Vliv výroby z obnovitelných zdrojů na stabilitu elektrizační soustavy Petr Horáček 1), Eduard Janeček 2) horacek@fel.cvut.cz, janecek@kky.zcu.cz 1) České vysoké učení v Praze, Fakulta elektrotechnická 2) Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta aplikovaných věd 1/41
Obsah prezentace Jak pracuje naše elektrizační soustava v propojené evropské síti Model chodu soustavy a její regulace Charakter výroby elektřiny z větru a ze slunce Regulační zálohy vynucené výrobou z OZE Závěry 2/41
Zajištění spolehlivého provozu ES výroba zajišťování rovnováhy mezi výrobou a spotřebou garantování nasmlouvaných přeshraničních výměn udržování systémové frekvence správce přenosové soustavy 5Hz MW výroba MW spotřeba, export-import spotřeba rozvodna VVN přenosová soustava transformační stanice distribuční soustava koncový zákazník 3/41
Izolovaná soustava výroba frekvence elektrizační soustava průtok = činný výkon spotřeba 4/41
Propojené soustavy normální provoz výroba výroba frekvence přeshraniční výměna domácí spotřeba spotřeba v zahraničí princip solidarity a neintervence 5/41
Propojené soustavy normální provoz výroba výroba frekvence přeshraniční výměna domácí spotřeba spotřeba v zahraničí 6/41
Výpadek domácího zdroje počáteční fáze 3) krátkodobě zvýšená výroba 1) výpadek výroby 2) pokles frekvence výpomoc přeshraniční výměna domácí spotřeba spotřeba v zahraničí 7/41
Výpadek domácího zdroje závěrečná fáze výroba frekvence vrácení výpomoci přeshraniční výměna domácí spotřeba spotřeba v zahraničí 8/41
Obnovení stavu před výpadkem výroba výroba frekvence přeshraniční výměna domácí spotřeba spotřeba v zahraničí 9/41
"Regulační" úloha provozovatele přenosové soustavy předepsaný solidární výkon PR odvozený od odchylky frekvence MW rezervovaný regulační výkon v jednotlivých kategoriích odchylka předávaných výkonů od plánované hodnoty plánovaná přeshraniční výměna plán importu plán exportu havarijní výpomoc, regulační energie ze zahraničí hodiny + + + ACE automat SR _ [MW] (PI regulátor) dispečer aktivace PpS setpointy: SR TR QS DZ, (SV) (ZZ) f zad primární regulace frekvence regulační výkon regulační výkon skutečná výroba bez bez aktivací aktivacípps, včetně včetněvyrovnávání vyrovnávání vlastní vlastníodchylky výrobce výrobce (autoregulace) (autoregulace) výroba f skut PR [MW] _ + HV, EregZ okamžitá regulační odchylka výkonu pro danou oblast + neplánovaný import - neplánovaný export skutečná výměna změna zatížení změna zatížení skutečné zatížení bez bez aktivací aktivacípps PpS spotřeba - [MW] 1/41
Nekompenzovaná odchylka 3 ACEov - realizace c.4 pro rok 29 DK= a jednokolovy nakup 2 1 vykon [MW] MW -1-2 -3 1 2 3 4 5 6 7 8 cas [hodina] hodina v roce 11/41
3 Kompenzovaná odchylka běžné, akceptovatelné fluktuace ACE - realizace c.4 pro rok 29 DK= a jednokolovy nakup 2 1 Neplánovaný import (nedostatek výkonu v ČR) vykon [MW] MW -1 Neplánovaný export (přebytek výkonu v ČR) -2-3 1 2 3 4 5 6 7 8 cas [hodina] hodina v roce 12/41
Kompenzace odchylky 1 1 8 8 den D Aktivace regulacnich zaloh - SIMULACE realizace c.38 den D+1 nekompenzovaná odchylka ACEov ACE SR TR QS DZ HV+EregZ 6 6 TR 4 4 QS SR RZN >3 výpomoc ze zahraničí MW vykon [MW] 2 2-2 -2-4 -4 kompenzovaná odchylka -6-6 325 33 335 34 345 35 355 36 365 37 cas [hodina] 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 hodina 13/41
