[2] MarioVasak - Microgrid

Optimalno upravljanje tokovima
snage u mikromreži
Mario Vašak (FER), Marko Gulin,
Jadranko Matuško, Mato Baotić
Laboratorij za sustave obnovljivih izvora energije,
Sveučilište u Zagrebu Fakultet elektrotehnike i računarstva
Završna radionica projekta MICROGRID
Zagreb, 26. siječnja 2015.
Sadržaj
• Mikromreže – zašto?
• Upravljanje tokovima snage u mikromreži
• Optimizacijski problem i rezultati – mikromreža u LARES
– determinističko okruženje
– stohastičko okruženje
• Proširenja:
– Upravljanje tokovima snage i parametriranje
– Upravljanje tokovima snage i upravljanje potrošnjom
• Zaključak
[email protected]
2
Mikromreže – zašto?
• Otočni režim rada
– Povećana raspoloživost napajanja iz hibridnih izvora podržanih pohranom
[email protected]
3
Mikromreže – zašto?
• Spojene na mrežu
– Povećanje kvalitete napajanja i/ili efikasnije napajanje lokalnih trošila
 spoj na “slabu” mrežu
 istosmjerne mikromreže između istosmjernih izvora i trošila
[email protected]
4
Mikromreže – zašto?
• Spojene na mrežu
– Automatizirana podrška mreži na ekonomskim načelima
 distribuirana pohrana
 poticanje injekcije energije u mrežu bliže potrošnji
[email protected]
5
Ostali poticajni čimbenici
• „Zero-energy buildings” u EU od 2020.
• Visok stupanj integracije nestalnih izvora energije u mreži
[email protected]
6
Upravljanje tokovima snage u mikromreži (1)
• Što je cilj?
– Ostvariti čim bolju ekonomsku bilancu u razmjeni energije s
distribucijskom mrežom
– Eventualno se može proširiti tehničkim troškom rada mikromrežnih
komponenata
• Koja su ograničenja?
– Očuvati komponente mikromreže (npr. ne prepuniti niti preisprazniti
baterije)
– Poštivati dozvoljenu snagu razmjene energije s mrežom
– Osigurati komfor korisnicima (potrebnu količinu energije)
• Kako upravljati?
– Upravljanje proizvodnjom iz izvora (npr. ograničenje snage)
– Upravljanje potrošnjom (detaljnije kasnije)
– Upravljanje pohranom
[email protected]
7
Upravljanje tokovima snage u mikromreži (2)
P prod P s ,1 , E s ,1
cG
PG
min
s ,i
P
PL
P s ,2 , E s ,2
[email protected]
∫
cG PG
24 h
s.t. P G ,min ≤ P G ≤ P G ,max
E s ,i ,min ≤ E s ,i ≤ E s ,i ,max
8
Istosmjerna mikromreža u LARES-u
• Laboratorij za sustave obnovljivih izvora energije (LARES)
• Spremnici energije: baterije, vodikova pohrana
[email protected]
9
Optimizacijski problem
• Model spremnika električne energije:
• Linearna formulacija modela:
• U literaturi se najčešće koristi ako-onda formulacija modela
− M. Gulin, M. Vašak, M. Baotić, „Analysis of Microgrid Power Flow Optimization with Consideration of Residual
Storages State”, European Control Conference, ECC 2015, Linz, Austrija, 2015. (u postupku recenzije)
− V. Lešić, M. Vašak, „Hierarchical Decomposition in Optimal Control of Buildings with Integrated Microgrid”,
European Control Conference, ECC 2015, Linz, Austrija, 2015. (u postupku recenzije)
[email protected]
10
Optimizacijski problem
• Jednadžba ravnoteže u mikromreži:
• Dva stupnja slobode:
– Snaga punjenja/pražnjenja baterija
– Snaga punjenja/pražnjenja gorivnih članaka
• Snaga razmjene energije s mrežom:
– Određena jednadžbom ravnoteže
[email protected]
11
Optimizacijski problem
• Ograničenja u sustavu (linearna):
– Stanje napunjenosti spremnika energije
– Snaga punjenja/pražnjenja spremnika energije
– Uvjeti razmjene energije s mrežom
• Matematička formulacija optimizacijskog problema (LP):
• Bilanca razmjene energije ovisi o mnogo faktora:
– Kapacitet spremnika energije
– Kvaliteta predikcije proizvodnje i potrošnje električne energije
[email protected]
12
Optimizacijski problem
[email protected]
13
Optimizacijski problem u stohastičkom okruženju
• Prisutna nesigurnost u predikciji poremećaja:
– Proizvodnja električne energije iz obnovljivih izvora
– Potrošnja električne energije u sustavima koji se napajaju iz mikromreže
• Nesigurnost se prenosi na jednadžbu ravnoteže:
wk  N
( 0, Σ k )
• Moguć sigurniji rad što se tiče poštivanja ograničenja snage razmjene
– izbjegavanje penala zbog preopterećenja koje može nastupiti uslijed
nesigurnosti lokalne proizvodnje/potrošnje
− M. Gulin, J. Matuško, M. Vašak, „Stochastic Model Predictive Control for Optimal Economic Operation of a
