Współpraca instalacji fotowoltaicznej i magazynu energii w trybie harmonogramu czasowego – analiza przepływów mocy
Operation of battery energy storage systems for increasing self-consumption and utilization of time-of-use tariffs
Schemat ideowy połączenia poszczególnych elementów magazynu energii
W artykule omówiono cele stosowania bateryjnych magazynów energii w obiektach biurowych i przemysłowych: zwiększenie autokonsumpcji energii z instalacji fotowoltaicznej, ograniczenie mocy szczytowej (utrzymanie poboru z sieci na poziomie mocy zamówionej) oraz redukcję kosztów zakupu energii w układach wielotaryfowych. Wskazano wpływ stochastycznego charakteru generacji PV i zależności profili obciążenia na sposób doboru i sterowania magazynem.
W artykule:
|
StreszczenieW artykule omówiono cele stosowania bateryjnych magazynów energii w obiektach biurowych i przemysłowych: zwiększenie autokonsumpcji energii z instalacji fotowoltaicznej, ograniczenie mocy szczytowej (utrzymanie poboru z sieci na poziomie mocy zamówionej) oraz redukcję kosztów zakupu energii w układach wielotaryfowych. Wskazano wpływ stochastycznego charakteru generacji PV i zależności profili obciążenia na sposób doboru i sterowania magazynem. Przedstawiono założenia pracy z harmonogramem ładowania/rozładowania oraz wymagania integracyjne układów BMS/PCS/EMS na przykładzie rozwiązania dla obiektu z PV. |
AbstractThe paper discusses the main purposes of battery energy storage systems in office and industrial facilities: increasing PV self-consumption, reducing peak demand (keeping grid draw within the contracted power), and lowering energy costs in multi-tariff billing schemes. The impact of the stochastic nature of PV generation and the relationship between PV and load profiles on storage sizing and control is highlighted. A schedule-based charge/discharge strategy is outlined, together with key integration requirements for BMS/PCS/EMS, illustrated by a PV-assisted solution for a commercial facility. |
Cel stosowania bateryjnych magazynów energii
Bateryjne magazyny energii coraz częściej stanowią istotny element układu elektroenergetycznego w obiektach przemysłowych i biurowych. Podobnie jak pozostałe składowe takiego układu, ich zastosowanie wynika z potrzeby uzyskania określonych efektów technicznych oraz ekonomicznych. W rozpatrywanych obiektach do najważniejszych zadań magazynów energii można zaliczyć:
- zwiększenie wykorzystania energii elektrycznej generowanej w źródłach odnawialnych (tzw. autokonsumpcji), w szczególności fotowoltaicznych, które często są instalowane na terenie przemysłowym lub na dachach czy też elewacjach budynków [1, 2],
- ograniczenie zapotrzebowania na moc szczytową obiektu,
- ograniczenie kosztów zakupu energii elektrycznej dla wielotaryfowych układów rozliczeń.
Czytam więcej: BESS – bateryjne systemy magazynowania energii w praktyce biznesowej >>
Generacja energii w źródłach fotowoltaicznych ma charakter stochastyczny. O ile poziom wytwarzanej energii można w pewnym stopniu prognozować (zwłaszcza w dłuższych przedziałach czasu), o tyle w krótszych interwałach jest to zagadnienie trudniejsze. Z kolei pobór energii w obiektach biurowych i przemysłowych bywa bardziej uporządkowany, co wynika z przewidywalnego harmonogramu pracy. Nałożenie się profilu generacji z PV oraz profilu zapotrzebowania często prowadzi jednak do niepełnego wykorzystania energii wytworzonej na miejscu. W określonych godzinach pojawia się nadpodaż energii czynnej, którą można oddać do sieci (nie zawsze przy korzystnej cenie) albo zmagazynować. Zgromadzona energia może następnie zostać wykorzystana w godzinach zwiększonego zapotrzebowania lub w okresach obowiązywania droższej taryfy.
Przekroczenia mocy zamówionej są rejestrowane w rozliczeniach za energię elektryczną i powodują dodatkowe koszty. Ograniczenie tych kosztów można uzyskać poprzez stosowanie urządzeń typu strażnik mocy [3], jednak rozwiązanie to wymaga redukcji mocy pobieranej przez odbiory w obiekcie. Alternatywą jest zastosowanie magazynu energii, który oddaje energię w okresach wzrostu obciążenia, tak aby nie ograniczać zapotrzebowania wewnętrznego, a jednocześnie zmniejszyć pobór z sieci do poziomu mocy zamówionej określonej w umowie.
