بخشی از مقاله
چکیده:
افزایش روزافزون نگرانیهای زیستمحیطی در دو دهه اخیر، منجر به تمایل بهرهبرداران سیستم به منابع تجدیدپذیر شده است. یکی از منابع تجدیدپذیری که قابلیت تولید در مقیاس وسیع دارد منبع بادی است. نفوذ نیروگاههای بادی بر بهرهبرداری سیستم قدرت تاثیر میگذارد. تولید متغیر و تصادفی این نوع نیروگاهها، میتواند چالشهای قابل توجهی به ویژه در محیط تجدیدساختار یافتهبرای بهرهبردار سیستم ایجاد کند. حضور نیروگاههای تلمبهذخیرهای در کنار نیروگاههای بادی میتواند تاثیرات منفی تولید متغیر نیروگاههای بادی را در برنامهریزی ساعتی خنثی-کند.
از آنجا که تولید نیروگاههای بادی متغیر است، برنامهریزی مشارکت واحدها در حضور نیروگاههای بادی و تلمبهذخیرهای، یک برنامهریزی تصادفی میباشد که با توجه به لزوم رعایت امنیت، برنامهریزی تصادفی مشارکت نیروگاهها مبتنی بر امنیت نامیده میشود. در این مقاله، برنامه-ریزی امنیت مقید مشارکت واحدها با حضور همزمان این دو نوع نیروگاه در یک شین و زمانی که در شینهای جداگانه در شبکه حضور دارند، بررسی میشود. مطالعات برای دوره زمانی 24 ساعته انجام میشود و عدم قطعیت تولید نیروگاههای بادی و نیز بار، با شبیهسازی مونتکارلو مورد توجه قرارمیگیرد. نتایج شبیهسازی بر روی شبکه 6 شینه، کارایی روش نهایی را نشان میدهد.
کلید واژه: هماهنگی ساعتی، نیروگاههای تلمبهذخیرهای، برنامهریزی تصادفی امنیت مقید مشارکت واحدها، نیروگاههای بادی، بازار همزمان انرژی و رزرو، رزرو افزایشی/کاهشی.
-1 مقدمه
در سیستمهای قدرت، زیرساختهای ذخیرهساز میتوانند بهره-برداری از سیستم قدرت را تا حدود زیادی بهبود بخشند از طرف دیگر به علت نفوذ بالای منابع تجدیدپذیر در سیستمهای قدرت امروزی، عدم قطعیت در تولید این منابع نیاز به یک منبع ذخیرهساز را دوچندان میکند. منابع ذخیرهساز قادر به ذخیره انرژی در ساعاتی که قیمت برق ارزان است یا تولید منبع بادی بالاست، بوده و در عوض انرژی ذخیره شده در این ساعات را میتوانند با قیمت بالاتری در ساعات پرباری - که قیمت برق بالاست - یا ساعاتی که تولید بادی کم است، به فروش برسانند.[1]یکی از منابع ذخیره ساز در مقیاس بزرگ، نیروگاههای تلمبه-ذخیرهای هستند.
نیروگاههای تلمبهذخیرهای بطور گسترده در جهان مورد استفاده قرار میگیرند، بطوریکه تا پایان سال2000 بیش از 300 نیروگاه تلمبهذخیرهای در دست ساخت یا بهره-برداری بوده است. میزان ظرفیت کل نیروگاه های تلمبهذخیرهای جهان در سال2009 بالغ بر 127 گیگاوات تخمین زده شده است. در حال حاضر بزرگترین طرحهای تلمبهذخیرهای در کشورهای ژاپن، آمریکا، چین و روسیه وجود دارد. کشور ژاپن با بیش از 40 طرح تلمبهذخیرهای به ظرفیت 25 گیگاوات، برنامه-ریزی جهت افزایش تولید تا 50 گیگاوات را در دست اقدام دارد.[2]یکی از موضوعاتی که در نحوهی بهرهبرداری از نیروگاه تلمبه ذخیرهای باید تعیینگردد، راهبردی جهت انتخاب زمان پمپاژ و تولید نیروگاه است. با توجه به محدودیتهای نیروگاه مثل حجم در دسترس مخازن و پیکربندی واحدهای نیروگاه، سناریوهای متفاوتی برای بهرهبرداری از نیروگاه میتوان تعیینکرد. اهداف مختلفی که در بهرهبرداری از نیروگاه تلمبهذخیرهای میتواند مد نظر قرار گیرد به شرح زیر است:
· بیشینه تولید توان در زمان پیک
· بیشینه مشارکت در کنترل فرکانس
· عملکرد با بیشینه راندمان
· تولید با بیشینه سود در بازار برق
سناریوهایی که از اهداف بالا بدست میآیند بر هم منطبق نیستند.در این مقاله هدف چهارم برای یک نیروگاه تلمبهذخیرهای یکپارچه شده با یک نیروگاه بادی مد نظر است.تا کنون در زمینه هماهنگی نیروگاه بادی با واحد ذخیرهساز، مطالعات متنوعی انجام شده است[6-3] که تفاوت آنها در نحوه حل مسئله و الگوی هماهنگی است. لیکن این مطالعات بحث رزرو را مد نظر قرار نداده و مسئله را بدون در نظر گرفتن امنیت مورد بررسی قرار دادهاند. در این مقاله مسئله هماهنگی بین این دو واحد با در نظر گرفتن امنیت به روش احتمالاتی - شاخص قابلیت اطمینان - وارد مسئله شده و لذا هزینه تامین بار را تحت تاثیر قرار میدهد.
