VŠB Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky

Transkript

1 VŠB Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky METODY A NÁSTROJE PRO OSTROVNÍ ENERGETICKÉ JEDNOTKY HABILITAČNÍ PRÁCE V OBORU ELEKTROENERGETIKA Ostrava, 2017

2 Lukáš Prokop. Metody a nástroje pro ostrovní energetické jednotky. 2017

3 Abstrakt Spolu s rozvojem technologií pro budoucí smart grids se do popředí zájmu dostává výzkum v oblasti mikrosítí, jako nedílné součásti budoucích smart grids. Tyto mikrosítě jsou schopny být v provozu jak v paralelním synchronizovaném spojení s nadřazenou sítí, tak v ostrovním provozu bez připojení k nadřazené soustavě celkové smart grid. Elementární jednotkou takových mikrosítí může být chápán například rodinný dům, který využívá některého z obnovitelných zdrojů elektrické energie a je vybaven akumulačním zařízením umožňujícím ostrovní provoz. Z hlediska fyzické realizace je už v současné řada technologií běžně dostupná na trhu. Co však zcela chybí v uceleném řešení je inteligentní sofistikovaný systém řízení, který by byl schopen zajistit komplexní řízení ostrovního systému s vyrovnanou energetickou bilancí i při respektování priorit spínání jednotlivých spotřebičů a zajištění odpovídající kvality elektrické energie. Cílem práce je představit komplexní sofistikovaný systém (Aktivní Demand Side Management ADSM), který má výše uvedené vlastnosti a parametry. Vyvinutý systém řízení využívá metod umělé inteligence a byl testován na realizované testovací platformě ostrovního systému pro napájení rodinného domu. Výsledkem použití systému řízení je dosažení snížení chybějící energie pro obě varianty topologie ostrovního systému. V případě konfigurace pouze s fotovoltaickou elektrárnou se jedná o úsporu 34%, pro konfiguraci fotovoltaické a větrné elektrárny se jedná o snížení chybějící energie o 48%. Dále byl vyvinut a testován modul ADSM, který slouží pro řízení kvality elektrické energie v ostrovním systému, úspěšnost správně predikovaných událostí pomocí tohoto modulu ADSM se pohybovala od 61% pro P lt do 71% to TDHi. Poslední testovanou technologií je koncept sdílení akumulační kapacity elektromobilu pro krytí chybějící energie v ostrovním systému pro napájení rodinného domu. Výsledkem testování je snížení chybějící elektrické energie pro udržení ostrovního provozu o cca 15% pro konfiguraci pouze s fotovoltaickou elektrárnou.

4 Poděkování Chtěl bych poděkovat své rodině za podporu, které se mi dostává a těm svým kolegům, kteří jsou pro mě trvalou inspirací.

5 Obsah 1 ÚVOD SYSTÉMY ŘÍZENÍ POPIS FUNKCIONALITY ADSM PRAKTICKÉ REALIZACE TECHNOLOGICKÉ VRSTVY OSTROVNÍ SYSTÉM PRO NAPÁJENÍ VEŘEJNÉHO OSVĚTLENÍ Vyhodnocení provozu OSTROVNÍ SYSTÉM PRO NAPÁJENÍ RODINNÉHO DOMU Vyhodnocení provozu OSTROVNÍ SYSTÉM PRO NAPÁJENÍ AUTOMATIZOVANÉHO PARKOVACÍHO CENTRA Vyhodnocení provozu METODY A NÁSTROJE PRO OSTROVNÍ ENERGETICKÉ JEDNOTKY SYSTÉM ŘÍZENÍ Technologická vrstva Vrstva měřicího a komunikačního rozhraní Vrstva sofistikovaného systému řízení toku energií Power Control System (PCS) IMPLEMENTACE ADSM PŘEDSTAVENÍ PRINCIPU AKTIVNÍHO SYSTÉMU ŘÍZENÍ ŘÍZENÍ KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE KONCEPT SDÍLENÍ AKUMULAČNÍ KAPACITY POMOCÍ ELEKTROMOBILU ZÁVĚR A ZHODNOCENÍ NAVAZUJÍCÍ VÝZKUM REFERENCE DEFINUJÍCÍ PŘÍNOS AUTORA PRO DANÉ TÉMA NAD RÁMEC CITOVANÝCH PUBLIKACÍ: LITERATURA PŘÍLOHA ODBORNÁ ČINNOST AUTORA BIBLIOGRAFIE VYBRANÉ PUBLIKACE Habilitační práce 1

6 1 Úvod Moderní společnost je až kriticky závislá na bezpečné dodávce elektrické energie. Aktuální ekonomický růst je stálé ve velké míře založený na vyčerpatelných zásobách primárních zdrojů elektrické energie, ale také na nedostatečně kontrolovaném nárůstu výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů elektrické energie se stochastickým charakterem výroby. Současně s tím, však postupně stárne energetická infrastruktura přenosových a distribučních sítí. Výše uvedené způsobilo v posledních letech velký zájem o otázky bezpečnosti, spolehlivosti a kvality dodávek elektrické energie. V posledních několika letech došlo v oblasti elektroenergetiky k rapidnímu vývoji technologií pro Smart grids, což představuje jednu z největších změn v elektroenergetice, a to díky rozšíření obnovitelných zdrojů energie (OZE) a aplikaci sofistikovaných řídících algoritmů pro výkonové měniče pro propojení soustav [1], [2] a [3]. Existuje množství metod a nástrojů pro současné energetické sítě, nicméně pro nově transformované inteligentní sítě, bude zapotřebí řada nových metod a nástrojů s novými funkcionalitami, aby bylo dosaženo přínosů, které jsou očekávány od Smart grids. Aby bylo možné použít označení Smart, soustava musí být provozována při splnění série specifických požadavků, mezi které patří: (i) autonomní provoz bez závislosti na dodávce energie z nadřazené elektrizační soustavy (ii) provoz s vyrovnanou výrobou a spotřebou (iii) možnost akumulace/uskladňování energie (iv) převládající využití obnovitelných zdrojů energie OZE (v) schopnost obsluhovat netradiční spotřebiče/zatížení (vi) nové typy ochran soustavy, které umožní obousměrný tok výkonu, a závěrem (vii) aktivní do značné míry flexibilní management na straně odběratelů elektrické energie (řízení na straně spotřeby) [4], [5], [6], [7], [8], [9] a [10]. Výzkum v oblasti Smart grids probíhá v mnoha oblastech a směrech a na všech úrovních po celém světě. Směry výzkumu se řídí strategickými dokumenty dané oblasti a zaměření [11] a [12]. Celkově vzato dochází k postupné transformaci přenosových a distribučních sítí z pasivních celků na aktivní energetické jednotky, které umožňují přesun rozhodovacích procesů a řízení na lokální úroveň a umožňují oboustranný tok výkonů. Součástí takových aktivních sítí je integrace rozptýlené výroby elektrické energie, využití různých forem obnovitelných zdrojů elektrické energie, využití různých forem lokálních akumulačních systémů, aplikace systémů pro řízení spotřeby elektrické energie, nejlépe s využitím nových zařízení pracujících s jednotnými protokoly a komunikačními službami. Hlavní funkcí aktivní energetické jednotky bude ekonomicky efektivní přenos dostatečného množství elektrické energie dle aktuální potřeby spotřebitele v reálném čase. Pro řízení toků výkonu, řízení napětí a efektivní systém chránění bude zapotřebí nový systém komunikace a výměny informací s vysokými nároky na ICT technologie, které budou hrát jednu z hlavních a klíčových rolí. Samotná realizace aktivních distribučních sítí vyžaduje implementaci zcela nových konceptů a architektur. Habilitační práce 2

