بخشی از مقاله
چکیده
شبکههای توزیع امروزی با نفوذ تولیدات پراکنده و امکانات کنترلی تبدیل به شبکههای توزیع فعال شدهاند. یکی از منابع مهم در این شبکهها خودروهای برقی میباشند. این منبع از آنجاکه کمتر قابل کنترل میباشد دارای عدم قطعیت بالایی برای تولید یا تامین ذخیره میباشد. با توجه به دینامیک اتصال و انفصال خودروهای هیبریدی به شبکه و مسئله بهرهبرداری صحیح این منابع با شبکه هوشمند این منابع در پایداری ولتاژ وکیفیت توان شبکه بسیار تاثیر گذار هستند.
در این مقاله یک روش احتمالاتی برای تامین رزرو مورد نیاز شبکه هوشمند شامل خودروهای برقی قابل اتصال به شبکه1 ارائه شده است. مقدار رزرو غیرچرخان از طریق مصالحه بین قابلیت اطمینان و هزینه بهرهبرداری تعیین میگردد. با تعیین سناریوهای قطعیت بار و سناریوهای خودرو، کاهش هزینه رزرو و کاهش میزان انرژی توزیع نشده 2 در شبکه حاصل شده است.
میزان تولید رزرو واحدهای تولیدی وخودروها توسط نرم افزار متلب محاسبه و سپس توسطsolver dicopt درنرم افزار gamsبهینه سازی صورت گرفته است. نتایج حاصله حاکی از این است که هزینه تامین رزرو با حضور خودروهای برقی نسبت به عدم حضور آنها بطور قابل ملاحظهای کاهش یافته است و همچنین انرژی توزیع نشده درصورت خروج واحدهای تولیدی با حضورخودروها کاهش یافته است
-1 مقدمه
خودروهای برقی می توانند به عنوان بارهای کنترل شده برای مسطح سازی سطح تقاضا در زمان های غیر از اوج مصرف و به عنوان وسیله ای به منظور تولید و ذخیره سازی انرژی در طول روز برای ارائه انرژی برق به شبکه قدرت در ساعات اوج مصرف برق به کار می روند. شبکه هوشمند3 میتواند درحالتهای مختلف این خودروها - V2Gیا - G2V نقش اساسی داشته باشد چراکه هماهنگی زمانهای شارژ خودروها یا انتقال توان آنها تنها در یک شبکه هوشمند امکان پذیر است. تجمیع خودروهای برقی به عنوان منبع تولید و ذخیره سازی انرژی، انرژی را به صورت مگاوات به بهره بردار سیستم ارائه میدهد.
خودروهای برقی عملکرد، بهرهوری و ظرفیت مورد نیاز شبکه را تحت تاثیر قرار میدهند. [1] نشان داده است که در صورت عدم کنترل و عدم شارژ هوشمند این خودروها، بار پیک افزایش مییابد. در حالیکه اگر از زیرساخت هوشمند استفاده گردد، ضمن افزایش بازدهی شبکه، بار پیک کاهش و دوباره افزایش مییابد .[2] سایر تاثیرات این خودروها بر شبکههای توزیع شامل افزایش بارگذاری ترانسفورماتوها و خطوط و مسائل کیفیت توان است
به لحاظ تئوری حداقل 90 درصد از خودروهای برقی قابل اتصال به شبکه در دسترس میباشند .[4] بنابراین استفاده از خودروها به عنوان منبعی با دسترس پذیری بالا مطرح است. [5] از ظرفیت باتری خودروهای هیبریدی برای ذخیره انرژی الکتریکی استفاده شده و خرید و فروش ساعتی انرژی توسط نهاد گردهمآورنده به منظور کسب درآمد، استفاده کرده است.
مساله خودبرنامهریزی را با درنظر گرفتن اتصال خودروهای برقی به شبکه با استفاده از الگوریتمهای هوشمند حل کردهاند. در این مقالات هیچ توجهی به مدت زمان اتصال خودروهای برقی به شبکه نشده است. همچنین در این مقالات نهاد گردهمآورنده خود را ملزم به رعایت مینیمم مقدار شارژ باتری خودروها هنگام انفصال از شبکه نکردهاند. همانطور که میدانیم اتصال خودروهای برقی فقط به شبکه توزیع فشار ضعیف امکانپذیر میباشد، این در حالیست که در مقالات مذکور، خودروهای برقی در شبکه انتقال با نیروگاههای بزرگ در نظر گرفته شدهاند.
