کنترل اولیه توسط تجهیزات روشن/ خاموش سمت بار

چکیده

فهرست عبارات

فهرست نمادها

شاخص‌ها

پارامترها

مجموعه‌ها

متغیرها

مقدمه

ساختار سیستم

جمع‌کننده به عنوان بازیگری در بازارهای برق

شکل1. مزایده جمع‌کننده در بازارهای برق با مدیریت n تجهیز از طریق یک VPP (نیروگاه مجازی برق).



ذخیره اولیه

تجهیزات سمت بار به عنوان ذخایر اولیه

ذخیره اولیه از طریق تجهیزات روشن/ خاموش

مصرف‌کنندگان روشن/خاموش

 مشخصات کنترل فرکانس

شکل2. منحنی دروپ کنترل اولیه فرکانس با پارامترهای شبکه ENTSVO-E که مرجع توان و محدوده تلورانس مجاز برای یک تحویل نرمالیزه را تشریح می‌کند.

تحویل ذخایر اولیه

 ساخت کنترلر

متغیرها و پارامترهای مساله

هدف و قیود مساله

 مساله بهینه‌سازی

الگوریتم

مثال‌های عددی

مثال مقیاس کوچک

شکل3. تخصیص تجهیزات روشن/خاموش که تحویل را بیشینه می‌کند.

شکل4. پاسخ گذرای پورتفوی تجهیزات روشن/خاموش به یک توالی داده شده از اختلافت فرکانسی.

مثال مقیاس بزرگ

شکل5. هزینه‌های مزایده به عنوان تابعی از حجم مزایده

نتیجه‌گیری

ما جمع‌کننده ‌ای را در نظر گرفته‌ایم که پورتفوی روشن/ خاموش بودن تجهیزات سمت بار را مدیریت می‌کند. این تجهیزات قادرند میزان مصرف بار را در طول زمان و در یک محدوده انرژی مشخصی جابجا کنند؛ علاوه بر این، این تجهیزات می‌توانند فرکانس سیستم را اندازه‌گیری کرده و با توجه به آن روشن و یا خاموش شوند. ما در اینجا نشان می‌دهیم که چگونه جمع‌کننده می‌تواند پورتفوی تجهیزات را مدیریت کرده و مجموعا در یک بازار unbundled آزاد برق و تحت مقررات جاری، تحویل ذخیره اولیه را فراهم کند. علاوه بر این، ما یک مساله بهینه‌سازی خطی باینری را فرموله می‌کنیم که هزینه تامین تحویل ذخیره اولیه با یک حجم مشخص توسط جمع‌کننده را حداقل می‌کند، و با مثال‌های عددی این روش را اثبات می‌کنیم.

