I det här inlägget kommer vi att utveckla hur den flexibilitet som tillhandahålls av element som elfordon, värmepumpar, lagringssystem etc. kan ge mervärde för olika aktörer i elsystemet
Vi kommer att gå igenom vilka tjänster som aggregeringen av flexibilitet kan erbjuda de olika aktörerna i systemet. Vissa av dessa tjänster är kompatibla med varandra och därför kan aggregering av flexibilitet erbjuda två eller flera kompatibla tjänster samtidigt till mer än en aktör. I andra fall kan de erbjudna tjänsterna vara oförenliga och då måste den lokala regleringen, leverantören av aggregering eller marknaden välja. I följande stycken förklaras de produkter som aggregering av flexibilitet kan erbjuda de olika aktörerna i systemet och mervärdet för varje specifik kund.
Flexibilitetsvärde för systemansvariga för distributionssystem
Den utsträckning i vilken eldistributionsföretagen kan kontrollera vad som händer i deras nät är acceptabel på hög- och mellanspänningsnivå, men i många fall mycket låg eller obefintlig i lågspänningsnät. Under vissa omständigheter har de krafttransformatorstationer som förbinder lågspänningsnätet med mellanspänningsnätet kranväxlare som gör det möjligt för dem att reglera transformatorns utgångsspänning i viss utsträckning beroende på belastningen på de lågspänningsledningar de betjänar. Antalet operationer som denna typ av anordning kan utföra är dock mycket begränsat eftersom de i de flesta fall måste göras manuellt och när en kran väl har ändrats förblir den i det läget under en lång tidsperiod, så denna mekanism är inte acceptabel i ett sammanhang där dynamiken i lastvariationen orsakar snabba fluktuationer i spänningsnivån. Något liknande kan sägas om användningen av kondensatorbatterier som tillför reaktiv effekt till systemet och höjer dess spänning. Å ena sidan är användningen inte särskilt omfattande och dess kontrollmekanismer tillåter inte en snabb och kontinuerlig reglering av den inmatade reaktiva effekten.
En annan fråga att ta hänsyn till är den möjliga överbelastningen av ledningar och krafttransformatorer. Det måste beaktas att lågspänningsdistributionsnät i stadsmiljöer i många fall har en mycket komplex topologi som gör det möjligt att omkonfigurera och därmed fördela belastningen från vissa krafttransformatorstationer till andra, dvs. en viss linje kan matas (inte samtidigt) från två eller flera krafttransformatorstationer, vilket gör att viss överbelastning kan lösas. Men återigen, i de flesta fall är denna omkonfiguration manuell och när den väl är gjord tenderar den att förbli statisk i månader eller år, så denna teknik svarar inte heller mot de dynamiska kontrollkrav som är nödvändiga för att hantera distribuerade resurser som elfordon, solpaneler, batterier ... med hög variabilitet.
I detta avseende måste det sägas att distribuerade resurser inte bara ger flexibilitet i den meningen att de kan variera sin effekt eller skifta sin förbrukning över tid, utan ett gemensamt drag är att de är anslutna till nätet genom omvandlare vars funktionskatalog är mycket omfattande. Såväl elfordon med enkel eller dubbelriktad laddning som värmepumpar, ackumuleringssystem, solcellssystem och andra resurser ansluts till nätet via omvandlare som möjliggör en mycket snabb variation av arbetsförhållandena. Förordningar som den som föreslås av IEEE i dess 1547 Standard on the requirements for converters for interconnecting distributed resources to the network [1], eller de framsteg som gjorts av arbetsgrupp WG17 i IEC:s tekniska kommitté TC57 för att anpassa IEC 61850-standarden om system för automatisering av kraftverk inkluderar redan denna typ av funktionalitet för smarta omvandlare [2]. En detaljerad beskrivning av de ovan nämnda funktionerna ligger utanför ramen för detta dokument och finns i litteraturen i dokument som det som föreslagits av EPRI (Electric Power Research Institute) i rapporten "Common Functions for Smart Inverters" [3]. Sammanfattningsvis kan vi säga att de funktioner som beskrivs är möjliggörande teknik för implementering av hela uppsättningen produkter och tjänster som de flexibla resurserna kan erbjuda distributörerna och även resten av systemets aktörer. På detta sätt är det värde som aggregeringen av flexibilitet kan erbjuda ett distributionssystem följande:
- Hantering av överbelastning: Om de aggregerade resurserna är koncentrerade till ett visst geografiskt distributionsområde kan aggregeringen av flexibilitet samordna resurserna på ett sådant sätt att distributören garanteras en driftpunkt under överbelastningen. Ett exempel skulle kunna vara samordnad laddning av elfordon, vilket skulle undvika toppbelastningar och därmed minska behovet av investeringar i underhåll och uppgradering av nätet från distributörens sida. Normalt sett kan den högsta efterfrågan i ett lågspänningsnät, beroende på konsumentprofilen, inträffa antingen mitt på dagen eller på natten. Distributören måste ha nödvändig infrastruktur för att hantera dessa belastningstoppar, som normalt varar under mycket kort tid, och detta innebär att man under större delen av tiden arbetar med en överdimensionerad infrastruktur. Aggregering av flexibilitet skulle göra det möjligt att lösa överbelastning av infrastrukturen genom att samordna flexibiliteten och därmed bidra till att öka leveranskvaliteten, samtidigt som distributionsföretagen skulle kunna spara in på infrastrukturinvesteringar.
