بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
برنامه ریزی تصادفی در مدار قرارگرفتن واحدهای تولیدی حرارتی و تجدیدپذیر بادی جهت اجرای بهینه برنامه های پاسخگویی بار در سیستمهای قدرت تجدیدساختاریافته
خلاصه
در سالهای اخیر با توجه به نگرانی پیرامون آلودگی های زیست محیطی ناشی از بهرهبرداری از منابع سوخت فسیلی و رو به اتمام بودن این منابع، استفاده از انرژی های تجدیدپذیر مانند انرژی باد مورد توجه قرار گرفته است. با ورود انرژی باد به سیستمهای قدرت، نگرانیهای در خصوص ماهیت تصادفی آن برای بهره برداران به وجود آمده و لذا موضوع هماهنگی بین واحدهای حرارتی و بادی از اهمیت ویژهای برخوردار است. هدف از مطالعه حاضر برنامهریزی در مدار قرار گرفتن واحدهای حرارتی با در نظر گرفتن عدم قطعیت باد از دیدگاه اپراتور مستقل سیستم در بازار برق میباشد. عدم قطعیت مربوط به این پارامتر به وسیلهی تابع توزیع ویبال برای هر دوره زمانی مشخص میشود. پس از تشکیل سناریوها و در نظر گرفتن افق برنامهریزی کوتاه مدت، مسالهی در مدار قرار گرفتن واحدهای حرارتی با در نظر گرفتن قیود واحدهای حرارتی، قید رزرو چرخان، قیود امنیت استاتیکی و با در نظر گرفتن تزریق توان بادی به سیستم برای هر یک از سناریوها حل میگردد. همچنین در این مقاله برنامهی پاسخگویی بار زمان مورد استفاده، مورد بررسی قرار گرفته است. مطالعه شبیهسازی بر روی سیستم 24 باس RTS بررسی شده است و نتایج نشان میدهد با ورود منابع بادی میزان هزینه بهرهبرداری مورد انتظار، هزینه های بهرهبرداری و رزروکاهش یافته که این مقدار هزینه با اضافه شدن برنامه پاسخگویی بار کاهش بیشتری داشته است
کلمات کلیدی: بازار برق، پاسخگویی بار زمان استفاده، در مدار قرار گرفتن واحدها، نیروگاه بادی.
1. مقدمه
افزایش سطح نفوذ مزارع بادی در سیستمهای قدرت، تأثیر زیادی بر عملکرد سیستم دارد. این تأثیر از آنجا ناشی میشود که توان تولیدی از مزارع بادی دارای ماهیتی تصادفی بوده و دارای تغییرات لحظهای میباشد. در واقع محدودیت بالایی در پیشبینی توان تولیدی مزارع بادی وجود دارد. با این وجود استخراج توان الکتریکی از مزارع بادی مزایای اقتصادی و زیست محیطی فراوانی دارد. بههمراه هزینه نصب مزارع بادی، دیگر هزینههای مربوط به مزارع بادی در مقایسه بامولّدهای حرارتی ناچیز است، چرا که تولید توان از مزارع بادی نیازمند مصرف سوخت نمیباشد. همچنین نیروگاه های بادی اثراتمخرّب زیست محیطی ندارند. باتوجّه به این موارد اکثر کشورهای جهان برنامهریزی وسیعی را جهت استفاده از پتانسیل باد برای تولید توان الکتریکی انجام دادهاند. این سطح قابلتوجّه در افزایش استفاده از منابع بادی، لزوم انجام مطالعات را برای بررسی و تحلیل تأثیر این منابع بر سیستمهای قدرت افزایش میدهد. این مطالعات در دستهبندیهای مختلفی انجام شدهاند. همچنین مطالعات در محیطسنّتی مربوط به مسئله مشارکت واحدهای حرارتی در حضور مزارع بادی و تخصیص رزرو برای پوشش عدم قطعیت مزارع بادی صورت گرفته است.