با افزایش توجه به مسائل زیست محیطی و افزایش قیمت سوخت‌های فسیلی، انتظار می‌رود منابع انرژی تجدیدپذیر در آینده‌ای نزدیک در سراسر جهان نفوذ عمده‌ای داشته باشند [1]. عملیات زیادی از منظر سیاسی صورت گرفته است تا نفوذ منابع تجدیدپذیر افزایش یابد: در آمریکا، تقریبا همه ایالت‌ها دارای استانداردها و یا اهداف سهام منابع تجدیدپذیر هستند که حضور درصد مشخصی از این منابع را تضمین می‌کند [2]. به طور مشابه، کمیسیون انجمن اروپا رسیدن به میزان 20% منابع تجدیدپذیر تا سال 2020 را تنظیم کرده است [3]، در حالی که چین از سال 2004 میزان تولید توان بادی خود را هر ساله دو برابر کرده است [4]. در دانمارک هدف سال 2020 این است که به انرژی تجدیدپذیر 35% در سراسر بخش‌های انرژی دست یابد و در بخش انرژی الکتریکی سهم توان بادی 50% شود [5]. چالش اصلی وقتی اتفاق می‌افتد که قرار است نیروگاه‌های مرکزی برق با منابع انرژی تجدیدپذیر جایگزین شوند: نیروگاه‌های مرکزی برق نه تنها توان تحویل می‌دهند بلکه خدمات جانبی هم ارائه می‌دهند تا سیستم توان الکتریکی قابل اطمینان و امن باشد. این موضوع شامل پشتیبانی از پایداری فرکانس، توازن توان، کنترل ولتاژ و غیره است. وقتی نیروگاه‌های مرکزی برق معمولی با منابع تجدیدپذیری چون توربین‌های بادی و فوتوولتائیک جایگزین شوند، آن توانائی ارائه خدمات جانبی به شکل سابق از بین می‌رود؛ به این معنی که منابع انرژی تجدیدپذیر اغلب به طور کامل از توان موجود بهره‌برداری می‌کنند و در نتیجه قادر نیستند خدمات جانبی متعادل‌کننده را فراهم کنند. علاوه بر این، ژنراتور نیروگاه‌های برق معمولی با سوخت فسیل به صورت سنکرون (هماهنگ) با شبکه هستند و بنابراین اینرسی چرخشی فراهم می‌کنند که از فرکانس سیستم در برابر تغییرات پشتیبانی می‌کند [6]. از آنجا که منابع انرژی تجدیدپذیر از طریق ادوات الکترونیک قدرت به شبکه متصل می‌شوند، لذا نمی‌توانند مانند ژنراتورهای سنکرون معمولی اینرسی را به طور مستقیم به شبکه فراهم کنند [7]، که به این ترتیب باعث چالش‌های بیشتری در رابطه با موضوع متعادل‌‌سازی سیستم می‌شود. با اینکه کارهای اخیر انجام شده در این زمینه پیشنهاد می‌کنند که توربین‌های بادی قادرند با تنظیک خروجی توان اکتیو ژنراتور با توجه به فرکانس سیستم، اینرسی ساختگی و مصنوعی فراهم کنند [8]، [9]، اما این نوع شیوه کنترل امروزه در نیروگاه‌های توان بادی پیاده‌سازی و اجرا نمی‌شود. همچنین، بیشتر منابع تجدیدپذیر دارای توان تولیدی به شدت نوسانی هستند: بسته به شرایط جوی تولید توان آنها می‌تواند به شدت افزایش و یا کاهش داشته باشد. این تغییرات سریع در تولید همیشه قابل پیش‌بینی نیستند و بنابراین می‌توانند عواقب وخیمی را برای پایداری شبکه به همراه داشته باشند [10]. در نتیجه واضح است که در شبکه‌ای با نفوذ بالای منابع تجدیدپذیر، نیاز به خدمات جانبی متعادل‌کننده افزایش خواهد یافت [11]، [12]. از آنجا که نیروگاه‌های معمولی برق به تدریج از رده خارج می‌شوند، منابع جایگزینی برای خدمات جانبی باید ایجاد شود. یکی از روش‌های دستیبابی به خدمات جانبی جایگزین، مفهوم شبکه هوشمند است، که در آن تجهیزات سمت بار با مصرف انعطاف‌پذیر توان در متعادلسازی مشارکت می‌کنند [13]، [14]. ایده اصلی این است که به یک جمع‌کننده اجازه داده شود وضیت تجهیزات انعطاف‌پذیر سمت بار را مدیریت کرده و از انعطاف تجمعی در بازارهای unbundled برق به صورت معادل با ژنراتورهای معمولی بهره‌برداری کند [15]. تجهیزات انعطاف‌پذیر سمت بار دارای مشخصات کاملا متفاوت با ژنراتورهای معمولی هستند: در حالی که ژنراتورهای معمولی از طریق تنطیم میزان مصرف سوخت خود، قادر به تامین انرژی کمتر و یا بیشتری هستند، تجهیزات سمت بار به طور متوسط تقریبا همان مقدار انرژی را