به این ترتیب هماهنگی بین این دو واحد با احتیاط بیشتری انجام میگردد، چراکه اگر بدون در نظر گرفتن رزرو هماهنگی انجام گردد، دو واحد یکپارچه شده درصدد فروش حداکثر انرژی خواهند بود در حالیکه با در نظر گرفتن رزروسناریوهای مختلف بادی مد نظر قرار گرفته و به منظور کاهش هزینه رزرو و نیز کاهش جریمه خاموشی، هماهنگی به نحوی انجام میگردد که ریسک کمتری در زمان بههربرداری داشته باشد.مرجع [7]، برنامهریزی تصادفی مشارکت نیروگاههای تلمبه-ذخیرهای و بادی را زمانیکه این دو نیروگاه در کنار هم در شبکه قرار دارند، انجام داده است. این مرجع نیز بحث امنیت بهره-برداری را در نظر نگرفته است، همچنین، دو واحد بادی و تلمبه-ذخیرهای را در یک شین در نظر گرفته است.
این فرض در عمل چندان فرض درستی نیست، چراکه محل احداث این دو نیروگاه به شدت وابسته به اقلیم منظقه میباشد. اینکه در نزدیکی یک مزرعه بادی دو استخر بزرگ طبیعی با اخلاف ارتفاع کافی جهت احداث نیروگاه تلمبهذخیرهای وجود داشته باشد بعید به نظر میرسد.نکته قابل توجه اینست که وقتی این دو منبع در دو شین جدا از شبکه باشند، جهت هماهنگی و مبادله توان نیاز مند بخشی از ظرفیت شبکه هستند. به این ترتیب امکان بروز گرفتگی در شبکه وجود دارد. لذا شبکه انتقال در این مسئله باید در نظر گرفته شود.جهت درک بهتر، حالتهای مختلف بار شبکه و نیز میزان تولید واحد بادی مد نظر قرار میگیرد.
اگر در ساعات کمباری تولید واحد بادی بیش از ظرفیت تعهد داده شده در بازار باشد، با توجه به ظرفیت آزاد در شبکه قادر به مبادله توان با واحد ذخیرهساز بوده و احتمال گرفتگی به علت کمباری بسیار کم است. همچنین در صورت تولید اندک واحد بادی در کمباری یا توان تولید در شبکه مصرف یمشود یا همین توان اندک جهت ذخیره-سازی وارد بستر انتقال شده و در واحد تلمبهذخیرهای ذخیره میگردد. تا کنون مشکلی جهت هماهنگی این دو واحد به لحاظ گرفتگی خطوط ایجاد نشده است. حال فرض میشود شبکه در وضعیت پرباری قرار دارد. در این حالت منطقی است که تولید منبع بادی و حتی توان ذخیره شده در واحد تلمبهذخیرهای در شبکه مصرف گردد لذا هیچ ظرفیتی از شبکه جهت هماهنگی این واحدها اشغال نمیگردد. همچنین اگر در وضعیت پرباری توان تولید توسط واحد بادی کم باشد همان توان کم در شبکه مصرف میگردد.
