Представяне

   Електроенергийната система представлява най-голямата и значима инфраструктура, осигуряваща електроенергия за захранване на икономиките на всички държави в света. Тя представлява съвкупност от електрически централи за производство на електрическа енергия, електропреносна мрежа (милиони километри електропроводи), електрически подстанции за разпределяне и трансформиране на електроенергията, и потребители – битови и промишлени. До преди няколко десетилетия, електроенергийните системи на отделните държави са функционирали като независими, изолирани една от друга. С времето обаче е разпозната ползата от енергийните обединения, свързана с осигуряване на свободна търговия с електроенергия и взаимно предоставяне на допълнителни услуги. При това, в Европа се появява електроенергийното обединение наречено UCTE (понастоящем ENTSO-E), включващо в себе си голяма част от континенталната част и скандинавските страни. България става част от това обединение през 2002 г., като преди това преминава през сложен процес по подготовка за присъединяване. Необходимо бе да се извършат редица технически подобрения, свързани най-вече с повишаване на устойчивостта на Българските електрически централи, чрез въвеждането на регулатори, наречени „системни стабилизатори“. Устойчивостта е съществено важно качество, липсата на което води до разпадане на системата и потенциални щети от порядъка на стотици милиони левове за ден, в контекста на българските мащаби. Значително участие в този процес, свързан с извършването на редица фундаментални научни изследвания, взе и нашия екип от учени. Разработихме новаторски математични модели и специализирани софтуерни продукти с които да се изследва устойчивостта на електроенергийната система и да се настройват горе споменатите системни стабилизатори. Свършената научна и приложна работа бе на световно ниво и разработките ни получиха признанието както на българския „Електроенергиен Системен Оператор“ ЕАД, така и на западните ни партньори, а страната ни беше успешно присъединена към общоевропейската система. Регулаторите в редица български електрически централи бяха настроени с помощта на моделите и методиките, които разработихме. Натрупаният опит успешно приложихме и в проект за рехабилитация на турската електроенергийна система, с цел присъединяването ѝ към ENTSO-E, в който доразвихме математичните си модели и подобрихме работата на четири техни електрически централи, за което получихме и референции.

      През последното десетилетие европейската електроенергийна система търпи съществена трансформация, понеже освен като основен двигател на всяка икономика, електроенергийната система се явява и като главен източник на замърсяване на атмосферата с парникови газове. Това наложи ратифицирането на протокола в Киото, директива 20-20-20 на ЕС и други документи с които страната ни, както и всички западни държави се задължиха да редуцират вредните емисии. При това, стартира бурно разработване и развитие на електрически централи използващи възобновяема енергия, както и внедряването им в електроенергийната система. В това отношение България изпълни своите задължения по директивите за 2020 г. още през 2012 г. и въпреки това делът на възобновяемите източници продължава да расте, макар и със значително по-бавни темпове. Към момента присъединените фотоволтаични централи са с инсталирана мощност около 1000 MW, а вятърните около 700 MW. На фона на системния товар, това са значителни мощности, чиито произход (вятър и слънце) предполага високо ниво на неопределеност и ниска предвидимост. Това създава съществени проблеми с колебанието на мощностите и честотата в системата, тъй като българската система се оказва на ръба на своята гъвкавост и управляемост, дължащи се най-вече на водните ни електрически централи. Последващо увеличаване на дела на възобновяеми източници ще е възможно единствено след фундаментално изучаване на процесите свързани с това и внедряването на нови технологични решения за съхраняване на електрическа енергия и подобряване на устойчивостта.

     От техническа гледна точка, генераторите използващи възобновяеми енергийни източници (ВЕИ) са съществено различни спрямо генераторите в конвенционалните електрически централи. Тези различия се изразяват основно в липсата на връзка между механичните процеси в роторите на ветрогенераторите (при фотоволтаиците липсват механични въртящи се компоненти) и електромагнитните процеси в електрическата част на електроенергийната мрежа. Това води до съществено изменение на общата инертност на въртящата се маса и принципа за синхронно въртене на роторите на генераторите и поддържането на честотата на напрежението в електроенергийната система. Освен това, увеличаването на дела на ВЕИ генерацията значимо ще се отрази върху устойчивостта на системата, както при малки, така и при големи смущения.

     Набелязаните практически проблеми не са в достатъчна степен застъпени в литературата и изискват формирането на нови знания, чрез фундаментална научна дейност. Приносът на проектопредложението се изразява в създаването на нови математични модели и подходи за изследване на устойчивостта и регулирането на честотата в електроенергийната система, работеща при бъдещите условия на значително по-голяма генерация от ВЕИ.

     Колективът има опит и компетентност при създаване на математични модели на съоръженията от ЕЕС и на електроенергийната система като цяло, изследване на режимни параметри в установени и преходни режими, системен анализ за оценка качеството на преходните процеси и устойчивостта на синхронни агрегати, електрически централи и големи електроенергийни обединения при малки смущения. Това се доказва с желанието на външни организации за съвместна работа по научно-изследователски, научно-приложни и проекти свързани с обучение.