- Spänningsreglering: Som nämnts ovan är de mekanismer för spänningsreglering som för närvarande finns tillgängliga för distributörerna mycket få och har i bästa fall en långsam dynamik. I det här fallet bör det nämnas att de distribuerade enheterna återigen har en underutnyttjad tillgång som gör det möjligt att reglera spänningen, det vill säga den omvandlare som finns i solgenereringssystem, ackumuleringssystem, i vissa laddningssystem för elfordon etc. Omvandlare för nätanslutning använder den nominella strömmen under mycket korta tidsperioder, när det gäller solgeneratorer, till exempel, kommer de som mest att använda den maximala strömmen för att injicera aktiv effekt vid timmen med maximal strålning en solig dag, resten av tiden kommer de att arbeta under sin nominella kapacitet. I detta fall kan denna kapacitet användas för att mata in reaktiv effekt "gratis" för ägaren av tillgången så att lokal spänningskontroll utövas i distributionsnätet. Det bör noteras att exemplet med solkonvertern har tagits upp eftersom vid en efterfrågetopp under en molnig dag eller natt, som orsakar stora spänningsfall, kan solkonverterarnas fulla kapacitet användas för att tillföra reaktiv effekt och höja nätspänningen. När det gäller distributionsnät, med tanke på det höga R/X-förhållandet (resistans/reaktans), finns det dessutom en hög korrelation mellan förbrukning/injektion av aktiv effekt och spänningsnivån, så en styrning av typen Volt-Watt skulle också kunna implementeras i omvandlarna. Denna styrning skulle förhindra att spänningen ökar eller minskar för mycket på grund av överinmatning eller överkonsumtion av distribuerade resurser, och i det här fallet kan och bör denna typ av styrning installeras i system för fordonsladdning, V2G-system, värmepumpar etc.
I detta fall måste man ta hänsyn till att aggregeringen av flexibilitet i vissa fall kanske inte är förenlig med de tjänster för hantering av överbelastning som tillhandahålls distributören, dvs. balansansvariga kan kräva en ökad förbrukning från aggregatorn men denna ökade förbrukning är oförenlig med att undvika överbelastning i ett visst distributionsområde. I dessa fall måste det finnas mekanismer för att prioritera en aggregators order om effektökning eller effektminskning när den erbjuder produkter samtidigt till balansansvariga och distributörer [4].
Värdet av flexibilitet för balansering
I enlighet med flexibilitetens natur är de tjänster som aggregeringen av flexibilitet kan tillhandahålla leverantörer av balanstjänster (BSP) tydliga:
- Primär styrning: För den här modellen kan den samlade flexibiliteten konfigurera de distribuerade resurserna så att de reagerar mycket snabbt och automatiskt på förändringar i nätfrekvensen. Detta innebär inga tekniska svårigheter eftersom de omvandlare som används för att koppla samman den distribuerade resursen med nätet har PLL-system (Phase Locked Loop) som gör att de kan synkronisera med nätet och därmed uppskatta variationer i frekvensen. När det gäller elfordon kan laddaren, om den upptäcker en minskning av nätfrekvensen, automatiskt stänga av laddningen och på så sätt bidra till att återställa frekvensen och stödja systemet. Om fordonen dessutom är utrustade med V2G-teknik kan de också reagera på en frekvensnedgång genom att mata in ström. Man bör komma ihåg att den energi som hanteras i den primära regleringen är relativt liten eftersom den inte varar längre än några sekunder, vilket innebär att fordonens laddningstider i det beskrivna exemplet inte skulle påverkas.
- Sekundär kontroll: aktiveringssignalen för flexibilitet skulle automatiskt genereras i ett centralt kontrollsystem som skulle kräva aktivering av ökning eller minskning av effekten per zon. I detta fall bör den effekt som skall ökas eller minskas också bibehållas under korta tidsperioder som bestäms av obalansavräkningsperiodernas längd (15 minuter) så att aktiveringen av denna tjänst i princip inte skulle medföra någon relevant komfortförlust för leverantörerna av flexibilitet i de allra flesta fall. Med andra ord skulle det faktum att man fördröjer på- eller avstängningen av en värmepump eller laddningen av ett elfordon med 15 minuter praktiskt taget inte ha någon inverkan på slutanvändaren.