7 Mikrosítě jsou označovány jako elementární částice budoucích výše popsaných aktivních energetických jednotek. Definice U.S. Department of Energy s Microgrid Initiative označuje mikrosítě jako soubor vzájemně propojených spotřebičů a rozptýlených zdrojů elektrické energie s jasně definovanými hranicemi, které jsou vymezeny oblastí s vlastním řízením. Mikrosíť se může připojit i odpojit z nadřazené soustavy a umožňuje provoz v ostrovním režimu nezávislé na nadřazené energetické soustavě, ale také paralelní provoz s nadřazenou energetickou soustavou, tato vlastnost výrazně zvyšuje spolehlivost a kvalitu dodávky elektrické energie. Tato práce je zaměřena na mikrosítě, primárně provozované v ostrovním režimu (ostrovní energetické jednotky). V práci jsou popsány příklady konkrétních specifických realizací mikrosítí od výkonové hladiny v řádu desítek wattů, který je využíván pro napájení veřejného osvětlení. Druhá varianta je výkonová hladina jednotek kilowatů, která slouží jako testovací platforma simulující napájení rodinného domu. Třetí platformou je ostrovní systém pro napájení automatizovaného parkovacího centra s výkonovou hladinou v řádu desítek kilowatů. Tyto praktické realizace vytvořily unikátní testovací platformu pro vývoj nástrojů a metod, které jsou součástí komplexního Active Demand Side Management (ADSM) neboli aktivního systému řízení pro ostrovní mikrosítě, včetně modulu pro řízení kvality elektrické energie a testování konceptu Vehicle to Home. Habilitační práce 3

8 2 Systémy řízení Hlavním nástrojem pro provoz ostrovních systémů jsou aktivní systémy řízení energie, které musí být schopny plnit následující fundamentální úlohy a být schopny zajistit: a) celoroční energetickou soběstačnost energetické jednotky, b) požadavky na spolehlivý a bezpečný provoz energetické jednotky, c) požadavky na kvalitu elektrické energie v energetické jednotce, přičemž jako zdroje elektrické a tepelné energie jsou využity prioritně obnovitelné zdroje a jako u většiny ostrovních systémů je instalován akumulační systém. Jedná se tedy o implementaci uvedených nástrojů a metod pro energetické jednotky, kterými mohou být rodinné domy či bytové komplexy, ale také polyfunkční budovy či energetické soustavy malých obcí, a je předpokládán jejich provoz nezávisle na dodávce energie z vnější energetické soustavy, tj. ostrovní provoz. Jednotlivé nástroje a metody jsou komplexně sdruženy do sofistikovaného aktivního systému řízení s názvem Active Demand Side Management (ADSM). Vyvinutý ADSM v sobě sdružuje nástroje pro aktivní řízení toků energií a optimalizaci kvality elektrické energie. Systém využívá prvky umělé inteligence současně s deterministickými algoritmy společně s využitím obnovitelných zdrojů elektrické energie, jež vedou k efektivnějšímu hospodaření s disponibilní energií, současně systém respektuje bezpečnost a spolehlivost provozu s ohledem na udržení celoročního ostrovního provozu. Na základě vstupních informací (tvořící vstupní data input vektor) ADSM, jako jsou predikce výkonu z obnovitelných zdrojů, predikce spotřeby elektrické energie daného objektu, stav nabití akumulátorů, atd. navrhne systém plán provozu jednotlivých spotřebičů elektrické energie objektu ve zvoleném časovém intervalu za současného respektování specifických požadavků pro autonomní systémy a nastavením priorit provozovatele rodinného domu. Samotné výsledky mohou být následně využity pro vývoj nového vyspělého systému rozvodu elektrické energie v autonomních systémech, dále pak určeny pro zvýšení účinnosti, bezpečnosti a spolehlivosti stávajících systémů. Navíc, výsledky jsou škálovatelné, a poté aplikovatelné na různé energetické úrovně, jako jsou například komunity inteligentních domů, inteligentní města, mikro regiony a samotné Smart Grids. Na druhou stranu mohou také pomoci s elektrifikací v odlehlých místech, ostrovních aplikacích nebo v rozvojových zemích. ADSM byl vyvinut s komplexním přístupem k techno ekonomickým aspektům a výsledné řešení si klade za cíl využít tohoto inovativního přístupu s důrazem na aspekty trvale udržitelného rozvoje energetiky. 2.1 Popis funkcionality ADSM Při vývoji aktivního systému ADSM bylo postupováno tak, aby byly respektovány specifické podmínky jeho využití v Off Grid systémech, konkrétně byly stanoveny tyto požadavky: I. Sofistikovaný způsob řízení možnost implementace metod umělé inteligence pro sofistikovaný způsob řízení, možnost lokálního ovládání i dálkové správy. II. Zabezpečení veškerých dat v systému Habilitační práce 4

9 ochrana a zabezpečení dat, odolnost vůči hackerským útokům na systém. III. Bezpečnost a spolehlivost provozu ADSM požadavky na odolnost vůči EMC rušení, bezpečnost a spolehlivost provozu s ohledem na chránění proti abnormálním a poruchových stavům, zajištění kvalitativních parametrů elektrické energie odolnost vůči extrémním meteorologickým vlivům, robustnost a odolnost vůči mechanickému poškození. IV. Uživatelské rozhraní jednoduché a intuitivní ovládání vytvoření uživatelského rozhraní pro operační systémy ios, Android, Windows, Linux možnost změny konfigurace provozu ADSM formou uživatelského rozhraní pro Basic Mode a Advanced Mode. V. Modularita škálovatelnost ADSM pro různé napěťové a výkonové hladiny s využitím stavebnicového systému. obr. 2-1 Struktura ADSM.[13] Habilitační práce 5

10 Blokové uspořádání ADSM je zobrazeno na obr. 2 1, přičemž základem ADSM je vzájemná interakce tří základních vrstev: 1) technologická vrstva (Technology Layer), 2) vrstva senzorická a komunikační (Sensors and Communication Layer), 3) vrstva řídicí (Power Control System). V následujících podkapitolách je uveden popis realizovaných technologických vrstev a z jejich provozu vyvozené požadavky na ADSM a následně jsou uvedeny požadované funkcionality jednotlivých vrstev, tak, aby bylo vyhověno specifických požadavkům definovaných výše v textu. Habilitační práce 6

11 3 Praktické realizace technologické vrstvy V kapitole 2 na obr. 2 1 je zobrazena základní koncepční struktura energetické jednotky ve formě ostrovního systému, kde energetická jednotka je rozdělena mimo jiné na základní technologickou vrstvu, které je tvořena základním hardware pro fungování energetické jednotky ve formě ostrovního systému, která je schopna samostatného fungování, ale pouze v základním režimu bez efektivního využití výkonu, bez systému pro zajištění kvality elektrické energie a dalšího možného řízení celého ostrovního systému. Systémy provozované v ostrovním režimu mají vždy sadu základních komponent (základní komponenty technologické vrstvy), mezi které patří zejména: Zdroje elektrické energie, primárně obnovitelné zdroje Spotřebiče elektrické energie Zařízení pro akumulaci elektrické energie Ostatní komponenty (nabíječe baterií, prvky chránění, ) Vzhledem k počtu použitých elektrických zařízení nebo komponent existuje řada možných zapojení ostrovních sítí. Mezi hlavní a nejčastěji využívané způsoby patří zapojení běžně označované jako (původní anglické výrazy, české ekvivalenty se nepoužívají nebo neexistují): AC coupling DC coupling DC coupling s hlavním invertorem Kombinace DC a AC coupling V následující části jsou prezentovány tři pilotní realizace ostrovních systémů v základní pouze technologické vrstvě, kde z jejich dlouhodobého provozu plynou požadavky na funkcionalitu ADSM. 3.1 Ostrovní systém pro napájení veřejného osvětlení Pilotní realizace ostrovního systému byla instalována v kampusu VŠB TU Ostrava. Byl vytvořen hybridní systém s topologií DC coupling sestávající se z dvou fotovoltaických panelů a dvou větrných mikroelektráren, které společně nabíjejí akumulátorovou baterii (340 A h). Základní topologie hybridního ostrovního systému je zobrazena na obr Obě větrné elektrárny a oba fotovoltaické panely jsou k DC přípojnici připojeny stejným způsobem. Fyzická realizace je následně zobrazena na obr Podrobný popis systému byl publikován v [39],[40]. Levý obrázek představuje hybridní systém s monokrystalickým panelem a větrnou elektrárnu s vertikální osou otáčení. Pravý obrázek představuje hybridní systém s polykrystalickým panelem a větrnou elektrárnou v klasickém uspořádání s horizontální osou otáčení. Habilitační práce 7

