Ondřej Novák Katedra řídicí techniky FEL ČVUT Řízení spotřeby domácností s ohledem na bezpečnou integraci OZE Koncept řídicího systému a představení pilotního projektu Ondřej Novák Katedra řídicí techniky FEL ČVUT České vysoké učení technické v Praze Ondřej Novák, ČVUT ondrej.novak@fel.cvut.cz Projekt BIOZE

Projekt BIOZE Společný projekt FAV ZČU, FEL ČVUT, FEL ZČU, Pontech s.r.o. a Cygni spol. s r.o. Grant TAČR projekt Alfa TA01020865 Dílčí projekt: řízení spotřeby s ohledem na integraci OZE Možnost efektivnějšího využití elektráren – nemusí držet tolik rezerv – vhodnější provozní režim, není potřeba stavět elektrárny sloužící jen k pokrytí špiček (jinak nevyužitých) Oddálení nutnosti budování nových elektráren a vedení k pokrytí špičkových odběrů – jako alternativa – vždy je nutno posoudit zda se v dlouhodobém měřítku vyplatí spíše postavit elektrárnu, nebo zavést DSM Kompenzace nerovnoměrné výroby OZE – v našich podmínkách (FVE) je v tomto perspektivní spíše lokální řízení spotřeby u malých odběratelů Projekt BIOZE

Skupina řízení energetických systémů Výzkumná skupina při Katedře řídicí techniky Elektrotechnické fakulty ČVUT zabývající se modelováním, simulacemi a optimalizacemi v energetice Spoluřešitel projektu BIOZE Od roku 2005 spoluřešitel projektu SESyS – Spolehlivost a ekonomika systémových služeb pro ČEPS, a.s. Modelování dispečerského řízení v přenosové soustavě Simulační optimalizace regulačních rozsahů podpůrných služeb rutinní nasazení jako analytický nástroj pro přípravu podkladů k roční přípravě provozu přenosové soustavy Projekt BIOZE

Řízení spotřeby Cíl: minimalizace negativních dopadů instalovaných OZE (FVE) na DS Přetok do DS Přepětí v síti Idea: spotřebovat energii v místě, kde se vyrobila Akumulace výroby FVE do bojlerů v domácnostech Projekt BIOZE

Cíle řízení spotřeby Výkonová bilance trafostanice 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 -100 -50 50 100 Dny Výkon [kW] Výkonová bilance trafostanice Bilance po optimalizaci Původní bilance import 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -600 -400 -200 200 400 600 800 Dny Energie [kWh] Importovaná a exportovaná energie 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -100 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 100 Dny Výkon [kW] Maximální import a export export Bez řízení spotřeby S řízením spotřeby Projekt BIOZE

Princip řídicího algoritmu Predikce neovládané spotřeby Predikce neovládané spotřeby Predikce neovládané výroby Predikce neovládané výroby Optimalizátor Ovládaná spotřeba + - + Výsledná bilance Možnost efektivnějšího využití elektráren – nemusí držet tolik rezerv – vhodnější provozní režim, není potřeba stavět elektrárny sloužící jen k pokrytí špiček (jinak nevyužitých) Oddálení nutnosti budování nových elektráren a vedení k pokrytí špičkových odběrů – jako alternativa – vždy je nutno posoudit zda se v dlouhodobém měřítku vyplatí spíše postavit elektrárnu, nebo zavést DSM Kompenzace nerovnoměrné výroby OZE – v našich podmínkách (FVE) je v tomto perspektivní spíše lokální řízení spotřeby u malých odběratelů Dvoufázový výpočet časů spínání bojlerů: 1. fáze: Minimalizace toků výkonu z a do oblasti (= maximalizace využití lokálně vyrobené energie) Podle predikované výroby a spotřeby v řízené oblasti na 12 hodin Výsledek: referenční výkonová bilance oblasti na následujících 12hodin 2. fáze: Dodržení vypočtené reference z 1.fáze Optimalizace spínání jednotlivých bojlerů Výpočet každých 5 minut Optimalizační omezení: Kapacita bojlerů (dostatek teplé vody) Omezení spínání bojlerů (zamezení nadměrnému opotřebení) Projekt BIOZE