این نقوص را جبران نموده و به بررسی دقیق زمان اتصال و انفصال این خودروها به همراه میزان قیدی برای حداقل شارژ باقیمانده در خودروها در زمان دشارژ پرداخته است.
به این مسئله به عنوان یکی از برنامههای تشویق محور و برنامه زمان استفاده نگریسته است. این مرجع برای تشویق صاحبان این خودروها از مبالغ متنوع تشویقی بسته به سطح بار شبکه استفاده کرده است تا به این ترتیب با مدیریت صحیح این خودروها به مسطح نمودن منحنی بار بپردازد. نیز مکانیزمی برای شکل دادن به منحنی بار توسط این خودروها ارائه داده است. این مکانیزم بر اساس استفاده از منابع تجدیدپذیر است به این ترتیب که با هماهنگی دقیق این دو منبع منحنی بار دلخواه را استخراج نموده است. نیز مشابه مرجع قبلی لیکن با الگوریتم هوشمند به حل مسئله پرداخته است.
به علت پایین بودن سطح توان مجموعههای خودروهای برقی، در صورت تمایل به شرکت در بازار عمده فروشی توسط نهاد گردهم-آورنده، این نهاد قابلیت شرکت در بازارهای خدمات جانبی را خواهد داشت به بررسی هزینهها و درآمدهای مشارکت این نهاد در بازارهای خدمات جانبی پرداخته است.
مسئله خودبرنامهریزی بهرهبردار یک شبکه هوشمند را با درنظر گرفتن نفوذ شدید این خودروها در شبکه در نظر گرفته است.با توجه به برنامهریزی توسعه منابع خودروهای هیبریدی به تاثیر آنها در بازار و کاهش آلودگیها پرداخته است. به بررسی تلفات و قابلیت اطمینان در این شبکهها پرداخته است.مشارکت نهاد گردهم آورنده را در بازار روز پیش مدلسازی و حل کرده است.
این منبع را به عنوان تامین کننده رزور ثانویه در بازار در نظر گرفته است.این مقاله به بررسی حضور و عدم حضور خودروها در کاهش هزینه رزرو وکاهش میزان انرژی توزیع نشده در سیستم براثرخروج واحدهای تولیدی پرداخته است.
-2 مدل ریاضی و برازش توابع توزیع نرمال برای عدم قطعیتهای مسئله
جهت حل بهینه و جامع مسایلی که با پارامترهای تصادفی سروکار دارند از برنامهریزی تصادفی استفاده میشود. در این برنامهریزی باید به تعداد کافی سناریو از متغیر تصادفی مورد نظر داشته باشیم. مقالات مختلفی در زمینه تولید سناریو بحث کرده و روشهای گوناگونی نظیر سریهای زمانی ارایه کردهاند. در حوزه ریاضیات محض، مباحثی چون پایداری برای روشهای تولید سناریو مطرح است و مقالاتی که در این حوزه مطرح هستند به اثبات صحت عملکرد هر یک از روشهای تولید سناریو پرداختهاند که بررسی آن-ها از حوصله این کارخارج است. در این مقاله با بررسی روشهای مختلف، یک روش ابتکاری جهت تولید سناریو ابداع و بکار گرفته شده است.
در این قسمت با داشتن تعداد مشخصی از اطلاعات تابع وزنی احتمال - pmf - 4 طبق شکل 1 برای یک پارامتر تصادفی تولید می-گردد. سپس با تقسیم بازه این متغیر به n قسمت، تعداد میلهها در هر دسته بدست آمده است. لذا اگر فرض کنیم تعداد دستههاn است، با تقسیم تعداد اطلاعات موجود در هر دسته به n،احتمال هر دسته محاسبه میشود - شکل 2 را ببینید - . در واقع با این کار از تابع وزنی احتمال به تابع توزیع احتمال - PDF - 5 میرسیم. سپس با وارد کردن مرکز هر دسته و احتمال مربوطه به پروسه ساخت منحنی6 نرمال لگاریتمی7 ، منحنی احتمال پارامتر تصادفی بدست آمده است.
