Информационен бюлетин

Проектът разглежда проблем, които има пряко отношение към внедряването на по-големи производствени мощности от възобновяеми енергийни източници. През последните години 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 фундаментални изследвания по тематиката на проекта допринася за разбирането на процесите, които ще настъпят при последващо увеличаване на генерацията от възобновяеми източници. В резултат от проекта се създадат и развиват нови научни знания, които адресират много съществен обществен проблем, какъвто се явяват намаляването на енергийната зависимост и вредните емисии в атмосферата.

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.

През последното десетилетие европейската електроенергийна система търпи съществена трансформация, понеже освен като основен двигател на всяка икономика, тя се явява и голям 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 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 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 проекта 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.

През 2017 г. се заговори и за нови рестрикции свързани с производството на електроенергия чрез изгаряне на въглища. В предлагания вид на рестрикциите въглищните мини биха затворили предсрочно, а с тях и ТЕЦ. Пряко ще бъдат засегнати хиляди работещи, а косвено – още стотици хиляди. Освен рискове, свързани с устойчивостта на доставките на електроенергия, енергийната независимост и националната сигурност, има опасност и от загуба на конкурентоспособност за икономиката, деиндустриализация и обезлюдяване на цели региони в страната. Според комисаря по енергетика и климата Мигел Ариас Канете, "възобновяемата енергия остава, въглищата си отиват". (по материали от пресата: https://www.capital.bg/politika_i_ikonomika/bulgaria/2016/12/01/2875193_golemiiat_energien_zavoi_na_es/)

Програма на проекта е структурирана в шест работни пакета (РП)

РП1. Координиране и управление на проекта;

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;

РП6. Обмяна на опит и разпространение на резултатите.

3.1. РП1. Координиране и управление на проекта

Безпроблемна комуникация между членовете на екипа. Добрата организация доведе до увеличаване на желанието за работа по работните пакети. Никакви откази за изпълнение на дадена задача въпреки съчетаването на работата по проекта с многото други служебни ангажименти.

Голямата полза, която може да се отчете, като резултат е че Технически университет - Варна и проектът FREQCO бяха представени на необходимото ниво; - Нашата експертиза беше високо оценена и в тази връзка, изискана да бъде представена под формата на доклади; - Осъществихме контакти, които могат да ни бъдат полезни за съвместна работа с учени от цяла Европа, участие в международни проекти и др.

3.2. РП2. Проектиране и създаване на лабораторен изследователски комплекс

През втория отчетен период лабораторният комплекс бе завършен. Проектирани и изградени бяха следните елементи:

Шкаф +RES реализира два физически модела. Първият от тях е на фотоволтаична електрическа централа, а вторият е на вятърна централа. Инверторите се захранват през разделителни трансформатори и токоизправители. Управлението на инверторите е електронно. Осъществява се по комуникационен път посредством Raspberry PI, с разработено от екипа Python приложение и Touchscreen интерфейс. Това беше и най-времеемкия проект в лабораторията.

В шкаф +LA са реализирани два активни трифазни товара, всеки с мощност 3 kW. Те се управляват от електронно силови AC/AC преобразуватели. Заданието на мощността се подава от оператор към преобразувателите чрез потенциометри или по комуникационен път посредством Raspberry PI, с разработено от екипа Python приложение и Touchscreen интерфейс.

За целите на измервателната система и управление на лабораторията беше изградена комуникационна LAN мрежа и осигурена връзка с интернет мрежата на ТУ-Варна. Мрежата обхваща всички измервателни уреди, контролери, инвертори, компютърни платки и др.

Освен местно, управлението на лабораторията може да се осъществи и чрез създадената от екипа SCADA система. Тя се състои от сървърна и клиентска част, като в нея е реализирано управлението на по-голямата част от лабораторните компоненти, и стационарни измерители за наблюдение на установените режими на схемата.

3.3. РП3. Създаване на нови математични модели

Дейността е завършена на първи етап от проекта.

3.4. РП4. Софтуерни имплементации

През втория етап беше закупена системата за прецизно измерване и необходимите й сензори. Бяха осъществени всички планирани софтуерни разработки, които да осигурят наблюдението на стационарните и преходни режими на лабораторната електроенергийна система.