Princip řídicího algoritmu Predikce neovládané spotřeby Neovládaná spotřeba Neovládaná výroba Predikce neovládané výroby Optimalizátor Ovládaná spotřeba + - + Výsledná bilance Možnost efektivnějšího využití elektráren – nemusí držet tolik rezerv – vhodnější provozní režim, není potřeba stavět elektrárny sloužící jen k pokrytí špiček (jinak nevyužitých) Oddálení nutnosti budování nových elektráren a vedení k pokrytí špičkových odběrů – jako alternativa – vždy je nutno posoudit zda se v dlouhodobém měřítku vyplatí spíše postavit elektrárnu, nebo zavést DSM Kompenzace nerovnoměrné výroby OZE – v našich podmínkách (FVE) je v tomto perspektivní spíše lokální řízení spotřeby u malých odběratelů Dvoufázový výpočet časů spínání bojlerů: 1. fáze: Minimalizace toků výkonu z a do oblasti (= maximalizace využití lokálně vyrobené energie) Podle predikované výroby a spotřeby v řízené oblasti Výsledek: referenční výkonová bilance oblasti na následujících 12h 2. fáze: Dodržení vypočtené reference z 1.fáze Optimalizace spínání jednotlivých bojlerů Výpočet každých 5 minut Optimalizační omezení: Kapacita bojlerů (dostatek teplé vody) Omezení spínání bojlerů (zamezení nadměrnému opotřebení) Projekt BIOZE

Implementace řídicího algoritmu s měřením výkonové bilance na DTS „DD“ FVE TDD Meteodata předpověď oblačnosti (t : t + TP ) Neovládaná výroba a spotřeba bilance neovládané spotřeby (t) typická výroba FVE (t : t + TP ) denní diagram spotřeby (t : t + TP) Predikce neovládané výroby (FVE) a spotřeby Možnost efektivnějšího využití elektráren – nemusí držet tolik rezerv – vhodnější provozní režim, není potřeba stavět elektrárny sloužící jen k pokrytí špiček (jinak nevyužitých) Oddálení nutnosti budování nových elektráren a vedení k pokrytí špičkových odběrů – jako alternativa – vždy je nutno posoudit zda se v dlouhodobém měřítku vyplatí spíše postavit elektrárnu, nebo zavést DSM Kompenzace nerovnoměrné výroby OZE – v našich podmínkách (FVE) je v tomto perspektivní spíše lokální řízení spotřeby u malých odběratelů Optimalizátor Ovládaná spotřeba Měření výkonového toku DTS příkon ovládané spotřeby (t) predikce průběhu výroby FVE (t : t + TP ) příkazy pro ovládání bojlerů (t) saldo výkonu DTS (t) predikce průběhu spotřeby (t : t + TP ) měření předávaná data TP – predikční horizont výpočtu = 12 hodin Projekt BIOZE

neovládané výroby (FVE) a spotřeby Implementace řídicího algoritmu s modelovanou výkonovou bilancí DTS (bez on-line měření bilance) „DD“ FVE TDD Meteodata denní diagramy spotřeby(t) a typická výroba FVE (t) korigované podle aktuálního počasí předpověď oblačnosti (t : t + TP ) „DD“ FVE TDD typická výroba FVE (t : t + TP ) denní diagram spotřeby (t : t + TP) Predikce neovládané výroby (FVE) a spotřeby Možnost efektivnějšího využití elektráren – nemusí držet tolik rezerv – vhodnější provozní režim, není potřeba stavět elektrárny sloužící jen k pokrytí špiček (jinak nevyužitých) Oddálení nutnosti budování nových elektráren a vedení k pokrytí špičkových odběrů – jako alternativa – vždy je nutno posoudit zda se v dlouhodobém měřítku vyplatí spíše postavit elektrárnu, nebo zavést DSM Kompenzace nerovnoměrné výroby OZE – v našich podmínkách (FVE) je v tomto perspektivní spíše lokální řízení spotřeby u malých odběratelů Optimalizátor Ovládaná spotřeba Load Flow model sítě změřený příkon a napětí v místech ovládání spotřeby (t) predikce průběhu výroby FVE (t : t + TP ) příkazy pro ovládání bojlerů (t) saldo výkonu DTS (t) predikce průběhu spotřeby (t : t + TP ) TP – predikční horizont výpočtu = 12 hodin Projekt BIOZE

