بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر بهرهبرداری از سیستم ذخیرهساز انرژی مورد توجه بسیاری از محققین در صنعت برق قرارگرفته است. به دلیل هزینه نسبتاً بالای سرمایهگذاری برای ذخیرهسازهای انرژی، سرمایهگذاران زیادی در این راستا پیشقدم نمیشوند. هزینه سرمایهگذاریفنآوریهای ذخیرهساز در حال حاضر بالاست و بعضی مواقع دیده میشود که بهرهبرداری از ذخیرهساز خیلی گرانتر از بهروز رسانی سیستمهای انتقال و توزیع میشود. ازاینرو، بایستی از این ذخیرهسازها سودمندی برای سرمایهگذاران خصوصی حاصل شود که یک راهحل آن، بهرهمندی ازکاربرد آربیتراژ انرژی سیستم ذخیرهساز انرژی است. همچنین در این مقاله برای بررسی تأثیر خطای پیشبینی قیمت بر درآمد آربیتراژ انرژی، از سه نوع قیمت - قیمت واقعی انرژی ساعتی آنتاریو، قیمت پیشبینی شده 3 ساعت آینده که توسط خود بازار پیشبینی شده و قیمت پیشبینی شده توسط شبکه عصبی مصنوعی - استفاده شده است.
کلید واژه- سیستم ذخیرهساز انرژی، پیشبینی قیمت، شبکه عصبی مصنوعی، بازار برق
-1 مقدمه
انرژی الکتریکی امروزه به صورت یک کالا در نظر گرفته میشود که در گذشته امکان ذخیرهسازی آن - مخصوصاً در ابعاد کلان - وجود نداشت. با پیشرفت فنآوریها و استفاده از فنآوریهای ذخیرهسازی انرژی همانند نیروگاههای تلمبه ذخیرهای و باتریهای الکتروشیمیایی، برای مدتزمان نسبتاً طولانی میتوان انرژی الکتریکی را ذخیره نمود. همچنین با پیشرفت فنآوری دستگاههای ذخیرهسازی مدرن و افزایش نیاز به بهبود بازده شبکه برق، سیستمهای ذخیرهساز انرژی مورد توجه طراحان قرار گرفتهاند. در گذشته به دلیل هزینههای ساخت و ساز بالا و عدم ظرفیت کافی، ذخیرهسازهای انرژی الکتریکی برای استفاده عملی در سیستمهای قدرت کمتر مورد استفاده قرار میگرفتند. در حال حاضر مشکل عدم ظرفیت کافی به اندازه قابل قبولی رفع شده است اما، راه حل مناسبی برای رفع مشکل هزینه سرمایهگذاری بالا پیشنهاد نشده است .[1] از آنجا که هزینه تولید انرژی و قیمت فروش آن در ساعات مختلف شبانهروز، با راه افتادن بازار برق، تفاوتهای چشمگیری خواهد داشت، بنابراین ایده ذخیرهسازی انرژی در ساعات غیر پیک - برق ارزان - و استفاده از آن در ساعات پیک - برق گران - مطرح شد - آربیتراژ انرژی - .[2]به طور کلی سیستمهای ذخیرهساز انرژی به 4 دسته کلی تقسیمبندی میشوند.
- 1 الکتریکی شامل ابرخازن و ابررسانا
- 2 مکانیکی شامل نیروگاه تلمبه ذخیرهای، هوای
فشرده و چرخ طیار
- 3 شیمیایی شامل باتریها و هیدروژن
- 4 حرارتی شامل دما بالا و حرارت محسوس [2] سیستمهای ذخیرهساز انرژی کاربردهای فراوانی شاملآربیتراژ انرژی، تنظیم فرکانس، پشتیبانی ولتاژ، ذخیره چرخان و غیرچرخان، یکپارچهسازی منابع عرضه متغیر و غیره برای سیستمهای قدرت به همراه دارند .[3]مطالعات فعلی برای ارزیابی بهتر و اثبات مزایا در مقابل هزینههای سیستمهای ذخیرهساز انرژی است. برخی از این مزایا همانند آربیتراژ انرژی و بهبود گرفتگی خطوط انتقال به طور مستقیم به مشتریان مرتبطاند، در حالی که بقیه به صورت غیرمستقیم، همانند به تعویق انداختن سرمایهگذاری زیرساختهای سیستم انتقال و توزیع، کاهش تلفات توان، افزایش قابلیت اطمینان و هزینه غیره وابسته که شامل هزینههای سرمایهگذاری - تجهیزات، زمین، نصب، راهاندازی و توان - و هزینههای بهرهبرداری - تعمیر و نگهداری، طول عمر - میباشد .[1]