W układach rozliczeń wielotaryfowych, w których rozróżnia się okresy szczytowe i pozaszczytowe, możliwa jest dalsza redukcja kosztów energii. Ustalenie odpowiedniego harmonogramu cykli ładowania i rozładowania magazynu pozwala na zakup i akumulację energii w godzinach niższych stawek taryfowych, a następnie jej wykorzystanie w okresach droższych. W konsekwencji ogranicza się zapotrzebowanie na zakup energii w godzinach szczytowych, co przekłada się na niższe koszty funkcjonowania odbiorcy. Nowoczesne magazyny energii umożliwiają realizację opisanych zadań zarówno niezależnie, jak i łącznie, co stanowi jeden z kluczowych elementów oceny opłacalności inwestycji w bateryjny magazyn energii. Przyjętą strategię sterowania ukierunkowano na minimalizację kosztu energii poprzez ograniczenie importu z sieci w godzinach strefy droższej oraz zwiększenie poboru (ładowania) w strefie tańszej, z uwzględnieniem ograniczeń mocy ładowania i rozładowania. W analizie rozróżniono energię pobraną z sieci (import) oraz energię oddaną do sieci (eksport), co pozwala jednoznacznie ocenić wpływ pracy magazynu na bilans energii w obu strefach taryfowych.
Budowa bateryjnych magazynów energii
Magazyn energii składa się z kilku kluczowych komponentów:
- modułów baterii,
- systemu zarządzania bateriami (BMS – Battery Management System),
- inwertera do dwukierunkowego przesyłu mocy (PCS – Power Conversion System),
- systemu zarządzania magazynem energii (EMS – Energy Management System).
Elektryczne połączenia między wymienionymi komponentami magazynu energii przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1. Schemat ideowy połączenia poszczególnych elementów magazynu energii
Moduły bateryjne połączone są bezpośrednio do modułu BMS, który zarządza ich pracą. Liczba i pojemność modułów bateryjnych zależą od wielkości magazynu energii. System BMS kontroluje poziom naładowania i rozładowania poszczególnych ogniw oraz ich temperaturę, aby zapewnić długotrwałą i bezpieczną eksploatację [4]. Moduły bateryjne wykorzystują technologię LFP, czyli są to baterie LiFePO4. Charakteryzują się wysoką stabilnością pracy oraz długą żywotnością. Dwukierunkowy inwerter umożliwia działanie całego magazynu po stronie sieci AC w zakresie ładowania i rozładowania ogniw bateryjnych, zgodnie z programem sterującym zapisanym w systemie EMS.
Jako przykład rozwiązania o większej mocy można wskazać dwukierunkowy przekształtnik magazynowy PCS o mocy znamionowej 125 kW, przeznaczony do pracy w układach on-grid oraz z możliwością przełączania na pracę off-grid. Urządzenie realizuje konwersję DC/AC i AC/DC w systemie trójfazowym (3x230/400 V) z szerokim zakresem napięcia po stronie DC 630–1000 V (3P4W) oraz maksymalnym prądem DC 210 A. Po stronie AC dopuszczalne jest napięcie sieci 380/400 V w zakresie −15%…+15%, a częstotliwość pracy wynosi 45–55 Hz/55–65 Hz. Dla pracy sieciowej producent deklaruje współczynnik mocy powyżej 0,99 (dla mocy znamionowej) oraz całkowite odkształcenie prądu THD < 3% (dla mocy znamionowej).
W kontekście jakości energii i dynamiki regulacji istotne są: regulacja czterokwadrantowa mocy czynnej i biernej, możliwość pracy z nastawami (m.in. stała moc, stały prąd DC/AC, stałe napięcie DC), a także deklarowany krótki czas odpowiedzi (rzędu <10 ms) i szybkie przełączanie trybu ładowanie/rozładowanie przy pełnej mocy (rzędu < 30 ms). Urządzenie dopuszcza przeciążenie 110% w pracy długotrwałej oraz 120% przez 1 min, co ma znaczenie przy krótkotrwałych wzrostach obciążenia. Z punktu widzenia integracji systemowej przewidziano interfejsy komunikacyjne RS485 oraz CAN (protokoły Modbus i CAN2.0) oraz kompatybilność z wieloma protokołami BMS.
