بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله از رویکرد کنترل بهینه تصادفی برای مدیریت ذخیره انرژی موجود در ریزشبکه متصل به شبکه اصلی استفاده شده است. بار تجمعی ریزشبکه با یک مدل تصادفی با میانگین و انحراف معیار مدل شده است. مدل ریزشبکه شامل منابع انرژی تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر است که درحالت جزیرهای به برقرای تعادل انرژی در ریزشبکه کمک میکنند. بهینهسازی اقتصادی این مدل با خرید و ذخیره انرژی از شبکه اصلی در حالت عادی شبکه و استفاده از این انرژی در زمان اوج قیمت شبکه حاصل میشود. سطح انرژی ذخیره شده در باتری با گرفتن فیدبکی از حالت آن و تولید بهینه منابع کمکی صورت میگیرد. کارآمدی روش مذکور در نتایج شبیه سازی قابل مشاهده است.
-1 مقدمه
افزایش آلودگی هوا، کمبود منابع انرژی تجدید پذیر، انگیزههای اقتصادی مهمترین عوامل تاثیرگذار برای استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر نظیر مانند انرژی بادی و خورشیدی هستند. استفاده از این منابع انرژی به دلیل ماهیت تصادفی آنها مستلزم ایجاد ریزشبکه میباشد. ریزشبکه متشکل از منابع انرژی تجدید پذیر، ذخیره کنندهای انرژی و بارهای کنترل پذیر و کنترل ناپذیر میباشد.
ماهیت تصادفی منابع انرژی تجدیدپذیر ریزشبکه مشکلاتی را برای برقراری تعادل میان عرضه و تقاضا بوجود آورده است. استفاده از انرژیهای تجدیدناپذیر، ذخیره کنندههای انرژی در ریزشبکه و اتصال آن به شبکه اصلی از جمله روشهایی است که برای بهبود عملکرد ریزشبکه در نظر گرفته شده است. مساله مدیریت انرژی در مجموعه ریزشبکهها با اهدافی نظیر کاهش هزینهها و کاهش تلفات خطوط انتقال و افزایش قابلیت اطمینان صورت میگیرد
روشهای کنترل ریزشبکههای هوشمند به دو دسته کنترل مرکزی و غیر مرکزی تقسیم میشود. در کنترل مرکزی یک عامل مرکزی مساله را به طور سراسری حل کرده و نتیجه را به هریک از زیر سیستمها اعلام میکند. نقطه ضعف این روش از کار افتادن کل سیستم در صورت از کار افتادن کنترل مرکزی است.
رویکرد مرکزی با توجه به اینکه ریزشبکهها موظف هستند تمامی اطلاعات خود را به واحد تصمیمگیرنده ارسال کنند کاملا همکارانه میباشد. کنترلر مرکزی پس از حل مساله سراسری استراتژی بهینه هر یک از ریزشبکهها را به آن ها اطلاع میدهد. کنترل مرکزی با توجه به اینکه تمامی اطلاعات شبکه را در اختیار دارد بهترین عملکرد را خواهد داشت
در کنترل غیر مرکزی، ریزشبکهها به کمک سیستمهای چند عامله کنترل میشوند به گونهای که هرعامل به صورت مستقل، وظیفه کنترل توابع مورد نیاز خود را دارد. که به دلیل انجام محاسبات محلی، حجم محاسبات نسبت به حالت قبل کاهش پیدا میکند
سیستمهای چندعامله مقاوم و تعمیم پذیر هستند زیرا در صورت حذف و یا اضافه شدن عوامل جدید میتوان بدون از کار افتادن کل سیستم آن را بازآرایی نمود با این حال همگرایی و بهینهگی سیستمهای چند عامله مساله بسیار اساسی است
در حالت کنترل غیر مرکزی وظیفه برقراری تعادل میان عرضه و تقاضا بر عهده کنترلر ریزشبکه میباشد. یکی از راههای بهینهسازی انرژی ریزشبکه پیشبینی بار میباشد که در این زمینه کارهای زیادی انجام شده است.
