NELUMBO ENERGY A.S. BEMS produktová řada: inteligentní spotřeba elektřiny
BEMS Inteligentní řízení spotřeby elektřiny v domácnosti.
NELUMBO ENERGY - BEMS - building energy management systems BEMS - building energy management systems Úvod - zelený bonus a využívání vlastní elektřiny Většina provozovatelů střešních fotovoltaických elektráren ( FVE ) jsou domácnosti, účtující vyrobenou elektřinu formou zeleného bonusu. Tato forma účtování je účinně motivuje ke snaze vyrobenou elektřinu přednostně (a účelně) spotřebovat přímo v místě výroby a pouze nevyužitelné přebytky dodávat (dnes již s p í š e o d e v z d á v a t ) d o r o z v o d n é s í t ě. Jenomže každý majitel takové FVE záhy zjistí, že těchto "nevyužitelných přebytků" je mnoho a začne přemýšlet o lepším způsobu jejich využití. Dokonalé využití přebytků: K zajištění účinné regulace přebytků je ovšem nutné spolehlivě oddělit tuto ( tržně téměř bezcennou) elektřinu od podstatně dražší elektřiny ze sítě a spotřebovat ji samotnou. Právě toto velmi účinně řeší níže popisovaný inteligentní regulátor BEMS. Protože umí měřit velikost a směr toku elektřiny předávacím místem a plynule přitom regulovat příkon elektrické zátěže, dokáže téměř všechny přebytky elektřiny z FVE nasměrovat do velkých elektrotepelných spotřebičů, aniž by přitom připustil sebemenší odběr ze sítě. Podle ročního období tak dokáže částečně či úplně zajistit energetické potřeby odběrného místa z vlastního zdroje a ušetřit tak za nákup stejného množství libovolné jiné, vždy však dražší energie. V e d l e j š í p r o d u k t - o m e z e n í v l i v u F V E n a r o z v o d n o u s í ť : Cílené soustavné spotřebovávání vyrobené elektřiny hned v místě výroby zamezí nárůstu napětí distribuční sítě v okolí přípojného místa, které FVE dodávkou svých přebytků do sítě zákonitě způsobuje. FVE pak lze provozovat na plný výkon i v odlehlých větvích distribuční soustavy, kde je síť natolik měkká, že přebytky z neregulované FVE způsobují nepřípustné přepětí, provázené cyklickým odpínáním FVE, které dramaticky snižuje celkovou výrobu FVE, potažmo pak i čerpání zeleného bonusu a tím i celkovou návratnost investice do FVE. Použití Regulátor BEMS je určen k dosažení maximální možné užitečné spotřeby přebytků vlastní vyrobené elektřiny v odběrných místech s připojenou fotovoltaickou elektrárnou a s účtováním v režimu "zelený bonus". Přináší to optimální zhodnocení vlastní vyrobené elektřiny a to po celou dobu životnosti FVE, která určitě není omezena pouhým dvacetiletým obdobím, spojeným s proplácením zelených dotací. Především však konečně dodá fotovoltaické elektrárně prapůvodní smysl: vyrábět si elektřinu sám pro sebe a v rámci možností co nejvíce omezit svou závislost na nakupované elektřině a jejím cenovém vývoji. Rozdělení spotřebičů V tuto chvíli je vhodné trochu si roztřídit elektrické spotřebiče v domácnosti podle způsobu používání: Spotřebiče, které není vhodné (ani nutné) ovládat regulátorem přebytků Spotřebiče denního proudu: Do této kategorie si zařadíme spotřebiče sloužící k zajištění běžného standardu moderního bydlení, které musí majiteli sloužit kdykoli si usmyslí. U těchto spotřebičů je příjemné, pokud jsou napájeny vlastní elektřinou, ale je nemyslitelné, aby nedostatek vlastní elektřiny způsobil jejich vypnutí. Do této kategorie patří jak televizor, lednička, či rychlovarná konvice tak i pračka, myčka nádobí, nebo tepelné čerpadlo (*). Tyto přístroje nepatří mezi spotřebiče ovládané regulátorem přebytků. Tak jako tak má každý z nich vyšší prioritu než kterýkoli spotřebič ovládaný regulátorem. Vysvětlení na příkladu: Pokud totiž dojde v domácnosti k zapnutí spotřebiče, který je součástí běžného rozvodu a nemá s regulací přebytků nic společného (řekněme např. pračky), BEMS změnu spotřeby domu okamžitě zaregistruje a v několika následujících vteřinách ubere stejný výkon na svých spotřebičích. Je-li spotřeba pračky v dané chvíli vyšší, než výroba FVE, pak BEMS vypne všechny své spotřebiče a na spotřebu pračky jde veškerá výroba FVE, pouze nutný zbytek je odebrán ze sítě. (*) Tepelné čerpadlo: Tepelné čerpadlo sice není spotřebič denního proudu, protože však pulsně modulované napětí vůbec nesnese a časté spínání mu dramaticky snižuje životnost, patří také mezi spotřebiče nevhodné pro řízení regulátorem přebytků elektřiny. Spotřebiče vhodné pro regulaci přebytků Spotřebiče nočního proudu: jsou spotřebiče, které jsou napájeny nízkotarifní elektřinou pouze v předem stanovených časových intervalech. Tyto spotřebiče musí mít schopnost akumulovat energii načerpanou v době nočního proudu tak, aby byly schopny vykrýt potřeby domácnosti po zbytek dne. Vesměs jsou to elektrotepelné spotřebiče: bojlery k ohřevu TUV, topná tělesa akumulačního ústředního vytápění, elektrické podlahové topení, akumulační kamna a přímotopy. Jsou první skupinou vhodnou k řízení regulátorem BEMS. Vzhledem k tomu, že v době mimo interval nízkého tarifu původně napájeny vůbec nebyly, je u nich napájení pomocí přebytků FVE vždy jen něco navíc a jakkoli proměnlivá intenzita tohoto napájení přitom není ničemu na závadu. Výsledkem je vždy jen částečné