مدیریت بهینهی انرژی برای یک ریزشبکهی مسکونی حاوی یک سیستمV2G از دید مصرفکننده

Transcript

1 کنفرانس ملی فناوری انرژی و داده با رویکرد مهندسی برق و کامپیوتر National Conference of echnology, Energy and Data on Electrical & Computer Engineering کونفرانسی نهتهوهیی فهناوهری هێز و دهیتا به روانگه ئهندازیاری کارهباو کومپیتر مدیریت بهینهی انرژی برای یک ریزشبکهی مسکونی حاوی یک سیستمV2G از دید مصرفکننده 2 * حمید شفیعی مسعود اسماعیلی دانشگاه آزاد اسالمی واحد تهران غرب گروه برق تهران ایران shafieework@gmail.com, 2 msdesmaili@gmail.com چکیده در این مقاله یک ریز شبکهی مسکونی شاملیک سیستمتزریق انرژی از خودرو به شبکه با یکخودروو یک نقطهی شارژ در نظر گرفته شده است. در مدل پیشنهادی قیدهای شارژ دشارژ نرخ شارژ نرخ دشارژ وضعیت شارژ تعداد نقاط شارژ توان فروخته شده به شبکه و خریداری شده از آندر نظر گرفته شده است. ریز شبکهی مورد بررسی دارای یک بار ثابت بحرانی یک بار قابل تنظیم یک بار قابل جابجایی یک منبع تولید انرژی بادی و یک منبع تولید انرژی خورشیدی نیز میباشد. برای صحتسنجی عملکرد مدل پیشنهادی از دادههای ناحیهی مدیترانهای اسپانیا استفاده شده است. در نهایت هزینههای انرژی با احتساب هزینهی فرسایش باطری و با در نظر گرفتن جریمهی بار تحویل نشده و محدودهی اضطراب کاربر محاسبه شده است.همچنین یک رابطهی جدید برای محدودیت شارژ و دشارژ جایگزین رابطهی شارژشده است و محاسبات هزینه از دید مصرفکننده محاسبه شده و مفهوم محدودهی اضطراب توسعه داده شده است. در نهایت هزینه و جزئیات انرژی مبادله شده بین شبکه و ریز شبکه بررسی شده است. کلید واژه شبکههای هوشمند مدیریت بهینه تزریق انرژی از خودرو به شبکه V2G( محدودهی اضطراب فرسودگی باطری هزینه مصرفکننده مقدمه. سیستم تزریق انرژی از خودرو به شبکه V2G( امکان شارش انرژی از خودرو به شبکه را فراهم میسازد. انرژی ذخیره شده در باطری خودرو میتواند در ساعاتی که کاربر به خودرو نیازی ندارد به شبکه فروخته شود و یا صرف خدمات جانبی از قبیل ذخیرهی چرخان غیرچرخان و تنظیم فرکانس شودبه عنوان مکمل یا جایگزین آربیتراژ انرژی(. میتواند باعث کاهش نقطهی اوج مصرف حداقلی مصرف و در نتیجه بهبود و این داد و ستد انرژی و افزایش نقطهی هموارسازی منحنی مصرف شود] [. یک الگوریتم کنترلی میبایست تعیین کند که در هر ساعت خودرو شارژ دشارژ و یا جهت خدمات در نظر گرفتن اضطراب کاربران در استفاده از خودروهایشان برای تمام شدن شارژ باطری و نرسیدن به مقصد نتیجهی مناسب و قابل اجرایی نخواهد داشت. لذا مفهوم محدودهی میتواند به عملی شدن الگوریتم کمک کند ]3[. 2 اضطراب کی[ ]4 3 مدل برنامهریزی خطی صحیح مختلط حداقلسازی هزینهی عملکرد یک شده است و ریزشبکهی مورد بررسی شامل حرارتی و تولید و مصرف الکتریکی برای ریزشبکهی مسکونی ارائه میباشد.در تولید و مصرف بخش ]3[ حرارتی در نظر گرفته نشده است و بخش الکتریکی نیز با محوریت خودروی الکتریکی و ارائهی مبحث محدودهی اضطراب ]2[ در میباشد. مسئلهی عدم قطعیت قیمتها و 2 Range Anxiety 3 Mixed Integer Linear Programming جانبی استفاده شود] 2 [.بهینهسازی مدیریت انرژی بدون در Vehicle to Grid System 789

