Reactive Power and Ancillary
Services for Volatile Power
from Renewables
สัมมนา “การควบคุมกําลังรี แอคทีฟไฟฟ้ า
เพื2อสนับสนุนการผลิตไฟฟ้ าจากเซลล์แสงอาทิตย์”
โดยสถาบันวิจยั พลังงาน จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
ดร. จิระ อาชายุทธการ
ณ โรงแรมโนโวเทล สยามสแควร์
ฝ่ ายสัญญาซื%อขายไฟฟ้ า
การไฟฟ้ าฝ่ ายผลิตแห่งประเทศไทย
20 มกราคม 2558
หัวข้อการบรรยาย
Renewables and Volatile Power Observation
Reactive Power: What Is? Control and Pricing
Ancillary Services / Smart Grid: ชวนคิด
สรุ ป -- เสนอ
Renewables
and Volatile Power Observation
การส่ งเสริ มพลังงานหมุนเวียน
Key Drivers
ฟอสซิ ลจะหมด ??
ขีดจํากัด Emissions
Concerns
ใช้พ%ืนที2มาก
ต้นทุนสูงในปั จจุบนั
Intermittency (PV+WT)
Gen. and T&D
Expansion Planning
Renewables Penetration and
Gap between Planning
Conventional [National]
Planning Process
Load Forecasting
Generation Planning
Transmission
Planning
Lead Time of Planning
and Construction
Generation
T&D
CCGT: 3-4 Years
Transmission:
Coal: 5-7 Years
5-8 Years
Nuke: 15-20 Yrs
Biomass: 2-4 Years
Wind & Solar: 1-3
Years
Distribution:
1-3 Years
เฉลี่ย + 1 S.D.
เฉลี่ย
เฉลี่ย – 1 S.D.
เสนการผลิต
ไฟฟาประจําวัน
ความแปรปรวนในการผลิตไฟฟ้ า: แสงอาทิตย์+ลม
ตุลาคม
10,000
0
ชัวโมง
0
ชัวโมง
ตัวอย!างการผลิตไฟฟา Wind Power
ชัวโมง
90,000
80,000
70,000
60,000
50,000
40,000
30,000
20,000
10,000
0
ชัวโมง
ไฟฟาจากแสงอาทิตย1 จะเกิดช!วง Peak Period และมีความเบี่ยงเบนต่ําในฤดูหนาว (เช!น มกราคม)
ไฟฟาพลังลม มักเกิดในช!วง Off-peak Period และมีความเบี่ยงเบนสูง ทั้งในแต!ละวัน และระหว!างเดือน
22:15
20:15
18:15
เมษายน
16:15
18:15
16:15
14:15
12:15
10:15
8:15
6:15
4:15
2:15
ธันวาคม
10:15
90,000
80,000
70,000
60,000
50,000
40,000
30,000
20,000
10,000
0
0:15
ช่ วงการผลิตไฟฟ้า (kW)
ช่ วงการผลิตไฟฟ้า (kW)
ตุลาคม
10,000
ชัวโมง
ตัวอย!างการผลิตไฟฟา Solar PV
90,000
80,000
70,000
60,000
50,000
40,000
30,000
20,000
10,000
0
20,000
8:15
ชัวโมง
30,000
6:15
0
20,000
4:15
10,000
30,000
40,000
2:15
20,000
40,000
50,000
0:15
30,000
50,000
ช่ วงการผลิตไฟฟ้า (kW)
40,000
60,000
22:15
50,000
มกราคม
70,000
ช่ วงการผลิตไฟฟ้า (kW)
(kW)
60,000
14:15
70,000
12:15
กันยายน
20:15
ช่ วงการผลิตไฟฟ้า (kW)
60,000
ช่ วงการผลิตไฟฟ้า (kW)
(kW)
70,000
ความแปรปรวนในการผลิตไฟฟ้ า –ข้อมูลจริ ง
60,000
การผลิตไฟฟาตามเวลา เฉลี่ยรายเดือน
50,000
การผลิตไฟฟาจริง
40,000
30,000
20,000
การผลิตไฟฟาพลังลม
7 วัน เทียบกับเฉลี่ย
10,000
0
Day 1
Day 2
Day 3
Day 4
Day 5
Day 6
Day 7
90,000
การผลิตไฟฟาแสงอาทิตย
7 วัน เทียบกับเฉลี่ย
การเดินเครื2 องจริ ง ไม่ได้อยู่
บนเส้นที2แปรปวนจาก
ค่าเฉลี2ยเดียวกัน ตลอดทั%งวัน
80,000
70,000
60,000
50,000
40,000
30,000
20,000
10,000
0
Day 1
Day 2
Day 3
Day 4
Day 5
Day 6
Day 7
Reactive Power:
What Is?