či úplné načerpání potřebné energie v časovém předstihu a výhradně z vlastních zdrojů, kterému pak odpovídá úměrné snížení nákupu nočního proudu. Vhodnost těchto spotřebičů vyplývá také z faktu, že se drtivou měrou podílí na celkové energetické náročnosti domácnosti a jsou proto velkým zásobníkem pro ukládání přebytků energie. Doplňkové spotřebiče: jsou spotřebiče obdobného typu jako spotřebiče nočního proudu, bývají však pořízeny až dodatečně přímo za účelem další řízené spotřeby přebytků FVE. Výhodou je možnost volit před nákupem jejich parametry, nevýhodou jsou dodatečné finanční náklady na jejich pořízení. Co lze od BEMS očekávat Nejvíce údajů o provozu regulátoru BEMS zatím pochází z rodinného domu autora regulátoru (i těchto stránek); odběrného místa s jednofázovou FVE 4,2 kwi, elektrickým bojlerem a elektrickým akumulačním vytápěním. První prototyp Regulátoru BEMS zde byl spuštěn 8.9.2010. Záložní topné těleso v jedné z akumulačních nádrží ústředního vytápění bylo využito ke spotřebě přebytků jako trojice jednofázových topných těles. Spolu s bojlerem tak byly k spotřebě přebytků použity 4 akumulační tepelné spotřebiče. Následující graf zobrazuje přehled celkové výroby FVE, rozčleněnou na spotřebu přímo v místě výroby a odvody do sítě. První zima byla bez regulace, zatímco v následujícím zimním období byla již spotřeba v místě v ý r o b y v r e ž i i r e g u l á t o r u BEMS. ( p o d k l a d y p r o g r a f y p o c h á z í v ý h r a d n ě z f a k t u r a č n í c h e l e k t r o m ě r ů ) 2
Z prvního grafu je jasně vidět, že s nasazením regulátoru prudce pokleslo množství elektřiny dodávané do sítě. V následujícím grafu je pak vidět, jak o stejnou hodnotu také poklesla spotřeba nakupované elektřiny. Výsledky z dalších míst nasazení stvrzují, že 97%-ní využití elektřiny z FVE je pro BEMS charakteristickou hodnotou. Je to ale dáno pouze výchozím nastavením velikosti žádaného proudu ve vstupu PI-regulátoru. Tento žádaný proud byl u prvních přístrojů nastaven na "třetí kladný zoubek" A/D převodníku, což vedlo k uvedené hodnotě 97%, neboli ke 3% přebytků. Všechny přístroje však mají možnost jít se žádaným proudem až k nule, od verze firmwaru 1.027 i do záporných hodnot. To umožňuje zkusmo dohledat pracovní bod úplně na nule, nebo i m í r n ě v o d b ě r o v é m k v a d r a n t u. Nestačí přitom nastavit nulu v hodnotě žádaného proudu; pracovní bod s nulovým proudem se totiž neshoduje s nulovým odběrem energie - je to způsobeno rozdílem napětí mezi odběrem a dodávkou; při dodávce bývá n a p ě t í o n ě k o l i k p r o c e n t v y š š í. ( p o d l e i m p e d a n c e s í t ě ) Energetická rovnováha proto v době společné aktivity FVE a BEMS (kdy se v rychlém sledu střídá odběr s dodávkou) nastává při nepatrném proudovém odběru - tedy při malém záporném žádaném proudu nastaveném na PI regulátoru. Technické parametry 230V 50Hz (nutné je připojení na tu fázi, na kterou Napájecí napětí: je vyvedena FVE) - horní svorkovnice (vedle LED diod): 5V DC Povolené napětí na svorkovnicích: - dolní svorkovnice (napájení regulátoru a kontakty relé): 250V 50Hz (jediná fáze na všech svorkách!) 3 vstupy, rozsah {-2,5V... +2,5 V DC} (proti svorce Vcc/2 ) 10 bit D/A převod, pro externí proudové analogové vstupy: transformátory jeden vestavěný proud. transformátor 0... 12A~ (pro jednofázovou verzi) 3 výstupy s řídícím signálem 5V/20mA pro solid digitální výstupy: state relay se spínáním v nule - k jednomu výstupu lze připojit max. 2 SSR doporučeného typu (s odběrem 8,5mA/5V) 4 relé, každé se spínacím kontaktem 230V~/5A pro postupné připojování zátěže reléové výstupy: 1 relé (K5) se spínacím kontaktem 230V~/5A s volitelnou funkcí: spínací hodiny nebo páté relé kaskády datové rozhraní pro komunikaci s PC: RS485, protokol MODBUS plynulé řízení příkonu 0... 100% (spíná po regulace spotřeby přebytků z FVE: jednotlivých, celých sinusových periodách (vždy obě půlvlny - bez ss.složky a rušení)) galvanické oddělení: elektrická pevnost mezi elektronikou (5V DC - horní svorkovnice) a silovou 4kV 50Hz, 1 minuta částí (230v AC - dolní svorkovnice): stupeň krytí (ČSN EN 60529): IP 20 Doporučené prostředí (ČSN 33 2000-3): třída AB4 (-5...40 C, 5...95% rel.vlhkosti) 3
Měřící algoritmy elektroměrů Vysvětlení principu funkce regulátoru BEMS musí nutně předcházet výklad, jakým způsobem měří elektřinu elektroměr na hranici veřejné sítě: Původní algoritmus - měření jediné (součtové hodnoty) Tento čtyřkvadrantový elektroměr průběžně měří tok energie v každé fázi. V každé sinusové periodě takto naměří tři malá energetická kvanta, která následně (s ohledem na znaménka!) sečte do jediné hodnoty a tuto v ý s l e d n o u s u m u p ř i č t e k o b s a h u a k u m u l a č n í h o r e g i s t r u. Tento registr kumuluje hodnotu naměřené energie tak dlouho, až dosáhne úrovně odpovídající jednomu impulsu pro počítadlo - podle toho, zda dosáhl kladné či záporné hodnoty poté vyšle impuls k inkrementaci p o č í t a d l a o d b ě r u č i s p o t ř e b y a s á m s e v y n u l u j e. Dokud hodnota registru nedosáhne kladné nebo záporné meze pro generaci impulsu, může podle směru toku