Inteligentní energetické sítě - smart grids. EMIL DVORSKÝ, KEE, FEL, ZČU v Plzni

Transkript

1 Inteligentní energetické sítě - smart grids EMIL DVORSKÝ, KEE, FEL, ZČU v Plzni

2 Co je inteligentní sít Dánský ostrov Bornholm ( obyvatel) v Baltském moři bude mít díky projektu EcoGrid sponzorovaném Evropskou unií svou vlastní virtuální elektrárnu. Ostrov, který byl za 2. světové a později studené války důležitým strategickým bodem, je dnes poklidnou rybářskou komunitou. Dnes tam více než 50 % spotřebované elektřiny pochází z obnovitelných zdrojů. Virtuální elektrárna vznikne díky vytvoření rozsáhlé chytré rozvodné sítě (smart-grid).

3 Pojem SMART ve vztahu k elektrickým sítím V daném pojetí zřejmě chytrá, inteligentní, šikovná a programovatelná. Může být elektrická síť chytrá, inteligentní? Samozřejmě to je nadsázka, ale určitou inteligenci na základě její plnění její funkce ji může přisoudit.

4 Co očekáváme od energetické sítě? Když zapneme elektrický spotřebič chceme aby plnil svoji funkci = poskytoval službu kterou od něho požadujeme. Pro jeho funkci musíme zajistit jeho energetické napájení. Napájení může být: součásti elektrického spotřebiče = nezávislé napájení ze zásobovacího systému = závislé napájení

5 Nezávislé napájení

6 Závislé mobilní napájení

7 Závislé statické napájení místní, ostrovní

8 Závislé statické napájení dálkové, centrální

9 Spolupráce systémů jednotlivých systémů pasivní elektromobil jen odebírá aktivní domácí elektrárna může i dodávat

10 Společenské pojetí = systémová definice napájecího systému systém sloužící k určitému cíli = systém zajištující pokrytí energetických požadavků spotřeby elektřiny v daném teritorii Pro definování systému je nezbytné vymezit objekt, jeho strukturu, vlastnosti a chování SYSTÉM Vnější vazby / vliv na okolí vstupy výstupy Vnější vazby / vliv z okolí prvky a jejich vnitřní vazby

11 Systémová definice Elektroenergetiky = Elektrizační soustavy Systém (česky soustava) je účelově definovaná množina prvků a vazeb mezi nimi (ovlivňujících vlastnosti tohoto systému), která má jako celek určité vlastnosti. Je to určitý komplex prvků nacházejících se v určité (definované) interakci a má definované vstupy a výstupy. Systém je ovlivňován vnějším prostředím a sám na něj také působí.

12 Vymezení pojmu napájecí systém 1) technicky = systém provádějící napájení elektrických spotřebičů 2) společensky = systém uspokojování potřeb obyvatel elektřinou

13 Vzájemná závislost výroba = spotřeba 4) Elektrizační soustava (ES) ) Výroba 2) Doprava 3) Spotřeba Napájecí systém nefunguje bez spotřeby a naopak!!! Spolupráce je kontinuélní v čase!!!

14 Provedení napájecího systému pro jeden elektrický spotřebič nebo vymezenou skupinu spotřebičů (lokálně koncentrovanou): DECENTRALIZAVANÁ ES - náš Bornholm pro všechny spotřebiče v daném teritoriu: CENTRALIZOVANÁ ES

15 Fyzikální vyjádření energetického zboží Síla: 2. Newtonův zákon (síla 1N udělí 1 kg hmoty zrychlení 1 m/s 2 ) F = m. a [ kg. m/s 2 = N] Práce: působení síly 1 N na vzdálenosti 1 m vykonaná práce W=A = F. l [ N. m = J] Výkon: práce 1 J vykonaná za 1 s P = A/t [ J/s = W] Práci lze prostřednictvím výkonu vyjádřit: W=A=P.t [ J = Ws]

16 Časová závislost výroba = spotřeba (DZ) P A P max T. max Špičkové pásmo P stř A Pt A Pdt 0 stř. t P max Pološpičkové pásmo P min Základní pásmo 0 T max t

