ΔΡΑΚΑΚΗ ΚΟΡΙΝΑ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΑ. Επιβλέπων Καθηγητής : Ευστρατιάδης Ανδρέας Επίκουρος Καθηγητής, Ε.Μ.Π. Αθήνα, Νοέμβριος 2021

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ & ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Βελτιστοποιώντας τη διαχείριση των Μικρών Υδροηλεκτρικών Έργων : από τη συνεργατική λειτουργία του συστήματος στροβίλων στην ημερήσια πρόγνωση της ενέργειας ΔΡΑΚΑΚΗ ΚΟΡΙΝΑ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΑ Επιβλέπων Καθηγητής : Ευστρατιάδης Ανδρέας Επίκουρος Καθηγητής, Ε.Μ.Π Αθήνα, Νοέμβριος 2021

2 Κίνητρα και πρακτική αξία της παρούσας έρευνας o Το νέο θεσμικό πλαίσιο που η Ευρωπαϊκή Ένωση εισάγει στην αγορά ενέργειας, γνωστό με την ονομασία Target Model, αποβλέπει στην δημιουργία ενιαίας Ευρωπαϊκής αγοράς αλλάζοντας έτσι το επίπεδο ανταγωνισμού με στόχο την μεγιστοποίηση του οφέλους των αγοραστών. o Η μελλοντική είσοδος των Μικρών Υδροηλεκτρικών Έργων (ΜΥΕ) στο χρηματιστήριο ενέργειας γεννά την ανάγκη επιπλέον έρευνας γύρω από τον βέλτιστο προγραμματισμό τους και την αξιόπιστη πρόγνωση παραγόμενης ενέργειας. o Η ιδιαιτερότητα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας λόγω της άμεσης εξάρτησής τους από τα καιρικά φαινόμενα, τίθεται κρισιμότερη στην κατηγορία ΜΥΕ χωρίς αποθήκευση, περίπτωση την οποία επιλέξαμε να μελετήσουμε.

3 Παρουσίαση του αντικείμενου έρευνας Ο στόχος της παρούσας έρευνας είναι διττός : 1. Βελτιστοποίηση της έκφρασης του κανόνα λειτουργίας του συστήματος στροβίλων. 2. Δημιουργία αξιόπιστων μοντέλων πρόγνωσης της παραγόμενης ενέργειας. Η από κοινού εφαρμογή των δύο παραπάνω βημάτων, εξασφαλίζει την αποδοτικότερη εκμετάλλευση του έργου από τον χρήστη.

4 Περιοχή μελέτης και πιλοτικό έργο Υποθετικό ΜΥΗΕ εκτροπής στον Αχελώο, με ύψος πτώσης 150 m Αναγωγή δεδομένων παροχής από το φράγμα των Κρεμαστών στον Αχελώο (Δ. Ελλάδα), θεωρώντας ότι στη θέση του ΜΥΗΕ παράγεται το 1:40 των εισροών στον ταμιευτήρα. Ημερήσια δεδομένα για 39 έτη (Μάιος 1969-Δεκέμβριος 2008). Μέση ημερήσια παροχή: 2.15 m 3 /s. Εκτίμηση ημερήσιας επιφανειακής βροχόπτωσης στη λεκάνη ανάντη του ΜΥΗΕ από σημειακά δείγματα δέκα βροχομετρικών σταθμών.

5 Μείγμα στροβίλων Αμελητέα αποθηκευτική ικανότητα έργου Σχεδιασμός του συστήματος με μείγμα στροβίλων διαφορετικής δυναμικότητας μεγάλος (1), μικρός (2) με σκοπό την εκμετάλλευση κατά το δυνατό μεγαλύτερου εύρους παροχών. Στη γενική περίπτωση N στροβίλων, με εύρος παροχών λειτουργίας για κάθε στρόβιλο (q i,min, q i,max ), η παροχή λειτουργίας για το σύστημα κυμαίνεται από q min = min(q i,min ) έως q max = σ N i=1 q i,max Συνολική παραγόμενη ισχύς από μείγμα N = 2 στροβίλων: p tot = ρ g h n η 1 q 1 q 1,max q 1 + η 2 q 2 q 2,max q 2

6 Καμπύλες βαθμού απόδοσης Αναλυτική έκφραση των καμπυλών βαθμού απόδοσης στροβίλων ευκολία, καλύτερη εποπτεία στους υπολογισμούς, εφαρμογή της σχέσης για κάθε διερχόμενη παροχή. Αναλυτική φόρμουλα για q min /q nom q/q nom 1 = min + q q n m a ( max min by Sakki (2020) and Sakki et al. (2021) = max q q n m a ( max min Αναλυτική φόρμουλα για 1 q/q nom q/q max