12 obr. 3-1 Základní schéma topologie hybridního fotovoltaického systému. obr. 3-2 Fyzická realizace hybridního ostrovního systému. Základní parametry zmíněných obnovitelných zdrojů elektrické energie jsou uvedeny v tab. 1 a v tab. 2. Hybridní zdroj je využit pro napájení dvou svítidel veřejného osvětlení s LED světelným zdrojem o výkonu 40 W každý. Jako zdroj elektrické energie větrných elektráren je využit 3fázový synchronní generátor buzený permanentními magnety. Výkon ze synchronního generátoru je usměrněn pomocí AC/DC měniče a pomocí DC/DC měniče je taktéž snížena hodnota výstupního napětí na stabilizovanou hodnotu 14 V DC. Fotovoltaická elektrárna sestává z polykrystalického panelu orientovaného na jižní stranu se sklonem panelu 35. Pomocí DC/DC měniče je výkonem z fotovoltaické elektrárny nabíjena akumulátorová baterie 12 V, 340 A h s NiCd články. Stejným způsobem je provedeno vyvedení výkonu i pro druhý fotovoltaický panel. Habilitační práce 8

13 tab. 1 Jmenovité parametry fotovoltaického panelu. Typ Jmenovitý výkon (Wp) Jmenovité napětí (V) Jmenovitý proud (A) Polykrystalický panel ,6 7,4 Monokrystalický panel ,9 6,5 tab. 2 Jmenovité parametry generátorů větrných elektráren. Typ Synchronní generátor s permanentními magnety (vertikální osa) Synchronní generátor s permanentními magnety (horizontální osa) Jmenovitý výkon Jmenovité napětí Jmenovité otáčky (W) (V) (min 1 ) Svítidlo veřejného osvětlení je následně napájeno z akumulátorové baterie přes DC/AC měnič. Kapacita akumulátorové baterie byla dimenzována na 3 denní odběr bez nabíjecího příkonu z jednotlivých elektráren. Nabíjecí regulátor je navržen k ochraně baterie a zajištění dlouhé životnosti bez narušení účinnosti systému. Baterie by neměly být přebíjeny a tak hlavní funkcí nabíjecího regulátoru je zamezit (zajistit) přebíjení baterií. Nabíjecí regulátor je navržen tak, aby splňoval následující funkce: Ochrana baterie před nadměrným vybíjením, standardně označována jako vypnutí při nízkém napětí (low voltage disconnect LVD), která odpojuje baterii od zátěže v případě, kdy baterie dosáhne určité hloubky vybití (depth of discharge DOD). Ochrana baterie před nadměrným přebíjením omezením výše (velikosti) nabíjecího napětí, standardně označována jako vypnutí při vysokém napětí (high voltage disconnect HVD) toto je důležitá funkce především pro hermeticky uzavřené (zapouzdřené) typy baterií. Ochrana proti toku proudu zpět do solárního panelu během noci, nazývána jako zpětný proud. Výkon generovaný ostrovním systémem je obvykle přiveden na baterie, do kterých se ukládá energie při malé rychlosti větru a slunečných dnech. Baterie, které jsou schopny zvládat konstantní (stálé, neustálé) nabíjení a vybíjení jsou známy jako deep cycle baterie. Baterie musí mít dobrou účinnost nabíjení, nízký (malý) nabíjecí proud a malou (nízkou, zanedbatelnou) samovybíjení schopnost (sklon k samovybíjení). Volba (výběr) nejvhodnějšího typu baterie je otázkou parametrů jako např. kapacita baterie, životnost baterie, poměr cena/výkon, rozměry baterie, požadavky na prostor, účinnost, rozsah Habilitační práce 9

14 samovybíjení, vertikální nebo horizontální uložení, umístění baterie v různých typech prostor (mokré, vlhké, suché, prašné, venkovní atd.). Pro akumulaci elektrické energie byly zvoleny baterie fy SAFT typ sunica.plus o kapacitě 340 A h s tím, že výsledná kapacita baterií byla navýšena z důvodu zvýšení doby pohotovosti celého ostrovního systému Vyhodnocení provozu Dle zkušeností z několikaletého provozu lze vyvodit některé závěry, které vedou k poptávce pro vývoji sofistikovaného systému řízení pro ostrovní systémy. Na rozdíl od běžnějšího reálného stavu (více spotřebičů, stochastický charakter spotřeby) se jedná o jednoduchou zátěž (2 ks LED svítidel), jejíž provoz je více, či méně přesně definován a je dán provozem veřejného osvětlení. Provoz veřejného osvětlení se sice částečně liší v průběhu roku, ale i tak jej lze přesně definovat. Jako prvotní pokus o systém primitivního řízení lze považovat to, že spínání zátěže (svítidel) bylo funkčně provázáno s výstupním napětím fotovoltaického panelu. Systém řízení potom funguje tak, že v jednoduchém regulátoru jsou definovány limity výstupního napětí fotovoltaického panelu, které odpovídá intenzitě slunečního záření. Při západu slunce dojde ke snížení intenzity slunečního záření, tím pádem dojde ke snížení výstupního napětí fotovoltaického panelu až po definovanou limitní hodnotu a dojde k sepnutí relé a rozsvícení instalovaných svítidel. Naopak při východu slunce vzroste intenzita slunečního záření a tím i napětí na fotovoltaickém panelu nad definovanou hodnotu, následně dojde k povelu pro vypnutí instalovaných svítidel. Habilitační práce 10

15 3.2 Ostrovní systém pro napájení rodinného domu Na základě zkušeností při budování a provozu ostrovního systému pro napájení veřejného osvětlení byl vybudován druhý ostrovní systém o podstatně vyšším instalovaném výkonu, který slouží jako fyzikální model napájení rodinného domu. Výstavba ostrovního systému, který má simulovat napájení rodinného domu, vycházela z analýzy spotřeby běžného rodinného domu. [37] Na základě této analýzy byl následně dimenzován akumulační systém s ohledem na požadavky výkonu, ale také s respektováním velikosti prvotní investice a doby návratnosti celé energetické jednotky. Zdroje, které celý systém napájejí, byly voleny nejen s ohledem na napájení modelového rodinného domu, ale také tak, aby mohly být využity k výuce a dalšímu výzkumu. Energetická koncepce, využívaná pro řízení toku energie v ostrovním systému napájející spotřebu elektrické a tepelné energie rodinného domu, je tvořena třemi základními subsystémy. První, zdrojová část, je tvořena třemi zdroji elektrické a tepelné energie. Druhá část byla vytvořena pro přenos energií a třetí část charakterizuje akumulaci (BB) a řízení spotřeby energií. Blokové schéma vytvořené energetické koncepce s topologií AC coupling je uvedeno na obr obr. 3-3 Topologické schéma zapojení ostrovního systému pro napájení rodinného domu. Zdrojová část ostrovního systému obsahuje dva základní zástupce obnovitelných zdrojů energie. Konkrétně se jedná o zdroje využívající energii větru (WG) a slunce (PV), což, jak již bylo zmíněno v úvodní části, představuje optimální skladbu obnovitelných zdrojů pro případ potřeby napájení spotřeby energií rodinného domu v průběhu jeho celoročního provozu. Pro konverzi větrné na elektrickou energii je využita větrná elektrárna se synchronním generátorem s permanentními magnety o instalovaném výkonu 12 kv A. Jako další zdroj elektrické energie, tentokrát využívající energii slunečního záření, je použita fotovoltaická elektrárnu s monokrystalickými panely o špičkovém instalovaném výkonu 2 kwp a fotovoltaická elektrárna s polykrystalickými panely o Habilitační práce 11

