بررسی هماهنگ نیرو گاه بادی و تلمبه ای – ذخیره ای در بازار روز – پیش و خدمات جانبی
چکیده:در این مقاله ،الگوریتم پیشنهادی در برنامه ریزی تولید و مشارکت نیرو گاه های بادی و تلمبه ای – ذخیره ای به دو صورت مستقل و هماهنگ در بازارهای روز – پیش و خدمات جانبی ارائه می شود.همچنین ارزش ریسک عملکرد این دو نیرو گاه تحت عملکرد مستقل و هماهنگ محاسبه و مقایسه می گردد ماهیت غیر قطعی می توان تولیدی نیرو گاه های بادی و قیمت بازار ، این مسئله برنامه ریزی را به یک مسئله برنامه ریزی تصادفی تبدیل می کند . از طرف دیگر نیرو گاه های تلمبه ای -ذخیره ای ، دارای توانایی مدیریت نا متعادلی های مثبت و منفی انرژی در طول زمان می باشد. لذا با برنامه ریزی همزمان نیرو گاه تلمبه ای – ذخیره ای با نیرو گاه بادی ، سود این مجموعه در مقایسه با عملکرد جداگانه این نیرو گاه افزایش می یابد. عدم قطعیت قیمت بازار و میزان توان بادی با استفاده از درخت سناریو مدلسازی می شود.روش پیشنهاد شده بر روی نیرو گاه های بادی و تلمبه ای – ذخیره ای سیستم استاندارد 118 باس IEEE تست گردیده است.همچنین با بررسی ریسک عملکرد برنامه ریزی ، سطح اعتماد مجموعه مورد نظر ارزیابی قرار گرفته و مقدار VAR تعیین می گردد. بررسی نتایج سود ریسک در شرایط عملکرد هماهنگ و مستقل ،موید افزایش سود و ارزش ریسک عملکرد هماهنگ نیرو گاه بادی و تلمبه ای – ذخیره ای می باشد.
واژه های کلیدی: برنامه ریزی تصادفی ، بازار روز ، پیش خدمات جانبی ، مزرعه بادی ، نیرو گاه تلمبه ای – ذخیره ای ارزیابی ارزش ریسک.
مقدمه
در سال های اخیر ، تولید توان بادی در سراسر جهان افزایش چشمگیری داشته است. نیرو گاه های بادی از جمله منابعی هستند که امروزه به لحاظ مزایای فراوان ، مورد توجه بسیاری از کشور های جهان قرار گرفته اند . انرژی باد تابع شرایط آب و هواست و دارای رفتار کاملاً تصادفی است . بازه زمانی بین تسویه بازار و زمان حقیقی بیشتر از 36 ساعت است.(1) لذا هر گونه اختلافی بین تعهد ارائه شده در بازار و تولید واقعی ،منجر به جریمه بازیگر بازار می شود جرایم ناشی از عدم ارائه توان تعهد شده در بازار ، پر هزینه می باشد که این مسئله سود نیرو گاه های بادی را کاهش می دهد.
به منظور کاهش جرایم ناشی از عدم ارائه توان تعهد شده در بازار ، نیرو گاه های بادی از دیگر واحد های رایج به عنوان مکمل در کنار خود استفاده می نمایند. یکی از این واحد ها نیرو گاه های تلمبه ای -ذخیره ای است که توانایی بالایی در مدیریت نا متعادلی های مثبت و منفی انرژی نیرو گاه های بادی دارد. واحد های تلمبه ای ذخیره ای با انتقال برنامه ریزی شده آب بین دو مخزن بالایی و پائینی نامتعادلی های بهره برداری زمان حقیقی دیگر واحد هارا به خوبی پوشش می دهند.
از طرف دیگر به منظور اصلاح بهره برداری زمان واقعی از ذخیره چرخان و غیر چرخان استفاده می گردد(2) توان های ذخیره در بازار خدمات جانبی عرضه می شوند در این شرایط تعیین استراتژی مشارکت نیرو گاه ها و بالاخص واحد های تلمبه ای – ذخیره ای در بازار های انرژی و ذخیره از اهمیت بالایی برخوردار است .اگر برنامه ریزی مشارکت در بازار های انرژی و ذخیره به صورت همزمان انجام پذیرد سود شرکت کنندگان افزایش می یابد.(3)
در (4) با استفاده از برنامه ریزی تصادفی دو مرحله ای یک الگوریتم تسویه بازار کوتاه مدت با وجود تولید بادی در سیستم طراحی شده است در (5)مدلی جهت بهره برداری هماهنگ مزرعه بادی و واحد برق -آبی با هدف کاهش جریمه ها ارائه شده است. برنامه ریزی تصادفی مجموعه نیروگاه های تلمبه ای-ذخیره ای و بادی در بازار توان در (1)انجام شده است .هدف این مسئله تعیین استراتژی بهینه شرکت در بازار روز-پیش توان به منظور ماکزیمم سازی سود می باشد.در (7-6)برنامه ریزی هماهنگ مزارع بادی ، تلمبه ای ذخیره ای و واحد های حرارتی با استفاده از برنامه ریزی تصادفی چند مرحله ای ارائه با کمک از الگوریتم کاهش سناریو psoحل می شود . در (8) سطح بهینه ذخیره چرخان با وجود حجم بالای توان بادی با استفاده از شبیه سازی MANTE CARLO تعیین می شود.مراجع (10-9) سطح ذخیره مورد نیاز را با وجود نفوذ پر حجم توان بادی تخمین می زنند.نکته مهم در روش های بیان شده آن است که هیچ یک برنامه ریزی همزمان توان و ذخیره را برای مجموعه نیرو گاه های بادی و تلمبه ای -ذخیره ای با در نظر گرفتن عدم قطعیت های باد و قیمت انجام نداده اند.
