Mikroverkon ohjauksen toteuttaminen PLC-ohjelmistolla

Abstract

Sähkön kulutuksen lisääntyessä sähköverkot kuormittuvat entisestään ja niille täytyy pystyä antamaan tukea. Mikroverkot ovat yksi mahdollinen sähköverkkoa tukeva kokonaisuus, joka voi sisältää erilaisia kuormia ja resursseja. Mikroverkon sisällä kuorma käsittelee energiaa kuluttavana ja resurssi sitä antavana laitteistona. Jotkut laitteet voivat toimia molempina, kuten akkuenergiavarastot. Mikroverkot voivat osallistua Fingridin tarjoamille taajuusreservimarkkinoille, jonka avulla ne pystyvät sähköverkon stabiilisuutta tukemaan. Mikroverkot voivat aktiivisesti osallistua Fingridin taajuusreservimarkkinoille, vahvistaen sähköverkon vakautta tarjoamalla nopeaa ja joustavaa energiatukea. Tämä osallistuminen tapahtuu mikroverkon ohjaimen kautta, joka hallitsee tehokkaasti järjestelmän hajautettuja resursseja taajuussääntelyn vaatimusten täyttämiseksi.

Tässä työssä perehdytään siihen kuinka luoda kyseinen mikroverkon ohjain ohjelmoitavalla logiikalla, kuinka kommunikaatio pystytään toteuttamaan ohjattavien resurssien kanssa sekä millaiseen suorituskykyyn ohjelmoitavalla logiikalla toteutettu mikroverkon ohjain kykenee. Mikroverkon mallinnus- ja simulointityökaluina RTDS:ää ja RSCAD-ohjelmaa, ohjelmoitava logiikka tehdään Codesys-ohjelmalla sekä kommunikaatio näiden välillä toteutetaan Modbus TCP/IP-protokollan avulla. Diplomityö toteutetaan osana Merus Power Oyj:n laajempaa tutkimushanketta.

Diplomityön tavoitteena on pystyä luomaan ohjaus, jonka avulla pystyttäisiin osallistumaan taajuusreservimarkkinoille. Tavoitemarkkinoina tässä työssä toimivat taajuusohjattu käyttö- ja häiriöreservi. Työssä toteutettiin erikseen omat algoritminsa taajuusreservimarkkinoille sekä huipputehon leikkaukselle. Taajuusreservimarkkina-algoritmi antoi teho-ohjeita taajuuden funktiona, kun taas huipputehon leikkaus pyrki saamaan liitäntäpisteen tehon pysymään asetun maksimirajan alapuolella. Molemmissa algoritmeissa hyödynnettiin PI-säätöä. Luodun ohjauk-sen suorituskyky todettiin tarpeeksi nopeaksi ja tarkaksi täyttääkseen asetetut kriteerit.

As electricity consumption increases, power grids face greater strain and require support to maintain stability. Microgrids offer a potential solution to support the main grid, which may contain various loads and resources. Within microgrid, loads function as devices that consume energy, while resources provide energy. Some devices, such as battery energy storage systems, can operate in both roles. Microgrids can actively contribute to Fingrid’s frequency reserve market, enhancing grid stability by providing fast and flexible energy support. These contributions are coordinated through a microgrid controller, which efficiently manages distributed resources within the system to meet frequency regulation requirements.

This thesis focuses on designing such a microgrid controller using programmable logic, establishing communication with controlled resources, and evaluating the performance of a programmable logic controller-based microgrid controller. The tools used for microgrid modeling and simulation were RTDS and RSCAD software, while the programmable logic controller was developed using Codesys. Communication between components was established with Modbus TCP/IP-protocol. This thesis was conducted as a part of Merus Power Oyj’s larger research project.

The aim of the thesis was to design and develop a control system capable of participating in frequency reserve markets. The target markets addressed in this thesis are frequency containment reserve for normal operation and disturbances. Separate algorithms were implemented for frequency reserve markets and peak shaving. The frequency reserve market algorithm provided power commands based on frequency, while the peak shaving algorithm sought to maintain the point of common coupling power below a set maximum limit. Both algorithms utilize PI control. The developed control system demonstrated both sufficient speed as well as accuracy to meet the specified performance criteria.