16 špičkovém výkonu 2 kwp. Pro zvýšení účinnosti jedné z fotovoltaických elektráren byl vybudován natáčecí systém, který umožňuje natáčení plochy s fotovoltaickými panely ve dvou osách (viz. obr. 3 4). obr. 3-4 Větrná a natáčecí fotovoltaická elektrárna Řídící jednotka natáčecího systému ve spojení se speciální senzorovou hlavou zajišťuje jak precizní nastavení polohy, tak i maximální využití slunečního záření (i při oblačném počasí). Polohovací jednotka může být řízena pomocí senzorů či manuálně. Polohovací jednotka má svůj vlastní senzor (anemometr) rychlosti větru z důvodu dostatečné bezpečnosti i při velmi silném větru. Dojde li k překročení rychlosti větru nad 20 m s 1 dá řídící elektronika pokyn motorům ke sklopení funkční plochy do vodorovné polohy. Do řídící jednotky přicházejí signály ze světelných senzorů a jednotky pro měření síly větru. Po vyhodnocení těchto vstupních parametrů jsou vyslány signály do aktorů, které ovládají natáčecí mechanismy. Systém využívá astronomického řízení polohování trackeru kolmo na pozici slunce a je uzpůsoben k připojení různých čidel: rychlosti větru, směru větru, teploty modulů, osvitu, elektroměru, proudů smyček panelů, synchronizace času. V ostrovním systému tak byly pro výrobu elektrické energie zkompletovány tři zdroje, jejichž výkon je vyveden prostřednictvím výkonové technologie do společné sběrnice 1fázové sítě 230V, 50Hz, přičemž přebytek elektrické energie je akumulován s využitím gelových akumulátorových baterií o celkové kapacitě 840 A h. Pokud není elektrická energie z jednotlivých zdrojů elektrické energie hybridního systému dostatečná pro přímé napájení spotřeby, je spotřeba elektrické energie dotována právě z uvedeného akumulačního zařízení. V případě plného nabití akumulačního zařízení a současně v případě nezatížené ostrovní sítě Habilitační práce 12

17 okamžitou spotřebou, může být výkon z jednotlivých zdrojů rekuperován do nadřazené energetické soustavy. Pro řízení technologické vrstvy ostrovního systému je použit ostrovní střídač SUNNY ISLAND Ostrovní střídač SUNNY ISLAND vytváří standardní rozvodnou síť střídavého napětí, do níž lze bez problémů integrovat všechny elektrické spotřebiče a generátory. Jako zařízení, které tvoří síť odpovídá za udržení stabilní ostrovní sítě, přičemž udržuje napětí a frekvenci AC sítě neustále v přípustných mezích. K této ostrovní síti se přímo připojují jak spotřebiče, tak i generátory. Díky optimalizovanému systému řízení baterií vždy zná přesný stav nabití a na základě své řídicí funkce v systému činí i další rozhodnutí. V případě vybití baterií nebo vysoké spotřeby proudu může střídač SUNNY ISLAND případně odpojit zátěže spotřeby. Při plně nabitých bateriích a nízké spotřebě proudu omezuje výrobu energie v systému. Rovněž určuje optimální strategii nabíjení baterií, čímž prodlužuje jejich životnost. Během provozu neustále monitoruje DC vstupní napětí. Klesne li vstupní napětí pod nastavenou mez nebo stanovené limity horní a dolní meze, systém se automaticky vypne. Akumulační systém je tvořen bateriovými články Varta 6OPzS, které jsou uzavřené, větrané baterie s tekutým elektrolytem. Jako zdroj tepelné energie byl pro energetickou koncepci napájení rodinného domu instalován solární kolektor COSMOSOL s celkovou plochou pro osvit 2,53 m 2, přičemž solárním kolektorem je pomocí systému řízení COSMO ohřívána voda v tepelném zásobníku TUV zásobující spotřebičovou část testovací platformy simulující spotřebu tepelné energie běžné domácnosti rodinného domu. Pro analýzu toku tepelné energie bylo vyvinuto SW prostředí, které umožňuje trvalý monitoring efektivity systému. Charakter výroby elektrické energie větrné a fotovoltaické elektrárny vyžaduje pro zajištění ostrovního provozu doplnění celého systému o akumulaci elektrické, ale také tepelné energie. Pro typický rodinný dům při respektování ceny jednotlivých možností se v současné době jeví jako nejvhodnější varianta využití akumulátorových baterií pro akumulaci elektrické energie a akumulace tepla ve vodě pro tepelnou energii. Vzhledem k charakteru některých spotřebičů je možné tento základní koncept akumulace v některých případech doplnit například o superkapacitor, který umožňuje krátkodobé pokrytí spotřeby elektrické energie pro spotřebiče se strmým nárůstem proudového zatížení Vyhodnocení provozu Na základě vyhodnocení dlouhodobého provozu lze konstatovat, že technologická vrstva zajišťuje pouze základní provoz ostrovního systému z hlediska zajištění napájecího napětí pro připojené spotřebiče a stabilní frekvenci sítě. Nicméně v provozu ostrovního systému dochází ke stavům, na které není schopna základní technologická vrstva reagovat. Jedná se například o možnost přetížení ostrovního měniče z důvodu připojení zátěže o větším výkonu, než je jmenovitý výkon ostrovního střídače. Podobně důležitým faktorem je ekonomická stránka provozu [26], kdy jsou jednotlivé spotřebiče provozovány bez ohledu na dostupnou elektrickou energii z obnovitelných zdrojů a disponibilní energii v akumulačním systému. Výsledkem toho je, že dochází k častější nutnosti dotace Habilitační práce 13

18 elektrické energie z nadřazené soustavy nebo případně ze záložního zdroje prezentovaného v tomto případě generátorem. Z výše uvedeného vyplývá, že je nutné doplnit ostrovní systém o sofistikovaný systém řízení. Pro tuto testovací platformu byla provedena i analýza kvality elektrické energie. [16], [19], [23] Habilitační práce 14

19 3.3 Ostrovní systém pro napájení automatizovaného parkovacího centra Třetím realizovaným ostrovním systémem je ostrovní systém pro napájení automatizovaného dopravního centra (ADC) (obr. 3 5), což je budova, která umožňuje automatizované parkování 36 automobilů. [25] obr. 3-5 Pohled na budovu ADC. Oproti standardnímu provedení byla tato budova doplněna technologickou vrstvou pro napájení. Tentokrát je využita DC coupling topologie, kdy na střeše budovy je instalována fotovoltaická elektrárna o výkonu 10 kwp. Výkon elektrárny je sveden přes MPPT regulátor XANTREX na společnou DC přípojnici o jmenovitém napětí 48 V. Na stejnou přípojnici je připojena velkokapacitní bateriová banka o kapacitě 4 x 340 A h s technologií LiFePO 4. Bateriová banka je vybavena baterry management systemem (BMS), který slouží k ochraně jednotlivých bateriových článků. Na stejnou DC připojnici jsou následně připojeny 3 ostrovní střídače XANTREX XW+, které společně tvoří 3f síť pro napájení technologie parkovacího centra. Nad rámec standardního vybavení byly testovací palety pro parkování vozidel v přízemí parkovacího domu vybaveny tak, aby bylo možné automatizované parkování elektromobilů. Systém funguje tak, že řidič vjede elektromobilem do prostoru pro předání vozidla, připojí kabelem elektromobil do zásuvky, která je implementována do parkovací palety a pomocí RFID karty dá povel k zaparkování vozidla. Následně dojde k zaparkování vozidla na místo. Po umístění palety na místo dojde ke spuštění kontaktního systému a paleta je pomocí konektorovacího systému propojena s nabíjecí stanicí EVLink Wallbox typ EVH2S11P02K a je zahájeno nabíjení. V případě povelu k vyparkování vozidla pomocí RFID karty je nejprve ukončeno nabíjení elektromobilu a následně je paleta s vozidlem přesunuta do prostoru pro předání vozidla. Řidič následně odpojí kabel mezi paletou a elektromobilem a opustí parkovací prostor. Habilitační práce 15