در این مقاله روش جدیدی در بهره برداری هماهنگ مزارع بادی و واحد های تلمبه ای – ذخیره ای با برنامه ریزی تصادفی ارائه شده است.به این منظور،توان پیشنهادی مجموعه نیروگاه بادی و تلمبه ای-ذخیره ای در بازار های انرژی و خدمات جانبی به نحوی تعیین می گردد.که این مجموعه به حداکثر سود دست پیدا کند.همچنین با بررسی ریسک عملکرد برنامه ریزی سطح اعتماد مجموعه مورد ارزیابی قرار گرفته و مقدار VAR تعیین میگردد.با این منظور سه پارامتر تصادفی قیمت انرژی ،رزرو و تولید بادی با استفاده از درخت سناریو مدلسازی می شود نتایج شبیه سازی ارائه شده نشان می دهد که با این کار جریمه های ناشی از اختلاف سطح تعهدات ارائه شده در بازار و تولیدات واقعی کاهش می یابد.
ساختار باز توان
بازار توان
در یک بازار روز -پیش دینامیک قیمت های بازار اساساً دینامیک تقاضا را دنبال می کند.این پدیده دارای یک الگوی متناوب است که می تواند روزانه هفتگی و یا فصلی باشد با وجود این الگوی متناوب می توان قیمت های بازار را قبل از ورود به بازار پیش بینی کرد.
در بازار توان روز- پیش بازیگران در قرار داد های ساعتی جهت 24 ساعت روز بعد وارد معامله می شوند.تولید کنندگان و مصرف کنندگان توان با توجه به قیمت های پیش بینی شده بازار پیشنهادات توان خود را برای روز آینده ارائه می کنند بازار روز پیش _در ساعت 1200 روز قبل بسته می شود سپس اپراتور بازار به تصویه بازار می پردازد طی فرایند تسویه تعدادی از پیشنهادات پذیرفته و بقیه پیشنهادات رد می شود.
در این حالت نیرو گاه ها جهت دستیابی به سود بیشتر از PBUC استفاده می نماید هدف از PBUC دستیابی تولید کنندگان توان به حداکثر سود می باشد در این شرایط تابع هدف به صورت زیر تغییر می کند.
(1) Max PF = RV −TC
که PF،RV،TC به ترتیب میزان سود خالص در آمد نیروگاه و مجموع هزینه های برق شرکت های تولید کننده برق در طول زمان مورد بررسی می باشد.مقدار RV ناشی از فروش توان نیرو گاه ها به صورت زیر تعیین می گردد:
هر گونه اختلافی بین تعهد ارائه شده در بازار و تولید زمان واقعی منجر به جریمه بازیگر می شود در این صورت میزان دریافتی نیروگاه به صورت زیر تغییر می کند.
بازار رزرو
خدمات رزرو (ذخیره) برای مدیریت کردن کمبود های بزرگ و غیر قابل پیش بینی توان طراحی شده اند و در بازار خدمات جانبی معامله می شوند .این خدمت شامل دو نوع رزرو چرخان و رزرو غیر چرخان می باشد.رزرو چرخان مربوط به نبروگاه های سنکرون با شبکه می باشد.مقدار ذخیره چرخان برابر است با مقداری از توان که نیرو گاه می تواند در مدت 10 دقیقه به تولید خود اضافه کند .ذخیره غیر چرخان مربوط به نیرو گاهی است که می تواند در مدتی کمتر از یک ساعت در مدار قرار گرفته و تولید توان داشته باشند.
بازار خدمات جانبی همراه با بازار توان مقایسه می شود قابل ذکر است که قیمت خدمات جانبی تحت تاثیر قیمت انرژی است .در این شرایط نیروگاه ها فقط مقدار رزرو درخواستی را در اختیار بازار قرار داده و تمام ظرفیت تولید خود را به عنوان رزرو استفاده نمی کنند.به همین دلیل مصرف کننده نیز تنها برای مقدار رزرو مورد نیاز خود بهاء پرداخت می نماید در این شرایط نیرو گاه ها می توانند بخشی ذخیره چرخان خود را به جای بازار ذخیره چرخان در بازار ذخیره چرخان پیشنهاد بدهند زیرا در مدتی کمتر از ده دقیقه می توانند این مقدار را تولید کنند در شرایطی که عکس این مسئله امکان پذیر نیست در این حالت مقدار در امد مجموعه نیروگاه ها از رابطه زیر بدست می آید.