Изградена е система от измервателни прибори и сензори, чрез които да се наблюдават преходните процеси в лабораторния комплекс. В резултат от изпълнение на дейността, всички електрически величини на отделните компоненти в изградената лаборатория могат да бъдат наблюдавани, съхранявани и обработвани.

През втория етап беше реализиран изцяло нов софтуерен инструмент, програмиран в Python. Разработеният от нас софтуер се възползва от библиотечна база от модели, като се осигурява богата моделна основа, с която да се провеждат числови експерименти за изследване на устойчивостта при малки и големи смущения.

Разработен е софтуер, който може да изследва реални по мащаб електроенергийни системи, може лесно да се надгражда с функции за целите на научните изследвания.

3.5. РП5. Планиране и провеждане на физически и числови експерименти

Разработена е методологията за провеждане на физическите експерименти. Тя се фокусира върху решаването на две основни задачи:

• Да се изследва влиянието на ВЕИ генерацията върху честотата и демпфирането на електромеханичните колебания в ЕЕС.
• Да се изследва влиянието на небаланса на активната мощност върху честотата в ЕЕС при 100% дял на ВЕИ генерация.

За целта са дефинирани необходимите конфигурации на лабораторната схема, работните условия, наблюдаемите величини, необходимите анализи и очакваните изводи. Създадени са всички предпоставки за проверка на научните хипотези на проекта.

Разработена е методология за провеждане на числовите експерименти, в която:

• са дефинирани задачите на експеримента;
• направен е избор на подходящи модели за решаване на отделните задачи;
• направен е избор на софтуерни инструменти;
• дефинирани са тестовите схеми;
• дефинирани са работните ситуации, които ще се изследват;
• дефинирани са необходимите изчисления и анализи.

Създадени са всички предпоставки за проверка на научните хипотези на проекта.

В края на втори етап бяха извършени пуско-наладъчни дейности в лабораторията, с които да се проверят работните режими и характеристики на изградените активни устройства (генератори и товари) и да се тестват възможностите на системата за измерване на преходни процеси.

3.6. РП6. Обмяна на опит и разпространение на резултатите.

За отчетния период са организирани три посещения на международни конференции в България – ELMA2019, BulEF2019 и SIELA 2020. Публикациите и на трите конференции се издават от IEEE и са индексирани в SCOPUS. Направена е една публикация в списание TEM Journal, което е индексирано в SCOPUS (CiteScore 2019: 0,7; SJR 2019: 0,167; SNIP 2019: 0,587. На ELMA2019 и SIELA 2020 няма публикувани публикации, участието на тези конференции бе за осъществяване на срещи с учени от други университети и представяне на идеите на проекта. Публикувани са общо шест публикации, една от които в списание с импакт ранг. И шестте са индексирани в SCOPUS. Две от публикациите са цитирани в SCOPUS общо седем пъти, което доказва ефекта от разпространението на резултатите по проекта.

Осъществени са две мобилности за представяне на проекта. Първата е в Технически университет – София, а втората в Атина, Гърция. Представени са и са дискутирани научни проблеми свързани с проектната разработка с доц. д-р инж. Рад Станев и екипът на проекта Пантера. Участниците от страна на екипа на взеха активно участие в дискусиите и бяха интервюирани. Втората е в Атина, пак по инициатива на проекта Пантера, този път като преки участници. Тази мобилност послужи, както за представяне на проблемите, които се изследват в проекта, така и за осъществяване на контакти с бъдещи партньори в международни проекти.

В рамките на вторият етап на проекта, двама докторанти започнаха разработването на дисертации по тематики, свързани с проблемите, които разглежда проекта Темите са зададени в рамките на докторантската програма „Електроенергийни системи“ на кат. Електроенергетика, ТУ-Варна. Разработена е една учебна програма за ОКС „магистър“.

Проектът и напредъкът по него през втори етап е представен в Технически университет – София, пред участниците в проекта Пантера и при всяка среща с колеги от бизнеса в енергийния сектор – „Електроенергиен системен оператор“ ЕАД, „ТЕЦ Марица изток 2" ЕАД, ЕЙ И ЕС България, Соларпро Холдинг, Südkabel GmbH и др.