Standardy spolehlivosti provozu ES požadavky kladené na regulační odchylku 1) minutový 1MW Maximální počet případů (v roce), kdy průměr odchylky přesáhne 2) hodinový 2MW 3) Maximální počet odchylek přesahujících 1MW neodregulovaných do 15 minut (v roce) Určuje se z provozu soustavy v minulých letech, kdy byl provoz považován za bezproblémový (případné stavy nouze vyloučeny z vyhodnocení) 14/41
Statistický model regulační odchylky nekompenzovaná odchylka výpadky významných bloků pomalá složka odchylka nenarušeného provozu rychlá složka předepsaný solidární výkon PR odvozený od odchylky frekvence plánovaná výměna + _ + + [MW] PR regulační výkon regulační výkon okamžitá regulační odchylka výkonu neregulované soustavy skutečná výroba skutečná výroba [MW] + výroba _ skutečná výměna neregulované soustavy skutečné zatížení skutečné zatížení [MW] spotřeba 15/41
Simulátor regulační oblasti Regulační zálohy: RZSR,RZTR +,RZTR -, RZQS, RZN3+ Modely (generátory) nenarušeného provozu výpadků disponibilního výkonu pro autoregulaci V ACE OV Dispečer Dispečerská pravidla aktivující zálohy: Rychle startující Terciární Dispečerské Havarijní výpomoc ze zahraničí Regulační energie ze zahraničí QS sp TR sp DZ sp HV sp EregZ sp QS TR DZ HV EregZ ACE O V ACE O Neregulovaná odchylka bez výpadků autoregulace výpadků výrobcem RZ v výkonová rezerva výrobců pro autoregulaci V ACE OV odchylka neregulovaná Výpadky velkých zdrojů ACE odchylka regulovaná ACE Automat Sekundární regulace SR sp výkon aktivovaný dispečerem dynamika služby SR regulační výkon v soustavě (okamžitý) soustava provozovatel přenosové soustavy V vypadlý výkon snížený autoregulačním zásahem výrobce ACE OV okamžitá regulační odchylka výkonu bez aktivací PpS 16/41
Historie: regulační odchylka výkonu (ACE) regulační výkon (PpS) výpadky bloků s výkonem 2MW Požadovaná (historicky přijatelná) spolehlivost: minutový průměr ACE > 1MW hodinová energie ACE 2MWh/h Model regulační odchylky výkonu neregulované soustavy včetně výpadků ACE neregulované Výpočet výše regulačních záloh (RZ) pro požadovanou úroveň spolehlivosti Model nabídky PpS od poskytovatelů RZ požadované PpS nabízené Cenově optimální výběr z nabídky PpS zajišťující stanovené potřeby RZ Model SESyS Dynamická simulace regulované soustavy PpS zajištěné náklady ACE regulované Vyhodnocení úplného souboru ukazatelů spolehlivosti očekávaná spolehlivost regulované soustavy 17/41
Předpoklady pro výpočty výpočet se současnými standardy, chceme aby se chování odchylky oproti minulým letům nezhoršovalo soudobost odchylek výroby od predikce nezávislá na lokalitě jednotková fotovoltaická farma 1MW predikce vyrobené elektrické energie z FV i VtE je celá prodána (odregulovává se tedy pouze odchylka výroby z OZE od predikce) 18/41
Model distribuované výroby ze slunce 1MW 19/41
Model distribuované výroby ze slunce 1MW 2/41
Model distribuované výroby ze slunce 1MW 21/41
Data použitá pro analýzy vlivu výroby z větru a slunce Historie chodu soustavy bez regulací do konce roku 28 včetně již tehdy instalované výroby z OZE Regulační odchylka minutová Regulační odchylka hodinová FV systémy ČVUT Praha (minutová data) Solartec, s.r.o. (1-ti minutová data celé ČR) Větrné farmy minutové výkony (pro měsíce srpen a září) ČEZ a E.ON 22/41
