Στοχαστική Βέλτιστη Λειτουργία Μικροδικτύου Λαμβάνοντας Υπόψιν το Σφάλμα Πρόβλεψης Παραγωγής και Ζήτησης

Abstract

Η αυξανόμενη διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) σε συνδυασμό με την επακόλουθη ενίσχυση του δικτύου, με στόχο τη βελτίωση της αξιοπιστίας του, έχουν οδηγήσει στην ταχεία ανάπτυξη των μικροδικτύων τα τελευταία χρόνια. Ένα μικροδίκτυο μπορεί να περιγραφεί ως ένα τοπικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, που αποτελείται από μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής, όπως ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, συμβατικές μονάδες μικρής κλίμακας και μονάδες αποθήκευσης ενέργειας, καθώς και φορτία. Λειτουργεί είτε ανεξάρτητα είτε σε συντονισμό με το ανάντι δίκτυο. Τα μικροδίκτυα προσφέρουν πληθώρα πλεονεκτημάτων σε σχέση με τα παραδοσιακά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα εξ’ αυτών είναι η συμβολή τους στην ενίσχυση της ανθεκτικότητας του ΣΗΕ, καθώς μετριάζουν τις επιπτώσεις των διαταραχών και των διακοπών ρεύματος του δικτύου. Για το λόγο αυτό, έχει αυξηθεί η παρουσία τους σε περιοχές αποκομμένες από το δίκτυο ή σε περιοχές με συχνές διακοπές ρεύματος. Επιπλέον, τα μικροδίκτυα επιτρέπουν την ενσωμάτωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, διευκολύνοντας την καθαρότερη και πιο βιώσιμη παραγωγή ενέργειας. Ένα ακόμη σημαντικό πλεονέκτημα των μικροδικτύων είναι ότι παρέχουν τη δυνατότητα τοπικής διαχείρισης της ενέργειας, ελαχιστοποιώντας με τον τρόπο αυτό, τις απώλειες μεταφοράς. Ωστόσο, η βελτιστοποίηση της λειτουργίας των μικροδικτύων αποτελεί σύνθετη πρόκληση, λόγω των αβεβαιοτήτων που σχετίζονται με την παραγωγή ενέργειας από τις ΑΠΕ και την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Η ακριβής πρόβλεψη της παραγωγής των ΑΠΕ και της ζήτησης του φορτίου είναι ζωτικής σημασίας για τη διασφάλιση της αξιόπιστης και οικονομικά αποδοτικής λειτουργίας των μικροδικτύων. Ωστόσο, οι παράγοντες που επηρεάζουν την πρόβλεψη αυτή ποικίλουν. Ενδεικτικά αναφέρονται οι διακυμάνσεις των καιρικών συνθηκών και οι αλλαγές στη συμπεριφορά των καταναλωτών. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, γίνεται μία προσπάθεια αντιμετώπισης των εμποδίων που θέτουν τα σφάλματα πρόβλεψης της παραγωγής από τις ΑΠΕ και της ζήτησης του φορτίου στη λειτουργία των μικροδικτύων. Προκειμένου να επιτευχθεί η παρουσίαση ενός ολοκληρωμένου πλαισίου για τη βέλτιστη λειτουργία του μικροδικτύου, γίνεται αρχικά μία ντετερμινιστική προσέγγιση του προβλήματος και στη συνέχεια μία στοχαστική. Κύριος στόχος, είναι η ελαχιστοποίηση του χρηματοοικονομικού κόστους λειτουργίας του μικροδικτύου, το οποίο διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στη μακροπρόθεσμη βιωσιμότητα του. Επίσης, επιδιώκεται η βελτιστοποίηση της λειτουργίας των στοιχείων του και η αποδοτικότερη αξιοποίηση του ανάντι δικτύου όταν υπάρχει ανάγκη σε ισχύ που δεν καλύπτεται από τα στοιχεία του μικροδικτύου, ενώ παράλληλα λαμβάνονται υπόψη οι αβεβαιότητες που σχετίζονται με την πρόβλεψη. Για την επίτευξη της στοχαστικής βελτιστοποίησης, είναι απαραίτητη η ανάπτυξη αντιπροσωπευτικών σεναρίων για την παραγωγή των ΑΠΕ και τη ζήτηση. Για το λόγο αυτό, χρησιμοποιήθηκε ένας αλγόριθμος παραγωγής και μείωσης σεναρίων. Τα αποτελέσματα των περιπτώσεων που εξετάστηκαν με την χρήση του στοχαστικού προβλήματος που αναπτύχθηκε, δείχνουν πως η συμβολή των ΑΠΕ είναι καθοριστική για την οικονομικότερη λειτουργία ενός μικροδικτύου, καθώς καλύπτουν σημαντικό μέρος της ζήτησης. Επιπλέον, η αύξηση της παραγωγής των ΑΠΕ, εισάγει μεγαλύτερη αβεβαιότητα στην πρόβλεψη της παραγωγής, γεγονός που καθιστά δυσκολότερο τον προγραμματισμό της λειτουργίας του 9 μικροδικτύου. Αναφορικά με τη συσκευή αποθήκευσης ενέργειας, προκύπτει πως ο διαχειριστής εκμεταλλεύεται τις περιόδους χαμηλής ζήτησης ή τις περιόδους όπου το κόστος αγοράς ενέργειας είναι χαμηλό, για να τη φορτίσει, με σκοπό να αποδώσει την "φθηνή" ενέργεια που απορρόφησε κατά τη φόρτισή της, σε περιόδους αυξημένης ζήτησης και υψηλού κόστους αγοράς. Σχετικά με τις μικροτουρμπίνες, παρατηρήθηκε πως όταν το κόστος λειτουργίας τους είναι χαμηλότερο από το κόστος αγοράς ενέργειας από το ανάντι δίκτυο, τότε η λειτουργία των μικροτουρμπίνων είναι προτιμότερη για την κάλυψη της ζήτησης και αντίστροφα. Τέλος, η αύξηση της διακύμανσης κατά την πρόβλεψη της παραγωγής των ΑΠΕ και της ζήτησης, φάνηκε να αυξάνει σημαντικά το περιθώριο σφάλματος. Η παρούσα εργασία διαρθρώνεται σε 5 κεφάλαια. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά σε βασικές θεωρητικές έννοιες που σχετίζονται με την παρούσα διπλωματική εργασία, όπως το μικροδίκτυο, η διεσπαρμένη παραγωγή και οι ΑΠΕ. Στο 2ο κεφάλαιο περιγράφεται το πρόβλημα βελτιστοποίησης που αναπτύχθηκε, αναλύεται η μαθηματική μοντελοποίηση αυτού και περιγράφεται ο αλγόριθμος παραγωγής και μείωσης σεναρίων που χρησιμοποιήθηκε. Στο 3ο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη και την επίλυση του προβλήματος βελτιστοποίησης. Στο 4ο κεφάλαιο της εργασίας, γίνεται η παρουσίαση των αποτελεσμάτων του προβλήματος, μέσω της ανάλυσης διαφόρων περιπτώσεων που εξετάστηκαν με στόχο την καλύτερη κατανόηση της λειτουργίας του μοντέλου βελτιστοποίησης που αναπτύχθηκε. Στη συνέχεια, στο 5ο κεφάλαιο γίνεται σύνοψη των αποτελεσμάτων και αναφέρονται τα πιο σημαντικά συμπεράσματα, ενώ τέλος παρουσιάζονται οι βιβλιογραφικές αναφορές που χρησιμοποιήθηκαν.