elektřiny cvičit nahoru-dolu, aniž by to mělo vliv na fakturační údaj elektroměru (počet impulsů se nemění). K zastavení tohoto elektroměru není tedy nutné zajišťovat nulový proud ve všech vodičích, ale stačí udržovat e n e r g e t i c k o u r o v n o v á h u m e z i t o k e m e n e r g i e d o o b j e k t u a z o b j e k t u. Rozsah mezních hodnot akumulačního registru navíc umožňuje účinně provozovat pulsní regulaci, při níž se (v našem speciálním případě, kdy je v přípojném místě zdroj elektřiny) v krátkých časových intervalech střídá o d b ě r s d o d á v k o u. V obou příkladech nastává sice energetická rovnováha, ovšem při často nezanedbatelném proudu, který svým vlivem na ztráty ve vedení připomíná jalový proud. Narozdíl od jalového proudu však nemá fázový posuv a elektroměr ho zřejmě ani neumí naměřit. Je tedy spíš jen otázkou slušnosti zajistit jeho minimalizaci, a to jak přednostním připojováním spotřebičů na společnou fázi s FVE, tak omezením pulsně modulované spotřeby pouze na nutnou úroveň. Tento (součtový) algoritmus elektroměru se dnes však stává již pouhou historií. Rok 2012 - Nově zaváděný algoritmus - měření a účtování elektřiny v každé fázi samostatně Zásadní rozdíl: K zastavení tohoto elektroměru je nutné zajišťovat nulový proud v každém vodiči. Od roku 2012 je nutno počítat s tím, že u každé nové FVE bude elektroměr s tímto novým algoritmem. Distribuční společnosti s tím nemají téměř žádnou práci - stačí pouhá změna nastavení u stávajících 4Q měřidel. Rozdíl oproti předchozímu algoritmu je z technického hlediska nepatrný - tři naměřené hodnoty se zde nesečtou do jediné, ale uloží se do tří samostatných registrů a pak se také samostatně vyúčtují. Toto se děje uvnitř elektroměru, který byl konstruován pro součtový algoritmus, takže má na displeji jen jeden vektorový kříž - indikátor směru toku elektřiny. Tento kříž dokáže zobrazit pouze jedinou hodnotu, a zobrazuje (jak jinak) - tu součtovou, která je zde již nejen bezcenná, ale dokonce matoucí. Na území spravovaném společností EOn bývají tyto elektroměry označeny nálepkou s trojúhelníkem - viz o b r. v p r a v o. ( e l e k t r o m ě r y b e z n á l e p k y n e b o s k o l e č k e m m ě ř í s o u č e t ). Zda elektroměr měří podle nového algoritmu se dá poznat podle blikání jeho LED diod indikujících impulsy. Pokud jednou fází teče elektřina ven a jinou dovnitř, pak tento elektroměr registruje současně výrobu i odběr a v k r á t k é m č a s o v é m i n t e r v a l u ( obvykle stačí 15 sec) lze zachytit probliknutí obou LED diod; jedné nad displejem, druhé pod displejem. Přechod na účtování podle nového algoritmu je pro distributory vždy výhodný, a pro majitele FVE je vždy nevýhodný. Ve srovnání se starým měřením zde dochází k dalšímu okleštění dosažitelné vlastní spotřeby. Regulace přebytků podle nových pravidel je technicky i finančně náročnější, než regulace podle původních pravidel: zdaleka již nestačí pouhá celková energetická rovnováha, ale musí být zajištěna energetická rovnováha v každé fázi. To s sebou přináší nutnost regulovat každou fázi samostatně (což není zas takový problém - stačí nahrát do BEMS nový program), ale je nutno také zajistit pro každou fázi dostatek spotřebičů Velmi nepříjemná situace pak nastává, když je elektroměr s novým algoritmem nasazen do přípojného místa s regulací přebytků určenou k původnímu elektroměrovému algoritmu. Regulace se stává nejen neúčinnou, ale dokonce prodělečnou. Pak je nutno rychle provést přizpůsobení regulačního algoritmu BEMS novému měření a obvykle i nemalé zásahy do původního zapojení regulace (rozložení spotřebičů přebytků do jednotlivých fází). Popis funkce regulátoru Pulsní regulace v rozsahu 0...100% jmenovitého příkonu spotřebičůaby bylo možno kdykoli spotřebovávat veškeré přebytky z FVE, je nutno plynule přizpůsobovat okamžitý příkon určených spotřebičů velikosti přebytků. Plynulou regulaci zajišťuje regulátor BEMS řízením výkonové tyristorové součástky - polovodičového relé SSR (Solid State Relay). Samotný regulační proces má na starosti proporcionálně-integrační (PI) regulátor (ve schématu zelený). Ten průběžně měří činnou složku regulovaného proudu, tekoucí mezi odběrným místem a veřejnou sítí a snaží se ji udržovat na žádané hodnotě, která je obvykle nula. Výstupní signál PI regulátoru (ve schématu rudá přerušovaná čára) řídí spínání polovodičového relé SSR po jednotlivých celých sinusových periodách a umí touto formou zajistit řízení příkonu spotřebičů napojených na výstup SSR v plném rozsahu jejich jmenovitých hodnot (0...100%). Příklad: předpokládejme přebytky z FVE 200W, první spotřebič je bojler s jmenovitým příkonem 2 KW Výstup regulátoru se záhy ustálí ve stavu, kdy SSR spíná každou desátou síťovou periodu a bojler odebírá 10% svého jmenovitého výkonu, tedy 200W. Druhý řídící signál (ve schématu modrá přerušovaná čára) zajišťuje postupné připojování spotřebičů. Jakmile regulátor dosáhne saturace v jedné z obou mezních hodnot svého výstupu, je jasné, že plynulá regulace se ocitla mimo řiditelný rozsah a automaticky se po stanovené době nepřetržitého trvání tohoto stavu (2s) provede