2 کنترل بالدرن مورد بررسی قرار گرفته است و ][ به تحلیل جنبههای اقتصادی مختلف ذخیرهی انرژی پرداخته است. هدف از کار این مقاله بررسی مدلمقالهی] 3 [ ویرایش و توسعهی آنمیباشد که رابطهی جدید محدودیت شارژ و دشارژ جایگزین رابطهی محدودیت دشارژ شده ومحدودیت وضعیت شارژ SOC( سادهسازی و ویرایش شده و عالوه بر محاسبهی حداقل هزینهی انرژی مبادله شده حداقل هزینهی انرژی قابل پرداخت توسط کاربر نیز به دست آمده است. در این مقاله تالش شده است که مدل به شکلی ساده به بررسی وضعیت شکل شماتیک ریز شبکهی خانگی مورد بررسی باطری در محدودههای مختلف اضطراب بپردازد. مفهوم رابطههای (تا باطری خودرو و دشارژ مرزهای شارژ را 4( محدودهی اضطراب نیز گسترش یافته است یعنی با تعیین تعیین میکنند. یک عدد باینری است که عدم همزمانی میزان اضطراب کاربر کنترلکنندهی شبکه یا از تخلیهی باطری خودرو به میزان تعیین شده جلوگیری میکند و یا به فرآیندهای شارژ و دشارژ را تعیین میکند.بدیهی است که در زمانهایی که خودرو به نقطهی شارژ متصل نیست امکان هزینهی بیشتری آن به عنوان جریمه میپردازد. در نهایت شارژ و یا دشارژ وجود نخواهد داشت. ( مدیریت بهینهی انرژی در سه حالت مختلف اضطراب کاربر مورد بررسی قرار گرفته است. 2( 2. مدل ریاضی 3( ریز شبکهی مسکونی مورد بررسی همانطور که در شکل ( نشان داده شده است حاوی اجزای زیر میباشد: V2G خودروی الکتریکی الف( که حاوی باطری با قابلیت و 4( قابل کنترل میباشد. ب( بار بحرانی: بار ثابتی که هیچ گونه کنترلی روی آن برای تنظیم و یا جابجایی وجود ندارد. ج( بار قابل تنظیم: باری که با در نظر گرفتن یک مقدار حداقل و حداکثر مجاز امکان تغییر افزایش و کاهش مصرف( آن توسط کنترل کنندهی شبکه وجود دارد. د( بار قابل جابجایی: باری که جابجایی آن در برخی بازههای زمانی توسط کنترل کنندهی شبکه وجود دارد. ه( منبع خورشیدی و( منبع بادی در روابط فوق: : : مجموع فاصلههای زمانی :W بازهای که خودرو به نقطهی شارژ متصل است مجموعهی خودروهای الکتریکی ω W : نرخ شارژ خودروبر حسب kw : نرخ دشارژ خودروبر حسب kw : حداکثر توان لحظهای باطری خودرو بر حسب : جهت شار توان در باطری EV : باطری خودرو درحال شارژ kw = State of Charge 790

3 : انرژی مورد نیاز خودرو هنگامیکه به برق : باطری خودرو درحال دشارژ =0 رابطههای 5 ( و 6 ( نشان میدهند که باطری میتواند در هر بازهی زمانی حداکثر به اندازهی شارژ یا دشارژ شود. 5( 6( که در روابط فوق محدودیت تعیین شده برای شارژ یا دشارژ باطری خودرو است. kw( معادلهی 7( بیانگر میزان تغییر انرژی باطری در ساعت tو در بازهی که خودرو به نقطهی شارژ متصل است میباشد. شکل 2( دیاگرام نقل و انتقال انرژی الکتریکی در باطری بین نقطهی اتصال به شبکه شارژر و باطری خودرو را نشان