VKLJUČITEV HRANILNIKA ELEKTRIČNE ENERGIJE V DISTRIBUCIJSKO OMREŽJE

Transcription

1 VKLJUČITEV HRANILNIKA ELEKTRIČNE ENERGIJE V DISTRIBUCIJSKO OMREŽJE BORIS TURHA Elektro Ljubljana d.d. Boris.Turha@elektro-ljubljana.si, JURIJ CURK Metronik Energija d.o.o. Jurij.Curk@metronik.si MILAN ŠVAJGER Elektro Ljubljana d.d. Milan.Svajger@elektro-ljubljana.si Povzetek V referatu so predstavljene izkušnje delujočega električne energije v Elektro Ljubljani. Hranilnik je postavljen v omrežje s proizvodnjo iz obnovljivih virov in polnilno postajo za polnjenje električnih vozil. Izvedene so bile meritve kakovosti električne energije skladno s SIST EN Meritve kakovosti napetosti so pokazale, da delovanje nima negativnega vpliva na kakovost napetosti. Izdelana sta bila dva algoritma polnjenja in praznjenja glede na več vhodnih parametrov stanja omrežja. Poenostavljen algoritem za delovanje upošteva lokalno obremenitev omrežja (zniževanje koničnega odjema oz. izravnava porabe), proizvodnjo iz obnovljivih virov (znižanje povečanega obsega OVE na obratovanje EES), porabo zaradi polnjenja električnih vozil ter polnjenje v nočnem času (prenos nočne energije v dnevno porabo). Napredni algoritem pa poleg vhodnih parametrov omrežja poenostavljenega algoritma upošteva še podporo napetostnih razmer in nudenja sistemskih storitev terciarne regulacije (upravljanje s porabo). Ključne besede: Hranilnik električne energije, distribucijsko omrežje, OVE, polnilnica električnih vozil, algoritmi polnjenja in praznjenja INTEGRATION ENERGY STORAGE SYSTEMS INTO DISTRIBUTION NETWORK Abstract - This article presents the experience of a functioning storage of electricity in Elektro Ljubljana. The electric energy storage is placed in a grid with renewable sources and a charging station for electric vehicle. We carried out measurements of quality of electricity supply in accordance with the standard EN Quality measurements voltages have shown that the operation of the storage does not have a negative impact on the quality of the supply. Two algorithms for filling and emptying the storage depending on the number of input parameters of the network status were made. The basic algorithm for the operation of the storage takes into account the local network load (reduction of peak consumption respectively) production from renewable energy sources (RES increased volume reduction in power system operation), consumption due to the charging of electric vehicles and charging at night (nocturnal transfer of energy in daily use ). In addition the advanced algorithm to the input parameters of the network basic algorithm takes into account further support voltage conditions and providing ancillary services of tertiary control (power management). Keywords: Electric Energy Storage, Distribution Network, algorithms for charging and discharging, 1

2 UVOD Vse večje potrebe po električni energiji se krijejo z gradnjo novih proizvodnih zmogljivosti klasičnega tipa, vedno bolj pa se tudi v skladu z EU politiko gradijo proizvodne enote, ki uporabljajo obnovljive vire kot so sončna, vetrna energija, energija biomase ter drugo. Za boljši izkoristek obstoječih proizvodnih enot in bolj skladno delovanje elektroenergetskih sistemov zaradi vključevanja alternativnih virov energije, katerih značilnost je precej nenačrtovana prisotnost tekom obratovanja, se razmišlja o uporabi hranilnikov energije. Sistemske storitve, kot so razne rezerve in regulacije, ki omogočajo stabilno obratovanje prenosnega omrežja, so zelo pomemben del vodenja EES. Prav tako pa so postale tudi tržno blago na trgu električne energije. Z njimi se dosega stabilno obratovanje EES in več motnjam v obliki naključnih velikih sprememb bilance moči proizvodnje in porabe je EES izpostavljen, več sistemskih storitev potrebuje. V zadnjem času je tehnologija hranjenja el. energije tako napredovala, da jo lahko v velikih količinah hranimo na poljubnem mestu, ne da bi za to potrebovali posebne naravne pogoje, kot os na primer reke, jezera, rudniki soli.to nam omogoča hraniti energijo v obstoječih elektroenergetskih objektih ali pri porabnikih, kjer vsa potrebna infrastruktura že obstaja. Namen referata je definirati optimalen režim polnjenja/praznjenja električne energije ter raziskati možnosti za uporabo hranilnikov električne energije za potrebe različnih funkcij v obratovanju EES, ki se vežejo na vključitev obnovljivih virov, e-mobilnosti in zagotavljanja sistemskih storitev za delovanje EES na okolju prijazen način. I. HRANILNIK ELEKTRIČNE ENERGIJE NA TROJANAH Po proučitvi možnih lokacij v našem omrežju smo se odločili za lokacijo na Trojanah ob transformatorski postaji Konjšek. Na TP Konjšek je priključeno gostinsko podjetje, ki ima znotraj objekta priključeno SPTE z močjo 30,4 kva, na strehi ima dve sončni elektrarni s skupno močjo 80,2 kva, poleg pa je še polnilna postaja za električna vozila z močjo 2 x 22 kw. Hranilnik je sestavljen iz dveh baterij (Slika1.1), ki sta postavljeni poleg transformatorske postaje in omare z usmernikom/razsmernikom, ki je lociran v prostoru z diesel agregatom. Razsmernika sta dva, za vsako baterijo posebej. Posamezen razsmernik je sestavljen iz sedmih enot na fazo. Moč posamezne enote je 250 W. Razsmernik je sestavljen iz večih enot, ker se testira obratovanje pri delni moči, kjer sodeluje le del enot in ne vse in tako se zmanjša mirovna poraba (stand by). Diesel agregat je namenjen za zasilno napajanje v primeru izpada omrežja in nima sinhronizacije na omrežje. Hranilnik je priključen na notranje inštalacije objekta. Slika1.1: Zunanji bateriji in notranja omara z razsmernikom/usmernikom 2

