در فصل چهارم، با مدل کردن عدم قطعیت بار پیش ­بینی شده در سیستم قدرت، به معرفی ساختاری جدید جهت اضافه کردن این عدم قطعیت به ساختار تکمیل شده در فصل سوم پرداخته می­ شود. در این فصل مشارکت واحدها با در نظر گرفتن قیود امنیتی (خروج واحد و خروج خط) و همچنین لحاظ کردن عدم قطعیت تولید مزرعه بادی و عدم قطعیت بار پیش بینی شده در کوتاه مدت بدست می ­آید. عدم قطعیت بار نیز به صورت سناریویی مدل شده با این تفاوت که در این بهینه سازی به جای استفاده از روش ترکیب با اعداد صحیح و حقیقی از روش برنامه­ ریزی خطی استفاده می­ شود و متغیرهای عدد صحیح (وضعیت روشن و خاموش بودن واحدها) که از مرحله قبل بدست آمده ثابت در نظر گرفته می­ شود.
لازم به ذکر است در هر فصل، بخش مروری بر منابع که شامل تحقیقات انجام شده متناسب با آن فصل می­باشد، آورده می­ شود. همچنین ساختارهای معرفی شده در هر فصل برای شبکه تست قابلیت اطمینان IEEE-RTS شبیه­سازی می­ شود و نتایج بهینه­سازی در قالب جداولی ارائه و نتایج مورد تحلیل قرار می­گیرد.
پایان نامه - مقاله - پروژه
در فصل پنجم، نتایج حاصل از انجام پایان نامه معرفی شده و همچنین، پیشنهاداتی برای تکمیل و توسعه این تحقیق ارائه شده است.
در این پایان نامه با بهره گرفتن از نرم­افزار GAMS 23.6 کلیه شبیه­سازی­ها انجام شده است و کامپیوتری که مورد استفاده قرار گرفته یک دستگاه لپ­تاپ مدل Dell Vostro1520 با ۴ گیگابایت RAM و پردازشگر[۱۴] Core2duo است.
فصل۲
برنامه مشارکت واحدها و بازار همزمان انرژی و رزرو با در نظر گرفتن محدودیت‏های امنیتی

۲-۱ مقدمه

الگوی بار برای بسیاری از شرکت­های برق در ساختار پیشین این صنعت نوسان بزرگی را بین ساعت­های اوج مصرف و ساعت­های دیگر نشان می­داد. اگر برای برآوردن نیاز برق در اوج مصرف در سرتاسر شبانه روز، واحدهای تولیدی کافی در مدار نگه داشته می­شدند، ممکن بود که در ساعات غیر از اوج مصرف، برخی از واحدها نزدیک حدِ پایین تولید خود کار کنند. مسئله­ای که بهره­بردار سیستم با آن روبه رو می­شد این بود که کدام واحدها را برای چه مدت زمانی باید از مدار خارج کند. در بیشتر سیستم­های قدرت به هم پیوسته، بخش عمده­ی برق مصرفی به وسیله نیروگاه­های حرارتی تولید می­شد. برای برآوردن نیاز مصرف، که ساعت به ساعت در حال تغییر است، چند استراتژی بهره ­برداری در دسترس بودند.
معمولاً ترجیح داده می­شد که از یک استراتژی بهره ­برداری بهینه (یا تقریباً بهینه) بر اساس معیارهای اقتصادی استفاده شود. به بیان دیگر، یک معیار مهم در بهره ­برداری از سیستم­های قدرت این بود که با بهره­ گیری ترکیبی بهینه از واحدهای گوناگون، تقاضای برق با کمترین هزینه مصرف سوخت ممکن برآورده شود. به علاوه برنامه­ ریزی مشارکت واحدهای نیروگاهی به عنوان یکی از ابزارهای در دسترس بود برای اینکه برای مشتریان، برق با کیفیت بالا و به شیوه­ای ایمن و اقتصادی فراهم شود؛ پس دریافته می­ شود که مشارکت واحدهای بهینه سیستم­های حرارتی سبب صرفه­جویی بزرگی برای شرکت­های برق می­شد. در حقیقت مشارکت واحدها در ساختار گذشته صنعت برق مسئله تعیین برنامه­ی کار واحدهای تولید برق یک سیستم قدرت با توجه به محدودیت­های تجهیزات و محدودیت­های بهره ­برداری بود.
با تجدید ساختار صنعت برق و ایجاد رقابت در آن تعریف و کاربرد مسئله­ مشارکت واحدها هم دچار دگرگونی شد. در ساختار جدید، مسئله­ مشارکت واحدها برای شرکت­های تولیدی و اپراتور مستقل سیستم دارای دو تعریف متفاوت است.
تامین امنیت شبکه معمولاً از طریق ایجاد ظرفیت های رزرو چرخشی که به راحتی قابل دسترسی از طریق بارهای محلی باشند حاصل می­گردد. مینیمم کردن هزینه از طریق مشارکت واحدهای کم هزینه ضمن رعایت محدودیت­های مربوطه و همچنین مشارکت اقتصادی آن­ها امکان پذیر است. در این نوع از مشارکت واحدها سه ویژگی تامین بار، حداکثرسازی امنیت و حداقل سازی هزینه از اهمیت ویژه­ای برخوردار است [۲].
در ساختار جدید صنعت برق، بهره­بردار سیستم معمولاً نهادی مستقل است که دیگر مالکیت نیروگاه­ها را ندارد و از هزینه­ های نیروگاه­ها آگاه نیست. در این ساختار، اپراتور مستقل سیستم با داشتن بار پیش ­بینی شده سیستم و پیشنهادها و محدودیت­های فنی ارائه شده از سوی شرکت­های تولیدی (GenCo)، برنامه­ی تولید نیروگاه­ها را به گونه ­ای تعیین می­ کند که مبلغ پرداختی به شرکت­های تولیدی کمینه شده یا در حالت کلی­تر که پیشنهاد دهی خریداران هم وجود دارد رفاه اجتماعی بیشینه شود. از آنجا که در الگوریتم مشارکت واحدها که این برنامه را مشخص می­ کند، محدودیت­های امنیت سیستم هم در نظر گرفته می­ شود، به این مشارکت واحدها، مشارکت واحدها با در نظرگرفتن قیود امنیتی (SCUC) گفته می­ شود. محدودیت­های امنیت سیستم مواردی از قبیل توان عبوری از خطوط، محدودیت ولتاژ شین­ها و … هستند.
در ساختار جدید صنعت برق، مسئله­ مشارکت واحدها که شرکت­های تولیدی­ها برای خود حل می­ کنند بهینه­سازی منابع تولید در جهت بیشینه کردن سود شرکت­های تولیدی می­باشد. برای نشان دادن اهمیت نقش سیگنال قیمت در این مشارکت واحدها، مشارکت واحدها بر اساس قیمت[۱۵] نهاده شد. در مشارکت واحدها بر اساس قیمت دیگر الزامی بر شرکت­های تولیدی برای برآوردن بار نبوده و هدف، بیشینه کردن سود است. در این طرح سیگنالی که بر وضعیت روشن یا خاموش بودن واحدها اثر دارد، قیمت است. این قیمت می ­تواند قیمت خرید سوخت، فروش انرژی، فروش خدمات جانبی و … باشد.
در مقایسه مشارکت واحدها بر اساس قیمت با مشارکت واحدها بر اساس کمینه کردن هزینه، ویژگی متمایز مشارکت واحدها بر اساس قیمت این است که همه اطلاعات بازار در قیمت بازار نهفته است. اگر چه در مشارکت واحدها بر اساس قیمت برآوردن بار سیستم یک محدودیت نیست اما پیش بینی بار سیستم برای پیش ­بینی قیمت الکتریسیته لازم است. به شیوه­ مشابه، در مشارکت واحدها بر اساس قیمت امنیت سیستم در نظر گرفته نمی­ شود. اما معیارهای اپراتور مستقل سیستم برای حفظ امنیت سیستم بر قیمت بازار اثر خواهد گذاشت.
در مقایسه مشارکت واحدها با قیود امنیتی و مشارکت واحدها بر اساس قیمت، این تصور که ماکزیمم کردن سود همان مینیمم کردن هزینه است غلط می­باشد، زیرا سود طبق تعریف درآمد منهای هزینه است و این معنی سود علاوه بر هزینه به عایدی و درآمد نیز بستگی دارد. اگر درآمد افزایشی بیشتر از هزینه­ افزایشی باشد، برای سود بیشتر باید تولید انرژی را افزایش داد و در مقابل اگر درآمد افزایش کمتر از هزینه­ افزایشی باشد، فروش انرژی به صرفه به نظر نمی­رسد. اگر هدف به حداقل رساندن هزینه باشد، یک شرکت تولیدی ممکن است تولید را انتخاب نکند زیرا هیچ پاداشی برای تامین بار در هزینه­ صفر دریافت نمی­کند [۱۴] و [۷].