نحوه مشارکت نیروگاه های بادی در بازار
هر گونه اختلافی بین تعهد ارائه شده در بازار و تولید زمان واقعی منجر به جریمه بازیگر بازار می شود با وجود این که هزینه نهایی توان تولید دقیق قابل چشم پوشی است.ولی حجم انرژی تولیدی باد به صورت دقیق قابل پیش بینی نیست و در صورت پیش بینی هم قابل اطمینان نمی باشد،لذا جریمه های پرداختی در بازار برای واحد بادی بسیار پر هزینه است به علاوه با افزایش دوره پیش بینی خطای پیش بینی نیز افزایش می یابد در نتیجه با افزایش خطای پیش بینی 36 یا 38 ساعت آینده تولید کنندگان بادی ملزم به پرداخت هزینه های نامتعادلی بالایی می باشند.
هنگام معامله توان بادی در بازار کوتاه مدت بازیگران مسئول متعادل سازی باید تحت یکی از دو شرایط زیر با مالک توان بادی وارد بازی شود:
1-بایدفرض کرد که پیش بینی بادی قطعی است و آن را به بازار پیشنهاد کرد.
2-مقداری از توان بادی را به بازار پیشنهاد کرد که با توجه به سناریو های ممکن تولید بادی و جریمه بازار هزینه انتظار رفته ناشی از نا متعادلی در مینیمم مقدار قرار گیرد.
در این مقاله استراتژی (2) مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است سناریو های توان بادی بر اساس پیش بینی روز -پیش سرعت باد تولید شده است.
توان متغیر تولیدی نیرو گاه بادی تابع سرعت باد است که سرعت باد نیز تابع شرایط آب و هوایی است لذا با پیش بینی وضعیت آب و هوایی ، می توان توان تولیدی نیرو گاه بادی را پیش بینی کردپیش بینی آب و هوایی دارای عدم قطعیت است این خطا در پیش بینی توان مزارع بادی با افزایش دوره پیش بینی نیز افزایش می یابد. توان تولیدی نیرو گاه های بادی چالش های جدیدی در سیستم قدرت ایجاد می کند این چالش ها عبارتند از :
1- ممکن است تولید توان بادی در یک بازار زمانی در بازه وسیعی تغییر کند به عبارت دیگر ممکن است در ابتدای یک ساعت مشخص توان تولیدی در سطح بالایی قرار داشته باشد و در انتهای ساعت به شدت افت کند و یا بالعکس.
2- ممکن است همبستگی بین تولید توان بادی و بار منفی باشد این مسئله به ویژه موقعی پدید ار میشود که تولید توان بادی بیشتر از سطح بار سیستم باشد.
در دهه های اخیر تکنیک های بسیاری جهت پیش بینی دقیق انرژی باد معرفی شده است با این وجود لازم است هنگام برنامه ریزی تولید و ارائه پیشنهاد خطای پیش بینی را نیز مد نظر قرار داد.
ریسک شرکت در بازار
تابع هدف برنامه ریزی با وجود عدم قطعیت
در بازار برق رقابتی میزان سود و در آمد نیرو گاه ها متاثر از پارامتر های مختلفی می باشد در این شرایط دو عامل اصلی بر قیمت توان نیرو گاه ها تاثیر می گذارد
عامل اول : تقاضای سیستم شرایط آب و هوایی و قیود شبکه انتقال است .
عامل دوم : نیز تاثیر عوامل روانی و ذهنی می باشد این عوامل باعث ایجاد عدم قطعیت در پیش بینی قیمت بازار توان ذخیره و ذخیره غیر چرخان می شوند لذا سود نیرو گاه خود متاثر از سناریو های قیمت به وقوع پیوسته می باشد.در این شرایط واحد های تولیدی سعی می کنند در آمد (یا سود ) خود را به ازای سناریو های مختلف قیمت بازار حداکثر نمایند بنابراین تابع هدف مورد استفاده در برنامه ریزی تولید آن ها باید به گونه ای باشد که حاصل ضرب در آمد سناریو های قیمت در احتمال وقوع آن سناریو حداکثر گردد لذا خواهیم داشت:
مفهوم VARو استفاده از آن جهت ارزیابی
در یک بازار رقابتی ریسک نقش عمده ای در بارزیابی واحد های تولیدی ایفا می کند.اندازه گیری ریسک نیازمند شاخص های قوی است تا عوامل مهم را در بر گیرد یک معیار مهم در تحلیل ریسک var می باشد.
معیار var تخمینی از مقدار ارزش دارایی است که می تواند در اثر نوسانات بازار در یک بازه زمانی خاص با یک احتمال وقوع مفروض از دست برود این احتمال مغروض سطح اعتماد نامیده میشود.که میزان قطعیت var را بیان می کند.که معمولاً 95%مواقع انتخاب می شود این مقدار بذین معنی است که در 95%مواقع زیان های شرکت کنندگان کمتر از var است و در 5%مواقع زیان های بیش از var خواهد بود.به زبان ریاضی var متناظر با توزیع درصدی سود و زیان داراسس است که میتواند به صورت افت بالقوه در ارزش فعلی دارایی و یا به عنوان زیان نسبت به مقدار امید ریاضی در ان بازه زمانی تعبیر می شود این معیار بسیاری از عوامل را بصورت ترکیبی در نظر میگیرد و عدد واحد ی را به عنوان ارزیابی اثر ریسک ارائه میدهد در صورتی که یک عامل متغیر در عملکرد بازار وجود داشته باشد سطح اعتماد 95% از رابطه زیر تعیین می گردد.
