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团队扩大电网规划以提高系统弹性

在大多数动物中,如果从心脏切开大动脉,动物将难以生存。对于我们的许多关键基础设施系统,例如电力,水和通信,也可以这样说。它们是具有脆弱连接的联网系统。

这个漏洞是在显示在2017年9月,当飓风玛丽亚失事波多黎各的电功率 电网,使几乎所有岛上的330万人无电。随后长达数月的停电是美国历史上最严重的一次。

克莱尔·特雷维森(Claire Trevisan)当时是弗吉尼亚大学工程系统与环境系土木与环境工程专业的本科生,他注意到了波多黎各的困境。她问UVA环境复原力研究所安德烈斯·克拉伦斯(Andres Clarens)的四年级顶点顾问,教授和副主任,他们是否可以使用她的项目来研究问题。

特雷维森(Trevisan)的口号成为了对工程师用来规划基础架构的能源系统优化模型进行重大改进的推动力:将未来飓风的影响整合到有关电网设计的决策中。由UVA博士领导的跨学科团队。学生Jeffrey Bennett以及来自北卡罗莱纳州立大学和马亚圭斯的波多黎各大学的合作者刚刚在“自然能源”杂志上发表了这项研究。

他们的研究表明,通过使用分布在整个景观中的更多可再生能源对电网进行现代化改造,其成本将低于修复飓风对集中式电网造成的损害。

优化模型分析数据以找到在一组约束条件下提供功率的最便宜方法。既定的模型已经考虑了与建设,燃料,排放和复原力相关的成本-意味着系统能够在某些情况下中断运行而恢复能力-但是飓风,山火和洪水等事件造成的可预测损失的成本并未纳入现有模型中。

克拉伦斯说:“过去,人们不知道飓风会袭击多久,会对飓风造成什么样的破坏。” “现在我们确实知道这些事情,并且我们具有实际运行模拟的计算能力,说,'好吧,如果以这种方式构建,那么将给您的电力客户带来多少费用?”

团队的研究必不可少的是如何配置网格或其拓扑。当一个世纪前的美国电气化时,向客户提供电力的最有效方法是通过大型网络为中央电厂供电。即使在主发电站或传输动脉中断的情况下也可能出现大范围停电的情况,这也是事实。

研究人员想研究随着电网逐渐重新设计以支持更多的可再生能源而发生的情况,该国的大部分地区已经在利用太阳能和风能发电。当您预计飓风维修的成本时,该模型可以确定最经济的发电源组合。

克拉伦斯说:“这样做的能力很重要,因为由于气候变化,风暴的频率和严重性正在增加。”

波多黎各是应用该模型的一个很好的案例研究。在过去的25年中,该岛一直遭受13次风暴袭击。现有的网格架构在今天仍然过时,该系统依赖于进口的化石燃料,从而使电力昂贵。另一方面,波多黎各拥有丰富的太阳能和风能资源。

贝内特说,规划中的一个问题是排放控制和市场条件等政府政策(包括降低风能和太阳能生产和存储的成本)会产生“固定资产”,即昂贵的,经久耐用的电厂提早退休,因为它们不再经济运行。

鉴于将来可能发生大量与政策和天气相关的组合,因此该团队需要在UVA的超级计算机Rivanna上运行该模型。

贝内特说:“在我们的研究中,我们模拟了每五年时间步长中风暴袭击电网的可能性和强度。飓风强度用于预测风速和对电网基础设施的破坏。”

“然后,系统建立了新的基础设施来满足电力需求。通过考虑飓风强度和概率的组合,我们能够预测平均电力成本并检查基础设施投资的变化。我们的结果表明,飓风使电力成本增加了32 %,基于历史趋势飓风,更如果你认为风暴的频率和严重程度,气候变化造成的。过渡到增加可再生能源和不分天然气降低成本和排放飓风的频率。”

虽然研究地址风的破坏电力飓风带来的电网,球队的方法可以应用于其他天气和气候有关的灾害,克拉伦斯说。

他说:“通过这种网格决策方法,您还可以查看诸如美国西部的野火和中西部的洪水之类的案例。” “气候变化正在影响我们的工程系统。我们正在尝试开发新的工具和新见解,以帮助我们说:'看,过去不再是未来的良好典范。我们需要新的模仿未来的方式,以便我们可以做出最佳决策。””

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