۲-۲ مروری بر منابع

بهره­برداران مختلف سراسر دنیا روش های مختلفی را برای بدست آوردن برنامه امنیتی بکارگیری واحدها بکار می برند [۷]. انواع قیود مثل قیود مربوط به شبکه، وضعیت واحدها، قراردادهای دو طرفه و … باید در این مسئله درنظر گرفته شوند [۱۵]. [۱۶]، [۱۷]، [۱۸]،[۱۹]، [۲۰]،[۲۱]،[۲۲]، [۲۳]، [۲۴]، [۲۵]،[۲۶]،
برای هر روش که بهره­بردار مستقل شبکه[۱۶] برای حل مسئله امنیتی بکارگیری واحدها و یا مسئله پخش بار اقتصادی امنیتی درنظر می­گیرد و برای هر نوع تابع هدفی که لحاظ نماید تعداد زیاد متغیرها و قیود در سیستم­های گسترده به طولانی شدن زمان حل برنامه منجر می­گردد. بعلاوه در این گونه سیستم­ها مسئله امنیتی بکارگیری واحدها یک مسئله بهینه­سازی با ابعاد گسترده، شامل ترکیبی از متغیرهای صحیح و حقیقی[۱۷]، غیرمحدب[۱۸] و غیرخطی[۱۹] می­باشد. بنابراین روش­های سریع و غیردقیق متداول عموماً ما را به پاسخ­های بهینه محلی[۲۰] می­رسانند و یا قادر به حل مسئله نیستند. [۲۷]، [۲۸]، [۲۹]
در مراجع [۱۶]-[۲۹] با بهره گرفتن از روش­های هوشمند مختلف مانند ازدحام ذرات، ژنتیک، مورچگان، سرد شدن فلزات و یا روش­های ترکیبی به بهینه­سازی مشارکت واحدها پرداخته شده است. روش­های هوشمند به لحاظ همگرایی عددی و همچنین سرعت حل بهینه­سازی مورد قبول نمی ­باشد [۴].
مرجع [۳۰] روش آزادسازی لاگرانژ[۲۱] و MIP را برای حل مسئله بکارگیری واحدها مقایسه می­نماید. هرچند که مسئله درنظر گرفته شده یک مسئله بکارکیری واحدها بر مبنای قیمت برای تولیدکنندگان است اما تابع هدف و قیود مسئله بکارگیری واحدها به خوبی مدل شده ­اند و می­توان به راحتی توسط ابزارهای بهینه­سازی استاندارد مسئله را حل کرد. قیود محدودیت توانایی بالابردن و پایین آوردن توان خروجی واحد[۲۲]، کمترین و بیشترین زمان روشن و خاموش بودن واحدها، قیود سوخت، قیود آلودگی و سایر قیود بطور کامل مدل شده ­اند که می­توان از آنها برای حل مسئله امنیتی بکارگیری واحدها نیز استفاده نمود. در مورد قیود شبکه می­توان به سایر کارهای انجام شده در این زمینه مراجعه کرد. برای مثال مرجع [۱۵]، به خوبی قیود شبکه را مدل می­ کند. در مرجع ذکر شده روش حل به این صورت است که مسئله به دو بخش بکارگیری واحدها به عنوان مسئله اصلی و بررسی کردن تأمین امنیت شبکه در زیرمسئله­ها، تجزیه می­ شود. اگر جواب بدست آمده در مسئله اصلی[۲۳] منجر به این شود که برخی قیود در زیرمسئله ها ارضا نشوند این قیود در تکرار بعدی به مسئله اصلی اضافه می­شوند. روشLR[24] برای حل مسئله تعیین میزان تولید تک­تک واحدها در طول بازه زمانی موردنظر اعمال شده است همینطور این مرجع از روش برنامه­ ریزی پویا[۲۵] برای یافتن وضعیت روشن و خاموش بودن هر واحد استفاده می‏کند.
در مرجع [۳۱] تاثیر استفاده از توابع تکه­ای خطی برای توابع هزینه سوخت واحدهای حرارتی در نتایج آنالیزها و کاربردها و خطاهای ناشی از این تقریب ارائه شده است، همچنین تاثیر تعداد تکه­ای خطی کردن توابع بر نتایج مشارکت واحدها را بررسی می­ کند؛ مشخص است که هر چه تعداد تکه­ها بیشتر باشد نتایج دقیق­تری بدست می ­آید.
مرجع [۳۲] یک چارچوب برای بدست آوردن برنامه امنیتی بازار در بازه ساعتی[۲۶] ارائه می­ کند. در این مرجع نویسندگان فرض را براین قرار دادند که بعضی از اتفاقات پیش بینی شده اکنون رخ داده­اند و حالا بهره-بردار باید برای تامین سطح امنیت مناسب، رزروهای جدید درنظر بگیرد. مرجع [۳۳] بازار مشابه را درنظر می­گیرد و بطور مشخص سعی دارد با درنظر گرفتن بارهای قابل قطع، سطح قابل قبول امنیت را تأمین نماید. درواقع این مورد، یک مسئله پخش بار اقتصادی امنیتی می­باشد که به خاطر محدود بودن بازه زمانی حل مسئله، افزایش سرعت در آن بسیار حائز اهمیت می‏باشد.