که(x)f تابع توزیع احتمال متغیر x می باشد در این شرایط مقدار سود به ازای وقوع p=p0 تعیین کننده مقدار var می باشد.در حالت کلی در صورتی کهm عامل با عدم قطعیت در سیستم وجود داشته باشد سطح اعتماد 95% به ازای تمام نقاطی که در رابطه صدق کنند رخ خواهد داد.
حال در صورتی که مقادیر قیمت توان ذخیره چرخان و ذخیره غیر چرخان و توان تولیدی نیرو گاه بادی متغیر باشد مسئله فوق چهار بعدی می شود.
برنامه ریزی نیرو گاه در بازار
برنامه ریزی نیرو گاه بادی
در سالهای اخیر تولید توان بادی در سراسر جهان افزایش چشمگیری داشه است .نیرو گاه های بادی از جمله منابعی هستند که امروزه به لحاظ مزایای فراوان مورد توجه بسیاری از کشور های جهان قرار گرفته اند.
در ابتدا و با هدف حمایت از تولید این نیرو گاه ها نیرو گاه های بادی توان خود را بدون شرکت در بازار به صورت تضمینی به فروش می رسانند در این شرایط با توجه به پایین بودن میزان توان تولیدی این نیرو گاه ها تولید این واحد ها تاثیری بر عملکرد بازار برق نداشت با افزایش تعداد این نیرو گاه ها و نتیجتاً توان تولیدی آنها این نیرو گاه ها نیز ملزم به شرکت در بازار برق و ارائه پیشنهادات خود به بازار شدند این مسئله در بازار های اسپانیا تگزاس انگلستان و ولز اجرا شده است نتیجتاً در بازار رقابت کامل ایجاد گردید..
در این شرایط ماهیت نامعین نیرو گاه های بادی موجب افزایش هزینه عدم تعادل این واحد ها می گردید. به منظور کاهش این تاثیر به آنها اجازه داده بودند دو ساعت قبل از شروع زمان تولید پیشنهادات خود را اصلاح نمایند.
با افزایش حجم تولید این واحد ها ماهیت نامعین تولید نیرو گاه های بادی تاثیر منفی بر روی امنیت و ذخیره سیستم قدرت گذاشت.در این شرایط بهره بر داران تگزاس و اسپانیا برای کاهش نامعینی سیستم تصمیم گرفتند که شرایط حضور این واحد ها در بازار برق را مشابه با واحد های دیگر اعلام کردند.(11)در این شرایط لازم بود این واحد ها جهت کاهش جریمه عدم تعادل خود پیش بینی دقیقی از تولید خود داشته باشند (11). در این شرایط تابع هدف مسئله برنامه ریزی نیرو گاه بادی شامل در آمد حاصل از فروش توان در بازار توان با کسر جریمه های ناشی از عدم تولید توان تعهد شده در بازار است رابطه (9) این تابع هدف را نشان می دهد.
رابطه (10) محدوده ارائه پیشنهاد به بازار را نشان می دهد تولید پیشنهادی به بازار باید از حداکثر توان تولید نیرو گاه کوچکتر باشد.
از طرف دیگر قیمت بازار روز – پیش در نظر گرفته می شود. این پارامتر هم دارای عدم قطعیت است. پیشنهاد به بازار موثر است لذا دو پارامتر تصادفی توان تولیدی نیرو گاه بادی و قیمت بازار برنامه ریزی تولید واحد ها را به یک برنامه تصادفی تبدیل می کند یکی از راه های مدلسازی عدم قطعیت ها ، استفاده از درخت سناریو می باشد شکل (1) شماتیکی از درخت سناریو برای یک ساعت از دوره برنامه ریزی را نشان می دهد.
با افزایش تعداد شاخه ها درخت سناریو ، دقت برنامه ریزی افزایش می یابد. در ایت تحقیق احتمال وقوع هر یک از سناریو ها ثابت در نظر گرفته شده است.
برنامه ریزی نیرو گاه تلمبه ای -ذخیره ای (1،2)
واحد تلمبه ای- ذخیره ای با انتقال آب بین دو مخزن بالایی و پائینی به ذخیره سازی و آزاد سازی انرژی می پردازد یک واحد تلمبه ای -ذخیره ای در یک زمان تنها می تواند در یکی از سه مد پمپاژ و خاموش فعالیت کند مالک واحد تلمبه ای -ذخیره ای می تواند در بازار های چند گانه از جمله بازار توان و خدمات جانبی شرکت کند و با خرید و فروش انرژی سود خود را افزایش دهد به این منظور مالکان این نیرو گاه در بازار های روز- پیش و لحظه ای یا قرار داد های دو جانبه شر کت می کنند.
