PME jako obiekt regulacji/sterowania

Politechnika ląska Centrum Energetyki Prosumenckiej Wydział źlektryczny Instytut Elektrotechniki i Informatyki Konwersatorium Inteligentna Energetyka Bilansowanie mocy i energii w Energetyce Prosumenckiej PME jako obiekt regulacji/sterowania BŹEP, Dział.. 6 Marcin Fice Gliwice, 28 kwiecień 215

Model IREE [ ródłoś Popczyk J.Ś Model interaktywnego rynku energii elektrycznej. B źp 1.1.6, www.klaster3x2.pl] 2

PME w IREE + + + + + = 3

Interfejs PME 4

Interfejs PME Stan naładowania zasobnika Aktualna moc OZE Profil KSE Zmienne rodowiskowe PMź Prognoza produkcji OZE, prognoza pogody Prognoza (grafik) mocy odbiorników w PME Chwilowa moc odbiorników w PME 5

Obiekt sterowania, obiekt regulacji 1. Obiekt sterowania - obiekt reagujący na sygnał włącz/wyłącz z nadrzędnego układu sterowania lub manualnie przez użytkownika, może posiadać własny autonomiczny układ regulacji. Element wykonawczy ródło Dane wejściowe Obiekt sterowania Pomiar 2. Obiekt regulacji - obiekt posiada element wykonawczy reagujący na sygnał zadany i wysyła sygnał sprzężenia zwrotnego, pracuje w pętli sprzężenia zwrotnego z nadrzędnym układem sterowania. Dane wejściowe ródło Nadrzędny układ sterowania Obiekt regulacji Element wykonawczy Obiekt regulacji 3. Proces- którego realizacja podlega regulacji/sterowaniu, 4. Aparatura/urządzenie - w której zachodzi technologiczny proces regulacji/sterowania. 6

Definicje PME w IREE 1. PME on-grid (nieautonomiczna) nieposiadająca własnego zasobnika lub nie posiadająca wystarczających zdolno ci produkcyjnych, zarządczych i regulacyjnych aby mogła funkcjonować autonomicznie. W takiej mikroinfrastrukturze zasilaniem rezerwowym będzie KSź (Wirtualna Wyspa). 2. PME (semi) off-grid (autonomiczna) posiadająca własny zasobnik oraz zdolno ci sterownicze i regulacyjne potrzebne do autonomicznego funkcjonowania. 3. PME semi off-grid regulacyjna posiadająca zasobnik oaz zasoby zarządcze i regulacyjne aby pełnić funkcję sterowania i regulacji w Wirtualnej Wyspie (m. in. usługi ŹSM/ŹSR). Ten typ PMź zostanie włączony bezpo rednio w układ regulacji mocy czynnej Wirtualnej Wyspy. 7

Funkcje celu dla PME w IREE Kryterium nr 1. Zminimalizowanie przepływu energii (EPME) na granicy PMź i zewnętrznej sieci energetycznejś min = = = _ = _ ± = _ gdzie: Eg energia ródeł, Eo energia odbiorników, Ez energia zasobników, TWW - okres bilansowania energii w PMź, zależny od okresu bilansowania w KSE lub WW. KSE (WW) PME 8

Funkcje celu dla PME w IREE Kryterium nr 1. Szczególnym przypadkiem będzie dążenie do pełnego bilansowania energii w PME: = i= Eg_i KSE (WW) i= E _i ± i= Ez_i = PME 9

Funkcje celu dla PME w IREE Kryterium nr 2. Bilansowanie mocy chwilowej w PME (PPME) w celu zminimalizowania przepływu energii na styku PMź i zewnętrznej sieci energetycznej w dowolnie krótkim czasie: min = = = _ _ ± gdzie: Pg(t) moc chwilowa ródeł, Po(t) moc chwilowa odbiorników, Pz(t) moc chwilowa zasobników. KSE (WW) = _ PME 1

Funkcje celu dla PME w IREE Kryterium nr 2. Szczególnym przypadkiem będzie dążenie do autonomii PMź i braku interakcji w regulację w KSź i WWŚ = i= g_i KSE (WW) i= _i ± i= z_i = PME 11

Funkcje celu dla PME w IREE Kryterium 3. Maksymalnie efektywne wykorzystanie energii z OZE i rekuperacji (co pociąga za sobą wymuszenie sterowania odbiornikami i zasobnikami): max PME 12