Pilotní projekt Horušany Horušany (Plzeňský kraj) malá obec připojená k DS jednou napájecí TS (250kVA) instalované zdroje FVE 120 kWp problémy se s dodržováním napěťových limitů „exportní saldo“ obce Projekt BIOZE

Simulační výsledky řízení Prováděna za předpokladu možnosti řízení všech bojlerů v oblasti (40 domácností) Prováděna pro období duben-květen 2011 (dostupná měření toku výkonu na DTS) Spotřeba vody v domácnostech simulována na základě dat z projektu IEA ECBS – nemáme k dispozici měření spotřeby TUV Simulace podle měřené bilanci na DTS Projekt BIOZE

Simulační výsledky řízení Simulovány 3 scénáře demonstrující vliv informace o stavu bojleru (množství teplé vody): Scénář 1: bojlery bez měření množství teplé vody objem teplé vody nesmí klesnout pod 45% celkové kapacity nutno zajistit alespoň 1x denně nahřátí na 100% kapacity (pro synchronizaci odhadu stavu a skutečného stavu bojleru) Scénář 2: bojlery vybaveny senzorem detekujícím vybití na 25% kapacity teplé vody objem teplé vody nesmí klesnout pod 20% celkové kapacity Scénář 3: bojlery vybaveny senzorem detekujícím stav, kdy je objem teplé vody menší než 25%, nebo větší než 75% celkové kapacity objem teplé vody nesmí klesnout pod 20 % celkové kapacity Projekt BIOZE

Simulace řízení - výsledky Scénář 1 2 3 Snížení exportu [%] 42,4 46,9 51,1 Snížení importu [%] 26,5 25,3 24,9 Snížení rozsahu min-max výkon [%] 34,7 36,4 38 Snížení přenášené energie (za 4 dny) [MWh] 24,1 26,7 1,13 1,25 1,26 Projekt BIOZE

Simulace řízení – detail 24h, scénář 1 EMAX = 65 kWh (maximální import) EMIN = -84 kWh (maximální export) SE+ = 608 kWh (celková spotřeba) SE- = -503 kWh (celková výroba) EMAX = 58 kWh EMIN = -56 kWh SE+ = 496 kWh SE- = -418 kWh Projekt BIOZE

Výsledky řízení spotřeby v reálném provozu 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 -100 -50 50 Čas Výkony [kW] Výkon na trafostanici řízení bojlerů bez řízení bojlerů K řízení k dispozici 6 bojlerů ~ 13kW Projekt BIOZE

Výsledky řízení spotřeby v reálném provozu Detail vlivu řízení spotřeby na výkonovou bilanci DTS Sepnutí 13 kW na 15 minut Projekt BIOZE

Shrnutí navržený algoritmus umí potlačit až na polovinu exportní charakter oblasti řešení nabízí lepší využití přenosových kapacit DS zlepšení kvality dodávky (stabilizace napětí) možné úspory investic do posilování sítě Projekt BIOZE

Další vývoj Implementace optimalizátoru jako embedded systém (na ARM architektuře) Vývoj algoritmů pro odhad spotřeby TUV z příkonu bojleru Rozšíření pilotního projektu o měření spotřeby vody (přinese zpřesnění řízení provozu bojlerů) Extrapolace řídicího schématu pro regulace na VN úrovni optimalizace provozu VN oblasti generující žádané hodnoty výkonu pro regulaci na NN úrovni decentralizovaná kooperace mezi více NN oblastmi Projekt BIOZE