آنچه که بسیار پر اهمیت است برنامه ریزی حجم مخازن و نرخ تخلیه و پمپاژ آب با توجه به قیود مربوط به مخازن است به گونه ای که سود نیرو گاه حداکثر گردد.لذا تابع هدف مسئله بهینه سازی حداکثر شدن مجموع در آمد این نیرو گاه در بازار است.در آمد بازار در آمد حاصل از فروش انرژی در بازار انرژی و ذخیره چرخان و ذخیره غیر چرخان در بازار خدمات جانبی با کسر هزینه ها است.
این هزینه ها شامل هزینه های راه اندازی و احد های پمپاژ و ژنراتور و جریمه های ناشی از عدم تولید توان متعهد شده در بازار است رابطه (11)تابع هدف مورد نظر جهت شرکت در بازار های مختلف را نشان می دهد.
رابطه (12) تا (14) قیود مربوط به حجم آب مخزن بالایی واحد هاست.این روابط به ترتیب بیانگر حجم آب مخزن بالایی در ساعت اول و در ساعت انتهایی پریود برنامه ریزی t(یعنی در ساعت 24:00) می باشد. مقادیر حداکثر و حداقل نرخ پمپاژ و تخلیه اب از مخازن در روابط (15) و (16) نمایش داده شده است.رابطه(17) میزان توان برنامه ریزی شده واحد iم را تعریف می کند.
اگر واحد تلمبه ای- ذخیره ای در مد پمپاژ باشد توان برنامه ریزی شده منفی است این بدان معنی است که به مقدار مورد نظر توان از بازار خریداری می شود.اگر واحد تلمبه ای-ذخیره ای در مد ژنراتور باشد توان برنامه ریزی شده شامل حداقل توان تولید به علاوه تولید در محدوده مجاز می باشد.
از طرف دیگر توان تولیدی به علاوه ذخیره چرخان تولید شده توسط ژنراتور به همراه ذخیره غیر چرخان در حالت روشن بودن واحد باید کمتر از حداکثر مقدار تولیدی ژنراتور باشد این قید در رابطه (18 )ارائه شده است در رابطه (19) همین قید برای مد پمپاژ نیز بیان شده است. همچنین مجموع ذخیره چرخان در مد پمپاژ و ذخیره غیر چرخان در حالتی که واحد خاموش است باید کمتر از نرخ پمپاژ واحد باشد این قید در رابطه (20)بیان شده است .در رابطه (21)مقدار ذخیره چرخان در مد ژنراتوری تعریف شده است.در رابطه(22)ذخیره غیر چرخان مجموع ذخیره غیر چرخان در حالت خاموش و ذخیره غیر چرخان در حالت روشن واحد تعریف شده است.در رابطه (23)محدودیت مجاز برای ارائه پیشنهاد به بازار انرژی را تعریف می کند.
برنامه ریزی پیشنهادی هماهنگ بین نیرو گاه تلمبه ای ذخیره ای و مزرعه بادی
در یک بازار برق رقابتی ،شرکت کنندگان بزرگ ،تمایل به همکاری با واحد های تلمبه ای – ذخیره ای دارند . این همکاری به این صورت است که واحد های تلمبه ای – ذخیره ای در لحظات غیر پیک باز که قیمت انرژی پایین است مازاد تولید خود را ذخیره می کنند همچنین در لحظات پیک بار که قیمت انرژی بالا است انرژی ذخیرهشده را وارد بازار می کنند.بدیت ترتیب این واحد ها ،سود حاصل از فروش توان خود را افزایش می دهند.
مزارع بادی با توجه به عدم قطعیت در پیش بینی میزان تولیدشان نیاز شدیدی به حمایت سایر نیرو گاه های رایج از جمله واحد تلمبه ای -ذخیره ای دارند.شکل(2)شماتیکی از همکاری این دوواحد در کنار همدیگر را نشان می دهد.اگر صاحب مزرعه بادی در زمان حقیقی انرژی مازاد نسبت به توان برنامه ریزی شده داشته باشد. با انتقال آب به مخزن بالایی (مدپمپاژ واحد تلمبه ای -ذخیره ای)این انرژی مازاد را ذخیره می کند. بالعکس اگر در زمان حقیقی کمبود توان داشته باشد. با تخلیه آب از مخزن بالایی به مخزن پائینی و سرازیر شدن آب بر روی توربین به بازیابی انرژی ذخیره شده می پردازد و کمبود توان خود را جبران می کند.
به دلیل طبیعت تغییر پذیر انرژی باد و جریمه ناشی از عدم تولید پیشنهادات سود این نیرو گاه کاهش می یابد این کاهش سود در برابر هزینه تاسیس نیرو گاه قابل قبول نیست لذا با حمایت این نیرو گاه توسط واحد های تلمبه ای – ذخیره ای این جریمه ها به شدت کاهش یافته و سود حاصله افزایش می یابد برنامه ریزی واحد تلمبه ای-ذخیره ای با وجود سه پارامتر تصادفی صورت می گیرد. این سه پارامتر عبارتند از عدم قطعیت توان نیرو گاه بادی قیمت توان و رزرو در بازار.
