Ανάπτυξη Αλγορίθμου Ενεργειακής Διαχείρισης Στόλου Ηλεκτρικών Οχημάτων Στα Πλαίσια Λειτουργίας Ενός Εικονικού Σταθμού Παραγωγής

Abstract

Προβλέπεται ότι τα επόμενα χρόνια, τα ηλεκτρικά οχήματα με δυνατότητα σύνδεσης στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας (plug-in EVs), θα έχουν σημαντικά περιβαλλοντικά και οικονομικά πλεονεκτήματα λόγω της δυνατότητας τους να λειτουργούν ως διεσπαρμένες μονάδες αποθήκευσης ενέργειας. Παραδείγματος χάριν να αποθηκεύουν ενέργεια κατά τις ώρες εκείνες που η τιμή ενέργειας του δικτύου είναι χαμηλή μέσω της G2V λειτουργίας και να υποστηρίζουν την λειτουργία του δικτύου (περιορίζοντας τις αιχμές του δικτύου, ρυθμίζοντας την συχνότητα και τα επίπεδα τάσης του κ.α) εκχύοντας ενέργεια στο δίκτυο μέσω της V2G λειτουργίας τις ώρες με υψηλή ζήτηση φορτίου. Το βασικό χαρακτηριστικό που διαφοροποιεί τα ηλεκτρικά οχήματα από τις μπαταρίες είναι η κινητικότητα τους. Τα ηλεκτρικά οχήματα τις ώρες που δεν μετακινούνται συνδέονται με το δίκτυο απαιτώντας ένα ημερήσιο ποσό ενέργειας, ώστε να εξυπηρετήσουν τις ανάγκες μετακινησής τους.Παρόλο που η ενσωμάτωση διεσπαρμένων μονάδων όπως ευέλικτων φορτίων, ηλεκτρικών οχημάτων και μονάδων παραγωγής είναι επιθυμητή, εντούτοις, η αυξημένη διείσδυση αυτών των τεχνολογιών αναμένεται να τροποποιήσει τον τρόπο που τα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας λειτουργούσαν και κατασκευάζονταν. Είναι απολύτως κατανοητό ότι η ενσωμάτωση αυτών των διεσπαρμένων μονάδων χωρίς την συνεχή παρακολούθηση της λειτουργίας τους αναμένεται να είναι επιζήμια για την ασφαλή και ομαλή λειτουργία του δικτύου. Υπάρχουν κυρίως δύο εναλακτικές για να ενσωματώσουμε αποτελεσματικά τις διεσπαρμένες μονάδες σε ένα δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, η έννοια του μικροδικτύου (microgrids), ή η έννοια του εικονικού σταθμού παραγωγής (Virtual Power Plant).Η έννοια του μικροδικτύου αφορά κυρίως δίκτυα μέσης ή χαμηλής τάσης που διαθέτουν διεσπαρμένες μονάδες παραγωγής, διαχειρίσιμα φορτία και μονάδες αποθήκευσης ενέργειας, τα οποία λειτουργούν με ένα εννιαίο τρόπο διαχείρισης επιτυγχάνοντας την θεώρηση τους από το υπόλοιπο δίκτυο ως μια εννιαία οντότητα η οποία έχει την δυνατότητα ακόμα και να λειτουργήσει αυτόνομα. Από την άλλη πλευρά, οι οντότητες ενός εικονικού σταθμού παραγωγής (VPP) δεν είναι απαραιτητο να εντοπίζονται στην ίδια γεωγραφική περιοχή, αλλά χρησιμοποιώντας συστήματα επικοινωνίας καταφέρνουν να λειτουργούν σαν μια ενιαία αγοραστική οντότητα.Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία αποσκοπεί, να μελετήσει την ενσωμάτωση των ηλεκτρικών οχημάτων σε ένα δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο υιοθετεί την ένοια του εικονικού σταθμού παραγωγής (VPP). Με δεδομένο αυτό, ένα ιεραρχικό μοντέλο λήψης αποφάσεων αναπτύχθηκε, το οποίο έχει ως στόχο να περιγράψει την αληλεπίδραση των αποφάσεων μεταξύ του διαχειριστή του εικονικού σταθμού παραγωγής (aggregator) και των διεσπαρμένων μονάδων, όπως είναι τα ευέλικτα φορτία, τα διακοπτόμενα φορτία, τα ελαστικά φορτία τα οποία ελέγχονται μέσω καμπύλης τιμής, τις μονάδες παραγωγής και τα ηλεκτρικά οχήματα. Το συγκεκριμένο μοντέλο αποτυπώθηκε σαν ένα διεπίπεδο πρόβλημα βελτιστοποίησης για τον διαχειριστή του VPP ο οποίος συμβάλει στον ενεργειακό προγραμματισμό της επόμενης μέρας, μοντέλο το οποίο είναι παρόμοιο με ένα πρόβλημα παιγνίων του Stackelberg (Stackelberg type gme). Αυτό το διεπίπεδο πρόβλημα βελτιστοποίησης μετατράπηκε σε ένα μικτό ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού πρόβλημα χρησιμοποιώντας τις συνθήκες Karush-Kuhn-Tucker και την αρχή της δυϊκότητας. Ο διαχειριστής του VPP επιτυγχάνει την ενεργειακή διαχείριση των διεσπαρμένων μονάδων έμμεσα χρησιμοποιώντας σήματα τιμών τα οποία μεταφέρονται σε κάθε μια αγοραστική οντότητα του VPP, κάνοντας χρήση των μέσων τηλεπικοινωνίας (the ICT infrastructure) που εισάγει η τεχνολογία των έξυπνων δικτύων (the Smart Grid concept). Ο κύριως στόχος του αλγόριθμου είναι να μεγιστοποιήσει τόσο τα κέρδη του διαχειριστή του VPP, όσο και τα κέρδη των διεσπαρμένων μονάδων των οποίων το ενεργειακό προφίλ είναι γνωστό εκ των προτέρων. Τα ηλεκτρικά οχήματα ενσωματώνονται στο VPP θεωρώντας ότι η ροή ενέργειας τους από και προς το δίκτο είναι διττή (φόρτιση, εκφόρτιση).Πιο συγκεκριμένα, στοχεύουν να εξυπηρετήσουν τις ενεργειακές ανάγκες μετακίνσης τους στο χαμηλότερο κόστος καθώς και να παράξουν στο διαχειριστή του VPP υπηρεσίες αποθήκευσης ενέργειας συμβάλλοντας στην οικονομικότερη λειτουργία του.Τέλος, ο ημερήσιος ενεργειακός προγραμματισμός του στόλου των ηλεκτρικών οχημάτων καθορίζει το ενεργειακού του προφίλ βασιζόμενος σε μια στοχαστική πρόβλεψη των μετακινήσεων του.