Φ. Δογάνης I. Bafumba Χ. Σαρίμβεης. Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Χημικών Μηχανικών Μονάδα Αυτόματης Ρύθμισης και Πληροφορικής

Transcript

1 Αριστοποίηση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από συντονισμένη αξιοποίηση υδροηλεκτρικών και συμβατικών μονάδων ηλεκτροπαραγωγής με χρήση μικτού ακέραιου τετραγωνικού προγραμματισμού. Φ. Δογάνης I. Bafumba Χ. Σαρίμβεης Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Χημικών Μηχανικών Μονάδα Αυτόματης Ρύθμισης και Πληροφορικής

2 2 Hydrothermal Scheduling Το πρόβλημα συντονισμού υδροηλεκτρικών και συμβατικών μονάδων συνίσταται στον προσδιορισμό των ενεργειών και του ρυθμού λειτουργίας των μονάδων σε κάθε χρονική περίοδο, με στόχο την ελαχιστοποίηση του συνολικού κόστους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (Wood & Wollenberg, 1996). Όσον αφορά στο κόστος: κόστος λειτουργίας των συμβατικών μονάδων η λειτουργία των υδροηλεκτρικών μονάδων προκαλεί συγκριτικά αμελητέα επιβάρυνση. Παράλληλα, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα ιδιαίτερα τεχνικά χαρακτηριστικά λειτουργίας των δυο ειδών μονάδων πραγματικές συνθήκες λειτουργίας ρεαλιστικά και άμεσα εφαρμόσιμα προγράμματα λειτουργίας

3 Συντονισμός υδροηλεκτρικών και 3 συμβατικών μονάδων Το πρόβλημα συνήθως δεν αντιμετωπίζεται στην ολότητά του, αλλά λόγω της δυσκολίας επίλυσής του διασπάται σε μικρότερα προβλήματα (Wood&Wollenberg, 1996). Για παράδειγμα στην μεθοδολογία που προτείνουν οι Gil, Bustos&Rudnick (2003), το πρόβλημα διαμορφώνεται ως πρόβλημα μικτού ακέραιου μη γραμμικού προγραμματισμού και το επιλύεται σε τρία στάδια: Αριστοποιείται η ενέργεια που θα παράγουν όλα τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια Καθορίζεται ποιες θερμικές μονάδες θα λειτουργούν κάθε περίοδο Επιμερίζεται η συνολική ενέργεια στις θερμικές μονάδες που θα λειτουργήσουν

4 Συντονισμός υδροηλεκτρικών και 4 συμβατικών μονάδων Οι Gil, Bustos&Rudnick (2003) κρίνουν ως ανεπαρκείς τις συμβατικές τεχνικές μαθηματικής βελτιστοποίησης επειδή: Δεν μπορούν να αντιμετωπίσουν μεγάλα προβλήματα Αναγκαστικά αντιμετωπίζουν απλουστευμένες εκδοχές του φυσικού συστήματος Δεν είναι σε θέση να εξασφαλίσουν τον προσδιορισμό της βέλτιστης λύσης Διαμορφώνουν το πρόβλημα ως μη γραμμικό και για τους λόγους αυτούς παρουσιάζουν μια μέθοδο επίλυσης με χρήση Γενετικών Αλγορίθμων.

5 Συντονισμός υδροηλεκτρικών και 5 συμβατικών μονάδων Οι Troncoso et.al. (2008): Αναφέρουν επίσης ότι δεν είναι εφικτή η ανάπτυξη μοντέλου γραμμικού ή τετραγωνικού προγραμματισμού που να είναι σε θέση περιγράψει την αντικειμενική συνάρτηση και τους περιορισμούς Για την επίλυση του μη γραμμικού προβλήματος που διαμορφώνεται χρησιμοποιούν επίσης Γενετικούς Αλγόριθμους. Οι Lakshminarasimman και Subramanian (2008): Συγκρίνουν διάφορες μεθοδολογίες που χρησιμοποιούνται ευρέως για την επίλυση προβλημάτων συντονισμού υδροηλεκτρικών και συμβατικών μονάδων, όπως η Τεχνική Σμήνους Σωματιδίων Particle Swarm, διάφορες Εξελικτικές μέθοδοι, ο Μη γραμμικός προγραμματισμός και ο Δυναμικός προγραμματισμός. Ως καλύτερη μέθοδο αναδεικνύουν μια διαφορική υβριδική εξελικτική μεθοδολογία, η οποία ενσωματώνει τους περιορισμούς αυτής της κατηγορίας προβλημάτων και έχει χαμηλότερες υπολογιστικές απαιτήσεις.