میدهد. وصل نشده بر حسب kwh رابطهی کلی وضعیت شارژ در بازهی زمانی به صورت زیر میباشد: 9( : ظرفیت باطری بر حسب kwh که در زمانهای مختلف به صورت زیر میباشد: حالت اول برای زمانیاست که خودرو به شارژر متصل باشد و باشد: =t ξ η ( : وضعیت شارژ اولیهی خودرو برحسب %( حالت دوم برای زمانیاست که خودرو به شارژر متصل باشد و t ( باشد: ξ η شکل که در روابط فوق: 2 دیاگرام نقل و انتقال انرژی در باطری kwh ξ η : میزان تغییر انرژی باطری بر حسب :ξ :η بازده شارژ برحسب %( بازده دشارژ برحسب %( حالت سوم برای زمانیاست که خودرو به شارژر متصل نباشد و t= 2( باشد: و حالت چهارم برای زمانیاست که خودرو به شارژر متصل نبوده و 3( باشد: t رابطهی 4 ( نشان میدهد که وضعیت شارژ بین دو محدودیت حداکثر و حداقل قرار میگیرد: 4( : طول فاصلهی زمانی 7( در بازهی متصل نیست به صورت زیر میباشد: که خودرو به نقطهی شارژ : حداکثر وضعیت شارژ برحسب %( : حداقل وضعیت شارژ در هر بازهی زمانی برحسب %( 8( 79

4 محدودیت دیگر مدل تعداد نقاط شارژ برای خودروها است. یعنی تعداد خودروهایی که همزمان میتوانند به شبکه متصل باشند برابر با n کمتر از نقاط شارژ خواهد بود. 5( :n میباشد لذا تعداد خودروهای متصل شده تعداد نقاط شارژ : وضعیت اتصال در نقطهی شارژ EV : خودرو به نقطهی شارژ متصل است. : خودرو به نقطهی شارژ متصل نیست. :B خرید و فروش میشود انرژی از طریق گره شبکه با ظرفیت نمیتواند و عمل خرید و فروش به واسطهی متغیر باینری که به و به صورت همزمان صورت گیرد. متغیرهای ترتیب توان خریداری شده و فروخته شده به شبکه هستند همیشه مثبت هستند. 6( 7( : ظرفیت گره شبکه : توان فروخته شده به شبکه : توان خریداری شده از شبکه : جهت شار توان در محل اتصال : ریز شبکه توان اضافی به شبکه بفروشد. : شبکه به ریزشبکه توان بفروشد. بارهای در نظر گرفته شده برای ریز شبکه به صورت زیر میباشند: یا بار غیر قابل کنترل مانند روشنایی که الف( بار بحرانی برای هر بازهی زمانی مثال 5 دقیقه( یک عدد ثابت میباشد. از قبیل سیستم تهویهی هوا که ب( بار قابل جابجایی میزان مصرف آن را میتوان بین یک محدودهی از پیش تعیین شده طبق رابطهی 8 (تغییرداد. 8( ج( بار قابل جابجایی مانند ماشین لباسشویی یا ماشین ظرفشویی که میتوان مصرف آن را در یک بازهی مشخص جابجا کرد. یک عدد باینری است که تعیین میکند که در طول بازهی عملکرد بار قابل جابجایی بار تنها یکبار روشن شود و به اندازهی l بازهی زمانی پشت سر هم کار کند. 9( R: مجموعه تجهیزات با بار قابل جابجایی L: فاصلهی زمانی مشخصهی بار قابل جابجایی l L L : نقطهی آغاز بازهای که بار قابل جابجایی شروع به تغذیه میکند. : آغاز بازهی زمانی مصرفکنندهی شمارهی.r در زمانهای خاموش بودن مصرف : کنندهی شمارهی r. معادلهی 2( بار قابل جابجایی را در بازهی عملکردی از زمان آغاز که بعد از بهینهسازی مشخص میشود( تا انتهای بازهی بعد از آن مدل کرده است: زمانی 2( : بار قابل جابجایی که یک متغیر مثبت میباشد.