در [1] مسئله مشارکت واحدها با قیود امنیتی با در نظر گرفتن نیروگاه بادی و ذخیرهساز هوای فشرده بهینه میشود و تاثیر اضافه شدن این ذخیرهساز در کنار نیروگاه بادی در بهبود نتایج مورد بررسی قرار گرفته است. در [2] به بررسی تاثیر نیروگاه های بادی در برنامهریزی تولید، هزینه سوخت، مقدار آلودگی و امنیت سیستم پرداخته شده است. در [3] الگوریتمی برای مشارکت واحدها با قیود امنیتی با در نظر گرفتن عدم قطعیت باد ارائه شده است. بدین صورت که در ابتدا مسئله مشارکت واحدها به صورت مسئله اصلی با توان تولیدی نیروگاه بادی که پیشبینی شده انجام میشود، سپس به کمک تعدادی سناریو باد به پخش بار مجدد پرداخته و تا زمانی که در این حالتها تجاوز از محدوده مجاز وجود داشته باشد، قیودی به مسئله اصلی اضافه شده ومجدداً مسئله مشارکت واحدها حل میشود. در [4] که یکی از کاملترین مطالعات صورت گرفته در زمینه مشارکت انرژی باد در بازار برق میباشد، عدم قطعیت در قیمتهای لحظهای، توان خروجی باد و قیمتهای بازار روز بعد در نظر گرفته شده است. تابع هدف در این مقاله بیشینه نمودن سود مورد انتظار میباشد. در این مقاله همچنین تأثیر مشارکت واحد بادی در بازار اصلاحی نیز در نظر گرفته شده و نشان داده شده است که مشارکت در این بازار میتواند تأثیر قابل توجهی بر سود مورد انتظار تولیدکننده بادی داشته باشد. در [5] به بررسی مشارکت هماهنگ نیروگاه بادی به همراه واحد تلمبه ذخیرهای پرداخته است. هماهنگسازی این واحدهای تولیدی بر اساس مسئله مشارکت واحدها با در نظر گرفتن قیود امنیت صورت پذیرفته است. در این مقاله از معیارهایی نظیر هزینه بهرهبراری، قطع انرژی باد و هزینه عملیات اصلاحی برای نشان دادن تأثیر هماهنگسازی استفاده شده است.
مدلی که در این مقاله ارائه داده شده، بهینهسازی تولید نیروگاه حرارتی و بادی با رویکرد پاسخگویی بار زمان استفاده1 میباشد و تأثیر نفوذ نیروگاههای بادی بر روی پاسخگویی بار و میزان هزینه های کل مورد انتظار و هزینه های هرهبرداری و رزرو مورد ارزیابی قرار میدهد.
2. مدل برنامه پاسخگویی بار
در برنامه TOU قیمت فروش انرژی الکتریکی در هر ساعت وابسته به هزینهی تولید در همان ساعت میباشد؛ بنابراین قیمت انرژی الکتریکی در زمان کم باری ارزان، در زمان میان باری متوسط و در زمان اوج بار گران خواهد بود. اجرای برنامهی TOU باعث می شود مشترکین مصرف خود را با قیمت انرژی الکتریکی تطبیق داده و بار خود را از ساعات گرانقیمت به ساعات دیگر منتقل کنند؛ در نتیجه با اجرای این برنامه، پیک بار سیستم کاهش یافته و بسیاری از شاخص های قابلیت اطمینان شبکه بهبود مییابد .[6]
برنامه پاسخگویی بار، قیمتگذاری زمان استفاده در این مقاله در نظر گرفته شده است. با توجه به الاستیسیته بین ساعتی و ضرایب جریمه و تشویق مربوط به کاهش استفاده در ساعات پیک و افزایش استفاده در ساعات پایه پروفیل بار تغییر مییابد. قید دوم نیز به منظور ثابت بودن کل استفاده مشترکین میباشد. به این معنی که تنها جابجایی بار قابل قبول است و بارزدایی مورد نظر این برنامه پاسخگویی بار نمیباشد.
ضریب جریمه می باشد.این ضریب در ساعات غیرپیک صفر در ساعات پیک مثبت و در ساعات پایه منفی است. نشان دهنده میزان الاستیسیته میباشد. LCjtω و L*Cjtω نشان دهنده میزان با قبل و بعد از بارزدایی میباشد. اطلاعات مربوط به الاستیسیته و روابط مربوط به آن از مرجع [7] گرقته شده است.
3. تابع هدف
در این مقاله مسئله اجرای بهینه همزمان برنامه پاسخگویی بار و مشارکت واحدها با در نظر گرفتن نیروگاه بادی و محدودیتهای امنیت شبکه انجام شده است.