korekce připojeného počtu spotřebičů (buď přidá další spotřebič sepnutím relé, které je právě na řadě, nebo odebere spotřebič vypnutím posledního sepnutého relé). Pokud poté saturace trvá, algoritmus korekce počtu spotřebičů se opakuje (připojí či odpojí další stupeň). Tento prostý algoritmus je velmi účinný a zajišťuje správnou funkci regulace bez toho, že by přístroj musel znát velikost jednotlivých spotřebičů. Správně reaguje i na všechny změny odběru elektřiny v přípojném místě - ať již jsou to náhodně připojované spotřebiče nebo např. odpojení bojleru termostatem po jeho nahřátí. Priorita spínání spotřebičů priorita ovládaných spotřebičů vyplývá z popsaného algoritmu : nejvyšší prioritu má spotřebič připojený přímo na výstup SSR (v blok.schématu spotřebič Z0), postupně následují spotřebiče spínané kontakty BEMS v pořadí K1, K2...K5 (ve schématu spotřebiče Z1.. Z4). Priorita je tedy jednou provždy dána zapojením. Všechny spínací kontakty mají shodné parametry, u každého z nich lze podle místní situace zvolit, zda bude spínat modulované napětí z výstupu SSR (plynulá regulace výkonu), nebo plné síťové napětí (plný výkon spotřebiče). Rozložení spotřebičů v blokové schématu, jakož i v dalších schématech uvedených níže, proto chápejte pouze jako příklad zapojení - jednu z mnoha možností. Kterýkoli regulační stupeň lze vynechat, r e g u l á t o r s e s t í m b e z p e č n ě v y r o v n á. Nutno přitom dodat, že absolutně nejvyšší prioritu mají nakonec stejně vždy náhodně připojované spotřebiče domácnosti, které GreenBonO neovlivňuje, ale vždy na ně reaguje příslušnou změnou spotřeby "svých spotřebičů". Plynule řízené versus neřízené (pouze připojované) spotřebiče Z blokového schématu je patrno, že SSR neovládá pouze jeden spotřebič, ale vytváří jakousi "pulsně řízenou větev" k níž lze připojit spotřebiče jak přímo (viz. Z0 v blok.schématu), tak i postupně pomocí vnitřních relé BEMS (Z1 a Z2 v blok. schématu). Další spotřebiče pak lze připojovat přes zbývající vnitřní relé BEMS přímo na fázi (neřízenou větev). Volba, zda připojit každý jeden spotřebič na řízenou či neřízenou větev je vždy závislá na konkrétní aplikaci. Všimněte si, že zdaleka ne všechny spotřebiče přebytků jsou připojeny do pulsně řízené větve. Není to vyloučené, ale ani žádoucí. Předně je nutno si uvědomit, že pulsní regulace střídá stavy "vše připojeno" se stavy "vše odpojeno" a je-li takto regulován velký výkon, nastávají v proudovém odběru velké změny, které vyvolávají změny úbytku napětí na přívodním vedení. Výsledkem je rychlé kolísání napětí sítě, které je sice v mezích normy a bez vlivu na funkci všech elektrických zařízení, ovšem s výjimkou svitu žárovek "Edisonek", u n i c h ž v y v o l á v á d o b ř e v i d i t e l n é b l i k á n í. Dalším důvodem je omezení typu spotřebičů vhodných k pulsní regulaci na elektrotepelné - v žádném případě nezkoušejte na řízenou větev připojit motor (brzy by shořel), ani cívku stykače nebo relé (záhy se umlátí). Na neřízené větvi již žádné takové omezení není. Aby však bylo možné spojité řízení odběru v celém rozsahu výkonu FVE, musí SSR v každém okamžiku regulace plynule řídit minimálně jeden spotřebič a zároveň musí být rozsah spojitého řízení větší, než největší možný skok v zátěži ( čili součet jmenovitých výkonů spojitě řízených spotřebičů musí být větší, než jmenovitý výkon největší zátěže neřízené). Zároveň je nutno pamatovat na to, že např. bojler tuto funkci nedokáže 4
vykonávat po celý den z toho důvodu, že se relativně brzy nahřeje a jeho termostat ho odpojí. První spotřebič bývá připojen přímo na výstup SSR. (viz. Z0 v blokovém schématu, obvykle to bývá bojler, protože je provozován po celý rok) Vestavěná relé mohou přímo spínat zátěž do 230V~, 5A (=cca 1kW), při vyšší zátěži je nutno doplnit stykače. Charakter řídícího signálu z regulátoru BEMS vyžaduje, aby polovodičový spínač byl typu SSR-ZS (solid state relay zero switch) triak s funkcí spínání v nule. Tento způsob řízení byl zvolen proto, že je nejšetrnější z hlediska elektromagnetické kompatibility a přitom je 4q elektroměrem plně akceptován. Plynulá regulace vlastní spotřeby je zásadní předností regulátoru BEMS. U stupňovitých regulací totiž předchází okamžiku připojení zátěže dlouhý časový interval, v němž přebytky FVE jsou značné, ovšem menší než výkon zátěže, takže zátěž zůstane nepřipojena a nevyužité přebytky odcházejí do sítě. V nejlepším případě se tak dá dosáhnout míry využití vlastní elektřiny okolo 70% a ve dnech malé sluneční aktivity nastává i taková situace, že za celý den regulace vůbec nesepne, protože přebytky elektřiny zůstanou pár procent pod prahem sepnutí první zátěže. Podpůrné funkce Virtuální spínací hodiny SH1 k omezení spínání nízkého tarifu v nežádoucích časových intervalech Je-li důvodný předpoklad, že přebytky elektrické energie z FVE nahradí část nakupovaného nočního proudu, může být v určitých časech vhodné zamezit sepnutí některých spotřebičů signálem z HDO a zajistit tak "úložný prostor" pro přebytky vlastní elektřiny. BEMS je pro tento účel vybaven softwarovým submodulem, plnícím funkci spínacích hodin SH1 s výstupem