در مرجع [۸] نویسندگان یک الگوریتم عملی برای اجرای سریع برنامه امنیتی بکارگیری واحدها[۲۷] ارائه کردند که هدف آن حل مشکلات مختلف محاسباتی در سیستم­های گسترده می­باشد. در آنجا ایده اصلی کاهش تعداد متغیرهای عدد صحیح بوده است بدین صورت که در ابتدا وضعیت روشن و خاموش بودن واحدها بصورت ثابت درنظر گرفته می­ شود و اگر جواب حاصل نشد این وضعیت ثابت به وضعیت قابل بکارگیری[۲۸] تغییر می­ کند. در این کار نویسندگان روشی برای کنترل کارآمد فرایند حل مسئله ارائه می­ کنند. بعلاوه درانتهای الگوریتم، با بکارگیری روشMIP می­توان نتایج را بهبود بخشید. در این صورت جواب بدست آمده از الگوریتم در مرحله اول بعنوان مقادیر اولیه در مرحله­دوم مورد استفاده قرار می­گیرند. برنامه حل سریع مسئله امنیتی بکارگیری واحدها ارائه شده دارای مشکل عدم دقت می­باشد. برنامه­ای که در مرجع [۸] پیشنهاد می­ شود به مقادیر اولیه مناسب نیاز دارد که با بهره گرفتن از مقادیر اولیه مناسب، می­توان سریع­تر به جواب دست یافت. در مرجع [۳۴] یک مدل تصادفی برای برنامه ریزی مشارکت واحدها و پاسخ­گویی بار ارائه شده که علاوه بر برنامه­ ریزی انرژی، میزان رزروهای مختلف در مدت زمان مورد بررسی را بدست می ­آورد. در مرجع [۳۵] یک مسئله بهینه­سازی مشارکت واحدها و پخش بار اقتصادی با قیود امنیتی از طریق تجزیه[۲۹] به دو زیر مسئله، یکی با متغیرهای پیوسته و دیگری با متغیرهای صحیح ارائه شده است و نشان داده شده که سرعت حل بهتر از روش قدیمی آزادسازی لاگرانژین شده است. در مراجع [۳۶] و [۳۷] مد­ل­هایی تصادفی برای حل بهینه مشارکت واحدها با در نظر گرفتن قیود امنیتی ارائه شده است. [۳۸]
در این فصل مشکلات مربوط به انجام بهینه­سازی برای حل مسائل SCUC و SCOPF در سیستم­های قدرت گسترده مورد بررسی قرار می­گیرد. همانطور که گفته شد مشکل اصلی در این مسئله زیاد بودن تعداد متغیرهای بهینه­سازی و قیود مسئله است. تعداد این متغیرها و قیود با افزایش تعداد باس­های شبکه شدیداً افزایش می‏یابد.
افزایش تعداد حوادث وخیم محتمل که باید درنظر گرفته شوند نیز منجر به افزایش تعداد متغیرها و قیود مسئله می‏شود. هرچه شبکه به نقاط مرزی خود نزدیکتر باشد تعداد حوادث وخیمی که باید درنظر گرفته شوند افزایش می‏یابد. پس مطالب این فصل برای بکارگیری در سیستم­های قدرت گسترده که در نزدیکی نقاط مرزی پایداری خود بهره ­برداری می‏شوند مناسب است.
ایده اصلی در مرحله اول حذف متغیرها و قیود غیرضروری می­باشد. در قدم بعدی قیود بصورتی دیده می­شوند که با درنظر گرفتن تعداد کمتری از آنها می­توان جواب بهینه را یافت، همینطور با تعریف برخی متغیرهای مفید، فرمولاسیون مقیدتری حاصل می­ شود. با بهره گرفتن از این روش مخصوصاً در مورد سیستم­های گسترده با تعداد زیادی از حوادث مخرب محتمل، تعداد زیادی متغیرها و قیود غیرضروری را می­توان حذف نمود. الگوریتمی که در اینجا معرفی می­ شود بصورت همزمان هر دو اقدام پیشگیرانه و اصلاحی را در یک بازار پیوسته انرژی و رزرو درنظر می­گیرد. رزروهای بالارونده و پائین­رونده در دو سمت تولید و مصرف درنظر گرفته شده ­اند. در الگوریتمی که در ادامه شرح داده می­ شود از پخش بار DC برای مدل کردن شبکه استفاده شده است، روش LR و یا MIP به عنوان زیربنای اصلی برنامه بهینه­سازی می ­تواند مورد استفاده قرار گیرد که در این تحقیق از تکنیک برنامه­ ریزی خطی ترکیبی اعداد صحیح و حقیقی MILP استفاده می­ شود.
ادامه این فصل شامل مطالب ذیل است: در ابتدا فرمولاسیون متداول مربوط به مسئله SCUC مورد بررسی قرار می­گیرد. سپس در مورد الگوریتم استفاده شده دیدکلی در اختیار خواننده قرار می­دهد و قیود مسئله به نحو مناسبی مدل خواهد شد. در پایان بخش، مطالب عنوان شده بر روی دو شبکه­ استاندارد IEEE RTS اعمال شده ­اند.

