ProControls s.r.o.

Inteligentní měniče ProControls SetMax pro regulaci energetického maxima fve - novinka

Dodržení energetického maxima FVE obecně

Většina aktuálně provozovaných fotovoltaických elektráren (FVE) středních výkonů, tj. cca v rozsahu 250-3000kVA je technicky navržena a realizována tak, že mohou trvale do sítě dodávat výkon vyšší, než je nasmlouvaný maximální výkon, který je měřen fakturačním elektroměrem na předávacím místě. Zpravidla je to na VN straně energetického transformátoru elektrárny. Tento nasmlouvaný maximální výkon je neměnný a za jeho překročení jsou provozovateli FVE účtovány výrazné sankce. Výkon dodávaný FVE je přitom měřen fakturačním elektroměrem čtvrthodinově, tj. v žádné čtvrthodině nesmí energie dodaná elektrárnou překročit stanovené maximum přepočtené na jednu čtvrthodinu. Pokud je tedy například nasmlouvaný maximální výkon elektrárny 600kW, nesmí v žádné čtvrthodině dodaná energie překročit hodnotu 600kW x 0.25h = 150kWh.

Protože během slunečných dní je většina provozovaných elektráren schopna ve výkonových špičkách dodat energie více, musí provozovatelé řešit omezení dodávky energie do sítě. Doba výkonových špiček, kdy je elektrárna schopna dodávat více energie než jí umožňuje omezení, se pohybuje od jedné čtvrthodiny až po několik hodin denně.

Aktuálně: Od 1. dubna 2014 dochází u společnosti ČEZ Distribuce ke změně účtování, přičemž bude důsledně dodržováno cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu č. 5/2013 ze dne 27.
listopadu 2013, a s účinností od 1.4.2014 tak budou účtovány pevné ceny za překročení rezervovaného výkonu. Na hladině nízkého napětí se jedná o 1 323 Kč/kW, na hladině VN pak jde o 716 Kč/kW. 

Uvedené sankce budou účtovány měsíčně. Pro určení výsledné výše případných sankcí za překročení výkonu, přitom bude rozhodující ta čtvrthodina provozu FVE z uplynulého měsíce, ve které byl dosažen nejvyšší dodaný výkon do sítě.

V praxi to znamená, že stačí překročit nasmlouvaný výkon pouze v jedné čtvrthodině, a sankce budou uplatněny, a to v takové výši, která odpovídá výši překročení smluvního maxima výkonu.

Na příkladu uvedeném výše to můžeme znázornit tak, že pokud bude, byť v jedné čtvrthodině, dosaženo dodávky do distribuční sítě např. 166,5kWh, což je překročení smluveného maxima výkonu o 11 %, budou sankce odpovídat tomuto překročení, tj. jejich výše bude za předpokladu fakturačního měřidla na VN činit (0,11 x 600kW) x 716Kč/kW  =  47 256Kč.

Pro zamezení vzniku těchto sankcí je nutné přijmout technická opatření, která překročení dodávky zajistí. Tato zařízení však mohou být velmi rozdílná ve své kvalitě. Většina zařízení zajistí základní funkci, tj. zamezení dodávky přebytečného výkonu FVE do sítě. Velké rozdíly však jednotlivá řešení vykazují v zajištění maximalizace dodávané energie do sítě. Působením technicky nedokonalých zařízení tak často dochází ke ztrátám vyrobené využitelné energie FVE, která mohla být dodána do distribuční sítě. Výše těchto ztrát může často dosahovat hodnot, srovnatelných s výší sankcí v případě nevybavené FVE.

Používané způsoby omezení výkonových přebytků

1) Odpínání jednotlivých skupin střídačů

Tohoto způsobu se používá zejména tam, kde jsou střídače umístěny distribuovaně u jednotlivých skupin fotovoltaických panelů. Využívá se přitom (v lepším případě) procesorem řízených prediktivních hlídačů energetického maxima se stupňovitou regulací, které umožňují postupné odpínání zvolených skupin střídačů. Skupin přitom může být různý počet, typicky se jejich množství pohybuje v rozmezí 2-8 skupin. Hlídač energetického maxima dostává informaci o aktuálně dodaném výkonu v právě probíhající čtvrthodině formou impulzů přímo z fakturačního elektroměru. Většina takových systémů navíc obsahuje zajišťovací systém měření, který v případě dosažení hranice maximální povolené dodané energie za čtvrthodinu, odpíná celou elektrárnu.