W zakresie wykonania i warunków środowiskowych przekształtnik ma konstrukcję beztransformatorową, chłodzenie powietrzem (inteligentne) oraz parametry instalacyjne istotne dla doboru miejsca montażu: wymiary 524x535x219 mm, masa 60 kg, poziom hałasu ≤ 65 dB. Zakres temperatury pracy wynosi −25…60°C (z deratingiem powyżej 45°C), a wysokość instalacji do 3000 m (powyżej – derating). Dostępne są wersje o stopniu ochrony IP65 (wykonanie szczelne) lub IP20 (wersje standardowe).
Przykładowy wygląd komercyjnego magazynu energii o mocy 50 kW i pojemności baterii 100 kWh przedstawiono na rysunku 2.
Rys. 2. Widok kontenera magazynu energii o parametrach
50 kW/100 kWh, rysunek poglądowy
Magazyn ten składa się z modułu BMS oraz 23 modułów bateryjnych o pojemności 4,736 kWh każdy. Wewnątrz rozdzielnicy zamontowano inwerter PCS, sterownik HMI z wbudowanym systemem EMS oraz dodatkowy osprzęt i aparaturę zabezpieczeniową. Na tylnej ścianie zamontowano zewnętrzny klimatyzator, zapewniający właściwą temperaturę pracy ogniw bateryjnych i pozostałych elementów magazynu.
Przedstawienie pracy istniejącego magazynu energii w celu zwiększenia autokonsumpcji
Dla zakładu o charakterze biurowo-produkcyjnym przedstawiono przebiegi przepływów mocy czynnej. Obiekt dysponuje mocą umowną 42 kW i współpracuje z instalacją fotowoltaiczną o mocy 42 kWp oraz bateryjnym magazynem energii o parametrach 50 kW/100 kWh. Trzy zasadnicze części układu – obwód zasilający, instalację PV oraz magazyn energii – wyposażono w stacjonarne analizatory jakości energii elektrycznej PQI-DA Smart firmy A-Eberle [5]. W analizowanym przypadku moc magazynu energii ograniczono do poziomów: podczas ładowania – 15 kW, natomiast podczas rozładowania – 10 kW. Przyjęte ograniczenia wynikały z założonej strategii pracy magazynu oraz potrzeby utrzymania poboru z sieci na poziomie nieprzekraczającym mocy umownej. Magazyn pracował wyłącznie w trybie harmonogramu czasowego – w godzinach porannego szczytu (od 7:00 do 11:00) oddawał do sieci stałą moc
10 kW, a od 11:00 do 14:00 ładował się z mocą 15 kW. Takie sterowanie pozwalało na redukcję poboru w okresie zwiększonego obciążenia oraz gromadzenie energii w przedziale czasowym o korzystniejszych warunkach pracy układu. Zmiany tych zależności zobrazowano na wykresie na rysunku 3., na którym fioletowa krzywa (ODB) przedstawia zapotrzebowanie na moc czynną odbiorników zainstalowanych w obiekcie.
Rys. 3. Wykres poboru i generacji mocy dla wybranego dnia roku: PV – generacja mocy z instalacji fotowoltaicznej, ME – pobór i generacja mocy z magazynu energii, ODB – zapotrzebowanie na moc przez odbiorniki, zasilanie – pobór mocy z sieci dystrybucyjnej
Typowe godziny pracy zaczynają się w okolicach godziny 7:00, koniec pracy następuje między 15:00 a 16:00, w zależności od działu. Można zauważyć, że szczytowe zapotrzebowanie na moc przekroczyło poziom 42 kW, czyli moc umowną. Nastąpiło to tuż przed godziną 15:00. Krzywa generacji mocy z instalacji fotowoltaicznej przypomina typową krzywą dzwonową. Szczytowa generacja mocy osiągnęła poziom ok. 30 kW. Ponieważ ta krzywa jest ciągła, nieposzarpana ani w inny sposób zmienna, można przyjąć, że w rozpatrywanym dniu panowały odpowiednie warunki pogodowe do wysokiej generacji mocy ze źródeł PV, przede wszystkim brak zachmurzenia. Szczytową generację mocy osiągnięto pomiędzy godziną 13:00 a 14:00. Jak wspomniano wcześniej, nastawy magazynu energii zostały dobrane tak, aby zminimalizować poranny pobór mocy w godzinach od 7:00 do 11:00. Następnie następowało doładowanie magazynu energii przy wysokiej generacji mocy z instalacji PV. Dzięki temu energia generowana z fotowoltaiki w jednym dniu była konsumowana przez odbiorcę następnego dnia. Ostatecznie, czerwona krzywa przedstawia pobór i generację mocy z sieci dystrybucyjnej. O godzinie 16:00 widoczna jest niewielka generacja mocy czynnej do sieci, wynikająca z nadal pracującej instalacji PV, przy braku obciążenia ze strony odbiorników. W pozostałych godzinach energia jest pobierana z sieci.