7 Τεχνικά χαρακτηριστικά Και οι δυο στρόβιλοι είναι τύπου Francis, από τον συνδυασμό του ύψους πτώσης (150 m) και των διερχόμενων παροχών. Παραδοχή μεγάλης διαμέτρου αγωγού πτώσης, ώστε οι γραμμικές απώλειες να θεωρούνται αμελητέες και το καθαρό ύψος πτώσης ίσο με το ολικό. Θεωρήσαμε ότι οι στρόβιλοι λειτουργούν έως q max = q n m. Οι παράμετροι a, b είναι οι αντίστοιχες παράμετροι σχήματος που χρησιμοποιεί η αναλυτική φόρμουλα της καμπύλης του βαθμού απόδοσης. Στρόβιλος Τ1 Στρόβιλος Τ2 Μείγμα Ονομαστική Ισχύς, P (MW) Μέγιστη παροχή, q max (m 3 /s) Ελάχιστη παροχή, q min (m 3 /s) Παράμετρος σχήματος a Παράμετρος σχήματος b

8 Μέρος Ι: Βέλτιστος προγραμματισμός μείγματος στροβίλων

9 Ιεραρχικός κανόνας Θυμηθείτε q > q 1,max + q 2,max NO q i = 0 Στην περίπτωσή μας, q 2,min < q 1,min, q 2,max < q 1,max q 2,min < q < q 1,min NO YES q i = q i,max YES q 2 = min( q, q 2,max NO q 1,min < q < q 1,max + q 2,max YES q 1 = min( q, q 1,max If (q q 1 > q 2,min, q 2,max q 1,max q 2 = min(q q 1, q 2,max else, q 2 = 0 q 2,min q 1,min

10 Συνεργατικός κανόνας YES NO q 2,min < q q > q 1,max + q 2,max q i = 0 < q 1,min Donation point q i = q i,max q 2 = min q, q 2,max q 1,min < q < q 1,max + q 2,max q 1,min < q < q 2,max q 1 = 0 q 1,max < q < q q 1,max + q 2,min < q 1,max + q < q 1,max + q 2,max 2,min q 2,max < q < q 1,max T1 Στην περίπτωσή μας, q 2,min < q 1,min, q 2,max < q 1,max T2 until η 1 q 1 = η 2,max q 2,max Τ1 η 1 < η 1,max, Τ2 η 2 = η 2,max Τ1 η 1 η 1,max, Τ2 η 2 = η 2,max

11 Donation area I Θυμηθείτε Donation area II p tot = ρ g h n η 1 q 1 + η 2 q 2

12 Υδρολογικό καθεστώτος - κανόνες λειτουργίας

13 Γενικευμένοι τύποι προγραμματισμού μείγματος στροβίλων Διατύπωση μέσω αδιαστατοποιημένων σχέσεων p max p 1,max = 1, h n = 1 = φ, p 2,max = 1 φ φ: δείκτης διαμερισμού ισχύος q max = 1 ρ q h n q min = 1 ρ q h min n φ + 1 φ η 1,max η 2,max θ 1φ, θ 2(1 φ η 1,max η 2,max q max = q nom, p nom = p max q i,max = p i,max ρ g η i,max h n u = q/q max, q = u q max p i = p 1,i + p 2,i, p i = ρ q η i u q h n q i,min = θ i q i,max p i : αδιαστατοποιημένο άθροισμα ισχύος

14 Σενάρια μείγματος στροβίλων p ideal,i = ρgq φ, θ i, η i,max, a i, b i h n,θεωρητική ισχύς ιδεατού συστήματος στροβίλων ( i = ; φ i = 0.2, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, θ i = 0. 5 ή 0.5, 0. για Francis και Pelton αντίστοιχα; Δύο κατηγορίες σύγκρισης σεναρίων : Α) Δp i = (p ideal,i p i Β) Δp i,operational = p synerg,i p hier,i Combination I Turbine 1 Turbine 2 Turbine Type Francis Francis parameter i i,max a i b i Combination II Turbine 1 Turbine 2 Turbine Type Francis Francis parameter i i,max a i b i Combination III Turbine 1 Turbine 2 Turbine Type Pelton Francis parameter i i,max a i b i Combination IV Turbine 1 Turbine 2 Turbine Type Pelton Francis parameter i i,max a i b i

15 Α. Δp i = (p ideal,i p i Β. Δp i,operational = p synerg,i p hier,i

16 Μέρος ΙΙ: Μέθοδοι πρόγνωσης ενέργειας επόμενης ημέρας

17 Άμεση μέθοδος πρόγνωσης Generic Model Crossroad Model E t+1 = ቊ 4.79 E t 0.48 E 0.12 t 1 (p 0.15 t, p t > 0. mm E t, p t 0. mm E t+1 = 3.88 (E t 0.54 (E t (p t 0.16, p t > 0. mm.5 E t 0.63 E t , p t 0. mm