در این برنامه ریزی پیشنهادی تنها یک پیشنهاد توسط مجموعه نیرو گاه های بادی تلمبه ای – ذخیره ای به بازار عرضه می شود. این پیشنهاد می تواند پیشنهاد خرید یا فروش انرژی باشد.لذا می توان گفت که هدف از حل این مسئله تعیین پیشنهاد تولید مجموعه نیرو گاهی می باشد.در این برنامه ریزی تمام قیود مربوط به واحد ها (که در برنامه ریزی انفرادی در نظر گرفته می شد) باید برآورده شود.
رابطه(24)تابع هدف پیشنهادی این برنامه ریزی را نشان می دهد.همچنین قید جدید این مسئله قید ارائه شده در رابطه (25)است این قید متناظر با مجموع حداقل و حداکثر تولید تک تک واحد ها می باشد.حداکثر مقدار پیشنهادی فروش توان معادل با مجموع حداکثر ظرفیت تولید نیرو گاه ها است حداقل مقدار توان پیشنهادی فروش نیز برابر با توان تولیدی در مزرعه بادی با کسر توان لازم برای پمپاژ آب به مخزن بالایی است . اگر این تفاضل منفی باشد،این همان پیشنهاد خرید است که به بازار عرضه شده است که برای پمپاژ آب به مخزن بالایی استفاده می شود.
نتایج شبیه سازی
سیستم مورد بررسی
در این مقاله سه واحد تلمبه ای -ذخیره ای در سیستم استاندارد 118 باس ieee با دو مزرعه بادی هماهنگ می شوند.این پنج واحد تنها یک پیشنهاد انرژی برای هر ساعت روز بعد به بازار روز پیش ارائه می دهند. این واحد ها در بازار خدمات جانبی نیز شرکت می کنند.و مقدار پیشنهادی ذخیره چرخان خود را در بازار خدمات جانبی ارائه می کنند. قابل ذکر است که بازار جانبی و خدمات جانبی به صورت همزمان تسویه می شود.
پیشنهادات ارائه شده به بازار با توجه به سناریو ها شامل پیش بینی تولید توان و پیش بینی قیمت انرژی و ذخیره هر ساعت بازار روز -پیش است. این پیشنهاد ها به گونه ای ارائه می شود که تابع هدف مسئله بهینه سازی ماکزیمم گردد.
داده های اولیه
جدول(1) اطلاعات مربوط به سه واحد تلمبه ای -ذخیره ای سیستم 118 باس IEEE را نشان می دهد. جدول (2) اطلاعات مربوط به مزارع بادی این سیستم را نشان می دهد همچنین در این جدول مینیمم و ماکزیمم مقدار توان تولیدی هر نیرو گاه مشخص شده است.
به منظور انجام برنامه ریزی تصادفی هر درخت سناریویی با 4950 شاخه طراحی شده است.تعداد 4950 سناریو شامل 15 سناریو قیمت انرژی و 15 سناریو قیمت ذخیره و 22 سناریو پیش بینی توان باد می باشد.به این منظور از روش برنامه ریزی اعداد صحیح جهت حل این مسئله استفاده گردید. این برنامه توسط نرم افزار GAMS نوشته و با حلال CPLEXاجرا شده است.
حل مسئله برنامه ریزی پیشنهادی
مزارع بادی
شکل (3) منحنی پیشنهادی ساعتی نیرو گاه بادی جهت ارائه در بازار روز -پیش را نشان می دهد به این منظور سود نیرو گاه بادی در بازار روز پیش با دو ضریب جریمه 50% و 100% در جدول (3) ارائه شده است.همان گونه که مشاهده می گردد.سود نیرو گاه بادی در بازار با ضریب جریمه 50% بیشتر از حالت 100% است این موضوع به آن علت است که با افزایش ضریب جریمه ،هزینه ناشی از عدم تولید توان متعهد شده در بازار افزایش یافته و سود حاصله نیز کاهش می یابد.
واحد های تلمبه ای -ذخیره ای
با حل مسئله بهینه سازی (10) با در نظر گرفتن قیود (12) تا (23) سود نیرو گاه تلمبه ای -ذخیره ای در بازار روز – پیش به دست می آید این نتایج در جدول (3) نمایش داده شده است.سود این نیرو گاه 831/15848 دلار در هر دو ضریب جریمه 50% و 100% می باشد.این موضوع بدان علت است که برنامه ریزی تولید و پمپاژ نیرو گاه تلمبه ای – ذخیره ای بر اساس قیود نرخ تخلیه و پمپاژ آب و حجم آب موجود در مخازن اجرا می شود. لذا با تغییر ضریب جریمه ،برنامه ریزی این واحد ها تغییر نمی یابد.شکل (4) منحنی پیشنهادات ساعتی نیرو گاه تلمبه ای -ذخیره ای را جهت ارائه در بازار روز -پیش نشان میدهد.اعداد منفی ،مبین توانی است.که برای پمپاژ آب به مخزن بالایی استفاده می شود.این مقدار توان در بازار انرژی خریداری می شود اعداد مثبت مبین توانایی تولید شده (سرازیر شدن آب از مخزن بالایی بر روی توربین) است.این مقدار توان در بازار انرژی فروخته می شود.شکل (5)مقادیر فروش ذخیره چرخان و غیر چرخان نیرو گاه تلمبه ای -ذخیره ای را در بازار خدمات جانبی نمایش می دهد.