3 Hranilnik na Trojanah temelji na tehnologiji pretočnih baterij VRB (Vanadijeve redoks baterije). Posamezna baterija ima moč 5 kw in je zmožna shraniti 20 kwh električne energije. Skupna moč obeh baterij je 10 kw in lahko shranijo 40 kwh električne energije. Posamezna baterija tehta 2,2 T. Napetost polnjenja baterije je 55 VDC ± 1,5 V DC, napetost praznjenja baterije je 49,5 VDC ± 1,5 V DC. Tehnologija se že nekaj časa uporablja v različnih aplikacijah npr. 2 MWh za pokrivanje konične obremenitve ali uporaba 1,5 MW/12 MWh za vetrne elektrarne, kjer zaradi pogostega spreminjanja ciklov v vetrnih aplikacijah, konvencionalne baterije niso primerne. Gre za baterije s pretakanjem elektrolita skozi baterijo, ki ne ostane v celičnem bloku, ampak ves čas kroži. Pretočne baterije (Slika 1.2) ne spadajo v skupino navadnih baterij, kjer kemična reakcija poteka med elektrolitom in elektrodo, temveč predstavljajo posebno vrsto baterij, v katerih se kemijski proces izvede v celičnem bloku med dvema elektrolitoma, ki sta ločena z membrano. Novejši pa imajo sita, ki so mnogo trajnejša. Zato tudi življenjska doba ciklov namesto Oba elektrolita sta shranjena v ločenih rezervoarjih, pri čemer je prvi pozitivno nabit (reducent), drugi pa negativno (oksidant). Posebnost pretočnih baterij je, da sta moč in količina shranjene energije medsebojno neodvisni. Moč definira število celičnih blokov, količino shranjene energije pa v rezervoarjih shranjeni elektrolit. Slika 1.2: Shema pretočne baterije Slika 1.3: Notranjost baterije 3

4 II. MERITVE NA HRANILNIKU ELEKTRIČNE ENERGIJE Hranilnik od postavitve deluje v samodejnem načinu polnjenja in praznjenja. Ko se napolni na 100% gre v praznjenje do 0% nato se ponovno napolni. Na mestu priključitve na omrežje se je namestil analizator kakovosti e.e. PQ Box 100, proizvajalca A.Eberle. Merljivi parametri kakovosti napetosti, toka, moči in energije skladno s SIST EN Nastavljena je bila 1 minutna merilna perioda, v smislu zajema večje dinamike se izbrana merilna perioda razlikuje od standardne (10 min). Slika 2.1. prikazuje 1 minutno delavno in jalovo moč polnjenja oz. praznjenja. Meritve v pozitivni smeri predstavljajo čas polnjenja, meritve v negativni smeri pa predstavljajo čas praznjenja. Slika 2.1: 1 minutni diagram P in Q polnjenja in praznjenja Hranilnik za polnjenje iz 0 na 100% v povprečju porabi 5 ur, povprečna delavna moč polnjenja je 11,32 kw. Za celotno polnjenje se porabi 60 kwh električne energije. Povprečni tok polnjenja znaša 16,4 A. Povprečna jalova moč polnjenja je kapacitivnega karakterja in znaša 1,21 kvar. Med polnjenjem se obnaša kot kapacitivno breme, kar pomeni, da jalovo energijo oddaja v omrežje. Hranilnik za popolno praznitev potrebuje 3,4 ure, povprečna moč praznjenja je 8,28 kw. Oddana energija v omrežje je 27,6 kwh. Povprečni tok praznjenja znaša 11,9A. Povprečna jalova moč praznjenja je induktivnega karakterja in znaša 0,51 kvar (hranilnik prejema jalovo energijo iz omrežja). 4

