Energianhallintajärjestelmä mikroverkon energiaresurssien käytön taloudelliseen optimointiin

Abstract

Mikroverkot ovat paikallisia sähköverkkokokonaisuuksia, joilla on kyky irtaantua perinteisestä jakeluverkosta ja toimia täten itsenäisinä entiteetteinä. Ominaisuuksien ansiosta mikroverkot tukevat tulevaisuuden älykkään sähköverkon kehitystä ja edistävät hajautettujen energialähteiden, kuten aurinko- ja tuulivoiman integrointia sähköverkkoon. Paikallisesti tuotettu ja kulutettu energia vähentää sähkönsiirrossa tapahtuvia häviöitä ja kasvattaa sähkönjakelujärjestelmän tehokkuutta. Mikroverkon energianhallintajärjestelmän tavoitteena on optimoida siihen kuuluvien elementtien toimintaa suunnittelemalla ohjausstrategia sekä pidemmällä että lyhyellä aikavälillä. Taloudellisesti optimaalisen ohjausstrategian toteutuksen haasteena on mikroverkkokokoonpa nojen erilaisuus, kansallinen lainsäädäntö ja regulaatio. Huolella toteutettu energianhallintajärjestelmä mahdollistaa mikroverkon operaattorille paitsi taloudellista etua myös järjestelmän vakautta, turvallisuutta ja energiatehokkuutta. Tässä työssä luotiin runko energianhallintajärjestelmän ohjauslogiikalle sekä tutkittiin tuotteistamiseen liittyviä tarpeita ja haasteita. Optimoinnissa käytetyt markkinapaikat on jaettu teho- ja energiapohjaisiin markkinoihin. Simuloidun mikroverkon elementit eivät sisältäneet tarkkoja sähköteknisiä malleja, vaan sen sijaan niiden käyttäytymisen mallinnus perustui historiadataan. Simulointitulosten perusteella todettiin, että mallinnetun mikroverkon joustokuormien ensisijainen hyödyntäminen käyttötunnin aikana tasevirheen korjaukseen on kannattavampaa kuin akkuenergiavaraston. Akkuenergiavaraston osalta maksimaalinen taloudellinen hyöty saavutetaan tarjoamalla sitä taajuusreservimarkkinoille, joista tuottoisin reservilaji oli yhdistelmä FFR + FCR D tuntimarkkina. Työn laajuuden hallinnan kannalta ennustealgoritmien implementointi, automaattisen tarjoustenjättöprosessin sekä tarvittavien tiedonsiirtorajapintojen kehittäminen vaativat jatkotutkimuksia. Työ tehtiin osana Merus Power Oyj:n Energy ECS tuotekehityshanketta.

Microgrids are local electrical network systems that have the ability to disconnect from the tradi tional distribution network and thus function as independent entities. Microgrids support the de velopment of the smart electricity grid of the future and advance the integration of decentralized energy sources, such as solar and wind power, into the electricity grid. Locally produced and consumed energy reduces losses in electricity transmission and thus increases the efficiency of the electricity distribution system. The main goal of the microgrid's energy management system is to optimize the operation of its elements by planning a control strategy in both the long and short term. The challenge of implementing an economically optimal control strategy is the diver sity of microgrid configurations, local regulations and legislation. A carefully implemented ener gy management system gives the microgrid operator not only financial advantage but also sys tem reliability, safety and energy efficiency. In this work, the basis for the control logic of the energy management system was created and the needs and challenges for productization were studied. The marketplaces used in the optimi zation are divided into power- and energy-based markets. The elements of the simulated mi crogrid did not contain exact electrical engineering models, but instead the modeling of their be havior was based on historical data. Based on the simulation results, it was concluded that the primary utilization of the flexible loads of the modeled microgrid during the operating hour to cor rect the balance error is more profitable than usage of the battery energy storage. Regarding battery energy storage, the maximum financial benefit is achieved by offering it to the frequency reserve market, of which the most profitable reserve type was the combination FFR + FCR-D as an hourly market. In terms of managing the scope of the work, the implementation of forecasting algorithms, the development of the automatic bid submission process and the necessary data transfer interfaces require further research. The work was done as part of Merus Power Plc's Energy ECS product development project.