2) Přemosťování (zkratování) jednotlivých panelů ve stringu

Tento způsob omezení výkonu FVE je v principu podobný předchozímu. Opět jde o stupňovitý způsob snížení dodávaného výkonu, opět se využívá prediktivního hlídače energetického maxima. Snížení výkonu je ovšem namísto odpínání střídačů dosaženo zkratováním různého počtu jednotlivých panelů stringu. Zvolené panely jsou tak prakticky vyloučeny z dodávky. Využívá se přitom faktu, že panel je proudový zdroj. Panelem však dále protéká proud a zahřívá se. Tento způsob je realizovatelný i tam, kde je centrální střídač, nebo je střídačů pouze omezené množství a není možné efektivní nastavení odpínaných skupin v jednotlivých stupních regulace.

Hlavní nevýhody zmíněných způsobů

· Stupňovitá regulace vede k přílišnému omezení výroby energie. Použitá regulace není z principu nikdy schopna dosáhnout stavu, kdy během čtvrthodiny s přebytkem výkonu, elektrárna dodá přesně takovou energii, která odpovídá nasmlouvanému maximu. Regulace pouze zabrání jeho překročení. ® Výrazné finanční ztráty

· Vypnutí střídačů je prováděno zpravidla jejich odpojením od střídavé sítě stykačem, což vede současně k zániku jejich ovládacího napětí. Odpojené střídače se pak při opětovném připnutí na síť, k čemuž dochází obvykle na začátku další čtvrthodiny, musí nejprve inicializovat, což trvá dle typu 20-60 sekund. Po celou tuto dobu střídače nedodávají výkon do sítě. ® Finanční ztráty

· Použité prediktivní procesorové hlídače energetického maxima pracují pouze s lineárním trendem energie skutečně dodané přes elektroměr do sítě, nejsou schopny zohlednit velikost výkonu, o který je vlivem odepnutí některých střídačů snížena aktuální dodávka elektrické. Řídí se pouze aktuálně dodanou energií odečítanou elektroměrem a nejsou schopny dobře predikovat aktuální výkon FVE, což vede ke špatné regulaci. Zbytečně tak maří příliš mnoho výkonu i v případě, kdy se vlivem aktuálních okolností (mraky, ohřátí panelů, atd.) změnila schopnost dodávky fotovoltaických panelů. ® Finanční ztráty

· Vlivem častého cyklického odpínání střídačů dochází ke zvýšení  jejich poruchovosti. V případě zkratování panelů ve stringu se navíc vykrácený panel dále zahřívá, což snižuje jeho účinnost po opětném zařazení do funkce. ® Finanční ztráty

Inteligentní měniče ProControls SetMax

Inteligentní měniče ProControls SetMax jsou polovodičové, signálovým procesorem řízené měniče, speciálně vyvinuté pro řízení a dosažení maximálního možného dodávaného výkonu FVE.

Princip činnosti

Měnič ProControls je v principu střídavý třífázový tyristorový napěťový měnič, umožňující plynulé maření přebytečného výkonu v připojeném výkonovém rezistoru. Fotovoltaická elektrárna tak zůstává beze změn, pouze se do libovolného, dostatečně dimenzovaného místa připojí měnič ProControls SetMax s připojeným výkonovým odporníkem. Všechny fotovoltaické panely elektrárny, i všechny střídače zůstávají v provozu, a nedochází k jejich odpínání, resp. zkratování. Přebytečný výkon je plynule mařen v odporníku, na základě speciálního algoritmu. Tento algoritmus pro svoji činnost využívá pouze standardní impulzní výstup, kterým je vybaven každý moderní elektroměr. Připojení sestavy měniče ProControls SetMax a odporníků pro maření výkonu je znázorněno na obrázku.

Jak pracuje algoritmus plynulého cílování dodávky

Měnič ProControls je vybaven speciálním predikčním algoritmem, který vyhodnocuje aktuální vyráběný výkon z panelů, z elektroměru čte aktuální stav dodané energie v aktuální čtvrthodině a v každém okamžiku vyhodnocuje riziko překročení maximální povolené čtvrthodinové dodávky. Teprve v okamžiku, kdy vyhodnotí možné riziko překročení maxima jako reálné, začne plynule mařit vypočtené množství přebytečné energie v připojeném výkonovém odporu. Velikost tohoto mařeného množství v každém okamžiku přitom plynule nastavuje tak, aby na konci čtvrthodiny byl dosažen přesně maximální možný dodaný výkon za danou čtvrthodinu. Tento princip označujeme jako cílování dodávky elektrické energie do distribuční sítě.