( : مشخصهی بار قابل جابجایی بر حسب kw ریز شبکهی مسکونی مورد بررسی شامل منابع تجدیدپذیر بادی و خورشیدی نیز میباشد. تولید منابع تجدیدپذیر بستگی به پیشبینیهای هواشناسی برای دما وزش باد تشعشات خورشید و غیره دارد. رابطههای 2 ( و 22( مرزهای عملکردی توربینهای بادی و خورشیدی را تعیین میکنند. 2( 22( : حداکثر توان باد موجود بر حسب kw : تولید باد : حداکثر توان خورشیدی موجود بر حسب kw : تولید فوتوولتائیک مجموعه تجهیزات با بار قابل تنظیم : بخش بحرانی بار قابل تنظیم بر حسب kw : بار قابل تنظیم بر حسب kw : بار قابل تنظیم بر حسب kw 792

5 MCC معادلهی تعادل توان یعنی نسبت برابر تولید و مصرف به صورت زیر میباشد: 23( : بار بحرانی سمت چپ معادله به ترتیب: توان بادی توان خورشیدی توان دشارژ شدهی خودرو و توان خریداری شده از شبکه سمت راست معادله به ترتیب: بار بحرانی بار متغیر توان مورد نیاز جهت شارژ خودرو و توان فروخته شده به شبکه تابع هدف بیانکنندهی هزینههای اقتصادی تحمیل شده به مشتری میباشد یعنی هزینهها از دید کاربر مورد بررسی قرار گرفته است: 24( را در تابع هدف در نظر میگیرد. قسمت سوم بیان میکند که در صورتیکه مقدار بهینه برای بار متغیر قابل تنظیم ( ( از مقدار پارامتر پیشبینی شده ( کمتر باشد یعنی بار دریافت نشده توسط کاربر باشد جریمه میشود.قسمت تابع هدف با عبارت چهارم نیز نشاندهندهی جریمهی ناشی از اضطراب کاربر جهت استفاده از باطری خودروی الکتریکی میباشد که متناسب با میزان ظرفیت خالی باطری خودرو ( میباشد و میبایست در تابع هدف در نظر گرفته شود. در رابطهی 24 ( محدودهی اضطراب تنها تعیینکنندهی جریمهای است که کنترل کنندهی شبکه میبایست به کاربر بپردازد.برای اینکه با تعیین محدودهی اضطراب از دشارژ بیش از اندازهی باطری خودرو جلوگیری شود تابع هدف به صورت رابطهی 25( تعریف میشود. در این حالت تابع هدف برای حداقل سازی هزینههای اقتصادیانرژی مبادله شده بین شبکه و ریز شبکه تعریف میشود. 25( : هزینهی اتصال برای ظرفیت برحسب : قیمت نقطهای روز پیشرو برحسب.3 : هزینهی فرسودگی باطری برحسب : جریمهی بار تحویل نشده برحسب نتایج GAMS : جریمهی وابسته به محدودهی نگرانی برحسب بهینهسازی با نرم افزار نسخهی وCPLEX قسمت اولتابع هدف جمع هزینههای مرتبط با گرههای شبکه است و از دو بخش تشکیل شده است. بخش اول هزینهی دسترسی به شبکه است که متناسب با جمع توانهای عبوری از گره میباشد ( و بخش دوم نیز هزینهی انرژی با قیمت روز پیشرو میباشد ومتناسب با توان خالص انتقال یافته از طریق گره میباشد یعنی متناسب با تفاضل توانهای عبوری از گره است ( (. قسمت دومنیز هزینهی فرسودگی باطری به دلیل دشارژهای صورت گرفته توسط صورت گرفته است. برای بررسی عملکرد مدل مشخصات برخی اجزای شبکه و برخی دادههای ورودی به صورت ذیل میباشند: Microgrid Central Controller 793

6 و 2 جدول مشخصات اجزای شبکه و برخی دادههای ورودی کاربران باالتر باشد به دلیل امکان دریافت انرژی کمتر از پارامتر n مقدار پارامتر مقدار /25H 3 kw 6 kwh 6/6 kwh / /2 /93 % /5 / /9 %/84 %/3 5 kw b r دادههای حداکثر توان خورشیدی ( دادههای مربوط به خودروی الکتریکی بادی و و ( از مقالهی ]3[ گرفته شده است. دادههای مربوط به بار خانگی نیز از] 3 [ و] 5 [اخذ خودروی کاربران هزینهها باالتر خواهد رفت. جدول 3 نتایج آزمایشات بررسی هزینههای انرژی مبادله شده بر اساس تغییر محدودههای اضطراب آزمایشات آزمایش اول آزمایش دوم آزمایش سوم Cost ( 3 /485 3/66 3/7476 ( / /5 در آزمایشهای صورت گرفته فرض شده است که خودرو تنها در بازهی 4:45 تا 6:45 و 2:3 تا 6:45 به نقطهی شارژ متصل است.نمودارهای وضعیت شارژ باطری خودرو در آزمایش صورت گرفته به صورت شکل 3( میباشد. سه شده است.نتایج سه آزمایش صورت گرفته برای به دست آمدن هزینهی انرژی پرداختیتوسط کاربر یعنی همان تابع هدف رابطهی 24( با در نظر گرفتن جریمهی پرداختی به کاربر طبق جدول 2 میباشد. جدول 2 نتایج آزمایشات بررسی هزینه انرژی پرداختی توسط کاربر بر اساس تغییر محدودههای اضطراب Cost( آزمایشات ( شکل 3 وضعیت شارژ باطری خودرو در آزمایشهای یک تا سه در تابع هدف Cost 3 /688 2/6996 / آزمایش اول آزمایش دوم /77 آزمایش سوم /5 شکل 3 نشان میدهد که باطری خودرو در ساعتهای 4:45 لذا نتایج کامال منطقی میباشد. هر چقدر میزان اضطراب کاربر بیشتر باشد کاربر باید پول کمتری به شبکه بپردازد. یعنی بدون در نظر گرفتن میزان اضطراب کاربر هزینهی پرداختی 3/688 میباشد و سپس با در نظر گرفتن میزان اضطراب این مقدار باالتر یعنی 4 و 45 هزینههای پرداختی به ترتیب 6996/ /77 خواهد بود. در جدول 3 نتایج آزمایشات بررسی هزینههای انرژی مبادله شده یعنی همان تابع هدف رابطهی 25( درج گردیده است که بیانگر این نکته است که هر چه محدودهی اضطراب تا 6:45 و در ساعتهای 2:3 تا 6:45 که کاربر به خودروی خود احتیاجی ندارد بسته به میزان محدودهی اضطراب جهت تامین انرژی بارها و یا فروش به شبکه استفاده میشود. وضعیت شارژ باطری با باال رفتن میزان اضطراب کاربر برای نرسیدن به مقصد بیشتر میشود یعنی میزان تخلیهی آن کمتر خواهد بود. ذکر این نکته قابل توجه است که در زمانی که کاربر میخواهد از منزل خارج شود یعنی ساعت 7 صبح باطری در باالترین وضعیت شارژ خود یعنی شارژ کامل میباشد. 794

7 در نهایت برنامهریزی انرژی برای هر سه آزمایش به دست آمده است: شکل 4 آزمایش یک بدون در نظر گرفتن محدودهی اضطراب شکل 5 آزمایش دو با در نظر گرفتن محدودهی اضطراب /( شکل 6 با در نظر گرفتن محدودهی اضطراب /5( با مقایسهی شکلهای 4 تا 6 مشاهده میشود که با باال رفتن مقدار محدودهی اضطراب میزان دشارژ باطری خودرو کاهش مییابد به طوریکه در آزمایش سوم باطری دشارژ نمیشود. خودرو در آزمایش اول شارژ باطری در ساعات اولیهی شب 6:45 تا 3:5 صورت میگیرد. دیگر یعنی عملیات دشارژ نیز در دو مرحله بین ساعات 5: تا 7: و 2:45 تا :45 انجام میشود.