Βέλτιστος Προγραμματισμός Λειτουργίας Υβριδικού Συστήματος Φωτοβολταϊκών Και Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού Και Θερμότητας Με Βάση Την Ανάλυση Διακύμανσης Του Ηλεκτρικού Φορτίου

Abstract

Τα τελευταία χρόνια η ανάγκη αποδοτικότερης χρησιμοποίησης των πηγών ενέργειας και του περιορισμού των δυσμενών επιπτώσεων τους στο περιβάλλον, γίνεται όλο και πιο επιτακτική. Ειδικότερα, η αξιοποίηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και η διείσδυση τους στη διαδικασία παραγωγής ηλεκτρισμού, βρίσκονται στο επίκεντρο. Η ανάγκη για τη συμμετοχή τέτοιων εναλλακτικών μορφών ενέργειας οδήγησε στη Διασπαρμένη Παραγωγή. Η παραγωγή, δηλαδή, ενέργειας μικρής κλίμακας, με τις μονάδες να εντοπίζονται κοντά στο φορτίο. Η συνεχώς αυξανόμενη ένταξη των μονάδων Διασπαρμένης Παραγωγής στο δίκτυο Μέσης και Χαμηλής Τάσης, τα τελευταία χρόνια, επέφερε σημαντική αλλαγή στη συμβατική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από μεγάλες κεντρικές εγκαταστάσεις παραγωγής. Ωστόσο, επί του παρόντος, μεγάλο ενδιαφέρον εμφανίζει η διασύνδεση μικρών μονάδων παραγωγής στα Συστήματα Διανομής, Χαμηλής Τάσης, που αποτελούν ένα νέο τύπο συστήματος ισχύος που ονομάζεται Μικροδίκτυο. Τα Μικροδίκτυα βασίζονται στην ύπαρξη ενός συνόλου ηλεκτρικών και θερμικών φορτίων τοποθετημένων μαζί με πηγές ηλεκτρικής ισχύος και ωφέλιμης θερμότητας μικρής κλίμακας. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η εκτίμηση της βέλτιστης ημερήσιας παραγωγής των μονάδων ενός Υβριδικού Συστήματος, που αποτελείται από Φωτοβολταϊκά Στοιχεία (PV) και από μονάδες Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας (CHP). Ο Βέλτιστος Προγραμματισμός Λειτουργίας πραγματοποιείται για ένα 24ωρο, και βασίζεται στα δεδομένα της ηλεκτρικής και θερμικής ζήτησης. Το γεγονός ότι η συχνότητα των μετρήσεων είναι αρκετά μεγάλη, (τα δεδομένα του φορτίου προκύπτουν ανά 5 min), καθώς και ότι το συνολικό φορτίο των καταναλωτών είναι σχετικά μικρό (το Μικροδίκτυο αποτελείται από 150 νοικοκυριά), προσδίδουν στην ημερήσια διακύμανση του ηλεκτρικού φορτίου έντονες διακυμάνσεις. Προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η παραγωγή των μονάδων, αρχικά, αναλύεται το ηλεκτρικό φορτίο, ώστε το μοντέλο που θα προκύψει να εκφράζει τα στοχαστικά χαρακτηριστικά του και να δίνει μία πιο ομαλή καμπύλη αυτού. Η ανάλυση του φορτίου προκύπτει από τον Αλγόριθμο Kalman (Kalman Filter & Kalman Smoother) και βασίζεται στην ανάλυση Χρονοσειρών και στο Μοντέλο Εσωτερικής Κατάστασης (State Space Model).Στη συνέχεια, υπολογίζεται η Συνάρτηση Κόστους για τη λειτουργία των συγκεκριμένων μονάδων, η οποία αποτελεί την Αντικειμενική Συνάρτηση Ελαχιστοποίησης. Κατά τη Βελτιστοποίηση, οι Περιορισμοί προκύπτουν από τα δεδομένα του φορτίου και από τις μονάδες παραγωγής. Υπάρχουν τρία σενάρια προς εξέταση, κάθε ένα από τα οποία δίνει διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας των μονάδων Διασπαρμένης Παραγωγής και διαφορετικούς Περιορισμούς. Τελικά, από την υλοποίηση των παραπάνω διαδικασιών στο πρόγραμμα Matlab και από την ελαχιστοποίηση της Συνάρτησης Κόστους του Υβριδικού συστήματος, προκύπτει η προτεινόμενη λειτουργία του Μικροδικτύου και η βέλτιστη μέθοδος ελέγχου των μονάδων παραγωγής του. Over the past years, the need for more efficient use of the energy sources and for reduction of their adverse effects on the environment has been placed in the center of attention, rendering the development of Renewable Energy a highly critical task. As a result, the penetration of Distributed Generation into the Electric Energy Systems is rapidly increasing. Distributed Generation is defined as small-scale electricity generation, with the generation units being located close to the load. The large scale integration of Dispersed Generation, either at the MV or at the LV distribution levels, brought an important change in the conventional centralized production of electrical power. However, nowadays, it’s the interconnection of small modular generation sources at the LV level, forming a new type of power system, the MicroGrid, which presents great interest. MicroGrids may also include storage equipment, network control and heat recovery systems aiming at recovering waste heat to power CHP applications. These late devices contribute to improve the energy effectiveness of the MicroGrid. The aim of this study is to estimate the optimal daily production of a Hybrid Photovoltaic and Cogeneration System’s units. The Optimal Operation Planning is carried out every 24 hours and it is based on the electrical and thermal load data. First of all, since the smaller the MicroGrid is, the "peakier" its load will be, the electrical load profile needs to be smoothed out. In order to optimize the units’ production, a load model must be developed to express the curve’s stochastic characteristics and to average out its short-term peaks. The slower fluctuation is extracted by the Kalman Algorithm (Kalman Filter & Kalman Smoother), and it is based on Time Series analysis and the State Space Model. Afterwards, the function of Operation Cost per day is calculated, which forms the Objective Function. In order to be minimized, the Constraints arise from the load data and the characteristics of the system’s units. There are three examples of operation mode, which give different results for the functioning of the Distributed Generation Units and different Constraints. Finally, these procedures are carried out by using Matlab. The results give the Optimal Operation Planning for the Hybrid System and propose the best - most economical method for controlling its units.