    Най-големите успешно приключили проекти, в които колектива е участвал са свързани с научни изследвания в областта на устойчивостта на електроенергийната система при малки смущения, водещи до решаване на конкретни проблеми в практиката. Например присъединяването на българската електроенергийна система към европейската и свързания с това проект на тема "Разработка на научна методика и програмно осигуряване за определяне на целесъобразните настройки на системите за автоматично регулиране на възбуждането (АРВ), включително и на системните стабилизатори (PSS), в електрическите централи на Р. България" със заявител НЕК-АД, договор от 2001 г. и “Разширяване на възможностите на програмата за изчисляване на параметрите на автоматичните регулатори на възбуждане и системните стабилизатори – NASAVR” - заявител НЕК-АД, договор № ТС 2686130/25.09.2006 г.

     На база на натрупания опит екипът бе препоръчан и взе участие в международния проект по договор №33-ЦДУ/23.09.2009г, с ЕСО-ЕАД “Анализиране и оптимизиране работата на системните стабилизатори (PSS) в комбинираните газово-парни електрически централи “Unimar”, “Temelli”, “Gebze”, “Adapazari”, “Aliaga” Турция, в съответствие с задача 4 от проекта “Подобряване регулирането на честотата в ЕЕС на Турция за синхронна работа с UCTE” (Rehabilitation of the frequency control Performance of the Turkish Power System for synchronous Operation with UCTE).

     На територията на България, на база на натрупания фундамент от опит и знания, имахме възможност да предложим иновационни научни решения за решаването на научно-приложни проблеми, когато класическите подходи не дават необходимия резултат. Това е проектът на тема „Изследване на действието на системните стабилизатори PSS-2A в електрическата централа ЕЙ И ЕС-3C МАРИЦА ИЗТОК 1 ЕООД чрез подробен математичен модел и предложение за целесъобразни настройки, които по-добре ще демпфират електромеханичните колебания на агрегатите в централата“ № 4500078530 от 05.01.2012г.

     Екипът има и богат научен опит в областта на ВЕИ технологиите и силовите електронни преобразуватели, чрез участието си в големи международни проекти „Transfer of innovative VET system in Wind Energy Technologies” (TrainWind), „BSUN Joint Master Degree Study Program on the Management of Renewable Energy” (ARGOS), „Анализ, изследване и моделиране на силови електронни преобразуватели в комбинирана система за топло и електроенергия на база на биомаса“, „Електронни системи за възобновяеми енергийни източници“ и други.

    Екипът използва всяка възможност за споделяне на знания и научен опит с чуждестранни научни организации и изявени чуждестранни учени. Както се вижда от автобиографиите на екипа, сътрудничество се поддържа с университети от цяла Европа и Русия, както и с електроенергийни системни оператори.

     Налице е висока теоретична подготовка на колектива по поставената проблематика. Доказателство за това са четирите дисертации за придобиване на ОНС „Доктор“ и една за доктор на техническите науки, свързани с проблематиката на моделиране и устойчивост на електроенергийни системи. На база на публикуваните резултати на международни форуми и списания от дългогодишните изследвания, свързани с тематиката, колектива бе поканен за участие в проект на тема „Power System Stabilizer Tool and Studies“ с General Electric Global Research – Мюнхен, Германия, по която се работи в момента и има предпоставки за подписване на рамково споразумение за решаване на нови научно-изследователски задачи.

     Дело на екипа са и две докторски дисертации в областта на силови електронни преобразователи за ВЕИ генератори и други две в областта на електрическите измервания. С този широк спектър от подходящи учени покриващи всички аспекти от предложената тематика се гарантира успешното изпълнение на проекта.

     Тематиката на настоящото проектопредложение се цели в същината, както на българската стратегия за научни изследвания, така и в европейските директиви за ограничаване на вредните емисии от електроенергетиката и транспорта.

    Устойчивото енергийно развитие е изведено като център на енергийната политика на Европа и постигането му е обвързано с дългосрочни количествени цели до 2020 г., които са в съответствие с директива EU 20-20-20 на Европейския Съюз:

• 20-процентно намаляване на емисиите на парникови газове спрямо 1990 г.;
• 20-процентов дял на ВЕИ в общия енергиен микс и 10-процентов дял на енергия от възобновяеми източници в транспорта;
• Подобряване на енергийната ефективност с 20 %.

