تعیین اندازه بهینه سیستم ذخیره سازی انرژی (ESS) با در نظر داشتن قابلیت اطمینان، در یک ریزشبکه

چکیده 

 اصطلاحات شاخص 

فهرست اصطلاحات

 مقدمه

طرح کلی مدل

فرمولبندی مساله

 محدودیت های قابلیت اطمینان

 شبیه سازی عددی

جدول 1.   مشخصات واحدهای تولید کننده

جدول 2.   احتمال سناریوهای کاهش یافته

جدول 3.   خلاصه هزینه های سیستم

شکل 2.   هزینه سرمایه گذاری ESS بعنوان تابعی از اندازه ESS.

شکل 3.   هزینه عملکرد ریزشبکه بصورت تابعی از اندازه ESS.

مباحثات و بررسی

شکل 4.   هزینه کل ریزشبکه بصورت تابعی از اندازه ESS.

نتیجه گیری

ــ این مقاله، مدلی برای محاسبه اندازه بهینه سیستم ذخیره سازی انرژی (ESS) در یک ریزشبکه را، با در نظر گرفتن معیار قابلیت اطمینان، ارایه می دهد. هر چه ESS (سیستم ذخیره سازی انرژی) بزرگتر باشد، نیازمند هزینه های سرمایه گذاری بیشتری بوده، درحالیکه هزینه عملکرد ریزشبکه، کاهش می یابد. مساله تعیین اندازه بهینه ESS که در اینجا ارایه می شود، هزینه سرمایه گذاری (هزینه اولیه) ESS را، و نیز هزینه عملکرد مورد انتظار شبکه را، کمینه می کند. با استفاده از ESS، کمبود توان تولیدی به سبب قطع شدن واحدهای موجود و یا جدا شدن واحدهای تجدیدپذیر، کنترل می شود؛ ازینرو، معیار قابل اطمینان بودن ریزشبکه، برآورده می شود. از یک مدل عملی ESS استفاده می شود. از یک برنامه نویسی مرکب-عدد صحیح (MIP) برای فرمول بندی مساله استفاده شده است. نمونه های گویا نشان دهنده ی بازده ی مدل ارایه شده می باشند.