na relé K5. Příklad: akumulační nádrž pro vytápění RD je vybavena 3fázovou topnou vložkou ovládanou nočním proudem a zároveň druhou, původně záložní vložkou, která je nyní použita jako doplňková zátěž ke spotřebě přebytků. Obě vložky sdílejí stejnou nádrž, relé K5 se může hodit k omezení času sepnutí hlavní topné vložky. Virtuální spínací hodiny SH2 pro kombinované řízení spotřebičů regulátorem přebytků i signálem nočního proudu Existují ale i přístroje, u nichž je žádoucí, aby se účastnily spotřeby přebytků, ale zároveň je nutné zajistit zásobu energie nezávisle na slunci. Typickým příkladem je bojler. Má jedinou spirálu, která musí zároveň být k dispozici při regulaci přebytků a zároveň musí reagovat na ovládání signálem nočního proudu, aby bylo dostatek teplé vody i ve dnech slabé sluneční aktivity. K tomu účelu slouží virtuální spínací hodiny SH2 a konfigurační program umožňující zvolit, která relé mají na signál těchto hodin reagovat. Komunikace s okolím BEMS nemá vlastní klávesnici ani displej. Má ale sériové datové rozhraní RS485, které umožňuje uživateli propojení přístroje s PC a následnou konfiguraci přístroje úpravou dostupných parametrů či sledování měřených veličin v reálném čase. PC-program k tomu určený funguje ve všech verzích OS Windows (od verze 98). Jednofázová a třífázová verze Podle počtu měřených fází podporuje přístroj tři verze použití: J ednofázová verze: Uvnitř přístroje je vestavěn měřící proudový transformátor s lineárním rozsahem 0-12A. Tento rozsah měření proudu je dostačující pro FVE do výkonu okolo 5 kwi (pro větší výkon lze použít externí měřící transformátor s větším proudovým rozsahem). Jednofázová verze vyžaduje, aby byl k dispozici dostatek jednofázových spotřebičů. Měří a řídí se ta fáze, na níž je FVE. Ostatní dvě fáze nejsou měřeny, takže jejich proud není zohledněn při regulaci a je vždy nakupován ze sítě. Proto je v této verzi žádoucí přepojit co nejvíce jednofázových okruhů odběrného místa na tuto (měřenou) fázi, jinak regulace nemá žádaný efekt. Třífázová verze: Přístroj také může měřit všechny 3 fáze pomocí tří externích měřících transformátorů připojených k jeho analogovým vstupům. V takovém případě může BEMS ovládat jednofázové i třífázové spotřebiče. Třífázové měření přitom spolehlivě zajistí zohlednění veškeré spotřeby domácnosti. Výkon FVE v této verzi může být podstatně vyšší (stovky kw), podmínkou je pouze přiměřené dimenzování periférií regulátoru BEMS: proudových měřících transformátorů a spínacích přístrojů. (Díky převodu I/U zajištěnému proudovým transformátorem s odporovou zátěží je na vstupu regulátoru vždy střídavé napětí s rozsahem 0..1,5V. Výstup je pak vždy dán vzájemným poměrem sepnutých a nesepnutých period síťového napětí) takže chování samotného regulátoru pramálo záleží na velikosti výkonu, který řídí. U velkých výkonů spíše přestává stačit velikost reléové kaskády, což lze řešit použitím tří regulátorů - pro každou fázi samostatně, případně doplněním rozšiřujících modulů, s nimiž lze vytvořit až 50-stupňovou reléovou kaskádu.) Tříregulátorová verze: Tato verze je určena pouze pro 3f. FVE, a to do odběrných míst s elektroměrem, který (podle nové energetické vyhlášky) vyhodnocuje (a účtuje) tok elektřiny každou fází samostatně. V takovém odběrném místě vzniká nutnost samostatně v každé fázi řídit také spotřebu přebytků. Firmware regulátoru BEMS, určený pro tuto verzi, je proto vybaven třemi samostatnými PI regulátory. Každý PI regulátor samostatně řídí odběr ve své fázi (prostřednictvím svého SSR). Také každé z pětice relé má pevně určeno, který PI regulátor jej bude ovládat a musí pak spínat stykač přídavné zátěže napájené z přidělené fáze. Řízení spotřebičů v každé fázi samostatně zde vede k požadavku používat jednofázové spotřebiče, nebo třífázové spotřebiče zapojené do hvězdy, kde uzel hvězdy musí být nulován. Také nutnost spravedlivě rozdělit relé z kaskády všem 3 fázím zde radikálně sníží počet stupňů regulace, jehož důsledkem je vyšší poměr pulsně řízené spotřeby vůči spojité spotřebě a tím také více flikru (blikání žárovek). Proto by se použití této verze mělo omezit jen do míst s malou 3f FVE. V místech, kde výkon 3f. FVE přesahuje 10 kw, je lepším řešením použití 3 ks regulátoru BEMS. Provedení Veškeré funkce přístroje zajišťuje software použitého mikrokontroléru Atmel ATMega16L. Hardware je proto relativně jednoduchý a omezuje se na zajištění nutného fyzického rozhraní s okolím přístroje. Vnější provedení Regulátor BEMS je vestavěn do skříňky Modulbox 6M, uzpůsobené k montáži na DIN lištu. Rozmístění V/V svorek a jejich význam je patrný ze štítku přístroje: Horní strana přístroje (s diodami LED) je vyhrazena pro svorky s bezpečným malým napětím (5V). Všechny horní svorky jsou galvanicky odděleny od sítě s elektrickou pevností 4kV~. (mezi sebou navzájem již g a l v a n i c k y o d d ě l e n é n e j s o u ). Galvanické oddělení horní svorkovnice od sítě musí zůstat navěky - nikdy nespojujte žádnou z těchto svorek se síťovými vodiči - ani se středním, ba ani s ochranným vodičem PE! na první dvě svorky zleva je vyvedeno rozhraní RS485 sériové