5 Kakovost napetosti na priključnih sponkah EE je v skladu s standardom SIST EN Iz opravljenih meritev ni razvidnega negativnega vpliva delovanja EE na kakovost napetosti. Grafični prikaz poteka povprečnih, minimalnih in maksimalnih napetosti prikazuje slika 2.2. Povprečne napetosti: Minimalne napetosti: Maksimalne napetosti: Slika 2.2: 1 minutni diagram povprečnih, minimalnih in maksimalnih napetosti 5

6 V času praznjenja je zabeleženo povečanje vsebnosti harmonskih tokov (še v okviru priporočenih vrednosti), kar ne vpliva bistveno na harmonske vrednosti napetosti. Na ostale merljive parametre režim polnjenja ali praznjenja nima vpliva. Grafični prikaz poteka povprečnih in maksimalnih faznih tokov prikazuje slika 2.3. Povprečni fazni tokovi: Maksimalni fazni tokovi: Slika 2.3: 1 minutni diagram povprečnih in maksimalnih tokov Izgube nastajajo tako v sami bateriji, vodnikih med baterijo in usmernikom/razsmernikom, kot tudi na samem usmerniku in razsmerniku. Izgube pri polnjenju: 5,5% izgube zaradi Buck Boost funkcije na bateriji 4% izgube na vodnikih med baterijama in razsmernikom 8,3 % izgube na usmerniku ( izkoristek usmernika je 91,7% z vso pomožno elektroniko krmiljenja) 1,7% izgube v mirovanju razsmernika (tudi pri polnjenju) Izgube pri praznjenju: 24% izgube na sami bateriji (76% izkoristek zaradi izgub na regenerativni celici, črpalke za elektrolit, krmilna elektronika in ventilatorji) 5,5% izgube zaradi Buck Boost funkcije na bateriji 4% izgube na vodnikih med baterijama in razsmernikom 14% izgube v razsmerniku (86% izkoristek razsmernika) Skupne izgube cikla polnjenja in praznjenja so 54%, oz. je skupni izkoristek 46%. 6

7 III. POENOSTAVLJEN ALGORITEM ZA POLNJENJE IN PRAZNJENJE HRANILNIKA Algoritem polnjenja in praznjenja smo na začetku definirali tako, da se hranilnik napolni ponoči, ko je manjša poraba v omrežju in čez dan, ko je presežek energije iz sončnih elektrarn, toda le, če ni hkratne potrebe po praznjenju. Praznjenje smo definirali v času, ko se polni električno vozilo na polnilni postaji ali ko je presežena konična moč. V obeh primerih hranilnik skrbi, da ne bi prišlo do presežka konične moči. Na osnovi teh parametrov se je izdelala pravilnostna tabela oz. tabelo vhodnih stanj, ki jo prikazuje tabela 3.1.: Vhodne spremenljivke so: nočno polnjenje, trenutna moč sončne elektrarne (ob presežku nastavljene moči), polnjenje el. vozila, dosežene konične moči odjema iz omrežja. Izhodne spremenljive pa so stanja : polnjenje, praznjenje ali mirovanje. Zapišemo vsa možna stanja, čeprav vemo, da sončna elektrarna ne more proizvajati el. energije v nočnem času. Nočno polnjenja polnjenje el. vozila Konična moč Stanje P MFE > P SET mirovanje praznjenje praznjenje praznjenje polnjenje praznjenje praznjenje praznjenje polnjenje praznjenje praznjenje praznjenje polnjenje praznjenje praznjenje praznjenje Tabela 3.1: pravilnostna tabela oz. tabela vhodnih stanj Pravilnostno tabelo lahko krajše zapišemo tudi v Karnaugh-Veitchev (K-V diagram Tabela 3.2), pri čemer 0 pomeni praznjenje, 1 pomeni polnjenje in x pomeni mirovanje: Konična moč Polnjenje el. vozila Nočno polnjenja X P MFE>P SET Tabela 3.2: Karnaugh-Veitchev diagram 7

