Rozvoj elektromobility prináša okrem ekologických a ekonomických prínosov aj nové nároky na elektrizačnú sústavu. Rastúci počet elektromobilov znamená nielen nárast celkovej spotreby elektrickej energie, ale najmä vznik nových časovo premenlivých odberových špičiek. Problematická preto nemusí byť samotná ročná spotreba, ale okamžitý výkon požadovaný v čase, keď sa na jednom mieste nabíja väčší počet vozidiel súčasne. S rastúcim počtom nabíjacích staníc tak vzniká potreba riadiť nielen samotné nabíjanie vozidiel, ale aj tok energie medzi sieťou, lokálnymi zdrojmi a úložiskami.

Jedným z riešení je energetický manažment nabíjacej stanice (EMS), ktorý dokáže v reálnom čase prerozdeľovať dostupný výkon medzi jednotlivé elektromobily a súčasne využívať lokálne zdroje energie. V tomto príspevku je EMS kombinovaný s definovanou rezervovanou kapacitou (RK), fotovoltickým systémom (FV) a batériovým úložiskom energie (BAT). Cieľom je zabezpečiť, aby nabíjacia stanica neprekročila dohodnutú RK, pričom sa v maximálnej možnej miere využije dostupná energia z lokálnych zdrojov a zachová sa čo najvyššia úroveň nabíjania elektromobilov.

Model mikrosiete nabíjacej stanice

Na overenie navrhnutého riešenia bol vytvorený simulačný model nabíjacej stanice pre elektromobily, ktorý pozostáva z elektrickej siete, nabíjacích bodov, fotovoltického systému a batériového úložiska (obr. 1). Elektrická sieť zostáva hlavným zdrojom energie, zatiaľ čo FV a BAT predstavujú doplnkové lokálne zdroje. Modelované boli dva typy staníc (rezidenčná a verejná), obe s 10 nabíjacími bodmi s maximálnym výkonom jedného nabíjacieho bodu 11 kW.

Rozdiel medzi nimi spočíva v charaktere ich využívania. Pri rezidenčnom nabíjaní sa vozidlá pripájajú najmä popoludní a večer a zostávajú pripojené dlhší čas, zatiaľ čo verejné stanice sú využívané prevažne cez deň s kratšími reláciami. Pri simulácii boli použité ročné historické dáta o nabíjaní elektromobilov a historické meteorologické údaje na stanovenie výroby FV systému.

Energetický manažment nabíjacej stanice

Základom navrhnutého riešenia je EMS pracujúci v 15-minútových intervaloch, ktorý v každom kroku vyhodnocuje aktuálny stav systému (počet pripojených vozidiel, ich stav nabitia, dostupný výkon FV, stav nabitia BAT) a aktuálnu RK. Riadiaci algoritmus sleduje tri hlavné ciele: 1. minimalizovať rozdiel medzi požadovaným nabíjacím výkonom a energiou dostupnou z lokálnych zdrojov, 2. maximalizovať využitie lokálnych zdrojov (najmä výroby FV a energie z BAT) a 3. zabezpečiť čo najvyšší výkon dodávaný elektromobilom.

Pokiaľ nie je k stanici pripojené žiadne vozidlo, riadenie sa sústreďuje na efektívne využitie lokálnej výroby. Energia z FV môže byť použitá na nabíjanie BAT, ktorá tak funguje ako zásobník umožňujúci presunúť vyrobenú energiu do obdobia, keď bude potrebná. Ak je pripojené aspoň jedno vozidlo, EMS rieši komplexnejšiu úlohu: rozdeľuje dostupný výkon medzi vozidlá, zohľadňuje výrobu FV aj stav BAT a zabezpečuje dodržanie RK, ktorá bola v simulovaných scenároch definovaná na 55 kW. Úlohou EMS pritom nie je nabíjanie jednoducho vypínať, ale dostupný výkon čo najefektívnejšie prerozdeliť.

Simulačné zhodnotenie navrhnutých riešení

Pre zhodnotenie riešenia bolo simulovaných niekoľko prevádzkových scenárov pre oba typy staníc. Prvým bol scenár bežnej, neriadenej prevádzky, ktorý slúži ako referencia. Bez akéhokoľvek riadenia dosiahol ročný odber rezidenčnej stanice 241,51 MWh a verejnej stanice 224,90 MWh, pričom odber zo siete vykazoval výrazne premenlivý charakter s výkonovými špičkami počas roka. Pri rezidenčnej stanici bolo v tomto scenári 74,42 % nabíjacích relácií ukončených so stavom nabitia 95 až 100 %, pri verejnej stanici to bolo 43,14 %.

Keďže nabíjanie nebolo obmedzované, možno spokojnosť zákazníkov v tomto prípade považovať za referenčnú, najvyššiu možnú. Druhým scenárom bolo zavedenie kombinácie EMS a obmedzenia odoberaného výkonu nabíjacej stanice v podobe RK (55 kW) do prevádzky nabíjacej stanice. Táto kombinácia dokázala úplne odstrániť výskyt výkonových špičiek (obr. 2), avšak na úkor prevádzky stanice (zníženie počtu obslúžených zákazníkov). Ročný odber rezidenčnej stanice klesol na 233 MWh (pokles približne o 3,5 %) a verejnej stanice na 207,06 MWh (pokles približne o 7,93 %) oproti referenčnému scenáru.

Tento pokles možno napriek obmedzeniu považovať za relatívne nízky, čo možno pripísať práve EMS, ktorý umožňuje efektívne riadiť nabíjací výkon a obmedziť špičky bez výrazného vplyvu na prevádzku. Z hľadiska spokojnosti zákazníkov ukončilo pri rezidenčnej stanici nabíjanie so stavom 95 až 100 % o 5 % menej vozidiel než v referenčnom scenári, pri verejnej stanici sa počet plne nabitých vozidiel znížil o 4 %.