     Енергийната стратегия на Република България до 2020 г. е синхронизирана с европейската директива за увеличаване дела на енергия от възобновяеми източници. Тези енергийни приоритети също са заложени в Националната стратегия за научни изследвания. В следващите редове прилагаме ключови извадки (цитати) от нея, които насочват вниманието към съответствието между стратегията и предлаганата научна тематика:

• „Целите “20/20/20” по отношение на климата и на енергетиката следва да бъдат изпълнени и като се постигне до 30% намаление на вредните емисии в сравнение с настоящите стойности.“
• „Това налага в науката да се насочват повече и по-ефективни инвестиции в области отнасящи се до: енергийни източници и енергоспестяващи технологии; справяне и контрол на вредните и опасни битови и промишлени отпадъци; нови суровини и материали; информационните и комуникационните технологии, биотехнологиите, храните и здравето и други.“
• „Активното развитие на науката и научните изследвания е приоритет на българското правителство и заема централно място в Програмата за европейско развитие. Там са дефинират следните цели: 4. Модернизация на научните организации и повишаване статута на учения в обществото.“
• „На тази база приоритетните направления на Стратегията за развитие на науката в България до 2020 г. са: 1. Енергия, енергийна ефективност и транспорт. Развитие на зелени и еко-технологии.“

     Темата на проектопредложението разглежда проблем, които има пряко отношение към внедряването на по-големи производствени мощности от възобновяеми енергийни източници. Към момента електроенергийната система на България е близо до прага на възможностите си за управление на честотата и мощностите. Аналогична е ситуацията и в останалата част на Европа. Провеждането на предлаганите фундаментални изследвания ще допринесе за разбирането на процесите, които ще настъпят при последващо увеличаване на генерацията от възобновяеми източници. Това означава, че като резултат от проекта ще се създадат и развият нови научни знания, които адресират много съществен обществен проблем, какъвто се явяват намаляването на енергийната зависимост и вредните емисии в атмосферата.

    Настоящото проектопредложение попада напълно и в линията на програма Хоризонт 2020 на ЕС. По-конкретно, адресират се социални предизвикателства (societal challenges) по отношение на сигурна, чиста и ефективна енергия (secure, clean and efficient energy). Осигуряването на устойчивостта на бъдещите електроенергийни системи е най-важното условие за постигане на сигурност на енергийните доставки, чрез „чисти“ технологии, като слънчева и вятърна енергия, и др.

     Работната програма на проекта е структурирана в шест работни пакета (РП). Детайлно описание на РП-ти е представено в секция „Работни Пакети“ на настоящето предложение. Структурата на работната програма на проекта е представена на фигура 4.1. Обособени са три основни групи дейности, а именно:

• Административни – Това са всички дейности свързани с координирането, управлението и мениджмънта на проекта. Административните дейности са групирани в рамките на РП1. Координиране и управление на проекта
• Научноизследователски – Това са всички дейности пряко свързани с изпълняването на поставените научноизследователски цели и задачи. Научноизследователските дейности са обособени в четири взаимосвързани РП. Връзката между пакетите е линейна, като във времето техните дейности се застъпват така, че получените резултати да могат да бъдат директно имплементирани и да послужат за основа на последващите РП. Научноизследователските РП включват: РП2. Проектиране и създаване на лабораторен изследователски комплекс; РП3. Създаване на нови математични модели; РП4. Софтуерни имплементации; РП5. Планиране и провеждане на физически и числови експерименти;
• Поддържащи – в работната програма на проекта е включен един поддържащ работен пакет. Той обединява дейности спомагащи за ефективното изпълняване на проекта и достигане на заложените резултати, а именно такива свързани с разпространението и обмена на получени резултати. Поддържащ е РП6. Обмяна на опит и разпространение на резултатите.

Структура на работна програма на проекта

Основен резултат със социална значимост получен в следствие на изследванията по проекта ще бъдат новите знания свързани с устойчивостта на електроенергийната система при преобладаващ дял на производство на енергия от ВЕИ. Тези знания ще бъдат основна за решаване на проблеми свързани със:

(1) Сигурността и качеството на доставките на електрическа енергия;

(2) Управлението на енергията генерирана от ВЕИ;

(3) Създаване на нови политики и регулации свързани с енергийната система и ВЕИ.

     Новите знания ще включват:

(1) Систематизирани литературни обзори и класификации;

(2) Математически модели, алгоритми и описания;

(3) Специализиран софтуер.

     Те ще могат да бъдат използвани и приложени за по-нататъшни изследвания и развитие на знанието в областта както сами за себе си, така и като комплексен фундаментален инструмент. 

Целева аудитория – (1) Академичната общност и (2) Експерти и специалисти в областта

      Основни цели – директно разпространение на получените научни резултати

      Основни дейности:

• Разработка на научни публикации в реферирани списания с “Impact Factor” или „Impact Rank“ - Предвижда се разработката и публикацията на три (при възможност повече) такива научни публикации. Целевите журнали избрани от екипа включват: (1) IEEE Transactions on Power Systems, IF 3.342; (2) International Journal of Electrical Power & Energy Systems, ELSEVIER, IF 2.587; (3) Renewable Energy, ELSEVIER, IF 3.404; (4) Electric Power Systems Research, ELSEVIER, IF 1.809; European Transactions on Electrical Power, WILEY, IF 0.577; (5) Journal of Electrical Engineering, SLOVAK CENTRE OF IEE, IF 0.483

• Разработка на научни публикации за реферирани международни конференции – предвижда се разработката на пет (при възможност повече) такива научни публикации. Целевите конференции избрани от екипа включват: (1) Power Systems Computation Conference (PSCC); (2) IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering; (3) Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy, Energy Management, PCIM Europe;