هماهنگی مزارع بادی با واحد های تلمبه ای -ذخیره ای
جهت تعیین پیشنهادات مجموعه نیرو گاه های بادی و تلمبه ای -ذخیره ای تابع هدف (24) با وجود قیود (25) تا (36) بهینه می شود.شکل(6) منحنی پیشنهادات ساعتی مجموعه نیرو گاهی بادی و تلمبه ای-ذخیره ای را جهت ارائه در بازار روز -پیش نشان می دهد.در جدول(4) سود مجموعه نیرو گاهی بادی و تلمبه ای-ذخیره ای در بازار روز -پیش با دو ضریب جریمه 50 و 100% ارائه شده است.
سود بدست آمده برای این مجموعه نیرو گاهی در بازار انرژی و خدمات جانبی با ضریب جریمه 100% ،062/449707 دلار است.این در حالی است که بر اساس جدول (3) اگر واحد های بادی و تلمبه ای -ذخیره ای به صورت مستقل ، در بازار شرکت کنند سود بدست آمده برای هر کدام به ترتیب 238/144660 و 831/15848 دلار است.لذا مجموع سود مزارع بادی و واحد های تلمبه ای-ذخیره ای در مقایسه با سود حاصل از مشارکت آنها با یکدیگر بسیار کمتر است.
از آنجایی که ضریب جریمه بازار عدد بزرگی است (100% قیمت بازار انرژی) جریمه ناشی از عدم تولید توان متعهد شده در بازار برای واحد های بادی بسیار پر هزینه است.با حمایت آنها توسط واحد های تلمبه ای -ذخیره ای این هزینه کاهش یافته و سود حاصله افزایش می یابد.شکل (7) مقادیر فروش ذخیره چرخان و غیر چرخان مجموعه نیرو گاهی بادی و تلمبه ای -ذخیره ای را در بازار خدمات جانبی نمایش می دهد.
در جدول (5) در آمد مجموعه نیرو گاهی در بازار خدمات جانبی و مقدار جریمه ناشی از عدم تولید توان متعهد شده مشخص شده است با افزایش ضریب جریمه هزینه ناشی از جریمه افزایش یافته اسن و این خود دلیلی بر کاهش سود می باشد
بررسی ریسک عملکرد مجموعه نیرو گاهی
ارزش دارایی های تولید در بهربرداری روزانه در خلال پیشنهادهای قیمت در یک بازار تحقق می یابد فرض کنید که قیمتلحظه ای بازار و خدمات جانبی از یک توزیع نرمال پیروی می کند.شکل (8) توزیع قیمت پیش بینی شده انرژی را طی 15 سناریو برای یک ساعت مشخص (مثلاً ساعت 10 نشان می دهد) .
متوسط قیمت در سناریوی هشتم وارد شده است که دارای بالاترین احتمال رخ داد می باشد.روند قیمتها با حرکت از اولین سناریو تا آخرین سناریوی خطی می باشد.و قیمت در هر سناریو یک واحد بیش از سناریو قبل است مشابه همین توزیع نرمال، برای قیمت ذخیره چرخان و غیر چرخان نیر در نظر گرفته می شود.شکل(9) توزیع احتمالی قیمتهای انرژی و ذخیره چرخان (قیمت ذخیره غیر چرخان تابعی از قیمت ذخیره چرخان است)را به صورت همزمان نشان داده است.احتمال کل وقوع سناریو ls م انرژی و سناریوی ls م ذخیره با حاصل ضرب احتمال وقوع هر دو سناریو برابر می باشد.به این صورت ، ارزش ریسک عملکرد واحد ها را در هر دو بازار وجود سطح اعتماد تعریف شده ، می توان تعیین کرد.
پیش بینی تولید توان بادی طی 22 سناریو ارائه شده است با فرض اینکه تولید توان بادی دارای یک توزیع نرمال است شکل (10) توزیع نرمال توان پیش بینی شده بادی را برای ساعت 10:00 روز بعد نشان می دهد.با وجود 15 سناریو برای قیمت انرژی در بازار ، 330 حالت در درخت سناریو وجود دارد. شکل (11) احتمال وقوع این 330 حالت را نشان می دهد در بهره برداری هماهنگ نیرو گاه های تلمبه ای – ذخیره ای و واحد های بادی ، ابتدا میزات تاثیر سناریو های قیمت ذخیره را در برنامه ریزی سیستم بررسی نموده و سپس تاثیر سناریو های تولید توان بادی را بررسی می کنیم .با وجود 15 سناریو برای قیمت انرژی و 15 سناریو برای قیمت ذخیره چرخان 225 نقطه برای برنامه ریزی وجود دارد شکل (12) توزیع سود را در این 225 نقطه موجود نشان می دهد.سود بدست آمده برابر مقدار تابع هدف با وجود همان سناریو قیمت انرژِ و ذخیره است.از میان 225 سناریوی موجود محتمل ترین سناریو شامل سناریوی هشتم قیمت انرژی و سناریوی هشتم قیمت ذخیره است. که دارای سودی برابر 433800 دلار است.همان گونه که از این شکل مشخص شده است، با افزایش قیمت انرژی از حالت سناریو 1 تا 15 ، روندی صعودی بر روی محور z داریم این در حالی است که با افزایش قیمت ذخیره با حرکت از سناریو 1 تا 15 بر روی محور xتغییرات محسوسی در میزان صعود مشاهده نمی کنیم.