8 Iz tako dobljenega K-V diagrama lahko zelo enostavno dobimo zapis logične funkcije v poenostavljeni - minimizirani obliki MDO (Minimalni Disjunktivni Obliki), s katere lahko narišemo logično vezje, ki ga prikazuje slika 3.1. Polnjenja el. vozila Konična moč 1 (ali) 1 (neg) Praznjenje Nočni urnik polnjenja Sončna elekt. 1 (ali) & (in) Polnjenje PMFE > PSET Slika 3.1: Poenostavljena logična shema Po shemi ima praznjenje prednost pred polnjenjem. Hranilnik se ponoči napolni in je zjutraj pripravljen na praznjenje. V kolikor pride do konične obremenitve čez dan, se hranilnik začne prazniti in tako pomaga omrežju, saj deluje kot vir na omrežju. Ravno tako se prazni, če je zaznano polnjenje električnega vozila na polnilni postaji. Ko pogoja za praznjenje ni, se praznjenje ustavi. V kolikor hkrati nastopi še konica proizvodnje električne energije iz sončnih elektrarn se hranilnik začne zopet polniti, a le toliko časa, dokler ni izpolnjen katerikoli pogoj za praznjenje. Shema ima nekaj slabosti, saj lahko pride do velikega števila preklopov polnjenja in praznjenja v kratkem času (hkrati presežek sončne energije in kratkotrajne preobremenitve omrežja). IV. NAPREDNI ALGORITEM ZA POLNJENJE IN PRAZNJENJE HRANILNIKA Hranilnik po zgornjem algoritmu se polni in prazni glede na stanje omrežja na sami lokaciji. Če želimo hranilnik uporabiti v sistemski storitvi terciarne rezerve, je algoritem kompleksnejši. Skupina Elektro Ljubljana je že drugo leto bila uspešna na dražbi nudenja produkta terciarne rezerve. Z virtualno elektrarno nudi električno energijo za izvajanje terciarne regulacije frekvence z vodenjem odjema in razpršene proizvodnje. Ta produkt ima naslednje parametre: pripravljenost 24h / 7dni, čas najave 15 minut, najdaljši čas aktivacije je 2 uri, z minimalno 10 urno pavzo med aktivacijami. V kolikor bi hranilnik uporabili za nudenje sistemske storitve, bi morali paziti, da je hranilnik možno prazniti do dve uri v vsakem trenutku. Hranilnik ima shranjenih 40 kwh energije, moč pa je 10 kw. Torej moramo zagotavljati, da je v hranilniku vsaj 50% energije, da ga še lahko uporabimo za sistemsko storitev. Ker ima sistemska storitev prednost pred lokalno, mora biti tudi logika temu primerna. Za to bomo potrebovali tudi podatek o napolnjenosti (SOC status of charge), ki ga dobimo iz krmilnika na bateriji in je odvisen od napetosti na regenerativni celici (stack). V shemo je dodana tudi daljinska komanda za polnjenje, ki pa ne bo prednostna, saj bo hranilnik prednostno imel glajenje konične obremenitve na delu omrežja, kjer je postavljen. Da ne bi bilo prepogostih preklopov med polnjenjem in praznjenjem je potrebno dodati zakasnitve in histerezo. Zaradi uporabe za namene sistemske storitve terciarne rezerve dovolimo lokalnim pogojem (upad napetosti, konična obremenitev ali polnjenje vozil) praznitev le do 50% kapacitete. 25% histereza pa preprečuje kratkotrajne cikle polnjenja in praznjenja čez dan. Ko se hranilnik čez dan sprazni na 50%, se mora napolniti na 75%, da se lahko začne ponovno prazniti. Sliko razširjene logične sheme prikazuje slika 4.1: 8