یکی از روشهای جبران اختلاف تولید و مصرف در هر ریزشبکه شرکت در بازار روزانه است که در این بازار ریزشبکه میزان اختلاف تولید و مصرف خود را با خرید انرژی از شبکه اصلی جبران میکند
یکی دیگر از روشهای دیگر برقراری تعادل در ریزشبکه، شرکت در بازارهای تراکنشی انرزی است. در این بازار، ریزشبکهها به صورت مستقیم با یکدیگر به مبادله انرژی میپردازند
دو رویکرد عمده زیر به منظور اجتناب از خرید انرژی در زمان های اوج بار در بازارهای تراکنشی انرژی پیشنهاد شده است :
- 1 استفاده از بارهای قابل کنترل با زمان - 2 پیشنهاد بهینه درخواست انرژی
استفاده از برنامه ریزی پویا و کنترل پیش بین بر مبنای مدل دو روش اصلی در زمان استفاده از بارهای قابل کنترل با زمان میباشند. برنامه ریزی بارهای قابل کنترل مانند بارهای گرمایی[10] خودروهای برقی[11] و بارهای متمرکز[12]، متناسب با قیمت انرژی بازار انرژی روزانه صورت می گیرد. پیشنهاد بهینه درخواست انرژی با پیش بینی بار صورت میگیرد که هرچقدر این پیش بینی دقیق تر باشد بهینهسازی بهتری انجام میشود.
در مرجع [13] مدیریت انرژی در مجموعه ریزشبکهها به صورت مرکزی و با استفاده از LQG انجام شده است. هدف این مقاله حداقل کردن تبادلات انرژی بین ریزشبکهها و نگهداشتن سطح توان ذخیره شده در هر ریزشبکه در یک مقدار مشخص است. مساله ارائه شده در این مقاله را میتوان به عنوان یکی تلاشهای اولیه برای مدلسازی و کنترل تبادل اطلاعات و توان در ریزشبکهها دانست.
با توجه به ویژگی های شبکه هوشمند که در آن هر عضو شبکه نظیر ریزشبکهها ، تولیدکنندهها و بارها مانند بازیگران در تئوری بازیها به دنباله بیشینه کردن تابع سود خود میباشند، استفاده از این تئوری را بسیار مرسوم کرده است.[14] در مرجع [15] عرضه و تقاضای انرژی با یک بازی رهبر، پیرو مدل شده است. تولیدکنندگان به عنوان رهبر قیمت انرژی را معین کرده و مصرفکنندگان به عنوان دنبالهرو با توجه به قیمت بیان شده میزان انرژی مورد نیاز خود را بیان میکنند.
مراحل کنترل ریزشبکه هوشمند، در قسمت2، نمادها و مدل سیستم در قسمت 3، نتایج شبیه سازی و در قسمت4، نتیجهگیری بیان شده است.
-2 نماد ها و مدلسازی
بار تجمعی یک ریزشبکه با یک فرآیند وینر با میانگین و انحراف معیار دو سطحی که یک سطح آن در زمان کم باری و قیمت پایین شبکه و سطح دیگر آن در زمان اوج بار و قیمت بالای آن مدل شده است. نگهداشتن سطح انرژی ذخیره شده در منابع ذخیرهکننده مانند باتریها هدف اصلی مدیریت انرژی در ریزشبکه است . تخطی از این مقدار از پیش بینی شده برای شبکه مشکلاتی نظیر خرابی باتریها را در پی خواهد داشت. توان خروجی منابع کمکی، نظیر توربین گازی محدودیتهایی دارد که باید در مساله در نظرگرفته شود. هر یک از ریزشبکههای متصل به شبکه اصلی به اطلاعات مربوط به حالت شبکه در ساعتهای آینده دسترسی داشته و با توجه به این اطلاعات به کنترل منابع خود برای رسیدن به تعادل بهینه عرضه و تقاضا میپردازند.
-1-2 نمادها
در این مقاله w نمادی از متغیر تصادفی میباشد و - W - نمادی از یک زنجیره پیوسته مارکوف می باشد که در دو سطح پیک بار و غیر پیک مقدار میگیرد. تاثر مدت زمانی که قیمت
انرژی در زمان غیر پیک، پیک بار قرار دارد در 1 و 2 مدل شده است. تابع بار تجمعی متناسب با سطوح تعریف شده، از فرآیند وینر با دو پارامتر میانگین و انحراف معیار تبعیت میکند. و w مستقل از یکدیگر هستند. درجدول1 نمادهای استفاده شده در این مقاله تعریف شده اند. - W - 1 و - W - 2 به ترتیب بیانگر حالت عادی و پیک بار شبکه میباشند.
جدول.1 نمادها
نماد تعریف
X t میزان ذخیره باتری در زمان t
Gt مقدار انرژی مبادله شده با شبکه برحسب Kwh در زمان t
Dt بار تجمعی برحسب Kwh تا زمان t
Y t مجموع انرژی خورشید تا زمان t
pt مقدار انرژی تولیدی ژنراتور در زمان t
- t - سطح قیمت انرژی شبکه در زمان t
-2-2 مدلسازی
سطوح پیک بار و حالت عادی بر مبنای قیمت انرزی تعریف شدهاند. پیش بینی میزان بار و برنامهریزی برای تولید متناسب با آن منجر به برقراری تعادل شبکه و کاهش تلفات در حالت گذرا و حالت پایدار می شود که برای رسیدن به این هدف مقدار میانگین و انحراف معیار انرژی ذخیره شده در باتری کنترل میشود.
هدف کاهش مقدار انحراف معیار و تنظیم مقدار انرژی ذخیره شده باتری در مقدار مطلوب میباشد.
مدل انرژی خورشیدی :
خروجی یک سیستم زمانی تصادفی است که ورودی آن یا مدل سیستم تصادفی باشند. ورودی منابع انرژی تجدید پذیر مانند اشعه خورشید، باد کاملا تصادفی بوده و درنتیجه توان خروجی منابع انرژی تجدید پذیر یک فرآیند تصادفی است. ماکزیمم توان خروجی توربین بادی به سرعت باد و جهت حرکت آن وابسته است. توان خروجی صفحههای خورشیدی تابعی از شدت تابش و زاویه برخورد پرتوهای خورشید با این صفحهها و شرایط محیطی میباشد.
تعادل انرژی :
برای مدیریت انرژی در یک ریزشبکه باید تعادلی میان عرضه و تقاضا برقرار گردد و سطح انرژی ذخیره شده در باتری ها و منابع ذخیرهکننده کنترل شود. سطح انرژی ذخیره شده در باتری از رابطه زیر حاصل میشود.
ممکن است نمودار بار تجمعی D در بازهای از زمان نزولی باشد که به این معنی است که میزان انرژی تولیدی منابع و انرژی ذخیره شده در باتری بیش از حد مجاز است و ریزشبکه این میزان انرژی اضافه را به شبکه میفروشد. در شکل1 ساختار ریزشبکه و اجزای آن قابل مشاهده است. دقت شودکه ژنراتور و صفحه خورشیدی انرژی به ریزشبکه تزریق میکنند در حالی که بقیه اجزا به مبادله انرژی با ریزشبکه میپردازند
شکل:1 اجزای ریزشبکه متصل به شبکه اصلی
هدف اصلی عامل تصمیم گیرنده در ریزشبکه کمینه کردن تابع هزینه و افزایش تابع سود است. میزان مبادله انرژی با شبکه و مقدار انرژی ذخیره شده در باتری باید بگونه ای برنامه ریزی شود تا تابع سود ماکزیمم شود. در مقاله [12] مدلی برای آینده یک ریزشبکه معرفی شده است که در این مدل هر ریزشبکه یک عامل مستقل از بقیه فرض شده است. تابع تصمیم گیری ریزشبکه به صورت زیر فرض شده است.