در آزمایش دوم شارژ خودرو به محض رسیدن خودرو به خانه در ساعت 5: شروع شده و تا 6:45 ادامه مییابد. فرآیند دشارژ در ساعت 2:45 آغاز و در ساعت :45 پایان مییابد. در ساعت 3: تا 5: نیز عملیات شارژ دوباره صورت میگیرد. در آزمایش سوم با توجه به اضطراب باالی کاربر عملیات شارژ از 5: تا 6: صورت میگیرد و دیگر هیچگاه جهت نیازهای بارها و شبکه دشارژ نمیشود. بارهای خانگی بار بحرانی بار قابل تنظیم بار قابل جابجایی و شارژ مورد نیاز خودروی الکتریکی( بخشی از نیاز خود را از منابع تجدید پذیر خورشیدی و بادی تامین خواهند کرد و بخشی دیگر را نیز از شبکه خریداری خواهند کرد. انرژی حاصل از دشارژ خودرو الکتریکی نیز در برخی ساعات صرف بارهای خانگی خود ریز شبکه و در مابقی ساعات به شبکه فروخته میشود. الزم به ذکر است که منابع تجدید پذیر نیز امکان فروش برق به شبکه را خواهند داشت. 4. جمعبندی و نتیجهگیری در این مقاله یک مدل بهینهسازی انرژی برای یک ریز شبکهی مسکونی حاوی سیستم V2G مورد بازنگری ویرایش قرار گرفته و تا حدودی توسعه داده شده و با توجه به دادههای قابل دسترسی صحتسنجی آن صورت گرفته است. ریزشبکهی مورد بررسی حاوی بارهای بحرانی ثابت( قابل تنظیم و قابل جابجایی منابع تجدید پذیر خورشیدی و بادی و با محوریت سیستم V2G است. سیستم مدیریت بهینهی انرژی به عنوان یک مسئلهی MIPنوشته شده است وهزینههای انرژی با در نظر گرفتن هزینهی فرسایش باطری جریمهی بار تحویل نشده و جریمهی اضطراب کاربر محاسبه شده است. در این مقاله از دوتابع هدف استفاده شده است که در تابع هدف اول هزینههای انرژی پرداختی کاربر بررسی شده است و در تابع هدف دوم با بررسی هزینههای انرژی مبادله شده با شبکه وضعیت دشارژ خودرو با در نظر گرفتن قدرت 795

8 Arbitrage and some welfare effects, Energy Economics, vol. 3, no. 2, pp , [2] P. Richardson, D. Flynn, and A. Keane, Optimal Charging of Electric Vehicles in LowVoltage Distribution Systems, IEEE ransactions on Power Systems, vol. 27, no., pp , 202. [3] L. Igualada, C. Corchero, M. CruzZambrano, and F. J. Heredia, Optimal Energy Management for a Residential Microgrid Including a VehicletoGrid System, Smart Grid, IEEE ransactions on, vol. 5, no. 4, pp , 204. [4] P. O. Kriett and M. Salani, Optimal control of a residential microgrid, Energy, vol. 42, no., pp , 202. [5] IDAE, "Análisis del consumoenergético del sector residencialenespaña, SECHSPAHOSEC project,institute for Energy Diversification,Saving (IDAE,Ministry of Industry," Energy and ourism, Spain, 20. انتخاب کاربر در میزان تخلیهی باطری خودرو مورد بررسی IREC Luciaاز Igualada قرار گرفته است. قدردانی نویسندگان مقاله از خانم موسسهی و بارسلونا موسسهی IDAE اسپانیا به خاطر در اختیار قرار دادن برخی دادههای مسئله جهت تست مدل مقاله و راهنماییهایشان قدردانی میکنند. مراجع [] R. Sioshansi, P. Denholm,. Jenkin, and J. Weiss, Estimating the value of electricity storage in PJM: 796