مصرف می‌کنند. برای مثال یک خودروی برقی ممکن است قادر به مصرف انرژی در یک ساعت بوده و در ساعت بعدی انرژی را تحویل دهد؛ با این حال، در طی یک سال، کل مصرف انرژی صرفنظر ار نحوه به کار‌گیری انعطاف‌پذیری، تقریبا همان مقدار خواهد بود. از طرف دیگر، بیشتر تجهیزات سمت بار می‌توانند تقریبا به صورت فوری روشن و یا خاموش شوند و لذا قادرند نسبت به ژنراتورهای معمولی واکنش بسیار سریع‌تری داشته باشند. این ویژگی‌ها باعث می‌شوند تجهیزات سمت بار برای کنترل اولیه فرکانس ایده‌آل باشند، چون این نوع تقاضاهای ذخیره‌ای، توانمندی‌های تنظیم توان را تند و یا کُند می‌کنند اما به طور کلی نیازی به تحویل واقعی انرژی ندارند. از دیگر مزایای کنترل اولیه فرکانس در این زمینه این است که تحویل ذخایر بستگی به مقادیر محلی فرکانس سیستم دارد؛ لذا، نیازی به مخابرات گرانقیمت زمان واقعی از جمع‌کننده به این تجهیزات نمی‌باشد. علاوه بر این، ذخایر اولیه عموما تحویل‌های گرانقیمتی هستند، چون نیاز به عمل کنترلی سریع دارند. همین موضوع باعث جذابیت مشارکت این تجهیزات سمت بار در بازار ذخایر اولیه می‌شود. مدیریت سمت بار با کنترل دستگاه‌های کوچک جهت پشتیبانی از پایداری شبکه از اوایل سال 1980 آغاز شده است [16]. لذا از منظر کار تحقیقاتی، موضوع مدیریت سمت بار توجه زیادی را به خود جلب کرده است. برای مثال [17] تا [19] را ببینید. در حال حاضر، برنامه‌های سمت بار در بسیاری از سیستم‌ها در حال کارند، برای مثال در انگلیس و آمریکا [20] تا [22]؛ علاوه بر این، در حجم این برنامه‌ها رشد زیادی مشاهده می‌شود. به عنوان مثالی از این رشد، نیو انگلند با عقد قرارداد، در برنامه‌های سمت بار از ظرفیت 200 مگاوات در سال 2003 به بیش از 2000 مگاوات در سال 2009 رشد محسوسی را تجربه کرده است [23]. کارهای اخیر استفاده از مدیریت سمت بار برای فراهم کردن ذخیره اولیه را مورد بحث قرار داده‌اند. برخی از مثال‌ها عبارتند از: سیستم‌های یخچالی که مصرف توان را با توجه به تغییر فرکانس سیستم تنظیم می‌کنند [24]، [25]، سیستم‌های حرارتی که وقتی فرکانس سیستم به زیر یک حد مشخصی می‌رسد پاسخ می‌دهند [26]، و کنترل اولیه فرکانس تجهیزات مصرف خانگی انعطاف‌پذیر که از طریق یک وسیله اندازه‌گیر هوشمند محلی فعال می‌شوند [27]. با اینکه این کارها روش‌هایی را برای فراهم کردن ذخایر اولیه بحث می‌کنند، اما این خدمات را اینگونه در نظر نمی‌گیرند که از طریق بازار آزاد فعلی به فروش رسیده باشد. به عبارت دیگر، کارهای ذکر شده نشان می‌دهند که چگونه ذخیره اولیه را برای پشتیبانی شبکه باید تحویل داد اما با این حال، راهبردهای کنترلی را به گونه‌ای طراحی نمی‌کنند که پاسخ تجمعی تجهیزات سمت بار، الزامات تنظیمی برای تحویل ذخایر اولیه را تضمین کنند. سهم اصلی این کار این است که نشان دهد چگونه یک جمع‌کننده می‌تواند پورتفوی روشن و یا خاموش بودن تجهیزات سمت بار را مدیریت کرده و در نهایت تحویل ذخیره اولیه را به گونه‌ای فراهم کند که با مقررات فعلی سیستم توان الکتریکی اروپا سازگار باشد. این کار به جمع‌کننده اجازه می‌دهد تا وارد بازار کنترل اولیه فرکانس شده و در نتیجه با ژنراتورهای معمولی و آنگونه که مطلوب مقررات بازار آزاد باشد، رقابت کند [15]. این مقاله دارای ساختاری به صورت ذیل است. در بخش3، ما یک ساختار سیستم را بیان می‌کنیم که در آن یک جمع‌کننده پورتفوی روشن/ خاموش بودن تجهیز را مدیریت می‌کند. پس از آن، در بخش4، ما توصیف می‌کنیم که چگونه این تجهیزات روشن/خاموش می‌توانند مدیریت شوند تا ذخایر فرکانسی سازگار با مقررات فعلی را فراهم کنند. در بخش5، روشی برای کمینه‌کردن هزینه تحویل ذخیره ارائه می‌دهیم و در بخش 6، این روش به یک مثال عددی اعمال می‌شود. نهایتا، در بخش 7، نتیجه‌گیری می‌کنیم.