هزینههای یک سیستم ذخیرهساز انرژی شامل دو هزینه انرژی و هزینه توان است، هزینه انرژی متناسب با ظرفیت انرژی سیستم ذخیرهساز و مربوط به قسمت ذخیرهکننده انرژی در سیستم ذخیرهساز است و واحد آن دلار بر کیلووات ساعت است. هزینه توان متناسب با ظرفیت توان سیستم ذخیرهساز و مربوط به یکسو کنندهها و اینورترها و سایر ادوات الکترونیک قدرت موجود در سیستم ذخیرهساز است که به صورت دلار بر کیلووات بیان میشود .[4] به طور کلی هزینههای سیستم ذخیرهساز انرژی شامل هزینه سرمایهگذاری اولیه، هزینه ثابت بهرهبرداری و هزینه متغیر بهرهبرداری است .[5]
مرجع [6] به بررسی بهرهبرداری از یک دستگاه ذخیرهساز در یک شبکه فرضی که شامل 6 باس انتقال و 3 باس توزیع است، پرداخته است. 4 سناریو مورد بررسی قرار گرفته که عبارتاند از: تأثیر بهرهبرداری از سیستم ذخیرهساز، تأثیر قرار دادن سیستم ذخیرهساز انرژی در باس انتقال یا توزیع، تأثیر ظرفیت ذخیرهساز انرژی و اینکه سیستم ذخیرهساز انرژی به صورتمتمرکز - مثلاً 60 مگاوات - یا پخششده - مثلاً سه سیستم 20 مگاواتی - به کارگیری شده باشد. عامل رفاه اجتماعی و پیکسایی برای کاهش قیمت در زمان پیک نیز در نظر گرفتهشده است. در مرجع [7] تأثیر نیروی باد بر درآمد آربیتراژ انرژی در بریتانیا برای ذخیرهسازی انرژی - با توجه به قیمت واقعی و قیمت شبیهسازی شده - برای سالهای 2005-2007 را بدست آورده است؛ سپس با توجه به معیار باد سالانه سال 2007 میزان تولید انرژی باد و درآمد آربیتراژ انرژی را برای سالهای 2020-2025 محاسبه کرده است.
مرجع [8] درآمد ممکن آربیتراژ انرژی سیستم ذخیرهساز انرژی در سال 2014 با توجه به ظرفیتهای مختلف انرژی در بازار برق PJM را مورد بررسی قرار داده که از دو قیمت - قیمت زمان واقعی و قیمت یک روز جلوتر - برای خطای پیشبینی قیمت استفاده شده است. در ابتدا از ظرفیتهای 1 مگاواتی و بعد از آن ظرفیتهای 5 و 10 مگاواتی استفاده شد تا به این نتیجه برسد که خطای پیشبینی قیمت برای ظرفیتهای بالا نسبت به ظرفیتهای کوچک کمتر است. مرجع [9] درآمد آربیتراژ انرژی برای بهرهبرداری از سیستم ذخیرهساز انرژی متصل به سیستم فتوولتاییک با اتصال مستقیم به شبکه، که در آن محدودیت زمانی دِشارژ برای زمانیکه افزایش بار وجود داشته باشد و محدودیت زمانی شارژ برای زمانیکه انرژیهای تجدیدپذیر در دسترس هستند، در نظر گرفتهشده است و نشان داده است که این محدودیتها باعث کاهش درآمد آربیتراژ انرژی سیستم ذخیرهساز انرژی و عدم سرمایهگذاری سرمایهگذاران خصوصی خواهد شد.
مرجع [10] ارزیابی اقتصادی یک سیستم ذخیرهساز انرژی باتری مسکونی برای دستیابی به صرفهجویی هزینههای مناطق مسکونی توسط آربیتراژ انرژی نشان داده شده که عبارتند از: استفاده از یک سیستم ذخیرهساز انرژی باتری برای خرید، ذخیره و تخلیه انرژی الکتریکی با استفاده از نوسانات قیمتهای برق که از دو سیگنال قیمتی - یکی زمستان و یکی تابستان - ، برای بدست آوردن آربیتراژ انرژی استفاده شده است. تمام این شبیهسازیها بر اساس تقاضای برق ساعتی خانگی است که تا حد زیادی توسط رفتار مصرفکننده تعیین میشود.مرجع [11] میزان درآمد آربیتراژ انرژی سیستم ذخیرهساز انرژی هوای فشرده با الگوریتم دیسپاچینگ بهینه زمان واقعی نشان داده است. در مرجع [12] استفاده از یک معیار ریسک مبتنی بر استراتژی مناسب بهینهسازی، برای یک مزرعه بادی در ترکیب با سیستم ذخیرهساز انرژی پیشنهاد شده است. از طریق هماهنگی با دستگاههای ذخیرهساز انرژی، تولیدات متغیر بادی میتوانند به عنوان تولیدکنندههای دیسپاچینگ در بازار برق تنظیم شده، مورد استفاده قرار گیرند. سود کلی از فروش برق را میتوان با بهرهگیری از آربیتراژ انرژی در دسترس با توجه به تغییرات دورهای قیمتهای برق در بازار روز پیشرو افزایش داد.