6 6 Κύριες μεταβλητές του προβλήματος Pit, U i, t PH h, t VE h, t Παραγόμενη ενέργεια από την θερμική μονάδα i την περίοδο t (MWh) Δυαδική (0/1 off/on) μεταβλητή για την κατάσταση λειτουργίας της θερμικής μονάδας i την περίοδο t Παραγόμενη ενέργεια από την υδροηλεκτρική μονάδα h την περίοδο t (MWh) Αποθηκευμένη ενέργεια από την υδροηλεκτρική μονάδα h την περίοδο t (MWh)

7 7 Παράμετροι Τεχνικά χαρακτηριστικά θερμοηλεκτρικών μονάδων Ελάχιστη και Μέγιστη παραγόμενη ενέργεια των θερμικών μονάδων σε μια ώρα (MWh) Άνω όριο στην αύξηση και στην μείωση της παραγόμενης ενέργειας της θερμικής μονάδας (MWh/h) Ελάχιστος χρόνος λειτουργίας της θερμικής μονάδας μετά την ενεργοποίησή της (h) Ελάχιστος χρόνος αδράνειας των θερμικών μονάδων μετά την διακοπή λειτουργίας (h)

8 8 Παράμετροι Τεχνικά χαρακτηριστικά υδροηλεκτρικών μονάδων Ελάχιστη και Μέγιστη παραγόμενη ενέργεια από κάθε υδροηλεκτρική μονάδα σε μια ώρα (MWh) Αρχική, Ελάχιστη και Μέγιστη στάθμη νερού στον ταμιευτήρα της υδροηλεκτρικής μονάδας (MWh) Εισροή νερού στον ταμιευτήρα της υδροηλεκτρικής μονάδας (MWh) Καθυστέρηση μετάβασης του νερού από τον ταμιευτήρα στον επόμενό του ταμιευτήρα (h)

9 9 Παράμετροι Στοιχεία κόστους Παράμετροι κόστους λειτουργίας της θερμικής μονάδας συναρτήσει της παραγόμενης ενέργειας ( ) Κόστος έναρξης και λήξης λειτουργίας της θερμικής μονάδας ( ) Χαρακτηριστικά του συστήματος Ζήτηση ενέργειας ανά χρονική περίοδο (MWh) Ενέργεια σε εφεδρεία, δυνητικά διαθέσιμη σε κάθε χρονική περίοδο (ώρα) (MWh)

10 10 Εφαρμογή 10 θερμοηλεκτρικές μονάδες Ανεξάρτητες μεταξύ τους 11 υδροηλεκτρικές μονάδες Σύζευξη σε ορισμένες

11 11 Ζήτηση

12 12 Αποτελέσματα Έγινε προσομοίωση της λειτουργίας του παραπάνω συστήματος για διάστημα 7 ημερών με περιόδους απόφασης διάρκειας 1 ώρας. Το πρόβλημα έχει μεταβλητές, από τις οποίες οι είναι ακέραιες και περιορισμούς.

13 13 Παραγωγή ενέργειας Αρχική στάθμη: 60% του μέγιστου

14 14 Αποθέματα νερού υδροηλεκτρικών Αρχική στάθμη: 60% του μέγιστου

15 15 Παραγωγή ενέργειας Αρχική στάθμη: 70% του μέγιστου

16 16 Αποθέματα νερού υδροηλεκτρικών Αρχική στάθμη: 70% του μέγιστου

17 Συμπεράσματα RENES 2010 Η προτεινόμενη μεθοδολογία παρέχει έναν αποτελεσματικό τρόπο αντιμετώπισης του προβλήματος συντονισμού συστοιχίας θερμικών και υδροηλεκτρικών μονάδων ηλεκτροπαραγωγής με στόχο την ελαχιστοποίηση του κόστους παραγωγής. Οδηγεί στην διαμόρφωση ενός προβλήματος με τετραγωνική συνάρτηση κόστους και γραμμικούς περιορισμούς, το οποίο ενσωματώνει τις τεχνικές και οικονομικές παραμέτρους λειτουργίας των μονάδων αυτών και εξασφαλίζει τον προσδιορισμό του ολικού βέλτιστου. Η αποτελεσματικότητα της μεθοδολογίας αξιολογήθηκε με την εφαρμογή της σε ένα ρεαλιστικό σύστημα ηλεκτροπαραγωγής. Tο πρόβλημα επιλύεται σε σύντομο χρόνο παρέχοντας ένα λεπτομερές χρονοδιάγραμμα, ενώ ταυτόχρονα αριστοποιείται η διαχείριση των υδάτινων αποθεμάτων των ταμιευτήρων. 17