Měření výroby elektřiny ze slunce v jedné lokalitě Pro model výroby z jedné lokality: minutová data dodávaného výkonu z let 26 až 29 Zdroj dat: ČVUT FEL Praha http://andrea.feld.cvut.cz/fvs/ Praha 23/41
Měření distribuované výroby elektřiny ze slunce Pro plošné korelace (model vzájemné závislost výroby z různých lokalit) Zdroj dat: http://www.solartec.cz/cs/projekty/vliv-znecisteni/on-line-data.html 24/41
Typický průběh výroby ze slunce 1 9 Fotovoltaika vykon energie 8 7 % instalov aneho v ykonu 6 5 4 3 2 1 cas [3 dny] 25/41
Typický průběh výroby z větru 1 9 Vetrna farma vykon energie 8 7 % instalov aneho v ykonu 6 5 4 3 2 1 cas [3 dny] 26/41
Histogram výroby ze slunce Letní období 26, 27, 28 a 29, jedna lokalita 14 1 15 12 12 1 9 8 pocet vyskytu 1 5 1 8 pocet vyskytu 8 6 4 2 7 6 5 : 6 : 4 3 8: 4 8: 2 16: kalendarni den [hod] 24: 2 8 6 4 % instalovaneho vykonu 1 2 16: kalendarni den [hod] 24: 2 1 8 6 4 9 % instalovaneho vykonu 8 1 1 1 9 8 7 7 % instalov aneho v ykonu 6 5 4 3 6 5 4 2 3 1 2 : 8: 16: 24: kalendarni den [hod] 1 27/41
Histogramy výroby z větru a slunce 25 2 2 pocet vyskytu 15 1 5 : 15 1 Srovnání obou typů zdrojů 8: 5 16: kalendarni den [hod] 24: 2 8 6 4 % instalovaneho vykonu 1 1 Větrná farma 22 1 Fotovoltaický systém 1 9 2 9 9 8 18 8 8 7 16 7 7 % instalov aneho v ykonu 6 5 4 3 14 12 1 8 % instalov aneho v ykonu 6 5 4 3 6 5 4 2 6 2 3 1 4 1 2 : 8: 16: 24: kalendarni den [hod] 2 : 8: 16: 24: kalendarni den [hod] 1 28/41
Čtvrtletní diagram očekávané výroby ze slunce Modus - hodnota s nejvyšší četností výskytu % instalovaneho vykonu 1 9 8 7 6 5 4 3 1.2-5.5 cetnosti typicky prubeh 16 14 12 1 8 6 jaro % instalovaneho vykonu 1 9 8 7 6 5 4 3 6.5-5.8 cetnosti typicky prubeh 5 45 4 35 3 25 2 léto 2 1 15 2 4 1 1 : 8: 1 16: 24: kalendarni den [hod] 9 podzim % instalovaneho vykonu 8 7 6 5 4 6.8-5.11 2 cetnosti typicky prubeh 25 2 15 6.11-9.12 1 5 : 8: 16: 24: kalendarni den [hod] 9 8 7 % instalovaneho vykonu 6 5 4 cetnosti typicky prubeh 8 7 6 5 4 zima 3 1 3 3 2 2 1 1 2 : 8: 16: 24: kalendarni den [hod] 5 : 8: 16: 24: kalendarni den [hod] 1 29/41
Predikce výroby ze slunce na další den Predikovanou výrobu prodáme, případnou odchylku necháme na ČEPS Předpoklady: počasí zítra bude v podstatě stejné jako dnes jako predikci na zítra použijeme čtvrtletní predikci, kterou upravíme dle skutečných naměřených hodnot dnes vpřípadě, že nejsou k dispozici naměřená data, bude použita přímo čtvrtletní predikce % instalovaneho vykonu 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 dlouhodobá statistika pro dané období predikce (prodaná výroba z FV) skutečnost Data (14.4. 26-21.4. 26) hodinova energie ctvrtletni predikce predikce D-1 odchylka k odregulování : 24: 24: 24: 24: 24: kalendarni cas [hod] 3/41
Kolik potřebuje mít ČEPS smluveného výkonu, aby odchylku snížil na únosnou míru? 31/41
Požadovaná záloha sekundární regulace denní profil v jednotlivých měsících 9 technicka potreba regulacni zalohy sekundarni regulace foto 1-3 MW, varianta A celkove PpS [MW] 8 7 6 5 4 3 pouze s FV (1 3 MW) bez větru plánované rezervy pro podmínky roku 29 s FV existující do roku 28 2 leden unor brezendubenkvetencervencervenecsrpen zari rijen listopad prosinec cas [hod] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 měsíc 32/41