۲-۳ فرمولاسیون متداول مسئله مشارکت واحدها

 

۲-۳-۱ معرفی شمای کلی الگوریتم

در این قسمت مسئله مشارکت واحدها با درنظر گرفتن قیود شبکه سیستم­های قدرت در یک چارچوب تکراری حل می­ شود. در هر تکرار، یک مسئله مشارکت واحدها بدون قید شبکه است. قید مربوط به عملکرد شبکه در حالت عادی و بعد از وقوع هر یک از حوادث محتمل، مثل قید مربوط به بیشینه ظرفیت انتقال خطوط در حالت عملکرد عادی شبکه و عملکرد شبکه بعد از وقوع هر یک از حوادث محتمل به ترتیب در دو زیرمسئله مورد بررسی قرار می­گیرند. در هریک از این زیرمسئله­ها در هر تکرار اگر شاهد فعال شدن یک قید نامساوی باشیم این قید بصورت یک قطع بندرز[۳۰] به مسئله اصلی اضافه می­ شود. در الگوریتم ارائه شده قیود اضافه شده در هر تکرار در تکرار بعدی نیز باقی می­مانند. این عمل منجر به افزایش سرعت حل مسئله می­ شود [۸]. بطور کلی مسئله SCUC به بخش­های مختلفی تجزیه می­ شود:
مسئله مشارکت واحدها به عنوان مسئله اصلی.
زیربرنامه بررسی شبکه در حالت عادی به عنوان زیرمسئله ۱٫
زیربرنامه بررسی شبکه بعد از وقوع حادثه­های مختلف به عنوان زیرمسئله ۲٫
دیاگرام شکل (۲-۱) شمای کلی الگوریتم متداول معرفی شده را نشان می­دهد.
مسئله اصلی: مسئله مشارکت واحدها
قیود تامین توان، محدودیت توان و توانایی تغییر توان خروجی، قیود متغیرهای باینری و عدد صحیح و قیود اضافه شده از زیربرنامه‏ها
زیرمسئله ۱: بررسی قیود شبکه در حالت عادی
زیرمسئله ۲: بررسی قیود شبکه بعد از وقوع حادثه‏های مختلف
شکل (۲-۱): شمای کلی الگوریتم متداول معرفی شده
برای حل این مسئله می‏توان از روش­های مختلفی نظیر روش LR یا MIP استفاده کرد. در این تحقیق از روش MIP استفاده می­ شود. درضمن برای افزایش سرعت حل بهینه­سازی، قیود و تابع هدف بصورت خطی در بهینه­سازی لحاظ می­شوند و در واقع از برنامه­ ریزی خطی[۳۱] استفاده می­ شود [۳۱]. پس بصورت کلی در برنامه امنیتی مشارکت واحدها ابتدا مسئله با روش تفکیک بندرز [۳۹-۴۰] به یک مسئله اصلی و زیرمسئله تجزیه می­ شود، سپس در حل مسئله از روش MIP استفاده می­گردد. در مرجع [۴۱] نیز از الگوریتم فوق استفاده شده است. در بخش‏های بعدی تابع هدف و قیود مسئله مدل شده ­اند. لازم به ذکر است که با توجه به تکرار شبیه­سازی­های مختلف مسئله SCUC با فرمولاسیون مورد استفاده در این تحقیق برای شبکه ­های تست قابلیت اطمینان (۲۴ باس و ۴۸ باس) IEEE RTS مشاهده شد که در صورت ادغام بخش­های ۱و۲ در شکل(۲-۱) می­توان به افزایش سرعت اجرای این مسئله کمک کرد که در این تحقیق نیز از این الگوریتم استفاده شده است. بدین صورت که در مسئله اصلی، مشارکت واحدها با در نظر گرفتن تمام قیود واحدها و شبکه و… در حالت عادی سیستم انجام شده و در یک زیر مسئله، قیودِ شبکه پس از وقوع حادثه­های مختلف بررسی می­گردد که در صورت تجاوز از محدوده­ مجاز جهت تصحیح مشارکت واحدها یک قید به مسئله اصلی اضافه می­ شود؛ این روند تا زمانی که هیچ تخطی­ از محدوده مجاز وجود نداشته باشد ادامه می­یابد.

۲-۳-۲ تابع هدف

هزینه کلی انرژی و رزرو سیستم در طول زمان موردنظر بهره­بردار به عنوان تابع هدف درنظر گرفته می­ شود و بهره­بردار به دنبال کم کردن این هزینه خواهد بود، این تابع هزینه در رابطه (۲-۱) نشان داده شده است. تابع قیمت پیشنهادی واحدها بصورت خطی درآمده و قیمت­های پیشنهاد شده ازسوی تأمین کننده­ های رزرو نیز در دسترس می­باشد. هزینه مربوط به روشن و خاموش کردن واحدها نیز درنظر گرفته شده است. در این تابع هدف تنها واحدهای حرارتی درنظر گرفته شده ­اند. برای دیدن نحوه مدلسازی هزینه تولید سایر انواع نیروگاه‏ها مانند نیروگاه سیکل ترکیبی، آبی و تلمبه ذخیره­ای می‏توان به مرجع [۳۰] مراجعه کرد.

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...