Definice a měření komponent elektrické energie v aktivních distribučních sítích

Abstract

Měření elektrického výkonu a registrování energie jsou základem pro řízení a správu aktivních distribučních soustav. S rostoucím počtem aktivních prvků v distribučních sítích, jako jsou regulátory pro řízení elektrického výkonu, elektrické pohony nebo střídače bateriových úložišť a fotovoltaických elektráren, dochází k obousměrným tokům energie, na úrovni nízkého napětí často nesymetrickým a doprovázeným rušením z oblasti kvality elektrické energie. Dizertační práce prezentuje a dává do kontextu výsledky několika konkrétních studií, které (1) analyzují současný stav třífázových čtyřvodičových nízkonapěťových distribučních sítí s důrazem na typy připojených zařízení a jejich provozní chování, (2) navrhují definice výkonových komponent spolu s algoritmy pro jejich výpočet v měřicích zařízeních a (3) demonstrují vypovídací schopnost jednotlivých komponent z hlediska jejich následného využití (například kvantifikace energie či analytické účely). V dizertační práci jsou jednoznačně stanovena objektivní kritéria, která umožňují jednoznačné kvantifikování odchylek měření u prosumerů, a která spojují odchylku výsledku měření s konkrétním dějem vedoucí k neefektivnímu využívání distribučních sítí. Za objektivní kritéria jsou považovány (1) skutečná energie/výkon přeměněná v jinou nebo z jiné formy energie každým jednotlivým zařízením prosumera, (2) ohmické ztráty (Joulovo teplo) ve vodičích nadřazené distribuční sítě, (3) skutečně importovaná a exportovaná energie v místě měření a (4) kompenzační proud virtuálního paralelního kompenzátoru v místě měření. Dizertační práce se vedle definic jednotlivých komponent také dále zabývá jejich vlastnostmi, například implicitní schopností souměrných složek výkonu kvantifikovat ty ztráty v nadřazené distribuční soustavě, které jsou vyvolané nesymetrickými energetickými toky v třífázových soustavách. Tento koncept je dále aplikován na numerický model mikrosítě připojené k nadřazené veřejné distribuční síti a s dvěma prosumery. Je ukázáno, že s využitím symetrických výkonů lze kvantifikovat příspěvek ke ztrátám v nadřazené distribuční síti od těch prosumerů, kteří využívají energetickou síť jako výkonový balancér. Dizertační práce se dále zabývá implementací definice činného výkonu a energie ve výpočetních modulech měřicích jednotek. Detailní numerické analýze je podrobeno pět algoritmů a jejich parametrické variant, které jsou v praxi využívány pro měření činného výkonu v různých aplikacích. Jsou porovnány výstupy jednotlivých algoritmů na rychlé změny směru toku energie. Práce ukazuje odchylky různých implementací stejné definice výkonové komponenty (výpočetních algoritmů) v měřicích jednotkách a navrhuje systematická doporučení pro minimalizaci vlivu měřicích odchylek. Výsledky zdůrazňují význam harmonizace definic výkonových komponent a metrologických přístupů s cílem zajistit spravedlivé sdílení energie, spolehlivé monitorování a ekonomicky efektivní provoz budoucích decentralizovaných energetických systémů. Dizertační práce propojuje metodologické a technické aspekty měření výkonových komponent, kriticky reviduje stávající přístupy, zkoumá je v kontextu budoucích konceptů decentralizovaných sítí a navrhuje směry dalšího výzkumu.

The measurement of electrical power and the registration of energy are fundamental for the management and control of active distribution systems. With the increasing number of active components in distribution networks—such as energy divertors, electrical drives, or inverters of battery storage systems and photovoltaic plants—energy flows fluctuate bidirectionally, fast and often in an unbalanced manner at low-voltage level, and are accompanied by various power quality disturbances. This thesis presents the results of several focused studies that (1) analyze the present condition of three-phase four-wire low-voltage distribution networks, with particular attention to the types of connected devices and their operational characteristics, (2) propose definitions of power components together with algorithms for their computation in measuring devices and (3) illustrate the interpretability of the individual components with respect to their subsequent applications (such as energy quantification and analysis), while also quantifying the deviations from the objective criteria, which are also unambiguously established in this thesis. Furthermore, the properties of power components are investigated, such as the implicit ability of symmetrical power components to quantify losses in the upstream distribution system resulting from unbalanced energy flows. Overall, the thesis underlines the necessity of consistent methodologies to ensure fair energy sharing, reliable monitoring, and economically efficient operation of future decentralized energy systems. The thesis addresses both microgrids, representing the physical dimension of decentralization, and energy communities, reflecting rather its organizational dimension. The dissertation integrates methodological and technical aspects of power components measurement, offers a critical review of existing practices, examines them in the context of future decentralized network concepts, and outlines directions for further research.