تنها در صورتی هماهنگی این دو واحد منجر به گرفتگی خطوط میگردد که در وضعیت پرباری توان تولیدی واحد بادی آنقدر باشد که نیاز به ذخیره آن در ذخیرهساز باشیم لذا در وضعیت پرباری نیازمند بخشی از طرفیت انتقال سیستم هستیم. جهت جلوگیری از بروز گرفتگی در این وضعیت، مطالعه حاضر، علاوه بر رزرو افزایشی رزرو کاهشی نیز مد نظر قرار داده است تا در صورت نیاز در پرباری واحدهای حرارتی توان تولیدی خود را کاهش داده و لذا تمام توان تولیدی منبع بادی در شبکه مورد استفاده قرار گرفته و مبادله توان منجر به بروز گرفتگی نشود.. مرجع [8] مسئله رزرو افزایشی و کاهشی را در کنار هم با حضور منابع بادی و حرارتی مد نظر قرار داده است.همچنین [9] استراتژیهای مختلف هماهنگی دو نیروگاه بادی و تلمبهذخیرهای را در کنیا ارائه داده است. در نهایت لازم به ذکر است که واحد تلمبهذخیرهای را به عنوان بهترین گزینه جهت افزایش ضریب بهرهبرداری از واحد بادی، پیشنهاد شده است.[11-10]
-2 مدل سازی مسئله
در این مقاله هماهنگی ساعتی نیروگاه تلمبهذخیرهای و بادی به صورت تصادفی بهینهسازی شده است. هماهنگی این دو نیروگاه بر پایهی دو استراتژی انجام میشود که در بخش مدلسازی بیان خواهد شد. مدل بدست آمده یک مدل آمیخته با عدد صحیح است که هزینه انتظاری بهرهبرداری را به همراه هزینه عملیات اصلاحی - رزرو چرخان - کمینه میکند. هزینه عملیات اصلاحی شامل هزینه آمادگی نیروگاههای حرارتی و نیروگاه تلمبهذخیره-ای است. این هزینه در واقع شامل پرداختهایی است که به نیروگاهها جهت تامین رزرو چرخان اعطا میگردد. این آمادگی به منظور ممانعت از بارزدایی در صورت بروز سناریوهاست.
خطاهای پیشبینی باد و بار به عنوان سناریو در این مقاله با شبیهسازی مونتکارلو درنظرگرفته شدهاند. برنامهریزی ساعتی مشارکت نیروگاه بادی به صورت هماهنگ با نیروگاه تلمبه-ذخیرهای توسط مدل برنامهریزی امنیت-مقید تصادفی واحدها محاسبه شدهاست. تغییرات توان خروجی نیروگاههای حرارتی یا تغییر وضعیت نیروگاه تلمبهذخیرهای محاسبه شده در سناریوی ایه، به عنوان اعمال اصلاحی در سناریوها درنظرگرفته میشوند. از آنجا که اعمال اصلاحی جزو ضروریات برنامهریزی است لذا هزینهی آمادگی برای کل سناریوها مستقل از احتمال آن سناریو در تابع هدف درنظرگرفته میشود. سناریوهای مورد نیاز شامل سناریوهای باد و بار از روی منحنیهای توزیع احتمال آنها به روش مونتکارلو تولید شده است که در فصل چهارم بیشتر توضیح داده میشود.
مدل ریاضی پایه این مسئله شامل تابع هدف و قیود در این قسمت ارائه شده است که تقریبا مشابه مدل مقاله پایه میباشد. برای مدلسازی شبکه از پخشبار DC استفاده شده است. به دلیل اینکه پخشبار AC برنامه بهینهسازی را شدیدا غیرخطی میکند و حل آن را پیچیدهتر و طولانیتر میکند و با توجه به اینکه مطالعهی از نوع مطالعه بهرهبرداری است و نیاز به پاسخ سریع است، از پخشبار DC استفاده میشود. در این بخش فرض بر این است که هر دو نیروگاه بادی و تلمبهذخیرهای در یک شین قرار دارند. روابط هریک به تفکیک توضیح داده شده است. همانطور که قبلا اشاره شد، سناریوها در این پایاننامه با استفاده از منحنیهای توزیع احتمال مربوطه، به روش مونتکارلو تولید شدهاند.
منحنی توزیع احتمال درنظرگرفته شده برای باد، یک تابع توزیع احتمال ویبول و برای بار تابع توزیع نرمال، درنظرگرفته شده است.[12]رابطه - 1 - تابع هدف مسئله را که هدف آن کمینهکردن سود کلی سیستم است، نشان میدهد:در سطر اول هزینه تولید واحدهای حرارتی در هر یک از سناریوهاست - با احتساب سناریوی پایه که برنامهریزی بر اساس آن انجام میشود - . سطر دوم هزینه رزرو افزایشی و کاهشی که