A.E. Fitzgerald, Charles Kingsley, Jr., Stephen D. Umans,
Umans "Electric Machinery", Fifth Edition
in SI Unit, Mc Graw Hill, 1990.
Essences of Reactive Power
Reactive power plays very important roles for ENERGY TRANSMISSION.
Gen.
Motor
Energy In
Energy Out
Air Gap Magnetization
XA
It
Xal
Ra
It
V t Ef
Ef
System Voltage
Support
R1
It
Vt
Vt
Air Gap Magnetization
X1
RC
X2
R2
XM
9
Synchronous Generator
Induction Motor
R2 (1-S)
S
Surge Impedance Load (SIL)
SIL is the amount of power flow that makes network having:
Reactive Power Produced = Reactive Power Absorbed
Or, Net Reactive Power in the Network = 0.
I
X
V
B
I 2 X = V 2B
(V / I ) = Z 0 =
X
B
B
SIL = I * V = V *
=
X
2
SIL can be calculated using the Ω/km of X and the
Ω-1/km of B without need to know its line length.
In practical, the line capacity is 2.5*SIL.
V
2
L/C
SIL → Loading
Qloss vs. Loading (n×SIL)
Voltage Profile vs. Loading (n×SIL)
p.f.
p.f.
-ในช่วง Light Load (Load < 1.0 SIL) สายส่ งผลิตรี แอคตีฟเพาเวอร์ (Qloss<0)
- ค่า Load Power Factor ไม่สามารถสื2 อสารถึงคุณค่า หรื อผลกระทบต่อระบบได้ชดั /ตรงๆ
- ขนาดของ Loading มีผลต่อสภาพระบบไฟฟ้ า (Q and V) อย่างมีนยั สําคัญ
P-V Curve Analysis
Receiving End Bus Voltage (p.u.)
P-V Curve
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Real Power Transfer (p.u.)
P = |E||V|/X*sin(δ)
Q = |E||V|/X*cos(δ) – |V|2/X
|V|2 = [PX/|E|]2 + [(QX+|V|2)/|E|]2
Steady State
Voltage Stability
40
Transfer Capability – Single Circuit
SIL
Thermal, Voltage, and Stability Limits
Line Length
Power Factor of Load @ Receiving End
สายส่ งยาวๆ จึงควรมี Reactive Support
Reactive Power for ORPD
‘Optimal Reactive Power Dispatch’
as One of Optimization Problems
Objective:
Loss minimization
Subject to:
Power flow equations and limits
Control variables: Generator’s reactive power production (QG)
Optimization problem can be used for
a kind spot pricing.
What requires Reactive Power?
Network
Generator
User
(1) Direct consumption (loads) and network elements.
(2) Loading– security and stability.
(3) Economic benefit: loss minimization, transfer
capability enhancement.
(4) Current feeding fault.
Reactive Power:
Control and Pricing
System Control Centers
Northern Area
Control Center
North-eastern Area
NorthControl Center
Central Area
Control Center
National
Control
Center
Southern Area
Control Center
Metropolitan Area
Control Center
Point of View
S.O.: Frequency ↔ Global
Voltage ↔ Local
Gen.: Freq./Volt ↔ Grid
National
Control Center
Economic Dispatch
Compliance with Irrigation
Plan
Subject to Fuel and
Environmental Limits
Energy Balance
Frequency Control and
Spinning Reserve
Tie Line Flow and Power Flow
(n-1)
Voltage Control for 230 kV or
more
Switching Supervision
Contact with IPP, SPP, PTT,
etc.