20 obr. 3-6 Zjednodušené schéma topologie napájení budovy ADC. obr. 3-7 Technologie ostrovního systému pro napájení ADC. Habilitační práce 16

21 Na obr. 3 7 je zobrazena kompletní technologie pro napájení budovy ADC, úplně vlevo jsou MPPT regulátory, vedle nich 3 ostrovní střídače, následuje DC rozvaděč s DC přípojnicí, úplně napravo je AC rozváděč, který slouží jako záloha pro případ nedostatku disponibilní energie z ostrovního systému. Na obr. 3 8 je zobrazen posuvný konektorovací systém, který připojí paletu s vozidlem k nabíjecí stanici. Aktuálně je zobrazen stav, kdy je paleta rozpojena. obr. 3-8 Konektorovací systém pro automatické připojení palety k nabíjecí stanici Vyhodnocení provozu Ostrovní systém pro napájení automatizovaného parkovacího centra je v provozu od jarních měsíců roku Instalovaný fovotoltaický systém byl schopen napájen technologii parkování do cca poloviny listopadu v plném ostrovním režimu. V listopadu došlo k prvnímu nedostatku disponibilní elektrické energie a baterie ostrovního systému musely být dobíjeny z distribuční sítě. Tento režim se opakoval až do cca konce února, kdy už opět fotovoltaický systém byl schopen vyrobit dostatečné množství elektrické energie pro plné pokrytí spotřeby technologie parkovacího centra. Z hlediska řízení zátěže nelze do technologie parkování nijak zasahovat a ostrovní napájecí systém musí vždy zajistit dostatek elektrické energie, k řízení je možné proto využit pouze možnost nabíjení elektromobilu. Systém řízení pro budovu ADC tak funguje pouze se základní technologickou vrstvou bez nutnosti využití ADSM. V budoucnu, pokud by bylo nabíjecími paletami osazeno více parkovacích pozic, je zde potenciál pro vývoj systému, který by řídil pořadí a výkon nabíjení pro jednotlivé parkovací pozice. Přestože je v současné době pouze omezená možnost řízení zátěže, je tento ostrovní systém důležitou součástí testovací platformy z důvodu zapojení ostrovního systému do konceptu sdílení akumulační kapacity pomocí elektromobilu. Habilitační práce 17

22 4 Metody a nástroje pro ostrovní energetické jednotky Na základě zkušeností s provozem ostrovních systémů prezentovaných v kapitole 3 došlo ke zjištění, že současné existující metody pro řízení ostrovních systémů nejsou dostatečné a neposkytují podporu ve všech provozních stavech, do kterých se mohou ostrovní jednotky dostat. Jedná se zejména o řízení a plánování spotřeby elektrické energie s ohledem na aktuální provozní stavy zařízení ostrovního systému. Dalším problémem je otázka kvality elektrické energie v ostrovním systému z důvodu nízkého zkratového výkonu a dynamický se měnící topologie ostrovního systému. Ostrovní systémy provozované bez systému řízení nejsou optimální jak z pohledu investičních, tak z pohledu provozních nákladů, viz kapitola 3.2. Využití systému řízení je zásadním parametrem pro dosažení ekonomické efektivity při realizaci ostrovního systému. 4.1 Systém řízení Technologická vrstva Základní infrastruktura sestávající se z modulů pro (i) výrobu, (ii) konverzi, (iii) přenos a (iv) akumulaci elektrické energie (obr. 4 1). Část (i), tj. zdrojová část se sestává dominantně z obnovitelných zdrojů elektrické energie se záložním zdrojem elektrické energie ve formě elektrocentrály, jehož využití se díky implementovanému sofistikovanému systému řízení power control system (PCS) předpokládá minimální. Ad (ii) část pro konverzi energie bude tvořena konvertory DC/DC, resp. DC/AC podle uživatelem zvolené topologie (AC coupling, DC coupling, další ), pro vyvedení výkonu do společné sběrnice 1 či 3fázové energetické soustavy opět dle požadavků uživatele (pro rodinné domy se v budoucnu předpokládá využití kombinace AC a DC rozvodů elektrické energie). Pro akumulaci elektrické energie je předpokládáno využití akumulátorových baterií uložených v AccuPacks (ACCU) opět s ohledem na modularitu a škálovatelnost ADSM. obr. 4-1 Struktura Technologické vrstvy ADSM. [13] Vrstva měřicího a komunikačního rozhraní Spolehlivá, robustní a flexibilní komunikační infrastruktura je jedním ze základních pilířů navrhované architektury ADSM (obr. 4 2). Hlavním cílem komunikační vrstvy ADSM je zajištění komunikace mezi hardwarovou platformou ADSM, jednotlivými softwarovými moduly pro Habilitační práce 18

23 měření, ovládání a nadřazeným řídicím systémem PCS power control system s využitím uživatelského rozhraní ADSM při současném zajištění flexibility provozu, kdy bude komunikační schéma pokrývat jednotlivé elementy sítě obsahující jak prvky vyžadující vysokou propustnost a spolehlivost při přepínání energetického systému ADSM uvnitř jednotlivých energetických prvků ADSM tak i jednotlivých prvků ADSM vzájemně mezi sebou. Komunikační vrstva tak vzájemně propojuje funkčně zcela odlišná zařízení senzory, čidla, komunikace na tzv. prvním metru, přes kontroléry, aktory až po zařízení pro zprostředkování přístupu uživatele ke kontrolnímu rozhraní. Aktory jsou chápána zařízení zajišťující připojení jednotlivých spotřebičů dle požadavků uživatele prostřednictvím uživatelského rozhraní PCS. Pro vybrané spotřebiče je možné i využití některé z variant inteligentní sběrnicové elektroinstalace (INELS, KNX, ). obr. 4-2 Struktura měřicího a komunikačního rozhraní. [13] Vrstva sofistikovaného systému řízení toku energií Power Control System (PCS) Power Control System Je nejvyšší vrstva zajišťující optimalizaci toku energií v ADSM s využitím informací (obr. 4 3) o stavu jednotlivých komponent v technologické vrstvě a dále: a) aktuálním toku výkonu mezi jednotlivými komponentami v technologické vrstvě, b) informací o sestavení spínacího plánu a c) predikovaných hodnot předpokládané výroby, spotřeby a parametrů kvality elektrické energie, d) predikovaných hodnot meterologických veličin. Cílem vrstvy PCS je: a) zajistit bezpečný a spolehlivý chod ADSM pro všechny provozní, abnormální provozní a poruchové stavy, Habilitační práce 19

24 b) zajistit vyrovnanou energetickou bilanci, tj. zajistit požadavky všech spotřebičů dle priorit uživatele v rámci ostrovního provozu, tedy nezávisle na napájení z vnější energetické soustavy, c) zajistit maximální podíl obnovitelných zdrojů elektrické energie na dodávce energie, d) zajistit všechny parametry kvality elektrické energie v požadovaných mezích, e) zajistit bezpečnost použitých dat, přičemž všechny požadavky musí být zajištěny s využitím dostupných low cost technologií s ohledem na předpokládaný krátký horizont návratnosti počátečních investic. f) Zajistit přístup uživatele pro parametrizaci priorit a nastavení spínacího plánu spotřebičů prostřednictvím uživatelského rozhraní (Graphical User Interface GUI dle obr. 4 3). Všechny potřebné vstupní údaje jsou integrovány do tzv. vstupního vektoru (input vector), kde jsou výstupní hodnoty z prediktorů (forecasting tools), predikce nebude probíhat odděleně pro jednotlivé požadované veličiny, ale současně za využití např. Multi Objectives Methods (MOM), tak, aby byla splněna podmínka modularity a škálovatelnosti ADSM. Parametry vstupního vektoru jsou s využitím výpočetního jádra CPU systému ADSM analyzovány a následně optimalizovány s využitím některé z metod, které slouží k redukci dimenzí a hledání vazeb mezi jednotlivými veličinami, např. Kohenen s maps, tj. jsou určeny relevance jednotlivých veličin pro re konfiguraci ADSM tzv. data pre processing. Tímto jsou data redukována a takto normalizovaná databáze je uložena na cloudovém úložišti pro další zpracování. obr. 4-3 Struktura sofistikovaného systému řízení POWER CONTROL SYSTEM (PCS). [13] Habilitační práce 20