17 Příklad pokrytí zatížení více elektrárnami PZ ELEKTRÁRNA 1 PZ ELEKTRÁRNA 2 PZ ELEKTRÁRNA 3 spotřeba PZ ELEKTRÁRNA 4

18 Specifika řízení ES fyzikální zákonitosti Výrobní zdroje (elektrárenské bloky) s dopravou (přenosem a rozvodem) = napájecí systém ES na straně jedné a spotřeba (odběr) na straně druhé, tvoří jeden celek, jehož propojený provoz (řízení) je vynucen relativní možnosti neskladovatelnosti elektřiny. Z hlediska fyzikálního v této soustavě musíme respektovat: 1. Zákon zachování energie: v každém okamžiku musí být rovnováha energetické bilance. Každé narušeni této bilance způsobí změnu frekvence a napětí v ES. Tato změna bude probíhat do doby než dojde k opětovnému vyrovnaní výkonové rovnováhy. Vyrovnaní se uskuteční v regulované i v neregulované soustavě 2. Rychlost přechodných dějů: změny provozních stavů v důsledku připojení nebo odpojení některého prvku ES, v případě zkratu, přepětí, porušení stabilitu provozu apod. mají velmi krátké časové konstanty (elektrické) 3. Fyzikální jednotnost: každý děj v ES se promítá do parametru chodu všech jejich prvků

19 Specifika řízení ES uspokojení požadavků spotřeby ES jako systém slouží k uspokojování potřeb zákazníků po elektřině. Zákaznicí požadují od zboží parametry, které splňují potřeby na jeho použití - užitná hodnota zboží: Kvalita dodávaného zboží: parametry zboží (elektrické) musí odpovídat elektrickým parametrům požadovanými spotřebiči udržování napětí na definovaných hladinách s minimálními fluktuacemi udržování kmitočtu na definované hladině s minimálními fluktuacemi nízký obsah harmonických Spolehlivost dodávky: neustálé udržování požadovaného časového průběhu dodávky s příslušnými parametry. Její přerušení může vyvolat velké následné škody u odběratelů, ohrozit lidské životy a způsobit značné finanční ztráty. Potřebnou spolehlivost je nutno zajistit. vysokou kvalitou jednotlivých prvků systému, dostatečnou rezervou ve výrobě energie, bezpečností systému, využíváním rozsáhlých sítí k zásobováním odběratelů více cestami

20 Specifika řízení ES uspokojení požadavků spotřeby 3. Minimální cena zboží (náklady): cena zboží je závislá na vynaložených nákladech v zásobovacím systému proto je nutné: optimalizace nákladů na výrobu a přenos - minimalizace minimalizace ztrát v dopravních systémech maximalizace účinnosti (nákladů) ve výrobě - kogenerace 4. Minimální dopad na životní prostředí: omezení externalit představuje vnucené chování systémů systému, které není nezbytné z technického fungování. Zvyšují náklady v ES. minimální znečistění způsobené výrobnami, co nejmenší zásahy do přírody při stavbě nových výroben a dopravních cest, Používání obnovitelných zdrojů: cenové zvýhodnění na straně výroby cenové znevýhodnění na straně výroby a spotřeby - daně

21 Obecná definice řízení - regulace Řízení je usměrňování procesů nebo činností, které probíhají v určitém dynamickém souboru (schopném změny) vzájemně propojených prvků systém, soustava Řízení - zásah do průběhu procesů v systému v zájmu účelového ovlivnění jejich průběhu a důsledkům ke kterým vedou. Je to aktivita, jejímž nezbytným, ale nikoliv postačujícím znakem je rozhodování, tj. volba varianty z předem neznámé množiny variant řešení. Regulování - existuje možnost volby pouze z předem stanovené množiny známých variant řešení. Děj, při kterém dochází na základě konkrétního - předvídaného vstupu, pouze k automatické reakci - potvrzení předem určeného řešení situace. Nedochází k tvorbě variant možného vývoje situace, ale tyto varianty řešení jsou předdefinovány a připraveny k použití ve formě předpisu, nelze tedy zajistit jiný než předdefinovaný resp. naprogramovaný výstup.