Požadovaná záloha terciární regulace (+) denní profil v jednotlivých měsících 9 technicka potreba kladne tercialni regulace foto 1-3 MW, varianta A 8 7 pouze s FV (1 3 MW) bez větru celkove PpS [MW] 6 5 4 3 plánované rezervy pro podmínky roku 29 s FV existující do roku 28 2 1 leden unor brezendubenkvetencervencervenecsrpen zari rijen listopad prosinec cas [hod] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 měsíc 33/41
1 Požadovaná záloha terciární regulace (-) denní profil v jednotlivých měsících technicka potreba zaporne tercialni regulace foto 1-3 MW, varianta A 9 celkove PpS [MW] 8 7 6 5 4 3 pouze s FV (1 3 MW) bez větru plánované rezervy pro podmínky roku 29 s FV existující do roku 28 2 1 leden unor brezendubenkvetencervencervenecsrpen zari cas [hod] rijen listopad prosinec 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 měsíc 34/41
Souvislost rezerv regulačního výkonu SR s velikostí instalovaného výkonu v OZE 12 technicka potreba regulacni zalohy sekundarni regulace FV (1:1:19, 2:2:6 MW), VtE (4 MW) 1 8 [MW] 6 limit zima limit léto Záloha automatická sekundární regulace v poledne 4 srpen 2 1 2 3 4 5 6 nove instalovany vykon v OZE (FV + VtE) [MW] Od hranice 14MW 1MW FV 4MW VtE instalovaného výkonu v OZE roste potřeba regulačního výkonu o cca 17MW na 1MW nově instalovaného výkonu 35/41
Souvislost rezerv regulačního výkonu TR+ s velikostí instalovaného výkonu v OZE 12 technicka potreba kladne terciarni regulace FV (1:1:19, 2:2:6 MW), VtE (4 MW) 1 8 [MW] 6 limit zima limit léto Záloha terciární regulace kladné v poledne 4 srpen 2 1 2 3 4 5 6 nove instalovany vykon v OZE (FV + VtE) [MW] Od hranice 7MW 3MW FV 4MW VtE instalovaného výkonu v OZE roste potřeba regulačního výkonu o 17MW na 1MW nově instalovaného výkonu 36/41
Souvislost rezerv regulačního výkonu TR - s velikostí instalovaného výkonu v OZE 12 technicka potreba zaporne terciarni regulace FV (1:1:19, 2:2:6 MW), VtE (4 MW) 1 8 [MW] 6 Záloha terciární regulace záporné v poledne 4 limit zima limit léto 2 srpen 1 2 3 4 5 6 nove instalovany vykon v OZE (FV + VtE) [MW] Od hranice 7MW 3MW FV 4MW VtE instalovaného výkonu v OZE roste potřeba regulačního výkonu o 16MW na 1MW nově instalovaného výkonu 37/41
Závěr Zvyšování potřeb regulačních záloh povede k nárustu jejich ceny, protože poptávka poroste rychleji než nabídka Instalace FV zdrojů o celkovém výkonu větším než cca 12 MW (při současném provozu VtE 4MW) povede za současných podmínek provozování těchto zdrojů k vyčerpání stávajících regulačních záloh potřebných k udržení chodu soustavy na který jsme zvyklí Nebude garantováno plnění podmínek provozu pro propojenou evropskou síť Podmínky provozování FV dnes = nedomyšlený způsob užití perspektivního zdroje 4/41
Možné cesty omezení rizik Zvýšení regulačních rozsahů stávajících regulovatelných zdrojů a jejich větší zatěžování Postavení nového regulovatelného zdroje Využití možnosti ovládání spotřeby Ovládání výroby z OZE Preferovat FV zdroje malého výkonu a nekoncentrovat je v jednom místě Instalace "akumulátorů", např. nové vodní přečerpávací elektrárny (ideální řešení) Nepřipojovat FV, resp. neřiditelné zdroje do elektrizační soustavy (extrémní řešení) Kombinace uvedených možností 41/41