18 Έμμεση μέθοδος πρόγνωσης Δύο προσεγγίσεις βαθμονόμησης παραμέτρων: q t+1 = ቊ a 1 (q min5 + β 1 (q t + γ 1 (q meant, p t < 0. mm a 2 (q min5 + β 2 (q t + γ 2 (q meant + δ(p t, p t 0. mm I. Simple Model: εξασφάλιση βέλτιστης βαθμονόμησης με ελαχιστοποίηση του RMSE; II. Smart Model: προσαρμογή του RMSE στο εύρος λειτουργίας των στροβίλων, συμβολή γνώσης των χαρακτηριστικών του συστήματος για τον ορισμό του όρου σφάλματος; q max,t t q f recast, q s > q max,t t and q f recast < q max,t t e = q f recast q min,t t, q s < q min,t t and q f recast > q min,t t q s q f recast, q s > q min,t t and q s < q max,t t q s & e = 0 e 0 q e = 0 q f recast f recast q s & q min,t t q max,t t

19 Έμμεση μέθοδος πρόγνωσης Συνεργατικός κανόνας

20 Machine Learning Model (DNN) εξελιγμένο μοντέλο πρόγνωσης δεν λαμβάνει υπόψιν του την τεχνική πληροφορία- απλούστεροι υπολογισμοί και τεχνολογικά εργαλεία; τρία επίπεδα 128, 64 και 32 νευρώνες; δεδομένα εισόδου: παροχή των τελευταίων 5 ημερών, βροχή των προηγούμενων 2 ημερών. Συνεργατικός κανόνας

21 Συγκεντρωτικά αποτελέσματα μοντέλων πρόγνωσης ενέργειας Efficiency, E t,bencmark = mean E t,obs Modified efficiency, E t,bencmark = E t 1,obs F = 1 n σ t=1 E t,obs E t,forecast 2 σn 2 t=1 E t,obs E t,bencmark Efficiency of Energy Modified efficiency of Energy error statistics Energy Model Lag-1 Coeff. of type Full Full Mean St. dev. autocorrelat Calibr. Valid. Calibr. Valid. skewnes data data (MWh) (MWh) s ion Naïve n/a n/a n/a n/a n/a Direct Generic Direct Crossroad Indirect Simple Indirect Smart DNN n/a n/a n/a n/a

22 Παράγοντας της αβεβαιότητας Στάσιμο μοντέλο πρόγνωσης πλήθος συνθετικών τιμών του σφάλματος w t = E t, s E t,f r. ακολουθεί Γάμα Κατανομή. E t = E t,ντετερμ + w t,συνθ. Μεταφορά του υψηλού σφάλματος των υγρών μηνών στους ξηρούς μήνες. συντελεστής ασυμμετρίας = συντελεστής αυτοσυσχέτισης =

23 Κυκλοστάσιμο μοντέλο πρόγνωσης Month Mean (MWh) Standard deviation (MWh) Skewness Lag-1 correlation JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC

24 Πολιτικές πώλησης ενέργειας της επόμενης ημέρας Εφαρμογή Smart Model με κυκλοστάσιμη μέθοδο προσέγγισης αβεβαιότητας. Ριψοκίνδυνη, ασφαλής και συντηρητική πολιτική πώλησης με χρήση των 10, 50 και 90% ποσοστημορίων. Δεδομένα αγοράς ενέργειας ( /MWh) Τιμή πώλησης εγγυημένης 60 ενέργειας Τιμή πώλησης δευτερεύουσας ενέργειας Ρήτρα ελλείμματος ενέργειας 30 50

25 Βασικά συμπεράσματα & στόχοι Μελετήθηκαν: a) Επέκταση αναλυτικής σχέσης βαθμού απόδοσης στροβίλων διαφόρων τύπων. b) Γενίκευση-αδιαστατοποίηση σχέσεων λειτουργίας συστήματος στροβίλων. c) Ανάπτυξη συνεργατικού κανόνα και αντιπαραβολή με τον ιεραρχικό. d) Σημασία του παράγοντα της πληροφορίας στα προβλήματα πρόγνωσης. e) Ένταξη της αβεβαιότητας & εποχικότητας στην πρόγνωση της παραγωγής ενέργειας. f) Πρακτική εφαρμογή σε πιθανές πολιτικές αγοράς. Στοχεύουμε: 1. Αξιολόγηση του συνεργατικού κανόνα σε συνάρτηση με το υδρολογικό καθεστώς. 2. Ενσωμάτωση των χαρακτηριστικών του έργου στη διαδικασία βαθμονόμησης του DNN. 3. Επιθυμούμε να εξασφαλίσουμε μια αποδοτική και αξιόπιστη μεθοδολογία πρόγνωσης, περιορίζοντας τις απαιτήσεις σε υπολογιστικούς πόρους, τεχνογνωσία και δεδομένα.

26 Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας