Modelování energetických systémů s prvky OZE

Vliv obnovitelných zdrojů energie (OZE) na stabilitu sítě je úměrný velikosti zdroje, rychlosti změny výkonu a schopnosti sítě reagovat na vzniklou změnu. Změnu intenzity slunečního záření v důsledku pohybu oblaků nemůžeme ovlivnit, také není možné ovlivnit změnu rychlosti větru.

A stejně tak není v našich silách v operativním režimu měnit strukturu sítě. Veškeré změny výkonu OZE můžeme eliminovat pouze změnou výroby energie na straně generace a také změnou spotřeby sítě a spotřebičů v ní.

Využívání obnovitelných zdrojů energie (OZE) – hlavně energie větru a slunečního záření –, má několik kladných, ale i záporných aspektů. K těm kladným patří především získávání doplňující energie z uvedených zdrojů. K záporným patří nestabilita OZE, jejich časová a výkonová nestálost.

Tyto vlastnosti mají za následek vyšší pravděpodobnost narušení statické a dynamické stability systému. Jedním ze způsobů, jak udržet potřebnou míru stability, je použití dodatečných zdrojů energie v pohotovostním režimu nebo zapojení tzv. regulačních spotřebičů, jejichž spotřeba se řídí stavem sítě.

Dalším možným řešením daného problému může být využívání smart spotřebičů (smart spotřebičem v tomto příspěvku nazýváme spotřebič, který mění svou spotřebu v závislosti na stavu systému a zároveň dodržuje technologické požadavky na svůj výkon), které svou reakcí na stav režimu elektrické sítě snižují riziko přetížení systému při snížení výkonu OZE nebo riziko nadvýroby energie při zvýšení výroby ze strany OZE.

Změna režimu sítě při změně počasí

Využívání OZE je v energetice současnosti velkým trendem. Možností využívání OZE přitom existuje hned několik, a to zejména ve formě energie větru, slunečního záření, geotermální energie, vodní energie apod. Avšak uvedené možnosti přinášejí nejen své klady, ale i zápory ve formě zvýšení nároků na udržení stability sítě.

Změna režimu OZE

Níže je krátká ukázka změny režimu činnosti obnovitelného zdroje v důsledku změny povětrnostních podmínek. V případě větrné situace může nastat změna ozáření fotovoltaické elektrárny a následně i změna výkonu samotné elektrárny. Vliv počasí na výkon fotovolatické elektrárny lze vidět na obr. 1.

Dne 26. 6. bylo slunečné počasí a výroba elektrické energie byla v souladu s intenzitou slunečního záření. Ostatní dny, 10. 6. a 25. 5., došlo v určitém čase k poklesu výkonu. Přesný čas poklesu není možné určit.

Na základě různorodých předpovědí sice lze s určitou pravděpodobností předpokládat pokles výroby energie, přesný rozsah a doba trvání dané změny však závisí pouze na aktuálním stavu počasí. Dlouhodobé změny výkonu je tedy možné predikovat s určitou pravděpodobností, ale řešení aktuální stability sítě je dost komplikované.

Z uvedeného grafu (obr. 1) je vidět silný pokles možného elektrického výkonu elektrárny a v důsledku uvedeného se předpokládá prudké zvýšení výkonu klasických zdrojů.

Režim elektrizačního systému při využívání OZE

Předpokládáme, že je k dispozici dostatečně velký systém, který obsahuje výrobu, přenos, distribuci a spotřebu elektrické energie. Uvedený systém je možné popsat vztahem S = {G₁ … G_n, S₁ … S_m}, pro který platí n << m pro základní režim

kde:
G_i – výkon generátoru
S_j – příkon spotřebiče
i, j – indexy
n – počet generátorů výkonu
m – počet spotřebičů
n_t – počet generátorů zapnutých v čase t
m_t – počet spotřebičů zapnutých v čase t
Δ_t – ztráty v síti v čase t

Sepnutí nebo vypnutí jakéhokoli spotřebiče nebo zdroje, jehož výkon je mnohem menší než výkon sítě v daném okolí, nemá velký vliv na režim sítě. Vyrovnání mezi výkonem zdrojů a celkovou spotřebou včetně ztrát probíhá pomocí automatiky nebo pouze na základě vnitřní samoregulační schopnosti sítě (tj. změny napětí v jednotlivých uzlech).

Problémy vznikají při náhodném odpojení velkého počtu spotřebičů, přenosového vedení nebo části distribuční sítě nebo generátorů, jejichž sumární výkon je srovnatelný s výkonem sítě nebo její části (0,05–0,3 nominálního výkonu zdrojů sítě). Např. při odpojení 10 % spotřebičů se řádově uvolní 14–16 % energie.

Častokrát rovněž nastává problém, pokud proběhne následná opačná komutace a při např. odpojení spotřeby se tato znovu připojí zpět. Tehdy musí systém reagovat dvakrát: 1. prudké snížení výroby energie na straně zdrojů; 2. prudké zvýšení výroby v důsledku zvýšení spotřeby.

Ještě větší problém nastává při prudké změně výkonu sluneční elektrárny během oblačnosti nebo při prudké změně výkonu větrné elektrárny v důsledku změny rychlosti větru. Jelikož tyto změny jsou téměř nepředvídatelné, je třeba v síti držet velký podíl regulačního výkonu. Udržování takové regulační energie má negativní vliv na cenu energie.

Předpokládáme, že máme elektrický systém (obr. 2), který má několik podsystémů a několik úrovní. Režim dané sítě lze charakterizovat např. výkony jednotlivých uzlů. Na základě údajů o spotřebě v jednotlivých uzlech lze sestrojit grafické zobrazení výkonu jednotlivých uzlech (obr. 3).

V případě změny odběru v jednotlivých uzlech je možné vidět i celkovou změnu výroby energie. V případě změny výkonu v jedné části se tato změna téměř v plném rozsahu objeví i na straně výroby. Za hlavní prvek narušení rovnováhy systému budeme považovat změny výkonu OZE v důsledku povětrnostních změn.

Smart spotřebiče se zaměřením na udržení stability

Problém udržení stability sítě lze řešit zařazením do systému smart spotřebičů, jejichž úkolem je reagovat na různé změny a vzruchy v elektrické síti a následně přizpůsobit svůj stav dané situaci.

Tyto spotřebiče je možné analyzovat z různých hledisek (obr. 4), ale nezávisle na tom, ke které skupině patří, všechny mají možnost zvýšit nebo snížit svou spotřebu v závislosti na stavu sítě.

Existují modely více typů smart spotřebičů a jejich charakteristik, jako je např. doba náběhu a poklesu stavu v závislosti na času. Následný obrázek (obr. 5) zobrazuje různé stavy jednoho druhu smart spotřebičů v různých režimech při jednorázovém nebo vícerázovém cyklu.

Prostorové modely a jejich úlohy

Na základě současných modelů a modelů postavených na bázi BigDate elektrizačního systému a meteorologických měření je potřeba vytvořit prostorové modely daných systémů.

Jedním z výstupů prostorových modelů může být vrstevnicová mapa energetické zabezpečenosti jednotlivých území, sestávající z modelů primárních zdrojů, modelů spotřeby, modelů možné výroby z obnovitelných zdrojů, modelů působení počasí v daných prostorách aj.

Porovnáváním těchto modelů je možné předpokládat činnost energetických subjektů zaměřenou na udržení stability sítě, efektivní a ekonomické využívání obnovitelných zdrojů a celkové snížení spotřeby regulační energie.

Partnerem pro získávání údajů je Hydrometeorologický ústav, rovněž se využívají údaje poskytované různými meteorologickými stanicemi na území státu. Z těchto stanic je možné získávat údaje s frekvencí několika minut, což umožní vytvářet dynamický model časové změny počasí.

Na základě součinnosti energetických podniků, rozvodných závodů, výrobců energie lze navrhnout:

• model, který bude vytvářet prostorový model šíření změny počasí,
• prostorový model odběru energie,
• model změny počasí – slunečního svitu, rychlosti a směru větru, intenzity deště apod.,
• model změny odběrového diagramu v průběhu dne,
• model výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie,
• model vzájemného působení počasí, možností výroby energie, odběrového diagramu.

Závěr

Modelování v oblasti využívání smart spotřebičů v energetickém hospodářství má významnou roli. Kromě klasických modelů na bázi fyzikálních vlastnosti jednotlivých prvků sítě poskytuje dostatečné informace pouze v případě jejich prvotního využití.

Následně se vlivem jejich provozování, povětrnostních podmínek, oprav apod. hodnoty fyzikálních vlastností mění, přesnost modelů se snižuje a je třeba využívat adaptivní modely, modely založené na stavu sítě apod. Při řízení sítě a udržení její stability je nezbytné využívání takových prvků řízení, které co nejrychleji reagují na aktuální stav a působí proti změnám, které kritický stav vyvolaly.

Literatura
[1] Janíček F., Scepánek, M., Belán A., Chrapčiak I., Chochol P., Kultan J. Roadmap for smart metering in the Slovak Republic, Energy & Environment, 2015. Vol. 26, No. 1 & 2.
[2] Concept of Energy Efficiency of SR – Targets fulfillment evaluation. November 28, 2012.
[3] Kultan, J., Velčev, V. Roľ umnych potrebitelej v upravlenii energosistem s vozobnovljajemymi istočnikami energii (VIE). Energy efficiency and agricultural engineering: conference proceedings. 11–12 november 2015.s. 798–807. ISSN 1311-9974.
[4] Janíček F. a kol. Energija – nastojaščeje i buduščeje. Ostrava: Amos, 2014. 207 s.
ISBN 978-80-904766-2-2
[5] Klimatické podmínky. Zborník prác Slovenského hydrometeorologického ústavu. Bratislava: Alfa, 1990.
[6] Kultan, J. Nonlinear system models based on interval linearization a medical application. Medzinárodná konferencia IFFAC. Bratislava, 2003.
[7] Harsanyi L., Kultan J. Method of selective forgetting for nonlinear system identification. Electrical engineering journal. 1992. Vol 43, No. 7. s. 207–210.
[8] Janíček, F. a kol. Dopady vplyvu nárastu výroby elektriny z Obnoviteľných zdrojov energie (OZE) vyvedených do distribučných sústav na prevádzkovateľa PS a účastníkov trhu s elektrinou. Slovenská technická univerzita v Bratislave, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Katedra elektroenergetiky.
[9] Bízik, J., HAarsanyi, L., Kultan, J. Vlijanie upravlenija potrebleniem električeskoj energii na jejo kačestvo. Zborník medzinárodnej vedeckej konferencie Jakosť energii elekricznej.25–27.09.1991. pp.153–15.
[10] Kultan, J. Smart technology improves network stability. Power engineering 2016: Energy – ecology – economy. May 31 –June 2, 2016. Bratislava: Slovenská technická univerzita v Bratislave, 2016. s. 1–6.
ISBN 978-80-89402-85-4.
[11] KULTAN, J., KULTAN, M. Smart spotrebiče a ich komunikácia. Časopis EE: časopis pre elektrotechniku, elektroenergetiku, informačné a komunikačné technológie. Bratislava: Spolok absolventov a priateľov FEI STU (EF SVŠT) v Bratislave, 2014. roč. 20, č. 1. s. 35–37.
ISSN 1335-2547.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2019.