22 Blokové schéma řízení

23 Definice řízení ES Řízení je cílevědomá činnost, při které se sbírají informace o chování řízeného systému a o poruchách působících na tento systém. Tyto informace se vhodně zpracují v řídicím systému, přičemž výsledkem tohoto zpracování je akční signál. Ten působí na vstup řízeného systému v takovém smyslu, aby bylo dosaženo žádoucího cíle (uspokojení poptávky po elektřině. Řízení v uzavřené smyčce: zpětnovazební řízení

24 Bilanční rovnice výkonů v ES = možnosti regulace f,u Dopravní ztráty ES Výroba Doprava Spotřeba Akumulace S v (t) = S s (t) + S z (t) + S A (t)

25 Řízení bilanční rovnice ES Pro udržení výkonové rovnice se musí v ES provádět regulace ± S RE. Jak je vidět z rovnice lze provádět regulaci: na straně výroby (regulační výkony) na straně spotřeby (regulační zatížení) Pro možnost provedení regulace je nezbytná: dostatečná hodnota výkonu (pouze jeden z předpokladů spolehlivého provozu ES) dostatečné množství regulačního výkonu (je nezbytný ke kompenzaci poruch v rovnováze mezi zatížením a výkony zdrojů. Může být jak na zdrojové straně, tak i na straně spotřeby a akumulace) Druhá podmínka stanovuje, že jednotlivá zařízení, jak na straně výroby, tak i na straně spotřeby musí poskytovat regulační služby, které lze rozdělit na: Statické regulační služby zahrnující: výkony jejichž nasazení se plánuje změny probíhají ve velkém rozsahu při malých rychlostech změny Dynamické regulační služby zahrnující: výkony jejichž nasazení nelze plánovat změny probíhají v malém rozsahu při velkých rychlostech

26 Regulace na straně spotřeby S S,RE řízení spotřeby Základním předpokladem je, že spotřeba není omezována,ale pouze usměrňována (motivována) obvykle: 1. technickými prostředky: hromadné dálkové ovládání (HDO) - řízení spotřeby elektrotepelných spotřebičů. Umožňuje přizpůsobení těchto spotřebičů možnostem ES a ekonomickým potřebám DS 2. ekonomickými nástroji: tarifování elektřiny ( cena elektřiny není jednotná v průběhu diagramu zatížení, ale rozdělena do tarifních pásem), které zvýhodňují odběr v obdobích, kdy je to z hlediska celé ES výhodné. Prostředky pro řízení spotřeby lze rozdělit na: Přímé HDO akumulátory elektřiny nouzové prostředky» regulační plán» vypínací plán» automatické frekvenční odlehčování podle frekvenčního plánu Nepřímé: programy úspor energie a zlepšení účinnosti elektrických spotřebičů a systémy tarifů za elektřinu

27 Spotřeba dle řiditelnosti PŘÍMÉ ŘÍZENÍ NEPŘÍMÉ ŘÍZENÍ ŘIDITELNÁ NEŘIDITELNÁ STRIKTNĚ NEŘIDITELNÁ OBVYKLE NEŘIDITELNÁ

28 Prvky Inteligentní sítě

29 SMART GRID Systém řízení je založen na energetické bilanci mezi spotřebiči a zdroji. Lze regulovat zdroje i zátěže, popřípadě využívat akumulaci. Musí znát okamžité hodnoty energetické bilance systému danou jednotlivými prvky : hodnoty se musí měřit smart metering. Řídící systém vyhodnocuje stav systému a vysílá povely na jednotlivé prvky ES aby udržel výkonovou bilanci. Pokud tuto funkci dokáže systém v průběhu času splňovat můžeme o něm říci, že je inteligentní protože dělá: to co se po něm požaduje v daném čase s potřebnou spolehlivostí a kvalitou