Cílování dodávky si můžeme nejlépe přiblížit pomocí vzorového grafického znázornění dodávky energie FVE během jedné čtvrthodiny. Předpokládejme FVE s maximálním instalovaným, a také prakticky dosažitelným výkonem, který za dobu jedné čtvrthodiny odpovídá energii E FVE max. S distributorem nasmlouvané maximum dodávaného výkonu potom za jednu čtvrthodinu odpovídá dodané energii E elm. max. Například pro nasmlouvané maximum výkonu  600kW, činí tato energie 150kWh. Jak je patrno z obrázku, v uvažovaném příkladu je hodnota E FVE max o cca 20% vyšší, než je hodnota E elm. Max. Předpokládejme vybavení elektrárny měničem ProControls SetMax a odporníky pro maření přebytků výkonu. Odporníky se vždy dimenzují tak, aby byly za čtvrthodinu schopny zmařit energii danou rozdílem E FVE max - E elm. max. O této energii dále uvažujme jako o 100% energie, kterou jsme schopni za čtvrthodinu zmařit, a označme ji E rezistorů max.

Ideálním cílem regulace je dosažení dodané energie na konci čtvrthodiny o velikosti E elm. Max. Přebytečnou vyrobenou energii je nutné zmařit. Obrázek zachycuje příklad čtvrthodiny ve slunný den, kdy by bez jakékoliv regulace byla na konci čtvrthodiny dodána do sítě energie, překračující smluvní hodnotu, a to cca o 70% energie E rezistorů max.

Aby měnič ProControls SetMax maximálně využil energii vyrobenou panely, je optimální, aby, pokud to není nutné, na začátku čtvrthodiny zbytečně nemařil energii. Během uvažované čtvrthodiny totiž může dojít ke zhoršení světelných podmínek (přechod mraku) a vyrobená energie by byla nenávratně zmařena předčasně. Měnič proto obsahuje nástroj možnosti nastavení parametru Start Měniče, zadávaného v procentech. Tento parametr udává podmínku počátku maření energie. V uvedeném příkladu je tento parametr nastaven na hodnotu 70%. Zbytek do 100% tvoří výkonovou rezervu odporníku pro případ dalšího zlepšení světelných podmínek během čtvrthodiny. Měnič má od počátku čtvrthodiny informace z elektroměru o dodávané energii do sítě, a pomocí lineární interpolace neustále predikuje velikost překročení hodnoty smluvní energie E elm. max. Velikost tohoto překročení je uvažována v %, kdy 100% představuje maximální energii, kterou je možné zmařit v odpornících. Tuto energii nazvěme E rezistorů max. K sepnutí měniče dochází teprve tehdy, když predikované překročení povoleného maxima dodané energie přesáhne mez, danou zmíněným parametrem Start Měniče. Ten je v našem případě nastaven na 70%. K jeho překročení tedy dojde v bodě A, jemuž odpovídá čas t1. Lineární predikci přitom znázorňuje přímka x5. Od této chvíle je část energie mařena v odpornících - zelená křivka. Tmavě modrá křivka znázorňuje během celé čtvrthodiny energii dodanou do distribuční sítě, tj. energii měřenou elektroměrem. Pro maximalizaci zisku je žádoucí, aby tato energie byla na konci čtvrthodiny přesně rovna povolenému maximu E elm. max.

Měnič proto od okamžiku t1 plynule řídí velikost mařené energie tak, aby energii  dodanou do distribuční sítě „cíloval“ přesně na hodnotu E elm. max. Právě díky tomuto aktivnímu plynulému cílování, je tohoto cíle, na rozdíl od všech hladinových stupňových prediktivních hlídačů, vždy dosaženo.

Aby měnič dokázal i po zahájení maření energie v odpornících přesně predikovat předpokládanou energii dodanou do sítě na konci čtvrthodiny, nevychází při další predikci pouze s údajů elektroměru o dodané energii, ale k této energii přičítá také energii doposud zmařenou v odpornících. Tím získává průběh energie skutečně vyrobené fotovoltaickými panely. Tato energie v obrázku odpovídá světle modré, přerušované křivce. Měnič tak například dokáže v bodě B, v čase t2, přesně predikovat dodaný výkon do sítě na konci čtvrthodiny pomocí proložení křivky výroby panelů přímkou x4, kterou následně jako rovnoběžku přenese do aktuálního koncového bodu dosud dodané energie do sítě (světle zelená přímka x3). V bodě B je tak k dispozici nezkreslená predikce o tom, že v případě nulového maření energie v odpornících, by dodaná energie do sítě na konci čtvrthodiny překročila smluvené maximum o 50% hodnoty E rezistorů max. Na základě této predikce pak dochází k maření tohoto předpokládaného přebytku na odpornících. Predikční výpočet je přitom prováděn spojitě, čímž je zajištěno cílování.