System Restoration
Regional Area
Control Centers
Voltage Regulation for 115 kV
or Lower
SAIFI / SAIDI at Supply Points
to MEA and/or PEA
Switching Operation
Maintenance Transmission
Facilities
Contact with MEA and/or PEA
Local Network Restoration
Procedures for Voltage Control
‘Voltage High’ Situation
Adjust tap position
Reduce VAr from Gen. Units
‘Voltage Low’ Situation
Energize Line
Synchronous Condenser
Switch off CC-Bank
Remove Shunt Reactor
Switch on Shunt Reactor
Switch on CC-Bank
Synchronous Condenser
Increase VAr from Gen. Units
De
De--energize Lines
Adjust Tap Position
IPP Operating Characteristics
COCs: Contracted Operating Characteristics
COC1
= Active Power
Q
COC2
= Minimum Generation
COC3
= Reactive Power
COC4
= Loading Rate
Gen.Cap. Curve
P
COC5
= De-Loading Rate
COC6
= Primary Frequency Response
COC7
= Secondary Frequency Response
Pricing: คํานวณเต็มราคาไปก่อน หากเดินเครื2 องไม่ได้ จะมี Notice/หักเงิน
Availability Payment (AP) = Full AP – DRA – DSN – DDF
Generation-based Reactive Power
Production Cost—Model
Loss of
Opportunity
Energy Loss
Q
Fixed Cost
(ต้องแบ่ง Costs:
Active vs. Reactive)
Mandatory Reactive
Provision Mean
Way to Price Reactive Power
Cost-based Pricing
Reactive power cost embedded in transmission
costs etc.
Value-based Pricing
(Ploss Minimization or Network
Loading Capability or Security Margin or Power Quality)
Short-run marginal cost pricing
Long-run marginal cost pricing
Behavioral Pricing
เช่น ค่าปรับจอดรถในที2หา้ มจอด (โดยไม่ตอ้ งไปคํานวณว่า กระทบต่อสังคมเป็ นมูลค่าเท่าใด)
Learned Story 1: Reactive Power
Control Improvement by NCC
ต้องทราบ System
requirement สําหรับ
STEP 1
MVAR Control to kV Control
(Primary Control)
reactive power control
STEP 2
Voice Command to
Signal Command
Voltage(kV)
STEP 3
242
240
Manual Decision to Automatic
Decision by Program
238
236
Q-Mode
V-Mode
(Secondary Control)
234
232
230
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Time(Hrs)
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
ผลสําเร็ จในการควบคุมแรงดัน โดยใช้ kV Control
วิธีการควบคุม กับปริ มาณที2ใช้
กําหนดราคา บางครั%งไม่ตรงกัน
Learned Story 2: Intermittent Power
and Point of Connection
สถานีไฟฟ้าปลายสาย (Radial)
Transformer Tap Changers ทํางาน
100+ ครั%ง/วัน -- Intermittency
กระทบต่อ การควบคุมแรงดัน
Transformer Tap Changers ทํางาน
10s ครั%ง/วัน – รู ปแบบ Network ก็มี
ผลต่อ การควบคุมแรงดัน
System Algorithm and Participant’s
Roles on Reactive Power
Generator
Network
User
System Monitoring/Control Algorithm and Communication:
Transfer Capability, Voltage Security / Stability etc.
Devices
Active
Passive
Generator
Controllable Q
Network
Adjustable Q
User
Responsive Q
Uncontrollable Q
Fixed Z
Fixed Q, Fixed p.f.
ผูร้ ับเงิน (Provider): Active Devices
ผูจ้ ่ายเงิน (User): Passive Devices
ก่อนคิด Pricing ควรต้องคิดวิธี
ควบคุม (ที2มีเป้ าหมายชัดเจน)
Ancillary Services/Smart Grid:
ชวนคิด
Services Unbundling
Customer’s Point of View
Want to reliably consume energy (kWh) at right frequency
and voltage.