Analiza przepływu tych mocy wykazuje, że w rozpatrywanym dniu roboczym pobór mocy czynnej z sieci był niższy niż zapotrzebowanie na moc ze strony odbiorcy (porównanie krzywej czerwonej i fioletowej). Szczególnie widoczna jest ta różnica w godzinach porannych, gdy przy braku lub niewielkiej generacji energii z instalacji PV moc oddawana z magazynu energii skutecznie uzupełnia ten niedobór. W godzinach południowych, przy wysokiej generacji mocy czynnej z instalacji fotowoltaicznej, zapotrzebowanie na moc z sieci pozostaje ograniczone, nawet przy dodatkowym ładowaniu magazynu energii. Produkowana energia jest częściowo przeznaczona na ładowanie magazynu, a częściowo na bieżącą konsumpcję przez odbiorniki energii elektrycznej. Pomimo wysokiego zapotrzebowania na moc i doładowywania magazynu, moc dostarczana z sieci pozostaje niższa niż zapotrzebowana moc czynna. Wykorzystanie współpracy pomiędzy instalacją fotowoltaiczną a magazynem energii w takim zakresie pozwoliło na zwiększenie autokonsumpcji oraz zmniejszenie zakupu energii od dostawcy w godzinach porannych.
Zapotrzebowanie na energię elektryczną odbiorcy w analizowanym dniu wynosiło 347 kWh, przy czym wielkość tę rozumie się jako energię pobraną przez odbiory obiektu, wyznaczoną przez całkowanie przebiegu mocy ODB w czasie. Energia zakupiona z sieci (rozumiana jako energia importowana) wyniosła 172 kWh. Instalacja fotowoltaiczna wygenerowała 186 kWh energii czynnej. Bilans magazynu energii określono jako różnicę energii pobranej przez magazyn podczas ładowania i energii oddanej podczas rozładowania, wyznaczoną na stronie AC na podstawie przebiegu ME. Dodatnia wartość 10 kWh oznacza, że w analizowanym okresie energia doprowadzona do magazynu była większa od energii oddanej, co obejmuje straty konwersji i magazynowania oraz pobór własny układów pomocniczych (m.in. klimatyzatora). Dodatkowa energia została zużyta przede wszystkim na działanie układu klimatyzacji, którego zapotrzebowanie mierzono łącznie ze wszystkimi komponentami magazynu.
Przedstawienie pracy istniejącego magazynu energii dla zwiększenia autokonsumpcji i wykorzystania systemów dwutaryfowych
Dla obiektu jak wyżej została uwzględniona praca w układzie dwutaryfowym, gdzie godziny szczytowe ustawione są od 7:00 do 11:00 i od 14:00 do 16:00. Pozostałe godziny ustawiono jako pozaszczytowe. Na rysunku 4. przedstawiono przebiegi przesyłu mocy czynnej dla magazynu energii (ME), instalacji fotowoltaicznej (PV) oraz z układu zasilania sieci dystrybucyjnej (ZAS).
Rys. 4. Wykres poboru i generacji mocy dla wybranego dnia roku: PV – generacja mocy z instalacji fotowoltaicznej, ME – pobór i generacja mocy z magazynu energii, ZAS – pobór mocy z sieci dystrybucyjnej
Wartość mocy ze znakiem dodatnim oznacza pobór energii z sieci oraz ładowanie magazynu energii, ze znakiem minus – generację energii z instalacji fotowoltaicznej oraz oddawanie energii z magazynu energii do sieci.