V případě náhle zhoršených světelných podmínek, je měnič schopen při poklesu předpokládaného přebytku energie pod určitou úroveň, např. pod  30% E rezistorů max, ukončit maření energie v odpornících. Tuto situaci je možné na příkladu pozorovat mezi časy t3 a t4. K opětovnému zahájení maření energie dochází znovu až po dosažení predikované hodnoty překročení maxima o 70%. Tímto mechanizmem dochází k dalšímu omezení rizika přílišného maření energie.

Hlavní výhody

· Plynulá regulace a speciálně navržený prediktivní mechanizmus vede k maximalizaci dodané energie v každé čtvrthodině. Tato energie v době výkonových přebytků odpovídá přesně maximálnímu možnému množství dodané energie dané smlouvou. ® Výrazné finanční zisky

· Nedochází k nucenému vypnutí střídačů, ani k přemosťování panelů ve stringu. Střídače i panely jsou tímto šetřeny, navíc nedochází k dalším ztrátám energie vlivem opětné pomalé inicializace střídačů, resp. připojení zahřátých panelů. ® Finanční zisky

· Použitý speciální algoritmus zohledňuje aktuální výrobu panelů elektrárny a nezačíná tak mařit výkon předčasně. V případě náhlých změn v dodávce panelů (mraky apod.), okamžitě reaguje snížením nebo úplným vyřazením maření energie. ® Finanční zisky

· Měnič je doplněn barevným dotykovým displejem, na kterém jsou zobrazeny zvolené provozní hodnoty, navíc panel umožňuje archivaci hodnot dodané a mařené energie za každou čtvrthodinu. ® Možnost porovnání přínosů s původním stavem, tvorba statistik spotřeby

Porovnání denní bilance dodané energie FVE

A - Stupňovité odpínání jednotlivých skupin střídačů nebo zkratování panelů

B – plynulá regulace přebytků měničem ProControls SetMax

Realizace

V červenci 2013 bylo realizováno první nasazení inteligentního systému regulace ProControls SetMax na vzorové FVE. Elektrárna je vybavena distribuovanými střídači a má nasmlouvané maximum výkonu 600kW. Tato elektrárna původně používala k omezení maxima výše popsané odpojovaní vybraných střídačů pomocí standardního hlídače energetického maxima. Výsledky byly i přes opakované pokusy o optimální nastavení tohoto systému nepříznivé, docházelo k ekonomickým ztrátám vlivem menšího množství vyrobené energie, než by odpovídalo povolenému maximu. Za optimálních klimatických podmínek docházelo bez regulace u této elektrárny k překročení maxima povoleného výkonu po dobu cca 2-3  hodiny denně. Maximální špičkový výkon elektrárny překračoval smluvní výkon až o 60-70kW. Jako výkonový odporník byla proto zvolena sestava dvou odporníků o celkovém výkonu 2x42kW.

Sestava měniče ProControls SetMax 100uPCi dimenzovaná na uvedený výkon je umístěna v oceloplechovém rozváděči 800x800x400mm ve venkovním krytí. Rozváděč byl umístěn ve venkovním prostředí poblíž jednoho z podružných rozváděčů pro střídače, do kterého byl připojen silovým přívodem. Poblíž rozváděče byly umístěny dva výkonové odporníky Sahara MAXX HE 41. Ventilace a kontrola tepelného přetížení odporníků je řízena z rozváděče měniče. Kromě připojení pulzního signálu z elektroměru tak celá sestava nepotřebuje žádnou další integraci do systému elektrárny a pracuje zcela autonomně.

Měnič ProControls SetMax 100uPCi osazený v rozváděči

Výkonový odporník – 2 x Sahara MAXX HE 41 (2x42kW)

Displej pro zobrazení hodnot a diagnostiku

Cena realizace - příklad

Předpokládaná návratnost

Na základě dosavadního provozu popisovaného zařízení se jeví návratnost vynaložených prostředků v horizontu 5-10 let.