Residential DC Microgrid”, IEEE International Conference on Industrial Technology, ICIT 2015, Sevilla, Španjolska,
2015. (prihvaćeno za objavu)
[email protected]
14
Optimizacijski problem u stohastičkom okruženju
• Definiramo vjerojatnost da će ograničenje biti prekršeno:
• Matematička formulacija optimizacijskog problema (LP):
[email protected]
15
Optimizacijski problem u stohastičkom okruženju
[email protected]
16
Optimiranje tokova snage i parametriranje
• Određivanje ekonomske dobiti optimalno upravljane mikromreže
kroz dulji vremenski rok
– Na realnoj meteorološkoj godini uz pripadne profile proizvodnje i
potrošnje energije (i nesigurnosti)
– Princip pomičnog horizonta
• Važno za određivanje optimalnih parametara mikromreže
– kapacitet pohrane
– snaga pretvarača prema mreži ili ugovorena snaga razmjene
• Načini određivanja:
– Višeparametarskim programiranjem
– Point-search optimizacijskim metodama
• Točka dodira razvoja na FERu i FSBu
[email protected]
17
Optimiranje tokova snage i upravljanje potrošnjom
– primjer zgrade
P (t )
Fiksna cijena energije cG:
cG min ∫ P ( t ) dt
P(t )
uvjeti komfora nad P ( t )
[email protected]
Vremenski ovisna cijena energije cG(t):
min ∫ cG ( t ) P ( t ) dt
P(t )
uvjeti komfora nad P ( t )
18
Zgrada kao proizvođač, pohranitelj i potrošač (1)
Project MICROGRID
c
P (t )
G
(t )
min ∫ cG ( t ) P ( t ) dt
P(t )
conditions on P ( t )
[email protected]
19
Zgrada kao proizvođač, pohranitelj i potrošač (2)
• Za proizvoljnu snagu grijanja/hlađenja P(t) postoji
optimalan način upravljanja tokovima snage u mikromreži
koji rezultira minimalnim energetskim troškom: J(P(t))
• Stoga, pri optimiranju potrošnje troškovno optimalno je
upravljati na ovaj način:
min J ( P ( t ) )
P(t )
uvjeti na P ( t )
• ... te deklarirati proračunan optimalni profil potrošnje
P*(t) razini upravljanja tokovima snage u mikromreži
[email protected]
20
Zgrada kao proizvođač, pohranitelj i potrošač –
Jednostavan primjer (1)
• Mikromreža se sastoji samo od baterijske pohrane
– bez baterijskih gubitaka
– nema ograničenja snage
razmjene s mrežom
– nema povrata u mrežu
• Profil cijene energije razmjene c(t) kojeg diktira
distribucijska mreža
[email protected]
21
Zgrada kao proizvođač, pohranitelj i potrošač –
Jednostavan primjer (2)
• Slučajevi:
– komforom zahtijevani P(t) može se u potpunosti ostvariti iz
baterije između 11:00 i 12:00
24 h
 J jednak 0.1 ∫ P ( t ) dt
0
 Mikromreža transformira cijenu energije sa “špicom” u konstantnu
cijenu jednaku donjoj razini za konačnu potrošnju
– komforom zahtijevani P(t) ne može se u potpunosti
ostvariti iz baterije između 11:00 i 12:00
 Cijena energije za konačnu potrošnju ovisi o vremenu upotrebe
(unutar ili izvan 11-12) i količini upotrebe (ovisno koliko je P ( t ) dt
∫
veće od kapaciteta baterije)
12 h
11 h
• Mikromreža transformira cijenu energije za potrošnju
(na optimalan način ako je optimalno upravljana)
[email protected]
22
Kombinirano upravljanje tokovima snage i
potrošnjom (projekt 3CON) – prvi rezultati
• Optimalno upravljanje rezultira pre-heating/pre-cooling situacijama
[email protected]
23
Proširenje na druge energetske mreže
(projekt u prijavi; ESF stipendije za istraživače)
[email protected]
24
Zaključak
• Optimiranje tokova snage u mikromreži rezultira obostranom korišću:
– Vlasniku mikromreže
– Operatoru distribucijskog sustava
• Omogućuje automatiziranu reakciju mikromreže na ponuđeni profil
cijena razmjene energije
– pouzdana, donekle predvidiva operatoru distribucijskog sustava
• Otvara mogućnost integracije s optimiranjem potrošnje u zgradi (ili
nekom drugom sustavu, npr. distribucijski odjeljak na željezničkoj trasi)
• Otvara mogućnost integracije s vođenjem distribucijske (i šire)
elektroenergetske mreže u uvjetima visokog udjela energije iz
obnovljivih izvora
 gradivni element napredne energetske mreže
[email protected]
25
Prikazani rezultati istraživanja provedeni su u sklopu suradnog
istraživačkog projekta Optimiranje sustava obnovljivih izvora električne
energije povezanih u mikromrežu (MICROGRID).
Projekt je financirala Hrvatska zaklada za znanost (HRZZ) u iznosu od
1.438.647,00 kn pod ugovorom br. I-4463-2011.
Sadržaj ove prezentacije isključiva je odgovornost autora i ona ni na koji način ne odražava
mišljenje Hrvatske zaklade za znanost.