25 4.2 Implementace ADSM V předchozí kapitole byl uveden základní popis funkcionality a požadavků na ADSM. V následujících odstavcích a kapitolách bude popsána reálná implementace vyvinutého ADSM pro řízení spotřeby elektrické energie v energetické jednotce pro výkonovou hladinu odpovídající rodinnému domu, přičemž verifikace byla provedena na experimentální platformě inteligentního domu vyvinutém v areálu Vysoké školy báňské Technické univerzity Ostrava popsané detailně v kapitole 3.2. Blokové schéma vytvořené energetické koncepce je uvedeno na obr obr. 4-4 Schématické znázornění testovací energetické platformy odpovídající spotřebě rodinného domu. Podrobný popis vybraných komponent testovací platformy je uveden v kapitole 3.2. Zde je proto uvedeno pouze stručné shrnutí základních parametrů testovací platformy s přímou vazbou na vyvinutý ADSM. Zdrojová část se sestává z větrné elektrárny se synchronním generátorem o instalovaném výkonu 12 kv A (VTE), fotovoltaické elektrárny s monokrystalickými panely o špičkovém instalovaném výkonu 2 kwp (FVE1) a o fotovoltaické elektrárny s polykrystalickými panely o špičkovém výkonu 2 kwp (FVE2). Fotografické znázornění zdrojové části uvádí obr Habilitační práce 21

26 obr. 4-5 Zdrojová část testovací platformy rodinného domu. Pro testování systému ADSM tak byly pro výrobu elektrické energie sestaveny tři zdroje, jejichž výkon je vyveden prostřednictvím měničů do společné sběrnice 1fázové sítě 230 V, 50 Hz, přičemž přebytek elektrické energie je akumulován s využitím akumulátorových baterií o celkové kapacitě 840 A h. Pokud není elektrická energie z jednotlivých zdrojů elektrické energie hybridního systému dostatečná pro přímé napájení spotřeby, je spotřeba elektrické energie dotována právě z uvedeného akumulačního zařízení. Výkonovou část testovací platformy energetické jednotky odpovídající spotřebě rodinného domu představuje obr Provoz rodinného domu je z části respektován běžnými spotřebiči rodinné domácnosti (klimatizační jednotka, lednička, mrazicí box, varná konvice, TV+PC), ostatní spotřebiče jsou simulovány pomocí zatěžovacího boxu, který je schopen simulovat sepnutí jakéhokoliv spotřebiče s využitím variabilní konfigurace zapojení RLC členů uvnitř boxu, viz. obr Habilitační práce 22

27 obr. 4-6 Výkonová část řídící laboratoře s implementací ADSM. Pro základní řízení ostrovního systému je použit ostrovní střídač/nabíječ XW+ XANTREX s výkonem 6,8 kw. Ostrovní střídač vytváří standardní rozvodnou síť střídavého napětí, do níž lze bez problémů integrovat všechny elektrické spotřebiče a generátory. Jako základní prvek pro stabilitu sítě zodpovídá za udržení stabilní ostrovní sítě, přičemž udržuje napětí, frekvenci a ostatní parametry AC sítě neustále v přípustných mezích. K této ostrovní síti se přímo připojují jak spotřebiče, tak i generátory. Díky integrovanému optimalizovanému systému řízení baterií vždy zná přesný stav nabití a na základě své řídicí funkce v systému činí i další rozhodnutí. V případě vybití baterií nebo vysoké spotřeby proudu může střídač případně odpojit zátěže spotřeby. Při plně nabitých bateriích a nízké spotřebě proudu omezuje výrobu energie v systému. Rovněž řídí nabíjecí cyklus baterií, nabíjení baterií však reguluje i MPPT regulátor. Během provozu neustále monitoruje napětí na DC přípojnici. Klesne li vstupní napětí pod nastavenou mez nebo stanovené limity horní a dolní meze, systém se automaticky vypne. Pro monitorování toku energií mezi jednotlivými komponenty byl vyvinut monitorovací a ovládací systém, který mezi jednotlivými zdroji (výrobnami elektrické energie) a komponenty výkonové elektroniky, kontinuálně měří hodnoty napětí a proudů a z těchto hodnot následně vyhodnocuje další požadované veličiny (činný, jalový, zdánlivý výkon, činitele výkonu, frekvenci, kvalitativní parametry energie apod.). Mechanické veličiny větrné elektrárny, jako je moment na hřídeli M mezi větrným motorem a generátorem se měří pomocí přímé metody a to za využití foliových tenzometrů umístěnými na hřídeli větrného motoru. Otáčky větrného motoru jsou měřeny pomocí optického čidla s odrazovým proužkem. Rychlost větru je měřena pomocí dvou klasických anemometrů umístěných nad a pod nábojem větrného motoru. Dále je instalována meteorologická stanice umístěná na tubusu větrné elektrárny, která umožňuje zaznamenávat teplotu okolí, relativní vlhkost, atmosférický tlak a směr větru. Měřené mechanické a elektrické veličiny se zaznamenávají v sekundových intervalech. Habilitační práce 23

28 obr. 4-7 Zatěžovací box. 4.3 Představení principu aktivního systému řízení V kapitole 3.2 a 4.2 byla představena technologická vrstva ostrovního systému pro napájení rodinného domu, jako testovací platforma pro systém řízení ADSM, v kapitole 2 a 4.1 potom byly představeny tři základní části (vrstvy) této testovací platformy. V předchozí kapitole byl také představen základní systém řízení toku výkonu pomocí centrálního střídače, který však zajištuje pouze základní funkce systému s prioritou ochrany akumulačního zařízení před poškozením Habilitační práce 24

29 v případě překročení limitu hloubky vybití (DOD) a neprovádí optimalizaci připojení jednotlivých spotřebičů dle disponibility elektrické či tepelné energie, parametrů kvality elektrické energie. Tuto funkci zajišťuje již zmíněný sofistikovaný aktivní systém řízení spotřeby (ADSM), který realizuje připojení jednotlivých spotřebičů dle: a) predikované hodnoty výroby elektrické či tepelné energie, [20], [21], [22], [29], [35], [36], [38] b) predikované spotřeby elektrické či tepelné energie,[15], [18], [31] c) stavu kapacity akumulačního zařízení,[17] d) priorit spínání jednotlivých spotřebičů, [31], [33] e) požadavků na kvalitu elektrické energie, f) požadavků na koncepci chránění. Základní koncepce ADSM je zobrazena na obr obr. 4-8 Blokové schéma energetické koncepce řízení toku výkonu pomocí ADSM. Veškeré procesy nastavení sepnutí jednotlivých spotřebičů probíhají podle následujících scénářů: a) predikovaná výroba elektrické či tepelné energie je větší než předpokládaná spotřeba. V tomto případě ADSM respektuje nastavení spínacího plánu spotřebičů bez nutnosti zásahu. b) Predikovaná výroba elektrické či tepelné energie je rovna či je menší než předpokládaná spotřeba. V tomto případě ADSM autonomně přenastaví spínací plán jednotlivých spotřebičů, přičemž postupuje podle nastavených priorit uživatele, tj. upřednostní změnu spínacího plánu pro spotřebiče s nejnižší prioritou. Jako příklad priorit uvádíme následující spotřebiče od nejvyšší priority po nejnižší: Habilitační práce 25

