Οικονομικά οφέλη Μικροδικτύου με αυξημένη διείσδυση μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής - Στοχαστική προσέγγιση

Abstract

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη ενός δικτύου χαμηλής τάσης 17 ζυγών. Πιο συγκεκριμένα, αυτό το δίκτυο περιλαμβάνει μια πληθώρα μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, όπως μια μικροτουρμπίνα, μια κυψέλη καυσίμου, μια ανεμογεννήτρια, δύο σειρές φωτοβολταϊκών και δύο ενεργειακούς διανομείς με μια μονάδα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού-θερμότητας και ένα boiler ο καθένας. Αρχικά το δίκτυο μελετήθηκε ως προς τέσσερα διαφορετικά σενάρια λειτουργίας (χωρίς διεσπαρμένη παραγωγή, ανεξάρτητη λειτουργία μονάδων DG χωρίς CHPs, ανεξάρτητη λειτουργία μονάδων DG με CHPs και μικροδίκτυο). Σε κάθε προσομοίωση παρατηρούσαμε κάποια σημαντικά χαρακτηριστικά του δικτύου, όπως το κόστος, την έγχυση ισχύος από το ανάντη δίκτυο, την παραγωγή της μικροτουρμπίνας, της κυψέλης καυσίμου, του CHP και του boiler, τις απώλειες, τα προβλήματα στις τάσεις και τις υπερφορτίσεις των γραμμών. Έγιναν πολλές προσομοιώσεις με δύο διαφορετικές οριακές τιμές συστήματος, μια υψηλή (2008) και μια πιο χαμηλή (2009). Επίσης στις προσομοιώσεις άλλαζε και το επίπεδο διείσδυσης των ΑΠΕ (ανεμογεννήτριες, φωτοβολταϊκά) με σταθερό βήμα κάθε φορά. Όλες αυτές οι αρχικές προσομοιώσεις έγιναν με την ευρέως διαδεδομένη μέθοδο Lagrange, μέσω της συνάρτησης fmincon της Matlab. Στη συνέχεια, μόνο για λειτουργία του δικτύου ως μικροδίκτυο, που είναι και το πιο ενδιαφέρον σενάριο, έγινε βελτιστοποίηση του ετήσιου κόστους λειτουργίας του με χρήση μετευριστικής μεθόδου αυτή τη φορά, και πιο συγκεκριμένα του αρμονικού αλγορίθμου αναζήτησης. Έγιναν διάφορες δοκιμές προκειμένου να ευρεθούν οι καταλληλότερες τιμές των παραμέτρων της μεθόδου, η αποτελεσματικότητα της οποίας συγκρίνεται με τη μέθοδο Lagrange και τις τιμές κόστους που πήραμε κατά τις πρώτες προσομοιώσεις. Όλα όμως τα αποτελέσματα προέκυπταν με την προσομοίωση ενός ντετερμινιστικού μοντέλου, το οποίο δεν ανταποκρίνεται σε πραγματικές εφαρμογές, καθώς τόσο η ζήτηση φορτίου όσο και η παραγωγή των ΑΠΕ θεωρούνται τυχαίες μεταβλητές. Έτσι ακολούθησε και η οικονομική βελτιστοποίηση του μικροδικτύου με χρήση ενός στοχαστικού μοντέλου. Ακόμα, μελετήθηκε στοχαστικά και το CHP των δύο ενεργειακών διανομέων του υπό μελέτη δικτύου και με χρήση της μεθόδου Gram-Charlier βρέθηκε η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (PDF) της ηλεκτρικής ισχύος που παράγει το CHP κάθε εποχή του έτους. Τέλος, υπεισήλθαν και τα ηλεκτρικά οχήματα στο μικροδίκτυο, τα οποία μελετήθηκαν μόνο ως αποθηκευτικές διατάξεις (μπαταρίες), δηλαδή σα μια επιπλέον ζήτηση φορτίου. Έγινε εκτενής μελέτη της επίδρασής τους στο κόστος λειτουργίας του μικροδικτύου, στην καμπύλη ζήτησης φορτίου και στην διείσδυση των ΑΠΕ.

The purpose of this diploma thesis is to study a 17-bus low-voltage power grid. More specifically, this power grid includes a variety of distributed generation units, such as a micro-turbine, a fuel cell, a wind turbine, photovoltaics and two energy distributors each one consisting of a unit of CHP and a boiler.

Initially, four different operation scenarios were studied (without DG units, independent operation of the DG units without the presence of the CHPs, independent operation of the DG units with the presence of the CHPs and Microgrid). In each simulation, observations were made on some important features of the grid, such as its operational cost, the power injection from the upstream grid, the micro-turbine’s production, the fuel cell’s production, CHPs’ and boilers’ production, losses, problems on voltages and lines’ overcharges. Numerous simulations were completed with two different system marginal prices , a relatively high (that of the year 2008) and a relatively low (that of the year 2009). Also, another feature changing in simulations was the penetration level of renewable energy resources (wind turbines, photovoltaics) with a determined step each time. All these first simulations were carried out with the well-known method of Lagrange, using the function fmincon of Matlab. Moreover, only for the Microgrid scenario (which is the most interesting scenario to study), we carried out the optimization of the annual operating cost, using a met-heuristic method this time called Harmony Search algorithm (HS). There were several tests to determine the appropriate parameters of the method, the effectiveness of which is compared with the Lagrange method, and the cost values that were determined in those first simulations mentioned above. However, all the results were produced with the use of a deterministic simulation model, which does not correspond to real applications, due to the fact that both the load demand and the production of renewable energy resources are random variables. As a result, an economic optimization of the Microgrid using a stochastic model followed. Also, a stochastic study of the CHPs of the two energy distributors (HUBs) was completed, and by using the Gram-Charlier method we found the probability density function (PDF) of the electrical power produced by the CHPs in every season of the year. Finally, electrical vehicles (plug-in EVs) were introduced in the Microgrid and they were studied only as storage devices (whenever the grid could charge them through a selection algorithm) during the night hours. An extensive study of their effects on the cost of the Microgrid was conducted, along with their effects on the load demand curve and the penetration of the renewable resources as well.