Dokumentace: Nástroj pro optimalizaci BESS a FVE

Tento dokument poskytuje podrobný popis nástroje pro backtesting a optimalizaci obchodních strategií pro bateriová úložiště energie (BESS), a to jak pro samostatné baterie, tak pro systémy kombinované s fotovoltaickou elektrárnou (FVE).

Přehled modelů

Nástroj obsahuje dva hlavní optimalizační modely:

1. Samostatná Baterie (BESS_Optimizer): Optimalizuje provoz baterie, která obchoduje na základě cenových rozdílů na trhu. Tento model je zaměřen na čistě spekulativní obchodování.
2. Baterie s Fotovoltaikou (FVE_BESS_Optimizer): Optimalizuje společný provoz baterie a FVE. Tento model řeší, zda je výhodnější energii z FVE prodat ihned, nebo ji uložit do baterie a prodat později.

---

Model 1: Samostatná Baterie (BESS_Optimizer)

• Zdrojový soubor: BessOptimizer.py
• Spouštěcí skript: onlybess.ipynb

Popis

Tento model je určen pro scénáře, kde baterie funguje jako samostatný prvek. Jejím jediným cílem je maximalizovat zisk nákupem energie ze sítě za nízkou cenu a jejím prodejem zpět do sítě za cenu vyšší.

Princip fungování

Optimalizace je založena na metodě dynamického programování. Tento přístup umožňuje najít globálně optimální strategii pro celý den.

1. Časové intervaly: Den je rozdělen na 96 patnáctiminutových intervalů, pro které jsou známy ceny na trhu.
2. Stavy: V každém intervalu může být baterie v různém stavu nabití (SoC – State of Charge). Pro zjednodušení výpočtu je kapacita baterie rozdělena na diskrétní úrovně (např. po 5 %).
3. Rozhodování: Algoritmus pro každý časový interval a každý stav nabití zvažuje všechny možné akce a vybere tu, která vede k nejvyššímu celkovému zisku na konci dne.

Možné akce (Action)

V každém kroku se model rozhoduje mezi třemi základními akcemi:

• charge_from_grid: Nabíjení baterie energií ze sítě.
• discharge_to_grid: Vybíjení baterie a prodej energie do sítě.
• hold (držet): Nedělat nic a ponechat stav nabití beze změny.

Klíčová omezení

Model respektuje reálné fyzikální a provozní limity:

• Výkonové limity (bess_power_mw): Maximální rychlost, jakou lze baterii nabíjet nebo vybíjet.
• Kapacita (bess_capacity_mwh): Maximální množství energie, které baterie pojme.
• Účinnost (efficiency): Ztráty energie, ke kterým dochází při nabíjení a vybíjení.
• Limit cyklů (max_cycles): Omezení denního počtu cyklů, aby se prodloužila životnost baterie. Algoritmus automaticky vybere pouze ty nejziskovější obchody, aby limit nebyl překročen.

Konfigurace projektu (project_config)

Pro spuštění analýzy je nutné definovat slovník s následujícími parametry:

• name (str): Název projektu.
• bess_power_mw (float): Maximální výkon baterie v MW.
• bess_capacity_mwh (float): Celková kapacita baterie v MWh.
• export_limit_mw (float): Maximální povolený výkon pro dodávku do sítě (obvykle shodný s bess_power_mw).
• import_limit_mw (float): Maximální povolený výkon pro odběr ze sítě (obvykle shodný s bess_power_mw).
• efficiency (float): Celková účinnost baterie v obou směrech (round-trip, např. 0.85 pro 85%).
• max_cycles (int): Maximální počet plných cyklů za den.
• initial_soc_mwh (float, volitelné): Počáteční stav nabití. Pokud není zadán, předpokládá se 50 %.

---

Model 2: Baterie s Fotovoltaikou (FVE_BESS_Optimizer)

• Zdrojový soubor: FveBessOptimizer.py
• Spouštěcí skript: fvebess.ipynb (lze spustit přímo) nebo vlastní notebook

Popis

Tento pokročilý model je určen pro optimalizaci systému, kde baterie (BESS) spolupracuje s fotovoltaickou elektrárnou (FVE). Cílem již není jen spekulace na cenách, ale inteligentní řízení toků energie mezi FVE, baterií a sítí tak, aby byl celkový zisk co nejvyšší.

Princip fungování

Model opět využívá dynamické programování, ale rozhodovací proces je mnohem komplexnější. Kód umožňuje dva základní režimy provozu, které se liší ve strategii řízení FVE a baterie.

Režimy provozu

1. Integrovaný režim (Integrated Mode)

   • Popis: Toto je hlavní a nejpokročilejší strategie. Model v tomto režimu aktivně rozhoduje, co je v danou chvíli nejvýhodnější udělat s energií z FVE. FVE a BESS jsou řízeny jako jeden celek s cílem maximalizovat celkový zisk.
   • Logika: Využívá tzv. substituční strategii. Místo okamžitého prodeje energie z FVE model zvažuje její uložení do baterie, pokud očekává v budoucnu vyšší prodejní cenu. Tím "nahrazuje" (substituuje) levný prodej za dražší.
   • Implementace: V kódu tomuto režimu odpovídá metoda _solve_with_discretized_dp.