30 Nejvyšší priorita 0 veškeré systému pro uchování potravin, klimatizační systémy a systémy osvětlení, Střední priorita 1 systémy pro zpracování potravin (trouba, mikrovlnná trouba) Nejnižší priorita 2 systémy s možností časového odložení (pračka, myčka, sušička, žehlička apod.), Systémy komfortu 3 TV, počítač, rádio, apod.) obr. 4-9 Spínací prvky aktory ADSM + řídící jednotka CPS nejvyšší vrstvy ADSM. Veškeré operace ADSM zejména predikce stavu výroby versus spotřeba elektrické či tepelné energie jsou prováděny na základě výsledků získaných pomocí metod umělé inteligence, přičemž samotné sepnutí jednotlivých spotřebičů je realizováno s využitím aktorů viz. obr. 4 9, které reagují na povely CPS. Jako platforma pro CPS je využito Raspberry PI, viz. obr Grafické zobrazení systému nastavení spínacího plánu je uvedeno na obr. 4 10, přičemž se jedná o grafickou prezentaci GUI. Habilitační práce 26

31 obr Grafické rozhraní pro nastavení spínacího plánu spotřebičů. Samotný uživatel rodinného domu může být vždy obeznámen se základním stavem energetické bilance ostrovního systému rodinného domu formou webového rozhraní potenciálně na všech dostupných platformách Win., ios, Android apod. Příklad webové prezentace na platformě Windows je uveden na obr obr Webová prezentace stavu energetické bilance energetické jednotky s využitím ADSM. Habilitační práce 27

32 4.4 Řízení kvality elektrické energie Pro správný a bezporuchový provoz spotřebičů elektrické energie musí hodnoty parametrů kvality elektrické energie plnit limity dané normou. Pro běžné distribuční sítě se jedná o normu ČSN EN Tato norma však platí pouze pro distribuční sítě. Pro ostrovní systémy doposud takový standard nebyl definován, přitom zajištění dostatečné kvality elektrické energie v ostrovním systému je mnohem obtížnější, než v klasické distribuční sítí, zejména z důvodu nízkého zkratového výkonu a dynamicky se měnící topologii ostrovního systému dle aktuálně provozovaných zdrojů. Se změnou topologie systému se následně mění i hodnota zkratového proudu. V ostrovních systémech jsou hodnoty zkratových proudu mnohonásobně nižší, než je tomu v klasických distribučních sítích. Zkratové proudy jsou jen o málo vyšší, než jsou provozní proudy. Udržování parametrů kvality elektrické energie v daných limitech je proto jednou z důležitých funkcí ADSM. [14], [30], [32], [34] Pro testování jednotlivých funkcionalit modulu pro řízení kvality ADSM byly zvoleny typické domácí spotřebiče, jejich soupis, včetně příkonu je uveden v tab. 3. tab. 3 Domácí spotřebiče vybrané pro testování řízení kvality pomocí ADSM. Domácí spotřebič Příkon (W) Domácí spotřebič Příkon (W) LDC display Mikrovlná trouba 1160 Notebook 50 Konvice 960 Stereopřehrávač 10 Lednice 150 Barevná tiskárna 1050 LCD TV Klimatizace/vytápění 1400/200 Ohřev teplé vody 550 Příslušenství solárního ohřevu 80 Programovatelná zátěž Samotný princip řízení kvality elektrické energie probíhá v několika fázích dle algoritmu na obr. 4 12, jednotlivé iterace jsou zobrazeny na obr V první fázi je nejdůležitější sestavení plánu spínání jednotlivých spotřebičů elektrické energie pro nejbližších 24 hodin. Tento plán může být sestaven automaticky, nebo jej může sestavit přímo uživatel (Bod 2 na obr. 4 12). Seznam spotřebičů, které byly do testování funkčnosti systému řízení kvality elektrické energie v rámci ADMS je uveden v tab. 3. Na základě tohoto plánu je vypočtena plánovaná spotřeba elektrické energie pro sledované období (Bod 3 na obr. 4 12). V dalším kroku je provedena predikce parametrů kvality a stavu disponibilní energie v akumulačním zařízení, pokud jsou hodnoty predikovaných parametrů kvality elektrické energie v daných limitech, ADSM do řízení nezasahuje. V opačném případě, pokud je predikováno překročení některého ze sledovaných parametrů kvality elektrické energie nebo dojde k překročení limitu disponibilní elektrické energie (v tomto případě 7%), dojde k zásahu ADSM v tom smyslu, že vstoupí do plánu spínání spotřebičů a dle definovaných priorit (viz kap. 3.4) a pokusí se tento plán změnit tak, že dojde k přesunu sepnutí vybraného spotřebiče s nejnižší prioritou na pozdější dobu. V tomto konkrétním Habilitační práce 28

33 případě se jedná o posunutí provozu myčky o 10 minut dopředu (10 minut je nastavený interval, se kterým ADSM pracuje). Následně je předchozí krok opakován do doby, než jsou splněny veškeré podmínky pro dodržení kvality elektrické energie, ale také je zajištěný dostatek disponibilní energie. Výsledkem působení řízení kvality ADMS je stav, kdy parametry kvality jsou pod definované limity a ostrovní systém má dostatek disponibilní energie. Detailní grafické schéma ve formě vývojového diagramu je zobrazeno na obr a prezentuje celkový princip řízení parametrů kvality elektrické energie v ostrovním systému pomocí ADSM. Habilitační práce 29

34 obr Vývojový diagram optimalizačního procesu pro řízení kvality elektrické energie pomocí ADSM. Habilitační práce 30

35 obr Hodnoty sledovaných parametrů v průběhu optimalizačního procesu. 4.5 Koncept sdílení akumulační kapacity pomocí elektromobilu V kapitole 4.2 je prezentována implementace ADSM pro testovací platformu rodinného domu. Po cca dvouletém testování bylo pro různé konfigurace dosaženo snížení chybějící elektrické energie v řádech desítek procent. Nicméně pro testovanou platformu a pro podmínky instalace na území ČR stále není možné pouze s instalovanou fotovoltaickou elektrárnou dosáhnout plného ostrovního provozu, stejná situace je i pro kombinaci zdrojů fotovoltaická a větrná elektrárna. Je proto vždy nutné pro udržení ostrovního provozu využít další zdroj, v tomto případě generátor. Toto řešení má však negativní vliv na ekonomiku celého provozu. Naprosto inovativní se jeví řešení nedostatku vyrobené elektrické energie lokálně instalovanými obnovitelnými zdroji a to využití energie akumulované v elektrickém dopravním prostředku elektromobilu [27]. Vzhledem k tomu, že obvyklá průměrná vzdálenost pro dopravu do zaměstnání se pohybuje do 50 km, je s ohledem na dnešní dojezdové vzdálenosti elektromobilů akumulováno v elektromobilech nadbytečné množství elektrické energie, které lze využít i při zachování dostatečné rezervy pro bezpečný dojezd, pro napájení rodinného domů provozovaného v ostrovním režimu. Předpokladem je, že testovací platforma je vybavena zařízením Vehicle to Home, které umožňuje změnit směr toku výkonu tak, aby elektrická energie netekla do baterií v elektromobilu, ale opačným směrem do baterií v ostrovním systému. Tento koncept byl testován s využitím elektromobilu NISSAN LEAF s kapacitou baterií 30 kw h. Princip spočívá v tom, že v ranních hodinách je elektromobil zaparkován a připojen k nabíjecí stanici v automatickém parkovacím centru (ADC), viz kapitola 3.3. V průběhu pracovní doby je elektromobil prostřednictvím nabíjecí stanice dobit do plné kapacity. Po skončení pracovní doby Habilitační práce 31

