Ключові слова
балансування режимів
відновлювані джерела енергії
оптимізація
електрична мережа
енергетичний баланс
енергоефективність
Як цитувати
Анотація
У роботі розглянуто актуальну проблему підвищення стабільності режимів електричних мереж в умовах зростання частки відновлюваних джерел енергії. Нестабільність генерації сонячних та вітрових електростанцій призводить до дисбалансів потужності, коливань напруги та частоти, що потребує впровадження високоефективних систем накопичення енергії. Особливу увагу приділено гравітаційним системам накопичення енергії, які ґрунтуються на перетворенні електричної енергії у потенційну за рахунок підняття масивних вантажів та подальшому її відновленні під час опускання. Такі системи характеризуються високою надійністю, тривалим терміном служби, низькими експлуатаційними витратами та екологічною безпечністю, що робить їх перспективними для балансування режимів роботи електричних мереж з великою часткою відновлюваних джерел енергії. Проаналізовано технічні, економічні та алгоритмічні проблеми інтеграції гравітаційних систем накопичення енергії у структуру розподільних мереж. Показано, що основним обмежувальним фактором є значна механічна інерція, яка знижує швидкодію системи і унеможливлює її використання для первинного регулювання частоти. Разом із тим, гравітаційні системи накопичення енергії ефективно виконують функції вторинного та третинного регулювання, згладжують добові коливання навантаження, забезпечують енергетичний резерв та зменшують технологічні втрати. Розглянуто можливість застосування гібридних схем на основі поєднання гравітаційних систем накопичення енергії з електронними компенсаторами потужності (STATCOM), що підвищує якість електроенергії та стабільність напруги. Представлено концептуальну постановку задачі оптимізації інтеграції гравітаційних систем накопичення енергії у електричні мережі з урахуванням технічних, економічних і фізичних обмежень. Наведено цільову функцію максимізації загальної рентабельності капіталовкладень, яка поєднує критерії оператора системи накопичення енергії та оператора системи розподілу. Визначено ключові обмеження моделі: за ємністю, потужністю, швидкістю зміни енергетичного стану, допустимими рівнями напруги й струмового навантаження. Для розв’язання задачі рекомендовано застосування комбінованих підходів, зокрема, методів декомпозиції, евристичних алгоритмів та аналітичних методів на основі еквівалентних схем.
Посилання
T. Kurbatova, R. Sidortsov, G. Trypolska, D. Hulak, and I. Sotnyk, “Maintaining Ukraine’s grid reliability under rapid growth of renewable electricity share: Challenges in the pre-war, war-time, and post-war periods,” International Journal of Sustainable Energy Planning and Management, vol. 40, pp. 41–54, Apr. 2024, doi: https://doi.org/10.54337/ijsepm.8112
A. Kuzior, A. Lobanova, and L. Kalashnikova, “Green energy in Ukraine: State, public demands, and trends,” Energies, vol. 14, no. 22, Nov. 2021, Art. no. 7745, doi: https://doi.org/10.3390/en14227745
I. Hrytsiuk, V. Volynets, Y. Hrytsiuk, I. Bandura, and N. Komenda, “Prospects for the integration of distributed energy sources into the Ukrainian power grid,” Machinery & Energetics, vol. 16, no. 1, pp. 130–145, 2025, doi: https://doi.org/10.31548/machinery/1.2025.130
X. Luo, J. Wang, M. Dooner, and J. Clarke, “Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation,” Applied Energy, vol. 137, pp. 511–536, Jan. 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.09.081
F. Díaz-González, A. Sumper, O. Gomis-Bellmunt, and R. Villafáfila-Robles, “A review of energy storage technologies for wind power applications,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 16, no. 4, pp. 2154–2171, May 2012, doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.01.029
G. De Carne et al., “The role of energy storage systems for a secure energy supply: A comprehensive review of system needs and technology solutions,” Electric Power Systems Research, vol. 236, Nov. 2024, Art. no. 110963, doi: https://doi.org/10.1016/j.epsr.2024.110963