شکل :1 تابع وزنی احتمال یک پارامتر تصادفی
شکل:2 تابع توزیع احتمال بدست آمده از تابع وزنی احتمال
در مرحله بعدی با تولید اعداد تصادفی در بازه مربوط به هر متغیر تصادفی با در نظر گرفتن یک فاصله معقول از حدود بازه، سناریوها بطور تصادفی تولید شدهاند. در نهایت این سناریوها به ترتیب از پایین به بالا مرتب شده و با استفاده از انتگرالگیری عددی احتمال هر سناریو محاسبه شده است. این پروسه در این مقاله برای تعداد خودروهای متصل به شبکه تحت کنترل نهاد گردهمآورنده، مدت زمان اتصال این خودروها به شبکه مذکور و مقدار شارژ موجود خودروها قبل از اتصال به این شبکهها اعمال شده است.
-1-2 تابع هدف وقیود مسئله تخصیص رزرو از دید بهرهبردار بازار
هدف بهرهبردار شبکه ارائه برق با قیمت و کفیت مناسب و قابلیت اطمینان بالا به مشترکین است. تخصیص رزرو در سیستم-های قدرت سنتی ،در سطح تولید مورد بررسی واقع میشود و معیارهای مختلفی برای آن در شبکههای کشورهای مختلف مطرح میباشد. از معروفترین معیارها در سیستمهای قدرت برای تخصیص رزرو معیار بزرگترین واحد و معیار درصد مشخصی از بار میباشد. البته شایان ذکر است که شبکه انتقال و محدودیتهایی که ایجاد میکند نیز تاثیر عمدهای در تخصیص منطقهای رزرو دارد. از دیگر معیارهایی که برای تخصیص رزرو در نظر گرفته میشود، معیار امنیت n-k میباشد. بدین معنی که با خروج همزمان k تجهیز از میان n تجهیز سیستم، ذخیره موجود قادر به تامین بار باشد. در این مقاله با توجه به هزینهای که از دست رفتن بار متوجه بهرهبردار می-کند، رزرو اختصاص خواهد یافت. حال نکته مهم این است که با توجه به عدم قطعیت در خودروهای برقی چگونه میتوان از آن به عنوان رزرو جهت تولید در مواقع لزوم به منظور جلوگیری از خاموشی استفاده نمود؟ این سوالی است که در این مقاله به آن پرداخته خواهد شد.
جهت درک بهتر معادلات نشانهگذاری به کار رفته به تفکیک متغیرها، ثابتها و اندیسها در فایل پیوست ارائه میگردد.
حال به ارائه معادلات میپردازیم. با توجه به حجم بالای تبادلات در بازار انرژی روزپیش، این نهاد قابلیت شرکت در بازار ذخیره چرخان را دارد. به این ترتیب تابع هدف مسئله شامل حداقل سازی انرژی توزیع نشده باحضورخودروهای برقی توسط نهاد گردهم آورنده بوده و عبارت است از:
قبل از پرداختن به قیود، روابط فوق به تفضیل توضیح داده میشود.
رابطه - - 1، تابع هدف مسئله بوده که باید کمینه گردد. این رابطه شامل چهار مولفه هزینه است. ترم اول، هزینه تولید توسط خودروهای برقی موجود در شبکه است. مولفه دوم هزینه، هزینه تولید واحدهای ژنراتوری است. مولفه سوم هزینه تخصیص رزرو توسط واحدهای ژنراتوری و خودروهای برقی است و مولفه چهارم هزینه انرژی تامین نشده میباشد.
ارزش انرژی بار از دست رفته8 بستگی به حساسیت بارها دارد. در برخی از شبکهها به هیچ عنوان خاموشی قابل قبول نیست لذا در چنین شبکههایی مقدار آن بسیار بالاست. در حالیکه در برخی دیگر از شبکهها مقداری بار از دست رفته قابل قبول است.