Използвани са всички съвременни начини за популяризиране на проекта – собствена интернет страница, интернет страницата на университета, популярни регионални сайтове, БТА, БНР, Facebook, Дни на отворените врати в ТУ-Варна, Кариерни форуми и др. Проектът е представен и на конкурса „Месец на науката - 2019“, където получи признание и грамота

В рамките на втория етап на проекта бяха създадени следните софтуерни инструменти:

• Python програма за изследване устойчивостта на ЕЕС при малки смущения с възможност за включване на разнообразни модели на ВЕИ генерация и моделиране на реални по размер електрически мрежи.
• NumPadControl – Python програма за управление на инверторите.
• SCADA – състои се от две програми, една за сървърната част и една за клиентската част. Написани са на платформа .NET с език C#.
• Signal Notes 1.1 – Instant Edition – Matlab програма, която осигурява процеса на измерване и съхранение на данни. Работи с измервателната апаратура за преходни процеси.
• Single-Tone Frequency Measurement - Matlab програма, за еднотонални честотни измервания чрез DFT, MLE и Weighted Averaging алгоритми.
• Short-Time Fourier Transform (STFT) - Matlab програма, за време-честотен анализ чрез Short-Time Fourier Transform алгоритъм.
• Spectral Analysis – Matlab програма за спектрален анализ на амплитудите и фазите на съставните, с възможност за графично изобразяване на резултатите.

Изпълнението на Плана за експлоатация на научните резултати от изпълнението на проекта е в ход и резултатите могат да се опишат като значителни. Построена е уникална лаборатория от нула, която ще дава научни резултати на екипа на проекта дълги години. Освен това ще служи за вдъхновение за всички бъдещи електроинженери, които ще я посетят и/или ще направят своите дипломни работи и/или научни разработки в нея. Научните публикации, в които са представени научни резултати по проекта носят на своите автори признание под формата на цитирания и/или директни контакти с други научни организации. Резултатите от проекта ще послужат за основа за нови проектни предложения, с които да се кандидатства по различните програми на ФНИ, МОН и не на последно място Европейския съюз. Използват се всички възможности за увеличаване на потенциала и реализация на натрупаните знания в полза на Технически университет – Варна.

За изтеклия период, екипът на проекта може да се похвали със значително повишаване на научния капацитет. През втория етап са усвоени 3 конкурса за АД „доцент“, два от които по новия Закон за развитие на академичния състав. Трима участници в екипа на АД „доцент“ изпълняват изискуемите от новия Закон за развитие на академичния състав наукометрични изисквания, за участие в Научни журита за провеждане на конкурси за заемане на академични длъжности и в Научни журита за присъждане на ОНС „доктор“. До края на 2021 г. се очаква един член на екипа и един докторант, който работи по тематика близка с разширения обхват от научни изследвания по проекта да защитят или да са на финала на процедура по защита на дисертационния си труд. Очаква се и обявяването на конкурс за АД „доцент“ до края на 2021, също за член на екипа. Други двама млади учени към момента работят по своите дисертации и са с огромен потенциал за успешно финализиране на труда си. В резултат на дейностите по проекта се търсят и подходящи кандидати за докторати, които да работят по актуални теми, например „Smart grid“. Не на последно място работата по проекта ще доведе до включване на нови учебни програми в учебните планове за специалностите на кат. „Електроенергетика“ за ОКС „бакалавър“ и ОКС „магистър“. От друга страна започналите процеси резонират по благоприятен начин с намеренията на МОН за повсеместно осъвременяване на учебните планове във връзка с новите изисквания на бизнеса към завършващите електроинженери.

Актуалността на тематиката на проекта дава своето отражение върху научното сътрудничество на членовете на екипа с научни организации и предприятия в областта на Електроенергетиката. На първо място се задълбочиха връзки и научното сътрудничество между научните колективи в катедрите в Технически университет – Варна. Наличен е висок потенциал за бъдещи съвместни разработки. На второ място сътрудничеството с Технически университет – София се разви до степен съвместно участие в бъдещи проекти, представяне на общи научни публикации, създаване на свързани лаборатории за научна и учебна работа и др. Екипът на проекта е работил и представил резултати по множество проекти по поръчка на държавни и частни, български и чуждестранни партньори, между които „Електроенергиен системен оператор“ ЕАД, ЕАД, ЕЙ И ЕС България, Südkabel GmbH, GENERAL ELECTRIC DEUTSCHLAND HOLDING GMBH, Siemens Aktiengesellschaft и др.