Praca magazynu energii uwzględniała jego doładowanie w godzinach nocnych (od północy do siódmej rano). Wielkość tego doładowania była zależna od zgromadzonej energii i różniła się w poszczególnych dniach pracy (nie pokazano na rysunku). W godzinach porannych następuje oddawanie energii z magazynu w celu ograniczenia porannego zapotrzebowania na moc. W kolejnej części dnia, w godzinach od 11:00 do 14:00, następuje doładowanie magazynu energii, gdzie następuje wykorzystanie instalacji fotowoltaicznej. Następnie w drugim szczytowym przedziale czasu następuje oddawanie energii z ME. Praca w takim trybie pozwala na ograniczenie zapotrzebowania na moc czynną zakupioną od spółki dystrybucyjnej, co jest szczególnie istotne przy wyższych cenach w taryfie szczytowej.
Podsumowanie
Bateryjne magazyny energii w obiektach biurowych i przemysłowych znajdują zastosowanie głównie w trzech obszarach: zwiększania autokonsumpcji energii z instalacji fotowoltaicznej, ograniczania mocy szczytowej oraz redukcji kosztów zakupu energii w rozliczeniach wielotaryfowych. Stochastyczny charakter generacji PV, przy jednocześnie bardziej uporządkowanym profilu obciążenia, prowadzi do okresowych nadwyżek energii czynnej. Nadwyżki te mogą zostać oddane do sieci lub zmagazynowane i wykorzystane w godzinach zwiększonego zapotrzebowania, w tym w przedziałach o wyższych stawkach taryfowych. W efekcie magazyn pełni rolę bufora przesuwającego energię w czasie, a przy właściwym sterowaniu umożliwia stabilizację poboru z sieci na poziomie zbliżonym do mocy umownej, bez konieczności redukcji mocy odbiorów.
W części aplikacyjnej przedstawiono przykład zakładu biurowo-produkcyjnego o mocy umownej 42 kW, współpracującego z instalacją PV 42 kWp oraz magazynem energii 50 kW/100 kWh. Przepływy mocy czynnej rejestrowano w trzech obszarach układu (obwód zasilający, PV, magazyn) z wykorzystaniem stacjonarnych analizatorów jakości energii. Dla zachowania wymaganej strategii oraz ograniczenia wpływu pracy magazynu na profil poboru przyjęto limity mocy: 15 kW podczas ładowania oraz 10 kW podczas rozładowania. Magazyn pracował wyłącznie w trybie harmonogramu czasowego: w godzinach 7:00–11:00 oddawał stałą moc 10 kW, natomiast w godzinach 11:00–14:00 ładował się mocą 15 kW, co pozwalało na redukcję poboru w porannym szczycie i gromadzenie energii w korzystniejszym przedziale pracy układu.
Wskazano, że skuteczność realizacji opisanych funkcji zależy od poprawnej integracji warstw BMS/PCS/EMS, umożliwiającej wdrożenie harmonogramów, nadzór parametrów energetycznych oraz wymianę danych pomiarowych i diagnostycznych. Zwrócono również uwagę, że dobór mocy i pojemności magazynu powinien wynikać z analizy profili generacji i obciążenia, a także z warunków umownych i taryfowych, tak aby uzyskać pożądany efekt techniczny i ekonomiczny.
Literatura
- R. Szczerbowski, Nowe technologie i rozwiązania w instalacjach fotowoltaicznych, „elektro.info” 3/2024.
- P. Świsłowski, L. Dębska, M. Rajfur, Roczna wydajność instalacji PV zamontowanej na dachu budynku dydaktycznego Uniwersytetu Opolskiego, ECOpole, 2018.
- https://astat.pl/produkty/straznik-mocy-zen-sm-standard/ [dostęp: 20.02.2025].
- A. Erd, T. Ciszewski, Wybrane aspekty bezpieczeństwa użytkowania magazynów energii w bateriach złożonych z ogniw litowo-jonowych, „Przegląd Elektrotechniczny” 1/2024.
- https://astat-energetyka.pl/produkty/jakosc-energii-elektrycznej/analizatory-jakosci-energii-elektrycznej/stacjonarne-analizatory-jakosci-energii-elektrycznej/stacjonarny-analizator-parametrow-jakosci-energii-pqi-da-smart/ [dostęp: 20.02.2025].