Funkcje celu zasobnika Kryterium 1. Utrzymywanie SOC (ang. state of charge, stan naładowania) zasobnika na odpowiednim poziomie np. wynikającym z prognozy produkcji i planowanego zużycia energii oraz sprawno ci i trwało ci. SOC 1% i < < ax SOCmax2 SOCmax1 Obszar zabroniony, zagrożenie przeładowaniem Źoładowanie tylko podczas hamowania odzyskowego Ładowanie/ wyładowanie w każdej w każdej możliwej sytuacji SOCmin1 SOCmin2 Konieczne doładowanie Obszar zabroniony, zagrożenie całkowitym rozładowanie Kryterium 2. Maksymalizacja trwało ci zasobnika (np. kontrola mocy wyładowania i głęboko ci wyładowania w przypadku akumulatorów). 13

Funkcje celu dla przekształtnika energoelektronicznego Kryterium 1. Bilansowanie mocy w PME (na poziomie regulacji pierwotnej: milisekundowej i sekundowej). Kryterium 2. Regulacja napięcia. Kryterium 3. Utrzymanie na odpowiednim poziomie jako ci energii w PMź (również w wę le bilansującym PMź-KSE). 14

Podstawowe strategie regulacji/sterowania w PME Regulacja w KSE: 1. Regulacja pierwotna (sekundowa)- natychmiastowa reakcja na zmianę częstotliwo ci mająca na celu zrównanie mocy generowanej z zapotrzebowaniem na moc. Nie przywraca częstotliwo ci do warto ci nominalnej. 2. Regulacja wtórna (minutowa)- ma na celu doprowadzenie prędko ci obrotowej (częstotliwo ci napięcia generowanego) generatorów do warto ci nominalnej. 3. Regulacja trójna (godzinowa)- odbudowa rezerwy mocy regulacyjnej wtórnej. [ ródło: Gładyś H., Matla R.: Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym, WNT 1999] 15

Podstawowe strategie regulacji/sterowania w PME Zapotrzebowanie na moc KSE (wartości 15 min.) 25 Moc [MW] 2 15 1 El. szczytowe El. podszczytowe 5 El. podstawowe ródła regulacyjne w KSźŚ 1. Podstawowe- cieplne parowe, wodne przepływowe, wiatrowe ( ródła najtańsze). 21: 18: 15: 12: 9: 6: 3: : Zapotrzebowanie na moc KSE (wartości 15 min.) 25 2. Podszczytowe- cieplne parowe (najczę ciej stare konstrukcje), wodne zbiornikowe. Moc. [MW] 2 15 1 El. szczytowe 3. Szczytowe- wodne szczytowopompowe, turbinowe gazowe. El. podszczytowe 5 El. podstawowe [ ródło: www.pse.pl] 21: 18: 15: 12: 9: 6: 3: : 16

Podstawowe strategie regulacji/sterowania w PME Bilans mocy w PME (PV 3 kw, µew 3 kw) 4 3 35 25 3 Moc [W] Moc [W] 2 15 1 25 2 15 1 5 5 21: 12: 6: 9: [godz.:min.] 25 2 Moc [W] 2 1 15 1-1 5-2 Pobór PV Wiatrak [godz.:min.] 21: 12: 9: 6: 3: 3: : 21: 15: 12: 9: 18: [godz.:min.] : -3 6: Moc [W] 18: 3 Produkcja 18: Pobór 3 3: : 3: : 21: 18: 15: 12: [godz.:min.] Wiatrak 15: PV 15: Pobór 4 9: 6: 17

Podstawowe strategie regulacji/sterowania w PME Bilans mocy w PME (PV 3 kw, µew 3 kw) 4 3 2 Moc [W] 1-1 -2 3: : 21: 18: 15: 12: 9: 6: -3 [godz.:min.] Zużycie dzienne ok. 13 kwh Dzienna produkcja ok. 26 kwh Dobowy bilans energii ok. 13 kwh 18

Podstawowe strategie regulacji/sterowania w PME Mechanizmy bilansowania energii w PME: 1. Magazynowanie energii w zasobnikach (np. akumulatorach) 2. Sterowanie odbiornikami w celu chwilowego ograniczenia zapotrzebowania na moc (zastosowanie praktyczne w połączeniu z zasobnikami) 3. Zastosowanie dodatkowego ródła z możliwo cią szybkiego uruchomienia i sterowania mocy wyj ciowej, np. kogeneratora gazowego 4. Potraktowanie KSź jako ródła dodatkowego (szczytowego, czyli zakup energii z KSE). 19

Regulacja mocy (napięcia) w PME W PMź napięcie w instalacji zależne jest od bilansu mocy ródeł i odbiorników: = PME off-gridś regulacja napięcia (sterowanie napięciowe) PME semi off-gridś bilansowanie mocy (sterowanie prądowe) Charakterystyki statyczne dla: a) częstotliwo ci (KSź), b) napięcia (PMź) w funkcji mocy czynnej a) b) f = f(pod) U = f(pod) fn Un U = f(pg) napięcie częstotliwość f = f(pg) Podb moc Podb moc 2