komunikace. Dalších šest svorek slouží jako analogové vstupy. Aby unipolární A/D převodník mikroprocesoru (0...5V) mohl měřit analogové hodnoty obou polarit (na sekundáru proudových transformátorů je střídavé napětí), je společná (common) svorka všech analogových vstupů posunuta na napětí 2,5V (svorka Vcc/2). Měřitelný rozsah bipolárních analogových hodnot je pak -2,5V +2,5V. Vstupy AI4,AI3,AI2 jsou určeny pro měření proudu fází L1, L2, L3 třemi externími proudovými transformátory, AI1 (původně rezerva) je překonfigurován na výstupní a je určen k řízení třetího SSR, vstup AI0 je využit pro získání informace z HDO o právě běžícím tarifu nakupované elektřiny. (kontakt relé bez cizího napětí, zapojený mezi tento vstup a GND) Poslední tři svorky obsahující dva digitální výstupy 0/5V a jejich společný potenciál GND. Jsou zdrojem řídícího signálu 5V,20mA pro řízení polovodičových spínačů SSR (Solid State Relay). SSR mají odběr řídících obvodů 8,5mA/5V a galvanicky oddělené silové obvody s optickou vazbou a dostatečnou elektrickou pevností. Jedním výstupem regulátoru BEMS proto lze řídit dvě tato SSR. Celý regulátor však "utáhne" maximálně 3 SSR. Na více již nestačí interní zdroj +5V. Pozn.: Uvnitř přístroje je umístěn ještě jeden analogový vstup měřící transformátor TM1 s lineárním rozsahem 0 12A, který je určen pro jednofázovou verzi regulace a zajišťuje v této verzi, že jediným nutným periferním obvodem regulátoru BEMS je spínač SSR, (samozřejmě kromě připojovaných spotřebičů). K vytvoření kompletního proudového snímače pak stačí izolovaný silový vodič protékaný měřeným proudem p r o v l é c i o t v o r e m v j á d r u m ě ř í c í h o t r a n s f o r m á t o r u T M 1. Tento vodič prochází svisle vnitřkem přístroje, mezerou mezi první a druhou čtveřicí svorek v dolní i horní svorkovnici (na fotografii vpravo je to tlustý rudý vodič). Izolace vodiče je nutná! (Aby se uvnitř přístroje nedalo sáhnout na jiné, než malé napětí, galvanicky oddělené od sítě). Dolní strana přístroje je vyhrazena pro silové svorky (galvanicky spojené s napětím rozvodné sítě 230V~). Svorky L1 (fáze) a N (střední vodič) slouží k napájení přístroje. K zajištění správné funkce přístroje je nutné, aby se jednalo o stejnou fázi, na níž je připojen výstup z měniče fotovoltaické elektrárny. Toto napětí totiž slouží jako referenční hodnota při stanovení fázových posuvů všech ostatních měřených analogových hodnot. 5
Na svorkové páry označené K1..K5 jsou vyvedeny spínací kontakty stejnojmenných relé. Zatížitelnost kontaktů je 5A~. Pokud je těmto kontaktům předřazen polovodičový spínač SSR, probíhá spínání kontaktů bez zatížení a nedochází k jejich opotřebení (před změnou stavu relé zablokuje BEMS řídící signál do SSR, po dokončení změny zase řídící signál do SSR uvolní). Relátka bez předřazeného SSR tuto ochranu nemají a pro zamezení jejich předčasného opotřebení je proto vhodné spínat jimi zátěž nepřímo-přes přídavný stykač. POZOR! Dolní svorkovnice je určena pro napětí 230V, nikoli 400V! Smí tam být všude pouze jediná fáze! Vnitřní provedení Galvanické oddělení Veškerá elektrická výbava přístroje je umístěna na jediné desce dvoustranného plošného spoje, obsahující 1. jak obvody malého napětí (5V pro mikroprocesor, 18V pro cívky relé), viz. horní část obrázku, 2. tak i silové obvody s napětím 230V~ (svorkovnice, kontakty relé, primár napájecího transformátoru), v dolní části obrázku Oba uvedené druhy napětí jsou od sebe vzájemně galvanicky odděleny. Elektrická pevnost mezi silovou a řídící částí přístroje (vyhoví zkoušce přiloženým napětím 4 kv~ po dobu 1 minuty) je zajištěna následovně: Na obou stranách desky plošného spoje odděluje oba potenciály více než 15mm široký pruh bez mědi (viz. obr.) Součástky uvnitř přístroje, které jsou připojeny k oběma potenciálům (použitá relé a napájecí transformátor) mají oba potenciály vzájemně galvanicky oddělené s elektrickou pevností 4kV~ garantovanou jejich výrobci. Totéž se vyžaduje i od periférií připojených k řídícím svorkám (měřících transformátorů a spínačů SSR); přístroje doporučené v tomto dokumentu tuto podmínku splňují. Popsané rozvržení součástek na desce plošného spoje zajišťuje při přístupu omezeném jen na stranu součástek ochranu před nebezpečným dotykem stupněm krytí IP20. Po sejmutí čelního krytu (s nalepeným štítkem) nelze nikde uvnitř nasahat nebezpečné napětí. Předepsané zapojení Kabeláž Striktně oddělujte silovku od elektroniky! Vodiče elektronické části - tedy vše, co je připojeno do horní svorkovnice, nesmí být v souběhu se silovými kabely, a už vůbec ne spolu se silovými vodiči uvnitř jednoho vícežilového kabelu! Zejména u souběhu se spínanými silovými vodiči hrozí průnik velkých napěťových špiček do elektronické části. Pokud se nelze souběhu vyhnout, pak alespoň maximalizujte vzájemnou vzdálenost (aspoň 5cm), pro elektroniku použijte stíněný kabel a jeho stínění přitom zásadně připojujte na GND BEMS. Jednofázová verze (použitelná pouze s 1f FVE, měření i regulace na jediné fázi) V jednofázové verzi provádí BEMS měření i regulaci spotřeby pouze v jedné fázi. Nutnou podmínkou je, aby právě na této fázi bylo