از طرف دیگر احتمال از دست رفتن بار9 یکی دیگر از شاخصهای مهم قابلیت اطمینان است که باید مقدار آن در حد قابل قبولی باشد. از آنجا که جنس احتمال بار از دست رفته متفاوت با مولفههای هزینهایستو نیز معمولاً برای آن مقدار حداکثر قابل قبولی را میتوان تعریف کرد، این شاخص وارد تابع هدف نشده و بصورت قید در ادامه ارائه خواهد شد.
نکته مهم مقدار رزرو در سیستم است که تاثیر مستقیم بر احتمال از دست رفتن بار و مقدار بار از دست رفته خواهد داشت. با دقت در تابع هدف مشاهده میگردد که رزرو زیاد از طرفی منجر به افزایش هزینه رزرو - مولفه سوم - میگردد و از طرف دیگر منجر به کاهش جریمههای خاموشی - مولفه چهارم تابع هدف - میگردد. لذا پاسخ مسئله مصالحهای بین این دو مولفه هزینهای خواهد بود و مقدار بهینه رزرو در کنار مقدار بهینه انرژی تامین شده از هر یک از منابع تعیین شده خواهد شد. هزینه رزرو در این مطالعه یک سوم هزینه انرژی در نظر گرفته خواهد شد.
قیود این مسئله روابط حاکم بین متغیرها و ثابتها را بدست میدهد. این روابط عبارتند از:
جهت درک بهتر به توضیح هر یک از روابط فوق میپردازیم. رابطه - 6 - بیانگر تعادل توان در هر ساعت تحت هر سناریو میباشد. در این رابطه مقدار کل توان تولیدی توسط واحدهای ژنراتوری با توان تولیدی خودروهای برقی و بار قطع شده، جمع گردیده و برابر با بار تامین شده قرار داده شده است. رابطه - 7 - بیانگر دو قید حداقل و حداکثر ظرفیت تولید واحدهای ژنراتوری است. به همین ترتیب قید حداقل و حداکثر تولید خودروهای برقی توسط معادله - 8 - ارائه شده است.
معادلات - 9 - و - 10 - حداکثر رزرو در دسترس به ترتیب برای واحدهای ژنراتوری و خودروهای برقی است. قید - 11 - قید قابلیت اطمینان است که احتمال از دست رفتن بار توسط حد بالایی محدود میسازد. قید - 12 - تعیین کننده از دست رفتن بار تحت پیشآمدهای رخ داده شده میباشد.
به عبارت بهتر اگر تحت پیشآمد مشخصی مقدار تولید از دست رفته از رزرو باقیمانده کمتر باشد این متغیر باینری برابر با 1 شده و در محاسبه احتمال از دست رفتن بارمعادله - 13 - احتمال پیشآمد مربوطه را در تجمیع احتمالات دخیل می-نماید. معادله - 13 - معادله محاسبه احتمال از دست رفتن بار است که در این معادله احتمالات تمام پیشآمدها پس از ضرب شدن در متغیر باینری مربوطه با هم جمع میگردند. در نهایت معادله - 14 - مقدار انتظاری بار از دست رفته را محاسبه مینماید.
-3 شبیهسازی و بررسی نتایج
در این بخش مدل ریاضی ارائه شده در بخش قبلی به یک سیستم مطالعاتی اعمال میگردد. جهت درک بهتر بررسی دقیقتر شبیه-سازیها به دو صورت انجام میگردد. ابتدا هزینه مقدار انتظاری بار از دست رفته در تابع هدف وارد نمیگردد و تنها محرک برنامه برای تخصیص رزرو قید قابلیت اطمینان میباشد. در مرحله بعد هزینه خاموشی وارد تابع هدف میگردد تا تاثیر جریمههای خاموشی بر مقدار رزرو تخصیصیافته بررسی گردد.
-1-3 سیستم مطالعاتی
سیستم مطالعاتی یک ریزشبکه شامل 6 واحد تولیدی است [17] که دو واحد آن خودروهای برقی هستند که هر یک هزینه خاص خود را دارند