Regulacja mocy (napięcia) w PME Realizacja regulacji napięcia w PME U = f(pod) U = f(pod1) Un U = f(pg1) napięcie U = f(pg) Podb Podb1 moc napięcie Obszar pracy układu regulacji ze stałą warto cią napięcia obszar regulacji ze stałą wartością napięcia moc 21

Podstawowe strategie regulacji/sterowania w PME Regulacja milisekundowa i sekundowa: realizowana na poziomie przekształtnika, najważniejsza z punktu widzenia przekształtnika. 1. Dla instalacji off-grid: a) bilansowanie mocy w instalacji w celu utrzymania stałej warto ci napięcia, b) w przypadku braku energii w zasobniku możliwo ć obniżenia mocy (napięcia zasilania) odbiorników. 2. Dla instalacji semi off-grid (on-grid): a) bilansowanie mocy w celu realizacji kryteriów energetycznych, b) w przypadku braku energii ze ródeł i zasobników możliwo ć bilansowania mocy z KSź lub obniżenie mocy odbiorników. 22

Podstawowe strategie regulacji/sterowania w PME Regulacja milisekundowa i sekundowa- zasobniki Typ zasobnika Akumulator kwasowoołowiowy Akumulator litowo-jonowy Superkondensator Zasobnik kinetyczny Gęstość e ergii [Wh/kg] 4 Gęstość o y [W/kg] 6 Trwałość 1-2 5-1 stalowe do 55 kompozytowe do 87 2-3 3-1 do 1 do 5 5 2 lat do 1 5 23

Podstawowe strategie regulacji/sterowania w PME 15 Profil mocy dla instalacji fotowoltaicznej off-grid (Po- moc odbiornika, Ppv- moc ródła PV, Paku- moc akumulatora) (Tf = 1 s) 1 Moc [W] 5-5 -1-15 5: Ppv 7: Paku 9: Po 11: 13: 15: Czas [godz:min] 17: 19: 21: 12 1 8 Moc [W] Przebiegi mocy w układzie offgrid z przekształtnikiem MPPT (Tf = 2 ms) 6 4 2-2 -4. 3. 6. 9. 12. 15. Czas [s] Paku_ch Paku_dis Ppv Po 18. 21. 24. 24

Podstawowe strategie regulacji/sterowania w PME Przebieg mocy akumulatora w instalacji off-grid (Tf=,1ms) 5 4 3 Moc [W] 2 1-1 -2-3 -4-5 5 1 15 2 Czas [ms] 25

Podstawowe strategie regulacji/sterowania w PME Regulacja minutowa: (wykorzystanie akumulatorów, generatorów spalinowych, sterowanie odbiornikami) realizowana na poziomie sterownika nadrzędnego, ma na celu zmniejszenie amplitudy nagłych zmian mocy w PMź, czyli wpływa na wyrównywanie obciążeń obniżając szczytowe zapotrzebowanie na moc i zabezpiecza przed nadmiernym rozładowaniem zasobników. 26

Podstawowe strategie regulacji/sterowania w PME 3 25 25 2 2 3: : Wiatrak : PV 18: 6: 3: Pobór [godz.:min.] Wiatrak 21: PV 21: Pobór 4 : 21: 18: 5 15: 5 12: 1 9: 1 15: 15 12: 15 9: Moc [W] 3 6: Moc [W] Bilans mocy w PME (PV 3 kw, µew 3 kw) [godz:min] 4 3 3 2 2 [godz.:min.] [godz:min] 3: 18: 15: 3: : 21: 18: -2 15: -3 12: -1 9: -2 12: 9: -1 1 6: Moc [W] 6: Moc [W] 1 27

Podstawowe strategie regulacji/sterowania w PME Regulacja godzinowa: (zarządzanie energią, sterowanie odbiornikami i SOC zasobników) ma na celu odbudowę i kontrolę poziomu naładowania zasobników. 28

Źródła regulacyjne/zasobniki Akumulatory kwasowo-ołowiowe 15 Liczba cykli 125 1 75 5 25 25 5 75 Głę okość rozładowa ia % 1 29

Źródła regulacyjne/zasobniki Generator gazowy 3

Sterowanie odbiornikami Element wykonawczy ródło Dane wejściowe Obiekt sterowania Pomiar Obiekt sterowania Element wykonawczy ródło Obiekt sterowania Element wykonawczy Regulator Dane wejściowe Dane wejściowe ródło Pomiar Dane wejściowe Nadrzędny układ sterowania Obiekt sterowania Obiekt sterowania Element wykonawczy Regulator Pomiar 31

Dziękuję za uwagę 32