připojeno vše, co regulaci ovlivňuje; výstup z FVE, napájení regulátoru BEMS, všechny spotřebiče určené k účelné spotřebě a konečně i všechny náhodně připojované spotřebiče v domácnosti, má-li být jejich odběr zohledněn při regulaci. S ohledem na efektivitu regulace je proto ideálním řešením přepojit na tuto fázi všechny jednofázové jističe v hlavním rozvaděči domácnosti. Pokud by po takové úpravě hrozilo přetížení hlavního jističe, lze určitě vytipovat silné spotřebiče obvykle používané mimo dobu sluneční aktivity (moc elektřiny se tím na nich neušetří; např. vysoušeč vlasů) a příslušné jističe ponechat na jiné fázi. Výhody: Jednoduché zapojení, obvykle s využitím vestavěného proudového transformátoru Jediným nutným externím přístrojem je jedno SSR Nevýhody: Úspory se netýkají proudu v ostatních fázích; do jisté míry lze tento nedostatek řešit v domovním r o z v a d ě č i p ř e p o j e n í m v y b r a n ý c h o k r u h ů n a m ě ř e n o u f á z i. K řízení účelné spotřeby nelze použít spotřebiče napájené z více fází. Zajištění správné polarity proudu vůči napětí Pro správnou funkci regulátoru je nutná správná polarita měřeného proudu ve vztahu k měřenému napětí (zda spolu bodou ve fázi či protifázi). Ta závisí na orientaci průvlaku primárního vodiče jádrem měřícího transformátoru. U interního snímače je orientace průvlaku jasná - dolní strana směřuje do sítě, horní do objektu. Jumper pro obrácení polarity Při použití externího snímače (natož pak snímače jiného typu a výrobce) však jsou vždy dvě možnosti - vyjde to správně, nebo obráceně. Aby v případě, že zafungují Murphyho zákony, nebylo nutné složitě obracet orientaci průvlaku, umí BEMS z a j i s t i t s t e j n ý v ý s l e d e k t í m, ž e s i o b r á t í p o l a r i t u n a m ě ř e n é h o n a p ě t í. Pokyn mu k tomu dáte tím, že propojíte jumperem piny 7 a 8 na osmipinové kolíkové liště umístěné na levé straně přístroje. (rudý jumper na fotografii demonstruje popsané propojení; normálně je jumper nasazen jen na jednom pinu j a k o z á l o h a p r o p ř í p a d n é p o u ž i t í. ) Pozn: V nouzi lze stejného efektu dosáhnout i bez jumperu a to vzájemným prohozením napájecích vodičů (L1 a N) BEMS. Rozpor mezi označením na štítku a skutečností je pak pro elektrikáře (pravidelně cipovaného školením z vyhlášky č.50) sice trochu drsný, ale bez vlivu na bezpečnost zařízení; svorky L1,N vedou uvnitř přístroje pouze na primární vinutí napájecího transformátoru jištěné skleněnou pojistkou. Správnou polaritu určíte monitorováním proudu pomocí PC připojeného k regulátoru rozhraním RS485. (vhodným spotřebičem k vyvolání dobře pozorovatelných proudových změn je rychlovarná konvice.) Je-li orientace průvlaků správně: pak PC zobrazuje proud jako kladný při nadvýrobě FVE a jako záporný při odběru ze sítě. LED na SSR při nadvýrobě bliká, při odběru ze sítě je trvale zhasnuta. Pozn: Signál "N-Tarif" pro BEMS musí být bez jakéhokoli vnějšího napětí a galvanicky oddělený od sítě (!) - propojuje dva vývody mikroprocesoru; viz relé KA1 ve schématu. V žádném případě nepřipojujte signální vodič NT od HDO přímo do BEMS! Nejen, že to nefunguje, ale navíc byste zavlekli do BEMS nulák a zrušili tím galvanické oddělení elektroniky BEMS od sítě! Pozor! Kontakty relé regulátoru mohou spínat proud do 5A, tj. zátěž do 1 kw. Pokud je zátěž větší, je nutno spínat ji p ř e s p ř í d a v n ý s t y k a č. Cívka stykače musí být ovládána plným jmenovitým napětím, pro které je určena - nikdy ne modulovaným napětím z výstupu SSR! Tam je sice také napětí 230V, ale přerušované, a to až 25x za vteřinu. Stykač pak příšerně řachtá a dlouho to nevydrží! Obrázek vpravo znázorňuje příklad použití přídavného stykače ovládaného kontaktem relé K1. Předpokládá se stykač S1 s cívkou 230V~. K ovládání stykače je použito napájecí napětí BEMS - krátká propojka mezi svorkami L1 a K1 přímo na regulátoru. Na silové kontakty stykače pak už lze přivést jak modulované napětí z výstupu SSR, tak plné napětí z libovolné f á z e ( s a m o z ř e j m ě p ř e s s p r á v n ě d i m e n z o v a n ý j i s t i č ). Dimenzování jističů Jistič FU2 stačí dvouampérový (pro BEMS slouží spíš jako vypínač (BEMS má vlastní skleněnou pojistku), pak j i ž j i s t í j e n c í v k y p ř í p a d n ý c h s t y k a č ů. Jistič FU3 musí být dimenzován pro současný chod všech spotřebičů připojených k výstupu SSR. 6