- Tertiär reglering: Affärsmodellen för att tillhandahålla flexibilitet för att delta i tertiär reglering är mycket lik den som beskrivs för sekundär reglering, men i det här fallet är svarstiden längre och den effekt som ska höjas eller sänkas måste upprätthållas under en längre tid. Den som hanterar stora mängder flexibilitet skulle kunna sprida ut kortvariga order om effektökning/minskning till de olika enheter som den hanterar, vilket gör att åtgärden globalt sett varar de två timmar som krävs, men utan att orsaka komfortförluster för slutägarna av flexibiliteten.
När det gäller tjänster som tillhandahålls för balansering kan det finnas oförenligheter med tjänster som tillhandahålls till systemansvariga för distributionssystem om tjänsterna erbjuds samtidigt till båda aktörerna.
Specifika produkter för prosumenter eller aktiva konsumenter
Prosumenten är nyckelspelaren och den som i slutändan står för flexibiliteten.
Bortsett från de fördelar som prosumenterna kan ha av att tillhandahålla de tjänster som nämns ovan, kan hanteringen av flexibiliteten gynna prosumenterna direkt. Dessa tjänster är följande [4; 5]:
- Optimering av användningstid: De tariffer som återförsäljarna erbjuder sina kunder har i vissa fall rörliga priser under olika perioder av dygnet och i vissa fall kan dessa priser till och med variera dynamiskt i realtid. Flexibiliteten kan användas för att förstå kundens möjligheter och vanor för att flytta så mycket last som möjligt från hög- till lågprisperioder och på så sätt få kunden att dra största möjliga nytta av sin flexibilitet genom att minska sina energikostnader.
- Kontroll av maximal effekt: En mycket viktig term i de flesta elpriser som erbjuds av återförsäljarna är den så kallade effekttermen eller kapacitetsavgiften, som representerar kostnaden för tillgången till maximal effekt. I många fall utgör effektvillkoret en mycket viktig del av tariffen och användaren når bara denna effekt i specifika situationer, t.ex. när fordonet laddas samtidigt som förbrukningen i hemmet är som högst. Låt oss anta att en användare har en solcellsgenerator, ett ackumuleringssystem och ett elfordon. Låt oss också anta att den överskottsenergi som genereras av solcellspanelen under dagen används för att ladda batteriet och att batteriet börjar laddas ur kl. 19.00 eftersom elförbrukningen i hemmet börjar öka. Klockan 22.00 börjar elfordonet laddas, men batteriet är redan urladdat så att all energi från fordonet och huset måste tas från nätet, vilket innebär en hög toppbelastning och ett behov av att öka effektdelen i tariffen och därmed den totala kostnaden. Genom att hantera denna flexibilitet skulle det vara möjligt att ladda batteriet under dagen men inte börja ladda ur det kl. 19.00 utan vänta tills fordonet krävde ström kl. 22.00 och ladda ur batteriet mot fordonet, på detta sätt skulle fordonets påverkan bli mindre och användaren skulle kunna minska tariffens effektperiod. Detta är bara ett av otaliga exempel som kan ges.
- Självbalanserande: I likhet med den tidigare produkten och tillgänglig för de prosumenter som har betydande flexibel kapacitet, skulle självbalanserande tekniker göra det möjligt att hantera prosumentens alla flexibla resurser på ett integrerat och optimalt sätt, med hänsyn till energiköps- och försäljningspriser, kapacitet och konsumentvanor.
- Kontrollerad isolering: I svaga nät med elkvalitetsproblem, t.ex. mikroavbrott eller problem med under- eller överspänning, kan aggregeringen av flexibilitet avsiktligt isolera konsumenten från nätet och göra den självförsörjande under en viss tidsperiod.
[1] "IEEE Draft Standard Conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Energy Resources with Electric Power Systems and Associated Interfaces", IEEE P1547.1/D9.8, december 2019, s. 1-283, 2019.
[2] T. C. 57 IEC, "IEC 61850: Communication networks and systems for power utility automation", International Electrotechnical Commission Std, vol. 53, s. 54, 2010.
[3] Gemensamma funktioner för smarta växelriktare: 4th Edition, EPRI, Palo Alto, CA, 2016, 3002008217.
[4] P. Olivella-Rosell, P. Lloret-Gallego, Munné-Collado, R. Villafafila-Robles, A. Sumper, S. Ottessen, J. Rajasekharan och B. Bremdal, "Local Flexibility Market Design for Aggregators Providing Multiple Flexibility Services at Distribution Network Level", Energies, vol. 11, s. 882, 2018.