شکل (13-الف) تمام نقاطی از درخت سناریوی قیمت (انرژی و ذخیره) ، که تابع احتمال تجمعی آنها 05/0 یا 5% است را نشان می دهد.از میان 225 نقطه موجود تنها 12 نقطه دارای احتمال تجمعی 05/0 هستند شکل(13-ب) توزیع سود 12 نقطه با احتمال تجمعی 05/0 را نشان می دهد.
با توجه به تاثیر بسیار کم و نامحسوس سناریو های پیش بینی قیمت ذخیره بر سود پیش بینی شده ،میزان تاثیر سناریو های پیش بینی توان بادی را بررسی کردیم. در این شبیه سازی ، برای تولید توان بادی 22 سناریو در نظر گرفته شده است. با وجود 15 سناریو برای قیمت انرژی در بازار ، 330 حالت در درخت سناریو وجود دارد قیمت ذخیره در تمام سناریو ها ثابت در نظر گرفته شده است. شکل(14) توزیع سود در 330 نقطه موجود را نشان می دهد . با توجه به شکل 14 و توجه به مقدار سود در 330 نقطه ، متوجه میزان توجه تاثیر سناریو های پیش بینی شده بر میزان سود برنامه ریزی شده می شویم با افزایش قیمت انرژی از سناریو 1 تا 15 ، روند صعودی بر روی محور z) ) سود داریم .این در حالی است که با افزایش تولید توان بادی با حرکت از سناریو 1 تا 22 بر روی محور x تغییرات محسوس در میزان سود مشاهده می کنیم. از میان 330 سناریو موجود ، محتمل ترین سناریو شامل سناریو هشتم قیمت انرژی و سناریو یازدهم توان باد است.سود حاصل از این سناریو برابر 455660 دلار است.
شکل(15-الف) تمام نقاطی از درخت سناریو قیمت (انرژی و تولید توان بادی ) ، که تابع احتمال تجمعی آنها 05/0 درصد یا 5 % است را نشان می دهد از میان 330 نقطه موجود ، تنها 12 نقطه دارای احتمال تجمعی 05/0 هستند شکل(15-ب) توزیع سود 12 نقطه با احتمال تجمعی 05/0 را نشان می دهد.
جدول (6) مقادیر VAR را در بهره برداری های مستقل بادی و هماهنگ بادی و تلمبه ای- ذخیره ای مقایسه می کند .قابل ملاحظه است که این مقادیر در بهره برداری هماهنگ بیش از بهره برداری مستقل است .ارزش ریسک (مینیمم مقدار سود) در هر دو بهره برداری در سناریوی سوم بادی و هفتم قیمت انرژی تعیین می شود مینیمم مقدار سود ، به عبارت دیگر از ارزش ریسک برنامه ریزی هماهنگ بادی و تلمبه ای – ذخیره ای در مقایسه با واحد مستقل بادی ، بسیار افزایش یافته است. ارزش ریسک بهره برداری مستقل بادی 120400 دلار است، این در حالی است که ارزش ریسک بهره برداری هماهنگ ، 369600 دلار است.
نتیجه گیری
در این مقاله ، مدل جدیدی برای بهره برداری هماهنگ مزارع بادی و واحد های تلمبه ای – ذخیره ای در بازارهای روز -پیش و خدمات جانبی ، ارائه گردید. در این راستا ، با وجود عدم قطعیت تولید نیرو گاه بادی و قیمت انرژی و خدمات جانبی ، از برنامه ریزی تصادفی استفاده شد نتایج شبیه سازی بر روی سیستم 118 باس IEEE بیان گردید .همچنین تاثیر ضرب جریمه بر بازار و هزینه های ناشی از آن مورد بررسی قرار گرفت نتایج شبیه سازی نشان داد که صعود بهره برداری هماهنگ نیرو گاه های بادی و تلمبه ای – ذخیره ای در مقایسه با مجموع سود حاصل از بهره برداری نا هماهنگ آنها بسیار افزایش یافته است این مسئله خود دلیلی برای افزایش نفوذ مزارع بادی در سیستمهای قدرت می باشد.
نماد ها
S: مجموعه سناریو ها
L : مجموعه واحد های تلمبه ای-ذخیره ای
T : پریود زمانی 24 ساعته
PS : احتمال وقوع سناریوی S
I : مجموع واحد های بادی
Wi, t ,s : تولید پیش بینی شده واحد های بادی i در ساعت t سناریو s
Wi ,max : ماکزیمم توان تولیدی واحد iنیرو گاه بادی
قیمت انرژی ،ذخیره چرخان و ذخیره غیر چرخان در ساعت t و سناریو s