Třífázová verze (pro 3f FVE, 3f měření, regulace podle elektroměru distributora) POZOR - nasazení nových elektroměrů, které účtují každou fázi samostatně, zde značně zamíchalo kartami. Tyto elektroměry jsou dnes u nových FVE již zaváděny všemi distributory. Zatímco u FVE bez regulace výrazně snižují dosažitelnou míru využití vlastní elektřiny, regulaci zase komplikují a prodražují. Zatímco dříve k dokonalému výsledku regulace přebytků stačila jediná, relativně jednoduchá a univerzální verze regulace (níže uvedená pod bodem 1), nyní je nutné vyhodnotit celou řadu kritérií (velikost FVE, typy spotřebičů a jejich vliv na symetrii toku elektřiny v jednotlivých fázích, požadovanou míru využití přebytků), dobře navrhnout zapojení a vybrat nejvhodnější firmware pro BEMS: 1. jednoregulátorový součtový algoritmus - regulace na energetickou rovnováhu (firmware:" BEMS XXXX_upg.hex")- první, dnes již klasická verze, výhradně používaná v letech 2010 a 2011. V odběrných místech s původním (součtovým) elektroměrem dosahuje dokonalých výsledků. Na jmenovité napětí, topologii spotřebičů a symetrii odběru zde nejsou kladeny žádné zvláštní požadavky. V odběrných místech s novým elektroměrem je situace značně odlišná - nesmírně zde totiž záleží na symetrii výroby i spotřeby elektřiny ve všech fázích. Pokud v odběrném místě je měnič FVE, vyrábějící do každé fáze stejné množství elektřiny a zároveň třífázové symetrické spotřebiče připojené ke BEMS, pak jsou výsledky regulace opět dokonalé. Pokud však nastane nesymetrie ve výrobě nebo odběru, projeví se odchylka od symetrie současným odběrem v jedné fázi a dodávkou v jiné fázi. Tato nesymetrická složka odběru (nikoli celý odběr) se pak majiteli prodraží téměř plnou nákupní cenou elektřiny. Výrazný problém je to zejména u jednofázového bojleru, který vnáší do regulace velkou a dlouhodobou nesymetrii a dokáže tento regulační algoritmus znehodnotit až do čistého prodělku. Proto je tento algoritmus u nových elektroměrů zcela nevhodný. 2. jednoregulátorový součtový algoritmus - regulace na peněžní rentabilitu (firmware:" BEMS XXXX_Hodice_upg.hex") - jedná se o drobnou úpravu předchozího algoritmu, ovšem v případě nového elektroměru a nesymetrického odběru velmi významnou: algoritmus vychází z rozdílné ceny nakupované a prodávané elektřiny. Pokud vlivem nesymetrického odběru dojde k nákupu elektřiny (některá fáze začne odebírat ze sítě), regulátor "dupne na brzdu" a tuto nakupovanou složku výrazně omezí - částečně tím však omezí také spotřebu přebytků ve zbývajících fázích. Výsledkem je kompromis, kdy část přebytků odejde do sítě, ale průměrná cena získané energie (dílem nakoupené, dílem vlastní zachráněné) zůstane stále ještě nižší, než cena nakupované elektřiny v době nízkého tarifu. Zde je nutno připomenout, že se opět jedná pouze o nesymetrickou složku odběru, obvykle způsobenou jednofázovým spotřebičem. Pokud jsou výroba i odběr symetrické, pak jsou spotřebovány všechny přebytky. Tento (byť kompromisní) algoritmus dosahuje dobrých výsledků u větších FVE s výraznou převahou symetrických třífázových spotřebičů. 3. tříregulátorový algoritmus - regulace na nulu v každé fázi zvlášť (firmware:" BEMS XXXX_3PI_upg.hex") firmware BEMS zde obsahuje tři samostatné PI regulátory (= v jedné krabičce jsou tři shodné prográmky), každý z nich měří a reguluje svou fázi. Dokáže tak nekompromisně spotřebovat všechny přebytky, samostatná regulace každé fáze však s sebou přináší nutnost používat spotřebiče výhradně o jmenovitém napětí 230V (mohou být třífázové, ale v zapojení do Y a s povinně nulovaným uzlem, k nimž budeme přistupovat jako k jednofázovým). Toto omezení nutně vede k potřebě odlišného (složitějšího) z a p o j e n í n e ž v p ř e d c h o z í c h d v o u v a r i a n t á c h. Protože je však počet výstupů určených k řízení spotřeby nutno rozdělit mezi tři fáze a navíc spotřebiče musí být pouze jednofázové, hodí se pouze pro menší FVE s malým počtem spotřebičů přebytků. Přidělení výstupů jednotlivým fázím: o o L1: SSR1 řízený ze svorky DO0 + kaskáda relé K1 a K2 L2: SSR2 řízený ze svorky DO6 + relé K3 o L3: SSR3 řízený ze svorky AI1 + relé K4 +(volitelně konfigurací) relé K5 4. Tři regulátory BEMS, každý s jednofázovým měřením a klasickým algoritmem (viz.bod 1) (firmware:" BEMS XXXX_upg.hex") - jedná se vlastně o hardwarovou obdobu třetího algoritmu, ovšem s podstatně větším počtem připojitelných spotřebičů. Každé BEMS má k dispozici kaskádu až 3 SSR a následující kaskádu 5 relé - 8 stupňů regulace. S takovým zařízením lze regulovat na nulu i velké FVE bez kompromisu a bez závislosti na měřícím algoritmu elektroměru. Opět je zde však omezení na spotřebiče přebytků výhradně o jmenovitém napětí 230V. (nebo třífázové, v zapojení do Y a s povinně nulovaným uzlem, k nimž budeme přistupovat jako k jednofázovým) Společné pravidlo pro všechny verze: k třífázové elektrárně patří třífázový bojler. U prvních dvou algoritmů se chová jako symetrický spotřebič, u dalších dvou pak (coby spotřebič obvykle s nejvyšší prioritou) zajistí spotřebu i malých přebytků, ať už jsou v kterékoli fázi. Pozn.: Ne vždy jsou u algoritmů 3 a 4 k dispozici spotřebiče výhradně na 230V. Pokud se vyskytne potřeba připojit 3f. spotřebič zapojený do trojúhelníku, pak by měl být ovládán výstupem s nejnižší prioritou regulátoru té fáze, která má nejméně přebytků. Další podmínkou je, že fázový proud tohoto spotřebiče musí být menší, než jmenovitý proud spotřebičů, ovládaných pomocí SSR. Cena bez DPH*: BEMS: Modul 3F snímačů: 2.900 Kč 690 Kč Karta reálného času: 160 Kč SSR RM 1A40D50: Kabel USB/RS232: 1.100 Kč 239 Kč * Cena je uvedena bez instalace, která může být odlišná v závislosti na složitosti zapojení systému v domácnosti. Případně je třeba počítat s náklady za elektromateriál. Kontaktní adresa: Nelumbo Energy a.s., Podbabská 1112/13 Praha 6, 160 00. www.nelumbo.cz nelumbo@nelumbo.cz 7