Fotovoltika a batéria ako doplnok k inteligentnému riadeniu

Samotný EMS dokáže regulovať výkon odoberaný zo siete, ale nedokáže vytvoriť dodatočnú energiu. Ak má byť pri rovnakom sieťovom limite dodané elektromobilom viac energie, treba doplniť ďalšie zdroje. Preto bola do modelu zakomponovaná kombinácia FV systému a BAT. FV poskytuje energiu priamo počas výroby, zatiaľ čo BAT umožňuje jej časové posunutie. Kombinácia oboch technológií tak vytvára priestor na pokrytie časti nabíjacieho výkonu bez zvýšenia odberu zo siete, pričom dôležitá je správna veľkosť oboch zdrojov.

Predimenzovaný systém znamená zbytočne vysoké investičné náklady, poddimenzovaný zase nedokáže prevádzku stanice výraznejšie ovplyvniť. Optimalizačným výpočtom bol pre rezidenčnú stanicu určený 80 kWp FV systém a BAT s kapacitou 200 kWh, pre verejnú stanicu 113 kWp FV systém a BAT s kapacitou 22 kWh. Zakomponovanie doplnkových zdrojov prinieslo oproti scenáru s EMS a RK bez FV a BAT mierne, no merateľné zlepšenie prevádzkových parametrov oboch staníc, pričom sa zároveň znížil podiel energie odoberanej zo siete.

Pri rezidenčnej stanici dosiahla celková ročná spotreba 237,57 MWh, z čoho 188,87 MWh pochádzalo zo siete, 30,25 MWh z FV systému a 18,47 MWh z BAT. V porovnaní s predchádzajúcim scenárom teda došlo k čiastočnému nahradeniu sieťovej energie lokálnymi zdrojmi. Podiel vozidiel s výsledným stavom nabitia 95 až 100 % vzrástol na 71,4 %, čo predstavuje zlepšenie približne o 1,5 % oproti scenáru bez doplnkových zdrojov.

Pri verejnej stanici dosiahla celková spotreba 219,91 MWh, pričom sieť dodala 137,34 MWh, FV systém 75,22 MWh a BAT 7,58 MWh. Podiel plne nabitých vozidiel vzrástol na 41,57 %, teda približne o 2,8 % oproti predchádzajúcemu scenáru. Tieto výsledky naznačujú, že prínos doplnkových zdrojov je citeľný, no v porovnaní s investičnou náročnosťou FV systému a batériového úložiska pomerne obmedzený, najmä pri rezidenčnej stanici.

Verejná nabíjacia stanica dokázala využiť podstatne väčšiu časť energie priamo z FV systému, keďže jej denný profil nabíjania lepšie korešpondoval s profilom výroby zo slnečného žiarenia (obr. 3). Pri rezidenčnej stanici bol prínos lokálnych zdrojov napriek relatívne veľkému FV systému a BAT výraznejšie tlmený časovým nesúladom medzi výrobou fotovoltiky počas dňa a nárastom nabíjacej potreby vo večerných hodinách, keď sa BAT stáva kľúčovým, no zatiaľ nie plne využitým prvkom systému.

Záver

V príspevku bola predstavená stratégia energetického manažmentu (EMS) pre prevádzku nabíjacích staníc v rámci definovanej rezervovanej kapacity (RK) s možnosťou integrácie doplnkových zdrojov energie. Navrhnutý EMS dokázal spoľahlivo zabezpečiť, aby systém neprekročil limit stanovený prevádzkovateľom distribučnej sústavy a aby zároveň efektívne koordinoval tok energie medzi jednotlivými komponentmi systému.

Výsledky simulácií potvrdili, že hoci uplatnenie RK znižuje celkovú spotrebu a výsledný stav nabitia vozidiel, EMS tento vplyv účinne zmierňuje efektívnejším rozdeľovaním dostupného výkonu. Doplnenie systému o FV systém a batériové úložisko prinieslo ďalšie, aj keď skôr postupné zlepšenie prevádzky, pričom sa zvýšil podiel energie z lokálnych zdrojov, znížil sa odber zo siete a mierne vzrástla aj spokojnosť zákazníkov.

Miera zlepšenia sa však medzi typmi staníc líšila. Pri verejnej stanici sa vďaka lepšiemu súladu profilu nabíjania s výrobou FV prejavila výraznejšie, zatiaľ čo pri rezidenčnej stanici zostala obmedzenejšia pre časový posun medzi dennou výrobou FV a večernou špičkou. Kombinácia EMS a RK tak predstavuje účinný a jednoducho implementovateľný nástroj na obmedzenie vplyvu nabíjacej infraštruktúry na sieť.

Doplnkové zdroje tento efekt ďalej podporujú dosiahnutým zlepšením, avšak ich efekt zatiaľ nezodpovedá ich technickému potenciálu ani investičnej náročnosti, a preto bude pre ich lepšiu implementáciu potrebný ďalší výskum, komplexnejšia optimalizácia veľkosti a komplexnejšie riadiace stratégie vo vzťahu ku konkrétnemu profilu nabíjania, prípadne kombinácia s prediktívnymi metódami riadenia.

Ing. Matej Tkáč, PhD.
prof. Ing. Peter Braciník, PhD.

Katedra elektroenergetiky a elektrických pohonov
Fakulta elektrotechniky a informačných technológií
Žilinská univerzita v Žiline
Univerzitná 8215/1, 010 26 Žilina
peter.bracinik@uniza.sk, matej.tkac@uniza.sk