با ادامه روند تکامل تکنولوژی های ذخیره سازی، کاربرد سیستم های ذخیره کننده انرژی (ESS) در شبکه های آینده، بیش از پیش توجه اپراتورهای سیستم را بخود جلب کرده است و کاربرد آنها در سیستم قدرت، در حال یافتن توجیه اقتصادی می باشد. ESS، کاربردهای گسترده ای را به شبکه قدرت ارایه می دارد، مانند بهبود کنترل، کاهش مشکلات نوسان و قطعی منابع انرژی تجدیدپذیر، تبعیت از بار، پایداری ولتاژ و فرکانس، مدیریت بار پیک، بهبود کیفیت توان، و تعویق ارتقای سیستم. اگرچه، هزینه های سرمایه گذاری بالای آن، مدل سازی دقیق و تنظیم اندازه بهینه ESS را می طلبد تا توجیه اقتصادی آن را برآورده کرده و همچنین از بهره برداری کم یا زیاد از حد آن، جلوگیری کند. یک مدل ESS دقیق و عملی، مدل سازی عملکرد سیستم را از نظر اقتصادی و نیز امنیتی، بهبود می بخشد. ESS، یک عنصر اساسی در یک ریزشبکه است. یک ریزشبکه، بصورت یک شبکه قدرت هوشمند کوچکی که حداقل 1 بار و یک منبع انرژی توزیع شده دارد، تعریف می شود. ریزشبکه، از دید اپراتور سیستم، یک بار کنترل پذیر است، چرا که می تواند بار خود را تامین کرده و تغییرات قیمت برق زمان-واقعی را پاسخگو باشد. با پیاده سازی ریزشبکه، قیمت انرژی تامین شده کاهش یافته، قابلیت اطمینان محلی بهبود یافته، و پخش شدگی سیستم کاهش می یابد. در یک ریزشبکه، بهترین اندازه ESS باید تعیین شود؛ چرا که ESSهای کوچک (منظور کوچکتر از حالت بهینه آن در ریزشبکه) ممکن است در ارایه مزایای اقتصادی، انعطاف پذیری مطلوب یا اهداف قابلیت اطمینان از پیش تعیین شده به ریزشبکه، ناکام بمانند، و ESSهای بزرگتر هزینه های سرمایه گذاری و نگهداری بیشتری را به ریزشبکه تحمیل می کنند. ازینرو، باید اندازه بهینه ESS تعیین شود و بنابراین، کاهش در هزینه های عملیاتی، سرمایه گذاری بر روی ESS را توجیه کند. در [مرجع 4]، یک مدل عملی برای ESS، با مشخصه های شارژ و تخلیه از پیش تعیین شده، ارایه شده است. هماهنگی ESS با منابع انرژی تجدید پذیر متقاطع، در [5]-[7] بررسی شده است، که هدف آن صاف کردن تولید متقاطع انرژی های بادی و خورشیدی، و بدست آوردن یک خروجی قابل انتقال، می باشد. (منابع تجدیدپذیر معمولا همیشه و به اندازه یکسان، توان تولید نمی کنند و بدین دلیل به آنها منابع متقاطع (Intermittent) گفته می شود) یک تکنیک تحلیلی برای تعیین اندازه واحد ذخیره سازی پشتیبان در یک سیستم قدرت، با در نظر گرفتن ملزومات قابلیت اطمینان، در [8] ارایه شده است. این پشتیبان می تواند به شکل ذخیره سازی انرژی برق، یا پیل سوختی باشد. مساله تعیین اندازه ESS برای مشتریان صنعتی با زمان استفاده مشخص، در [9] ارایه شده است. در [10]، یک تکنیک تحلیلی برای پیدا کردن پرسودترین دسته بندی ESS نصب شده با مزرعه های بادی، بمنظور افزایش انتقال توان آنها، ارایه شده است. مساله مشابهی نیز در [11] با در نظر داشتن کاربرد ESS در یک ذخیره سازی انرژی خورشیدی برای شبکه های کوچک مستقل، ارایه شده است. در [12]، تحلیل حساسیت انواع اندازه های ESS و تکنولوژی های در یک ریزشبکه بادی-دیزلی ایزوله از شبکه اصلی، ارایه شده است، که در آن از ESS برای بهبود نفوذ منابع انرژی تجدیدپذیر به ریزشبکه ها، استفاده شده است. در این مقاله، تعیین اندازه بهینه ESS در یک ریزشبکه، با توجه به قابلیت اطمینان، ارایه می شود. اندازه ESS شامل تعیین توان نامی و انرژی نامی می شود. مساله تعیین اندازه بهینه برای ESS ارایه شده، هزینه کل شبکه را _که شامل هزینه سرمایه گذاری (اولیه) ESS و هزینه عملکرد ریزشبکه می باشد_ کمینه می کند. از یک روش تصادفی برای تولید سناریوهای عملکرد سیستم قدرت، استفاده شده است. در هر سناریو، وضعیت عناصر سیستم و نیز توان تولیدی منابع انرژی های نو (تجدیدپذیر)، بدست می آید. سناریوها با استفاده از یک روش کاهش سناریو، کم شده اند تا توازنی بین بار محاسباتی و دقت حل مساله، بدست آید. کوچک شدن بار مورد انتظار، در هر سناریوی کاهش یافته، تعیین شده و در نتیجه یک شاخص قابلیت اطمینان _یعنی از دست دادن انتظار بار (LOLE)_ محاسبه می شود. شکل 1، هزینه ریزشبکه کل را بصورت تابعی از اندازه ESS، نشان می دهد. با افزایش اندازه ESS، هزینه سرمایه گذاری افزوده شده به ریزشبکه نیز بصورت خطی افزایش می یابد، درحالیکه هزینه عملکرد ریزشبکه کاهش می یابد. اندازه بهینه ESS، هزینه کل ریزشبکه را کمینه می کند. از یک برنامه نویسی مرکب عدد صحیح، برای بدست آوردن فرمول های مساله تعیین اندازه بهینه ESS، استفاده شده است. این مقاله، دنباله روی کار ارایه شده در [4] می باشد؛ اگرچه در این مقاله، محدودیت های قابلیت اطمینان به عنوان تعیین کننده اندازه بهینه ESS با استفاده از یک مدل تصادفی عملی در نظر گرفته شده اند، هم توان نامی و هم انرژی نامی ESS بطور بهینه بدست آمده اند، مدل ESS جامع تری ارایه شده است، و ترکیبی از منابع متفاوت تولید انرژی (شامل منابع گرمایی و تجدید پذیر) مدل شده است. بقیه مقاله بدین سان سازمان یافته است: بخش 2 طرح کلی مدل مساله تعیین اندازه بهینه ESS ارایه شده را نشان داده، درحالیکه بخش 3 مساله را فرمولبندی می کند. بخش 4 شبیه سازی های عددی بر روی یک سیستم آزمایشی را ارایه می دهد. شبیه سازی های عددی، فواید تکنیک ارایه شده را _درحالیکه معیار قابلیت اطمینان در ریز شبکه لحاظ می شود_ نشان می دهند. مباحثات و نتیجه گیری به ترتیب در بخش های 5 و 6 ارایه می شوند.