که در آن ECt هزینه مورد انتظار سیستم در دوره t و Ci t S U هزینه راهاندازی واحد i در پریود t برحسب دلار، λGit m هزینه حدی mام بلوک انرژی پیشنهاد شده توسط واحد i در پریود ($/MWH) t، : pGit m توان خروجی برنامهریزی شده از mام بلوک انرژی پیشنهاد شده توسط واحد i در پریود سود مصرف کننده j در پریود توان مصرفی برنامهریزی شده بار j در پریود و به ترتیب هزینه های پیشنهادی رزروهای چرخان پایین، بالارونده و غیرچرخان واحد i در دوره t است. همچنین و و به ترتیب هزینههای پیشنهادی ذخایر چرخان بالا و پایینرونده و ذخیره غیررچرخان ارائه شده توسط بار j در دوره ی t است : نشان دهنده به وقوع پیوستن این متغییرهای تصادفی در سناریوی ω، احتمال سناریو (ω) قدرت باد، : هزینه به سبب تغییر در برنامهریزی راه اندازی واحد i در پریود t و سناریوی ω بر حسب دلار، : dt مدت زمان پریود (h) t، : rGitω m رزرو بکارگرفته شده از mام بلوک انرژی پیشنهاد شده توسط واحد i در پریود t و سناریوی (MW) ω، :VjtLOL مقدار بارزدایی برای مصرفکننده j در پریود ($/MWH) t، Ljtωshed بارزدایی تحمیل شده به مصرفکننده j در پریود t و سناریوی (MW) ω، : r Djtω گسترش رزرو پایین رونده بهوسیله بار j در پریود t و سناریوی ω (MW)، :Vt S هزینه توان بادی از دست رفته در پریود ( $/MWH) t، Stω توان تولیدی باد از دست رفته در پریود t و سناریوی (MW) ω، هستند. تابع هدف بالا از چند بخش تشکیل شده:
هزینه راهاندازی ارائه واحدهای تولیدی
هزینه ارائه قراردادهای ذخایر چرخان بالا/پایینرونده و ذخایر غیر چرخان از واحدهای تولیدی هزینه ارائه قراردادهای ذخایر چرخان بالا/پایینرونده از بارها
هزینههای ناشی شده از تنظیم برنامهریزی خاموش و راهندازی واحدهای تولیدی که قبلاً توسط تسویه بازار مشخص شده
هزینه ارائه انرژی واحدهای تولیدی منهای تقاضای کاربرها
هزینه ی بارزدایی و باد از دست رفته
در این جا فرض بر آن است که نیروگاه های بادی در رقابت بازار شرکت نمیکنند . بنابراین، تولید باد بعنوان یک بار منفی یا باد از دست رفته در نظر گرفته میشود که در این حالت، مد نیروگاه بادی بصورت است.
قیود برنامهریزی واحدها
عملکرد بازار بهطور خاص به تعادل بین پیشنهادات تولید و مصرف بستگی دارد. این تعادل باید در هر دوره زمانی برقرار باشد و ازنظر ریاضی بهصورت زیر است:
متغییر میتواند بعنوان مقدار توان باد برنامهریزی شده در بازار برق برای دوره t متغیر و محدودیت منطقی توسط محدودیت تولید باد تعریف شود، یعنی:
که معمولا مقدار کم در نظر در نظر گرفته میشوند و به ترتیب مساوی حداکثر و حداقل ظرفیت نصب شده توان باد میباشند .
قیود بهره برداری
مدلسازی بهرهبرداری زمان واقعی از سیستم قدرت باید شامل قدرت واقعی تزریقی به شبکه بواسطه منابع بادی می باشد. معادله زیر چگونگی تعادل قدرت در گره که در آن تولید توان بادی تزریق می شود، را نشان میدهد:
متغیر پیوسته نشان دهنده توان تولیدی باد قطع شده در پریود t سناریوی ω میباشد. مقدار توان باد قطع شده باید بزرگتر یا مساوی صفر و کوچکتر یا مساوی تولید توان بادی واقعی باشد، یعنی:
سایر قیودی که در این مساله لحاظ شده عبارتند از :[3]
- مینیمم و ماکزیمم توان تولیدی واحد
- حداقل زمان روشن وخاموش بودن هر واحد
- محدودیت مربوط به برنامهریزی رزرو
- محدودیت فلوی عبوری از خطوط
- بارزدائی و حد باد قطع شده
- قیود مربوط به متغییرهای باینری
- تجزیه بلوکهای انرژی
- تعادل توان در گرهای که توان بادی به آن تزریق میشود.
پیشبینی باد
عوامل مختلفی در خروجی توان توربین بادی اثر دارد که از بین آنها سرعت باد، مهمترین عامل تعیینکننده میباشدعموماً. خروجی توان این واحدها با توان سوم سرعت باد رشد میکند و پیشبینی توان این واحدها بر اساس پیشبینی سرعت باد صورت میگیرد؛ بنابراین خطا در پیشبینی سرعت باد، منجر به خطای بزرگتری در پیشبینی توان خروجی واحدهای بادی میشود؛ بنابراین توان خروجی توربین های بادی ماهیتی تصادفی دارند و میتوان با یک توزیع آماری نظیر توزیع ویبال، توزیع نرمال و ...آن را مدل کرد.
توان خروجی یک توربین وقتی باد با سرعت V متر بر ثانیه و چگالی فلوی کیلوگرم بر مترمکعب به سطح مقطعAبرخورد میکند، برابر خواهد بود با :[8]
رابطه زیر نشاندهنده رابطه غیرخطی بین سرعت باد و توان خروجی یک توربین بادی میباشد .[9]