S.O.’s Point of View
Ancillary Services: (defined by FERC)
Active Power
Service:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Control/Dispatch
Reactive Supply
Frequency Regulation
Energy Imbalance
Operating Reserves
Transmission Constraint Mitigation
Ancillary Services vs. Smart Grid
NCC
Ancillary
Services
Responses
การสื2 อสาร
Supply Side
Persons
Demand Side
Persons
NCC
Smart
Grid
Responses
Supply Side
Persons
การสื2 อสาร
Demand Response
Demand Side
Persons
Ancillary Services:
Pathway to Smart Grid
สายส่ ง
ขยายยากขึ%น
Renewables
Intermittency
Ancillary
Services
Control/Dispatch
Reactive Supply
Frequency Reg.
Operating Reserve
Smart
Grid
Participant
Responses
พันธกิจ การจัดหาไฟฟ้ าในปั จจุบนั
(Individual Interest vs. System Interest)
≈
Base Load
การเดินเครื2 องลักษณะ Base Load ย่อมทําให้ Average Cost ตํ2า
เจรจาซื% อไฟฟ้ าต่างประเทศ
(Commitment)
IPP Master Gas Sale
Agreement (Take-or-pay)
SPP Minimum Take
ระบบมีโรงไฟฟ้ ารับ Intermediate
Load (Cyclic Operation) ??
Renewables Intermittency
ระบบมีโรงไฟฟ้ า/อุปกรณ์
เสริ ม Ancillary Services ??
Ancillary Services: ปั จจุบนั และสิ2 งคาดหวัง
Planning Horizon
Energy
Capacity
Ancillary
Services
EGAT & IPP
√
√
√
SPP Firm
√
√
-
SPP Non-firm,
VSPP
√
-
-
Generator
Ancillary Services:
Services (defined by FERC, U.S.)
1)
Control/Dispatch
2)
Reactive Supply
3)
Frequency Regulation
4)
Energy Imbalance
5)
Operating Reserves
6)
Transmission Constraint Mitigation
?
Other Ancillary Services
7) Black Start
Ancillary Services ต้องพึ2ง
โรงไฟฟ้ า Gas-fired?
Power Producer Differentiation
-
IPP
Energy + Capacity
D.G.
Ancillary Services
SPP
Cogeneration
Genuine
Cogeneration
Renewables
High Fixed Cost
Fixed+Variable Costs
Pure Renewables Sources
Benefit Potential from Renewables:
Steadier Power Generation
DC Installed Capacity
DC
Contracted Capacity
MW
AC
แสงอาทิตย1ไม!เต็มทุกวัน
AC
Inverters
(1) ขยาย DC ตนทาง
DC
MW
AC
กระทบเฉพาะ Ft
AC
Inverters
(2) ESS
ให ้ (1) ขยาย DC Installed Capacity (2) Energy Storage System (ESS) :
ั ญา (จํากัดขนาด Inverter) – ปั ญหา Load Flow
1. แต่ห ้ามจ่ายไฟฟ้ า (AC) เข ้าระบบเกินสญ
2. หากขยายจนถึงระดับหนึงJ มีโอกาสทําให ้เกิด Better Firm Capacity
3. รับ Adder (การสง่ เสริมพลังงานหมุนเวียน) ไม่เกินกว่าค่า Plant Factor ทีก
J ําหนด
Another Potential from Renewables?
สถานีไฟฟ้า
ปลายสาย
(Radial)
Generator
|Vg|
Network
|VR|
โรงไฟฟ้ าตั%งระบบควบคุม เพื2อรักษาแรงดัน
ที2 |VR| -- Remote Voltage Control
สรุป -- เสนอ
1. เข้าใจ Reactive Power
1.1 ค้นหาประโยชน์จากการควบคุม Reactive Power ที&ระบบต้องการ
1.2 กําหนด System-wise Control Algorithm
1.3 แล้วจึงกําหนด (Behavioral?) Pricing แก่ผตู ้ อบสนองต่อคําสัง& Control
2. เครื& องมือส่ งเสริ ม Renewables โดย Network
2.1 Go Ancillary Services แล้วจึง Go Smart Grid
2.2 Advance Expansion Planning
3. การสนับสนุนโดยโรงไฟฟ้ า
3.1 Steadier Power Generation
3.2 Remote Voltage Control
จบการบรรยาย
ขอขอบคุณทุกท่าน
Q&A