9 Daljinska komanda za praznjenje Fazna napetost Uf < 210 V Mirovanje ali praznenje Stanje napolnjenosti > 50% Konica TP 1 (ali) Stanje? Praznjenje Polnjenje el. vozila Polnjenje Stanje napolnjenosti > 75% Zakasnitev Nočna tarifa (urnik) 1 (neg) Mirovanje Mirovanje Sončna el PMFE>PSET 1 (ali) & (in) Stanje? Praznjenje Zakasnitev SOC = 100% Daljinska- ročna komanda za polnjenje Polnjenje NE Polnjenje Slika 4.1: Razširjena logična shema Najvišji nivo prioritete ima daljinska komanda za praznjenje, ki je uporabljena v primeru sistemske storitve terciarne regulacije, in se izvede brez zakasnitve ne glede na ostale pogoje. Drugi nivo prioritete je praznitev zaradi lokalnih pogojev. Hranilnik se začne prazniti v kolikor je izpolnjen vsaj eden izmed lokalnih pogojev: če katerakoli fazna napetost pade pod 210 V če se polni električno vozilo če je presežena nastavljena maksimalna moč obremenitve na merilnem mestu. V primeru, da je hranilnik v mirovanju ali da se že prazni se bo praznil še naprej do 50% kapacitete (zaradi rezerve kapacitete za sistemsko storitev). V kolikor pa se hranilnik polni, je praznjenje možno le, če je v hranilniku vsaj 75% kapacitete. Tretji nivo prioritete je polnjenje. V kolikor trenutno ne poteka praznjenje in je izpolnjen vsaj eden izmed spodnjih pogojev se hranilnik polni : nočni čas, ko je nizka obremenitev omrežja čez dan, ko se pojavi presežek energije iz sončnih elektrarn (P MFE > P SET ) če je podana daljinska komanda za polnjenje, toda le pod pogojem, da trenutno ne poteka praznjenje. Ker je praznjenje na višji prioriteti, kot polnjenje, bo ob sočasnem pogoju za polnjenje in praznjenje, potekalo praznjenje. V času pisanja referata v hranilnik ni bila vključena razvita logika. Raziskujemo katero napravo (Mikro RTU kontroler) bi lahko uporabili, ki bi bila zmožna vso to logiko izvajati in bi omogočala daljinsko kontrolo iz dispečerskega centra vodenja (DCV) oz. virtualne elektrarne (VE). Namen je uporabiti že obstoječe naprave in jih prilagoditi. 9

10 V. ZAKLJUČKI Z dejansko umestitvijo prvega električne energije v Elektro Ljubljani smo dobili nekaj neprecenljivih izkušenj samega delovanja in obnašanja v omrežju. Umeščen je v omrežje s proizvodnjo iz obnovljivih virov in polnilno infrastrukturo za električna vozila. Izvedene so bile meritve kakovosti električne energije skladno s SIST EN Meritve kakovosti napetosti so pokazale, da je kakovost napetosti na priključnih sponkah v skladu s standardom in da delovanje nima negativnega vpliva na kakovost napetosti. V času praznjenja je bilo zabeleženo povečanje vsebnosti harmonskih tokov, a še v okviru priporočenih vrednosti, kar pa ne vpliva na harmonske vrednosti napetosti. Čeprav trenutno obratovanje ni najbolj učinkovito, sta bila za to razvita dva algoritma, katera bi bolje izkoristila hranilnik v omrežju. Kot so pokazale meritve ima hranilnik majhen skupen izkoristek polnjenja in praznjenja (46%), katerega pa bi se dalo povečati za 20 % z naslednjim ukrepi: Zamenjava obstoječih vodnikov med baterijama in usmernikom/razsmernikom z vodniki večjega prereza (4 % manjše izgube; iz 8% na 4%) Raziskujemo možnost izklopa Buck Boost funkcije na sami bateriji (11% manjše izgube v obe smeri) Popolni izklop razsmernika v času polnjenja in mirovanja (1,7% manjše izgube) Izklop 20% enot razsmernikov, da bodo ostali delali na 100% in tako zmanjšamo mirovno porabo neuporabljenih enot (3% manjše izgube) V prihodnje načrtujemo izvedbo zgoraj naštetih ukrepov, s katerimi bomo izboljšali izkoristek. Krmilnik razsmernika/usmernika (BTS) omogoča pošiljanje podatkov preko RS 232 porta (informacija o stanju polnosti ). Poleg tega ima več digitalnih vhodov in izhodov, ki bi se jih dalo uporabiti za krmilje in pošiljanje povratne informacije trenutnega stanja. Raziskati moramo, kako bi implementirali razvita algoritma bodisi v obstoječi BTS, bodisi z dodatno RTU napravo. Takrat bomo lahko preverili razvita algoritma vodenja. REFERENCE [1] Imergy Power System, Inc.: Owner's manual ESP [2] Metronik Energija d.o.o.: Ovrednotenje potenciala uporabe tehnologij skladiščenja električne energije v distribucijskem omrežju, Študija, Naročnik Elektro Ljubljana, 10