W. Tong et al., “Solid gravity energy storage: A review,” Journal of Energy Storage, vol. 53, 2022, Art. no. 105226, doi: https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105226
F.-F. Li, J.-Z. Xie, Y.-F. Fan, and J. Qiu, “Potential of different forms of gravity energy storage,” Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 64, Apr. 2024, Art. no. 103728, doi: https://doi.org/10.1016/j.seta.2024.103728
C. Lv, J. He, J. Ma, Y. Yang, F. Liu, and W. Huang, “Capacity optimization strategy for gravity energy storage stations considering the impact of new power systems,” PLOS One, vol. 20, no. 4, Apr. 2025, Art. no. e0320734, doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0320734
R. Wang, L. Zhang, C. Shi, and C. Zhao, “A review of gravity energy storage,” Energies, vol. 18, no. 7, Apr. 2025, Art. no. 1812, doi: https://doi.org/10.3390/en18071812
M. E. A. Elsayed, S. Abdo, A. A. A. Attia, E.-A. Attia, and M. A. Abd Elrahman, “Parametric optimisation for the design of gravity energy storage system using Taguchi method,” Scientific Reports, vol. 12, no. 1, Nov. 2022, Art. no. 19648, doi: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20514-y
J. D. Hunt et al., “Underground gravity energy storage: A solution for long-term energy storage,” Energies, vol. 16, no. 2, Jan. 2023, Art. no. 825, doi: https://doi.org/10.3390/en16020825
T. Hoshino, S. Basu, T. Ogawa, K. N. Ishihara, K. Hoshino, and H. Okumura, “Geospatial optimization of location-dependent costs for gravity energy storage plants in a mountainous suburban area: The case of Fukuoka City, Japan,” Energy Technologies and Environment, vol. 2, no. 1, pp. 37–48, Mar. 2024, doi: https://doi.org/10.58567/ete02010004
W. Tong et al., “Inertial characteristics of gravity energy storage systems,” in 2023 IEEE PES 15th Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), Chiang Mai, Thailand, Dec. 6–9, 2023. IEEE, 2023, doi: https://doi.org/10.1109/appeec57400.2023.10561970
Y. Mi et al., “The frequency-voltage stability control for isolated wind-diesel hybrid power system,” Electric Power Systems Research, vol. 192, Mar. 2021, Art. no. 106984, doi: https://doi.org/10.1016/j.epsr.2020.106984
E. Rashedi, H. Nezamabadi-pour, and S. Saryazdi, “GSA: A gravitational search algorithm,” Information Sciences, vol. 179, no. 13, pp. 2232–2248, Jun. 2009, doi: https://doi.org/10.1016/j.ins.2009.03.004
B. Wang, X. Wang, Z. Zhu, and X. Wu, “Siting and sizing of energy storage for renewable generation utilization with multi-stage dispatch under uncertainty: A tri-level model and decomposition approach,” Applied Energy, vol. 344, Aug. 2023, Art. no. 121286, doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2023.121286
S. Sundeep, L. Sethuraman, D. Akindipe, L. J. Fingersh, Z. Wenrick, and A. Munoz, “Optimizing grid regulation with gravity storage systems: A comparative analysis with different motor inertias,” in 2024 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Phoenix, AZ, USA, Oct. 20–24, 2024. IEEE, 2024, pp. 323–330, doi: https://doi.org/10.1109/ecce55643.2024.10860891
A. Hadaeghi and A. A. Chirani, “Optimizing power losses and voltage profiles through simultaneous distribution network reconfiguration and DG placement using a hybrid CDOA-PSO algorithm,” International Journal of Scientific Research in Science, Engineering and Technology, vol. 12, no. 2, pp. 460–476, Mar. 2025, doi: https://doi.org/10.32628/ijsrset25122157
D. H. Huanca, L. A. Gallego, and J. M. López-Lezama, “Transmission network expansion planning considering optimal allocation of series capacitive compensation and active power losses,” Applied Sciences, vol. 12, no. 1, Dec. 2021, Art. no. 388, doi: https://doi.org/10.3390/app12010388
Z. Lin et al., “Gravitational search algorithm optimization algorithm for grid distributed energy storage resource pool regulation matching load peak–valley and operation constraints,” Discover Internet of Things, vol. 5, no. 1, Jul. 2025, Art. no. 77, doi: https://doi.org/10.1007/s43926-025-00172-y
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Авторське право (c) 2026 Теймураз Луарсабович Кацадзе, Дмитро Володимирович Щербина