2. Nezávislý režim (Independent Mode)

   • Popis: V tomto režimu fungují FVE a BESS jako dva oddělené systémy.
   • Logika:
     • FVE: Veškerá vyrobená energie z FVE se okamžitě prodává do sítě za aktuální cenu.
     • BESS: Baterie funguje čistě spekulativně. Nakupuje energii ze sítě, když je levná, a prodává ji, když je drahá, přesně jako v Modelu 1. Ignoruje přitom zcela existenci FVE.
   • Implementace: Tato logika je obsažena v metodě _solve_with_discretized_dp_pure_bess. Ačkoliv není ve výchozím stavu aktivní, lze ji použít pro srovnávací analýzy, aby se ukázala přidaná hodnota integrovaného řízení.

Klíčový koncept: Substituční strategie

Hlavní myšlenkou je substituce (nahrazení). Místo toho, aby se vyrobená energie z FVE okamžitě prodala za aktuální (potenciálně nízkou) cenu na denním trhu (DT), model zvažuje, zda je výhodnější ji:

1. Uložit do baterie: Pokud se očekává, že cena na vnitrodenním trhu (VDT) bude později během dne výrazně vyšší.
2. Prodat ihned: Pokud jsou aktuální ceny dostatečně vysoké nebo pokud je baterie plná.

Tímto způsobem model "nahrazuje" levný prodej z FVE za dražší prodej z baterie v pozdějším čase. Zisk vzniká z rozdílu mezi cenou, za kterou by se prodalo z FVE, a cenou, za kterou se později prodá z baterie.

Vstupní data

Tento model vyžaduje širší sadu dat:

• dt_prices_eur: Ceny na denním trhu (DT). Používají se jako referenční cena pro prodej z FVE.
• vdt_prices_eur: Ceny na vnitrodenním trhu (VDT). Používají se pro spekulativní obchodování (nákup/prodej ze sítě) a pro ocenění prodeje z baterie.
• fve_generation: Časová řada výroby FVE v MW pro daný den.

Možné akce (Action)

Sada možných akcí je rozšířena o operace s FVE:

• charge_from_grid: Nabíjení baterie ze sítě (spekulativní, když je cena na VDT nízká).
• discharge_to_grid: Vybíjení baterie do sítě (prodej za cenu VDT).
• charge_from_fve: Nabíjení baterie přímo z FVE (substituce).
• sell_fve_direct: Přímý prodej vyrobené energie z FVE do sítě za cenu DT.
• hold (držet): Ponechat energii v baterii.

Finanční model

Zisk se skládá ze dvou hlavních složek:

1. Příjem z FVE: Standardní příjem z prodeje energie z FVE na denním trhu, ze kterého si provozovatel bere fixní provizi.
2. Dodatečný zisk z BESS (Spread): Zisk dosažený díky chytrému řízení baterie (substituce a spekulace na VDT). Tento zisk se dělí mezi klienta a provozovatele (např. v poměru 70/30).

Konfigurace projektu (project_config)

Konfigurační slovník pro tento model obsahuje dodatečné parametry:

• Všechny parametry z Modelu 1 (name, bess_power_mw, bess_capacity_mwh, atd.).
• fve_power_mw (float): Instalovaný výkon FVE v MW.
• fve_scale_factor (float): Koeficient pro škálování výroby FVE (např. 1.0 pro 100% využití nominálních dat o výrobě).

---

Jak spustit vlastní analýzu

Spuštění analýzy vyžaduje přípravu dat a správnou konfiguraci.

1. Příprava dat:

   • Cenová data: Připravte si Excel soubor s historickými cenami elektřiny. Pro Model 1 stačí ceny z vnitrodenního trhu (VDT). Pro Model 2 budete potřebovat ceny z denního (DT) i vnitrodenního trhu (VDT).
   • Data o výrobě FVE (pouze pro Model 2): Připravte si CSV nebo Excel soubor s daty o výrobě vaší FVE v 15minutových intervalech.

2. Výběr a úprava spouštěcího skriptu:

   • Pro Model 1 použijte a upravte onlybess.ipynb.
   • Pro Model 2 použijte a upravte fvebess.ipynb.

3. Úprava konfigurace:

   • V příslušném skriptu najděte slovník PROJECTS_CONFIG.
   • Upravte parametry tak, aby odpovídaly vašemu projektu (kapacita, výkon, účinnost atd.).

4. Spuštění a výsledky:

   • Spusťte Jupyter Notebook nebo Python skript.
   • Po dokončení analýzy naleznete v adresáři projektu detailní Excel reporty s finančními výsledky, provozními statistikami a denními grafy.