36 dojde k návratu domu (testovací platforma ostrovního provozu rodinného domu, viz kapitola 3.2) a elektromobil je připojen k jednotce Vehicle to home, obr obr Systém Vehicle to Home. Ostrovní systém funguje standardním způsobem do doby, než dojde k vyčerpání dostupné energie i přes aktivitu ADSM. Díky nedostatku disponibilní elektrické energii dojde k poklesu napětí na DC přípojnici pod stanovenou mez, systém Vehicle to Home situaci vyhodnotí a dojde k zahájení nabíjení baterií ostrovního systému z akumulátoru v elektromobilu do doby, než je ostrovnímu systému poskytnuto povolené množství elektrické energie z elektromobilu. Následně je elektromobil od systému odpojen, tímto opatřením dojde k výraznému prodloužení stavu, kdy je celý systém udržen bez nutnosti připojení k distribuční sítí nebo ke spuštění generátoru. Habilitační práce 32

37 5 Závěr a zhodnocení Funkcionalita systému ADSM byl ověřena v rámci 2letého provozu aktivní energetické jednotky reprezentující energetickou platformu rodinného domu, tedy byla ověřena pro všechny provozní stavy a meteorologické podmínky a byla srovnána pro předchozí 2leté období, kdy byla zmíněná energetická jednotka provozována pouze se základním systémem řízení logiky ostrovního střídače. Na základě výsledků tohoto srovnání je možné jednoznačně konstatovat prospěšnost ADSM, s jehož pomocí je možné zvýšit energetickou soběstačnost rodinného domu až o desítky procent oproti provozu rodinného domu bez ADSM. Jako příklad je možné uvést energetickou bilanci rodinného domu pro rok 2015 bez ADSM a rok 2016 s ADSM, přičemž pro analýzu byly vybrány pouze datové soubory s odpovídajícími meteorologickými podmínkami, tak, aby bylo srovnání korektní. Příklad takového srovnání uvádí tab. 4. V tabulce je uvedeno srovnání jednotlivých provozních režimů výkonové části, tj. provoz ostrovního systému napájeného pouze z fotovoltaické elektrárny (FVE) a dále kombinace obou obnovitelných zdrojů, tj. FVE + větrná elektrárna (VTE), grafické srovnání uvádí obr Srovnání bylo provedeno pro lokalitu campusu VŠB TU Ostrava, tj. oblast s nízkým průměrným měsíčním úhrnem slunečního záření 81 kwh m 2 a celkovým ročním úhrnem slunečního záření 972 kwh m 2, z toho důvodu bylo nutné deficit elektrické energie dotovat se záložního zdroje, kterým byl elektrický generátor. tab. 4 Srovnání provozu platformy rodinného domu s ADSM a bez ADSM. Měsíc FVE Chybějící energie (kw h) S ADSM bez ADSM rozdíl (%) FVE+VTE Chybějící energie (kw h) s ADSM bez ADSM rozdíl (%) Leden Únor Březen Duben Květen Červen Červenec Srpen Září Říjen Listopad Prosinec Celkem 2,750 4, ,209 2, Habilitační práce 33

38 obr. 5-1Grafické znázornění srovnání energetické bilance s a bez ADSM. Kromě systému řízení spotřeby ADSM byl vyvinut a testován i modul pro řízení kvality elektrické energie v rámci ostrovního systému. Tento modul ADSM je schopen inteligentně zasahovat do řízení spotřeby elektrické energie v rámci ostrovního systému a dynamicky rekonfigurovat schéma spínání spotřeby neboli spínací plán s ohledem na definovanou kategorii priority jednotlivých spotřebičů, přestože v ostrovních systémech existuje řada negativních omezení: Zkratový výkon ostrovního systému je pouze o něco vyšší, než je výkon ostrovního měniče. Hodnota zkratového výkonu je velmi variabilní a závisí na provozních vlastnostech jednotlivých zdrojů a jejich aktuální konfiguraci. Hodnota zkratového výkonu se může měnit i v průběhu několika výpočetních kroků, tj. v řádu minut. Parametry kvality elektrické energie přímo souvisí a jsou ovlivněny typem a charakterem různých aktuálně připojených spotřebičů, které dle svého vnitřního zapojení různým způsobem reagují na konverzní prvky zapojení v ostrovním systému (MPPT regulátor, ostrovní měnič, ). V provedených simulacích a testech bylo dosaženo hodnoty úspěšné predikce hrozícího překročení definovaných limitů parametrů kvality elektrické energie od 61% pro dlouhodobou míru vjemu flikru P lt, po hodnotu 71% úspěšných predikcí pro THDi. Přestože se jedná oproti predikcím pro klasické distribuční soustavy o výrazně nižší hodnoty, lze konstatovat, že pro ostrovní systémy se jedná o dobrý příslib do dalšího výzkumu v dané oblasti. Z grafu na obr. 5 1 vyplývá, že i přes dobré výsledky dosažené implementací ADSM stále není zajištěn plný ostrovní provozu po dobu celého roku. Testován byl proto systém Vehicle to Home, který umožní sdílení akumulační kapacity elektromobilu pro napájení testovací Habilitační práce 34

39 platformy rodinného domu. Výsledkem pilotního testování byla ověřena možnost dalšího snížení chybějící elektrické energie o cca 15% oproti stavu bez systému Vehicle to Home. 5.1 Navazující výzkum V souvislosti s výsledky výzkumu prezentovanými v předchozích kapitolách je nutné pokračovat ve výzkumu systémů řízení pro ostrovní systémy s ohledem na interakci elektromobilů jako prostředků pro záložní napájení ostrovních systémů z baterií instalovaných v elektromobilech, jak bylo popsáno v kapitole 4.5. V nejbližší době je nutné celý systém otestovat v pravidelném cyklu, aby mohl tento koncept podrobně definován a případně optimalizován. Další oblast výzkumu je nutné zaměřit na zvýšení přesnosti predikce kvalitativních parametrů v rámci modulu ADSM pro řízení kvality elektrické energie pro ostrovní systémy, kdy dosavadní úspěšnost predikce se pohybuje v rozmezí 60 až 70%. Snahou bude zvýšit úspěšnost predikcí nad hranici 80%. Zcela novou oblast výzkumu je možné spatřit ve výzkumu možností vzájemného slučování elementárních ostrovních systému do větších celků, s cílem vytvořit komplexní globální síť. Proces slučování ostrovních systémů bude vyžadovat řadu optimalizačních úloh pro zajištění jejího bezpečného a spolehlivého provozu. Jedná se zejména o řešení problematiky vzájemné interakce mezi jednotlivými ostrovními systémy, jejími shluky až po celkovou komplexní globální síť. Habilitační práce 35

40 5.2 Reference definující přínos autora pro dané téma nad rámec citovaných publikací: Monografie zahraniční 1. Misak, Stanislav, Prokop, Lukas, Operation Characteristics of Renewable Energy Sources, Springer International Publishing, Hardcover ISBN , DOI / Monografie domácí 1. Mišák, S., Prokop, L.: Provozní vlastnosti obnovitelných zdrojů, ISBN , vydalo ATD ČR, Ostrava, 2014 Granty hlavní řešitel, spoluřešitel 1. SP2015/178 Vývoj koncepce řízení aktivní inteligentní sítě 2. SP2016/128 Výzkum v oblasti autonomních energetických jednotek Granty člen řešitelského týmu 1. 1ET Inteligentní metody pro zvýšení spolehlivosti elektrických sítí, Akademie věd ČR, Informační společnost (Národní program výzkumu TP2) 2. MSM Výzkum spolehlivosti energetických soustav v souvislosti s ekologií netradičních zdrojů a oceněním nedodané energie 3. GA102/09/1842 Spolehlivá elektroenergetická soustava s připojenými netradičními zdroji 4. SP2010/37 Využití hybridních obnovitelných zdrojů elektrické energie 5. SP2010/137 Síť nabíjecích stanic elektromobilů 6. SP2011/130 Energeticky soběstačný SMART dům 7. SP2012/53 Monitorovací a ovládací systém Energeticky soběstačného "SMART" domu 8. SP2013/68 Vývoj SMART systému řízení energeticky soběstačného domu 9. SP2014/49 SMART Energetická koncepce pro administrativní budovu 10. FV20686 Dynamický energetický balancer 11. TH Systém pro aktivní řízení decentralizovaných energetických jednotek na lokální úrovni Habilitační práce 36