مرجع [13] تأثیر راندمان، تعداد روزهای بهرهبرداری و تعداد ساعت شارژ بر درآمد آربیتراژ انرژی در بازار برق آنتاریو مورد بررسی قرار داده است.در مقالات ارائه شده از روش مرسوم - زمانشارژ و دِشارژ ثابت در نظر گرفته میشود - استفاده شده است اما، در این مقاله از یک فلوچارت پیشنهادی - زمان شارژ و دِشارژ با توجه به قیمت تعیین میشود - که باعث افزایش درآمد آربیتراژ انرژی استفاده شده و با روش مرسوم مقایسه شده است. همچنین، در بیشتر مقالات ارائه شده از یک سیگنال قیمتی برای کل سال در نظر گرفته شده است اما در این مقاله از سیگنال قیمتی کل سال استفاده شده است که باعث کاهش خطا بر درآمد آربیتراژ انرژی خواهد شد. همچنین در مقالات ارائه شده در مورد مالکیت آن آن بحث نشده است، اما در اینجا از دیدگاه یک مالک خصوصی برای افزایش درآمد - فلوچارت پیشنهادی - پرداخته شده است که که علاوه بر محدودیت انرژی، محدودیت درآمد آربیتراژ انرژی روزانه و تعداد روزهای بهرهبرداری برای تصمیمگیری بر بهرهبرداری از سیستم ذخیرهساز انرژی در سال استفاده شده است.
-2 مدلسازی قیمت و بار
-3 فرمولبندی مسئله
قیمتهای روزانه بازار آنتاریو همانند شکل 1 به 3 دسته قیمت پایین - کم باری - ، قیمت متوسط - پیک روزانه و بار متوسط - و قیمت بالا - پیک شبانه - تقسیم شده است. قیمت انرژی به میزان بار و تولید بستگی دارد، هر اندازه میزان تولید از بار بیشتر باشد قیمت انرژی کاهش و هر چه میزان بار به تولید نزدیکتر باشد - زمان پیک - ، هزینه انرژی افزایش مییابد.بارهای روزانه بازار برق آنتاریو همانند شکل 2 به 4 دسته کم باری، پیک روزانه، میان باری و پیک شبانه تقسیم شده است. همانطور که در شکل 2 دیده میشود، سیستم ذخیرهساز باتری قادر به انجام چندین بار شارژ و دِشارژ در روز است اما هدف، حداکثرسازی سود حاصل از بهرهبرداری سیستم ذخیرهساز انرژی به دلیل مالکیت خطوصی آن است. پس تنها یکبار شارژ ودِشارژ در روز در نظر گرفته شده است. ذخیرهساز در زمانهایی که قیمت انرژی در پایینترین مقدار است شارژ میشود و زمانهایی که قیمت انرژی بالاترین مقداراست دِشارژ میشود، همچنین به دلیلاینکه میزان توان - مگاوات - و انرژی سیستم ذخیرهساز انرژی - مگاوات ساعت - بالاست تعداد شارژ و دِشارژ در روز یکبار در نظر گرفته میشود. - طول عمر یک سیستم ذخیرهساز انرژی باتری بستگی به تعداد شارژ و دِشارژ آن دارد - .[14]
در این مقاله از باتری لیتیومیون به دلیل راندمان بالا و هزینههای سرمایهگذاری کاهشی در سالهای آینده استفاده شده است. به طوریکه هزینه سرمایهگذاری باتری لیتیومیون در سال 2014 از 550 دلار بر کیلووات ساعت به 300 دلار بر کیلووات ساعت رسیده است و پیشبینی میشود که در سال 2020 به 200 دلار بر کیلووات ساعت برسد .[15] همچنین، شرکت ژنراتور موتور یک نوع باتری لیتیومیون معرفی کرده است که در سال 2015 هزینه سرمایهگذاری آن 145 دلار بر کیلووات ساعت است و پیشبینی کرده است که در سال 2021 به 100 دلار بر هر کیلووات برسد .[16] در مورد باتریها اصطلاحات زیر رایج است که همراه معادلات آن آورده شده است.
الف - حالت شارژ باتری : - SOC - وضعیت شارژ باتری را نشان میدهد . اگر باتری به طور کامل شارژ باشد SOC آن برابر با یک است و اگر کمتر باشد از رابطه - 1 - محاسبه میشود .[17]
ب - بازده باتری: باتریها داری دو بازده متفاوت هستند. بازده شارژ که نسبت انرژی تحویل داده شده به پایانههای باتری به انرژی ذخیره شدهدر باتری است و دیگری بازده دِشارژ که نسبت انرژی دریافت شده از پایانههای باتری به انرژی ذخیره شده در باتری است. بازده کل حاصلضرببازده شارژ و دِشارژ آن است .[17]
ج - ظرفیت انرژی باتری: کل انرژی که یک ذخیرهساز میتواند با توجه به حداکثر زمان دِشارژ ذخیره کند و از رابطه - 2 - محاسبه میشود . [18]
د - میزان انرژی شارژ: میزان انرژی که یک سیستم ذخیرهساز میتواند در خود ذخیره کند، بر اساس رابطه - 3 - محاسبه میشود.
