivale na razvoj znanosti in stroke na področjih energetsko učinkovitih elektromagnetnih naprav in pogonov, vodenja elektroenergetskega sistema in obratovanja električnih omrežij.

Na področju elektromagnetih naprav in pogonov je predlagan inovativen pristop k povečanju energetske učinkovitosti, gostote moči in zmogljivosti EM naprav, ki presega omejitve in pomanjkljivosti, zakoreninjene v uveljavljenih (klasičnih) pristopih načrtovanja naprav in njihovega vodenja. Z uveljavitvijo predlaganih metod načrtovanja bi celostne metode, ki temeljijo na razumevanju osnovnih fizikalnih pojavov, izpodrinile pretežno empirične klasične metode.

Pri vodenju elektroenergetskega sistema so predlagani novi koncepti na področju stabilizacije sistema in dinamičnega določanja potrebnih regulacijskih rezerv, ki jih je mogoče hitro implementirati.

V okviru raziskovalnega programa električna omrežja bodo raziskave potekale tudi na področjih do sedaj še nerešenih problemov med katere sodijo interakcije med visokonapetostnim in nizkonapetostnim ozemljilnim sistemom in modeliranje ter oblikovanje karakteristike vžiga plinskih odvodnikov. Na obeh področjih je mogoče pričakovati izvirne rešitve. Načrtovane raziskave in predvidene rešitve na področjih sistemov za upravljanje z energijo in obratovanja distribucijskih omrežij nakazujejo povsem nove koncepte, ki lahko znatno vplivajo tako na razvoj znanosti kot tudi na pristop k obratovanju distribucijskih omrežij. Omenjene rešitve omogočajo vpeljavo trga prožnosti energije v polnem obsegu.

2. Potencialni vpliv na razvoj na področju gospodarstva: sodelovanje pri nastajanju novih proizvodov, tehnologij, tehnoloških rešitev, inovacij

Predlagani raziskovalni program temelji na nadaljevanju in razširitvi preteklega raziskovalnega dela, ki je potekalo v tesnem sodelovanju z različnimi industrijskimi partnerji. Uspešno sodelovanje z industrijskimi partnerji se kaže v številnih patentnih prijavah in podeljenih patentih na področju razvoja sistemov za uporovno točkovno varjenje (UTV), kakor tudi v uspešno zaključenem aplikativnem ARRS projektu in številnih znanstvenih objavah. Na tem področju načrtujemo razvoj izboljšanega varilnega transformatorja z integriranim izhodnim sinhronim usmernikom, kar bi povečalo izkoristek transformatorja za več kot 25% in omogočilo izboljšano (frekvenčno neodvisno) dinamiko varilnega toka. Na ta način bi lahko sistemi za UTV prešli na delovanje pri višjih frekvencah, kar bi znatno povečalo gostoto moči naprave. Prav tako poteka projektno sodelovanje s proizvajalcem avtomobilov AUDI na področju razvoja visoko učinkovitih električnih strojev/pogonov za potrebe elektromobilnosti, kjer se za dosego zelo ambicioznih in strogih ciljev uspešno uporablja začrtan pristop razvoja EM naprav in njihovega vodenja. Rezultati dela PS v obeh izpostavljenih primerih neposredno vplivajo pri nastajanju novih proizvodov, tehnoloških rešitev in inovacij.

Podobne stanje se kaže tudi na področjih vodenja elektroenergetskega sistema in električnih omrežij. Področja raziskav, ki jih naslavljamo v raziskovalnem programu, predstavljajo naravno nadaljevanje in razširitev našega preteklega raziskovalnega dela. Razvite rešitve na področjih vodenja elektroenergetskih omrežij, vzdrževanja in ozemljitvenih sistemov naslavljajo realne probleme in imajo velike možnosti za implementacijo v sistemih za prenos in distribucijo električne energije. Nove rešitve, ki bodo v okviru programa razvite na področju plinskih odvodnikov, imajo velik tržni potencial. Njihovi proizvajalci kažejo velik interes za proizvodnjo plinskih odvodnikov, ki jim je mogoče ustrezno oblikovati karakteristiko vžiga. Načrtovane raziskave na področju obratovanja distribucijskega omrežja so nadaljevanje in razširitev našega preteklega raziskovalnega dela. Rezultati uvedbe obratovanja v sklenjeni srednjenapetostni zanki kažejo na velik potencial za njihovo implantacijo v specifičnih delih distribucijskih omrežij, kjer je zahtevana večja zanesljivost napajanja. Rešitve na področju sistemov za upravljanje z energijo, ki bodo razvite v sklopu izvajanja raziskovalnega programa, se kažejo kot eden od ključnih elementov za uspešno vpeljavo trga prožnosti energije in imajo velik tržni potencial. Še več, pri ustrezni implementaciji lahko postanejo gibalo razvoja novih izdelkov in storitev, ki podpirajo in izboljšujejo delovanje sistema za upravljanje z energijo. Odgovorni bilančnih skupin, pa tudi operater prenosnega omrežja, kažejo svoj interes za uvedbo trga prožnosti energije in uporabo sistema storitev, ki jih ta lahko ponudi. Predlagani sistem za upravljanje z energijo bo sposoben samostojnih odločitev in avtomatiziranega tvorjenja modelov naprav. Takšen bo sprejemljiv tudi za uporabnike električnih omrežij, ki se jim ne bo treba ukvarjati z njim. V električnih omrežjih, kjer bodo uporabniki opremljeni s takšnimi sistemi za upravljanje z energijo, bo mogoče vpeljati tudi povsem koncept fleksibilnega omrežja, ki lahko znatno preseže današnje omejitev in veljavne paradigme obratovanja omrežja. To je lahko začetek resničnih fleksibilnih aktivnih omrežij (pametnih omrežij).

3. Potencialni vpliv na razvoj družbenih in kulturnih dejavnosti (družbena infrastruktura, javna uprava, kulturni razvoj, zdravstvo, varstvo naravne in kulturne dediščine, promocija države, dostop do tujih znanj, vključevanje v mednarodno delitev dela, razvoj kadrov)

Vsi rezultati raziskovalnega programa imajo velik potencial za implementacijo v električnih omrežjih in v elektroenergetskem sistemu ali v novih in izboljšanih izdelkih za trg.

Razvoju in popularizaciji elektromobilnosti bo sledil tudi neizogiben razvoj družbene infrastrukture, ki bo potrebna za zagotavljanje električne energije za elektromobilnost. Izboljšanje učinkovitosti električnih naprav za proizvodnjo in rabo električne energije ter dvig zanesljivosti in kakovosti delovanja elektroenergetskih sistemov vpliva na stroške, povezane z njihovo uporabo. Posledično se rezultati tega raziskovalnega programa kažejo v življenjskem standardu in kakovosti družbenih dejavnosti. Razviti sistem za upravljanje z energijo omogoča uvedbo trga s prožnostjo energije in sodelovanje vseh uporabnikov elektroenergetskih omrežij v storitvah prožnosti energije. S tem se jim omogoči dodatne prihodke za opravljene storitve prožnosti, njihov nivo udobja in kakovost bivanja pa ne bosta zmanjšana, saj bo sistem za upravljanje z energijo sposoben avtonomnega odločanja v korist lastnika. Takšni sistemi upravljanja z energijo lahko sprožijo razvoj celotnega področja novih podpornih tehnologij in sistemov storitev, hkrati pa naredijo pametna omrežja sprejemljiva, zaželena in dobrodošla za vse uporabnike elektroenergetskih omrežij.