Συμβολή Στην Διαχείριση Μικροδικτύων Ηλεκτρικής Ενέργειας Με Ενσωμάτωση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Και Συστημάτων Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού Και Θερμότητας

Abstract

Η αυξανόμενη εγκατάσταση μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής (ΔΠ) κοντά στους καταναλωτές δημιουργεί μια νέα κατάσταση για τα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ). Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη κατάλληλων μεθοδολογιών, εργαλείων λογισμικού και τεχνικών ανάλυσης για την ποσοτικοποίηση των πλεονεκτημάτων των μονάδων ΔΠ, με έμφαση στα συστήματα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού θερμότητας (ΣΗΘ) και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) τόσο κατά την ανεξάρτητη λειτουργίας τους όσο και κατά την συντονισμένη τους που συνιστά ένα Μικροδίκτυο. Η μετατροπή των ντετερμινιστικών εξισώσεων που διέπουν τις εν λόγω μελέτες στις αντίστοιχες στοχαστικές καθώς και η ανάπτυξη μεθόδων επίλυσης της πιθανοτικής ροής φορτίου για τη διαχείριση της αβεβαιότητας, κρίνεται απαραίτητη. Πιο συγκεκριμένα αναπτύχθηκε μεθοδολογία, με τη βοήθεια της ανάλυσης ευαισθησίας, για τον προσδιορισμό των συντελεστών ευαισθησίας, για εκείνα τα μεγέθη του δικτύου που χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση των κυριότερων οικονομικών πλεονεκτημάτων εξαιτίας της αυξημένης διείσδυσης μονάδων ΔΠ. Τα οικονομικά οφέλη, μέσω εφαρμογής σε συγκεκριμένο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, προέρχονται από την αναβολή των επενδύσεων σε νέα στοιχεία του δικτύου όπως μετασχηματιστές και καλώδια, από τη μείωση των απωλειών ενεργού ισχύος, την αποφυγή αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας με βάση την οριακή τιμή του συστήματος (ΟΤΣ) κατά τις ώρες αιχμής και την πιθανή μείωση της τιμής του ηλεκτρικού ρεύματος. Εξετάστηκε, επίσης, η βελτίωση του επιπέδου της τάσης στους ζυγούς του δικτύου.Στη συνέχεια υλοποιήθηκαν κατάλληλα υπολογιστικά προγράμματα για την επίλυση του προβλήματος ελαχιστοποίησης του λειτουργικού κόστους ενός Μικροδικτύου στο οποίο εφαρμόζονται ενεργειακές και τιμολογιακές πολιτικές. Το προς μελέτη δίκτυο χαμηλής τάσης (ΧΤ) αποτελείται από καταναλωτές (φορτία) και μικροπηγές ενέργειας όπως φωτοβολταϊκά (PV), ανεμογεννήτριες (WT), μικροτουρμπίνες (MT), κυψέλες καυσίμου (FC), μονάδες Μίκρο_ΣΗΘ, ηλεκτρικά αυτοκίνητα (EV). Εφαρμόστηκαν, επίσης, πολιτικές που αφορούν την αυξημένη διείσδυση των μονάδων ΔΠ. Επίσης, μελετήθηκε επαρκώς το Μικροδίκτυο με αλλαγές στις τιμολογιακές πολιτικές λειτουργίας του όπου και εισήχθη η μεταβλητή ελαστικότητας ζήτησης ενέργειας ως προς τη τιμή. Για τη διαχείριση των εξαγόμενων πληροφοριών δημιουργήθηκε ένας αριθμός από οικονομικοτεχνικούς δείκτες που εξάγονται για κάθε ένα από τα σενάρια λειτουργίας, με αποτέλεσμα να είναι δυνατή η σύγκριση επιμέρους σεναρίων και κατά συνέπεια πολιτικών που μπορούν να εφαρμοστούν σε ένα δίκτυο ΧΤ. Κατά συνέπεια, μέσα από την αξιολόγηση συγκρίσιμων σεναρίων παρουσιάζονται οι πολιτικές που εμπεριέχουν εμφανώς μεγαλύτερη βιωσιμότητα και δυνατότητα υλοποίησης. Η όλη μοντελοποίηση έγινε με γνώμονα την όσο το δυνατό αυτόνομη λειτουργία του Μικροδικτύου από το ανάντη δίκτυο. Επιπροσθέτως, εξετάστηκε η μελέτη βιωσιμότητας μιας επένδυσης Μίκρο_ΣΗΘ για ένα οικιστικό συγκρότημα σε σχέση με τη συμβατική κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του. Ακολούθως, αναπτύχθηκε ένα πιθανοτικό μοντέλο μονάδας Μίκρο_ΣΗΘ συναρτήσει της εξωτερικής θερμοκρασίας περιβάλλοντος και των χαρακτηριστικών του χώρου που πρόκειται να καλύψει θερμικά, για την εύρεση των κατανομών τόσο της ηλεκτρικής ισχύος εξόδου του όσο και της αντίστοιχης θερμικής ισχύος με τη βοήθεια του λόγου θερμότητας προς ισχύ εξόδου (HPR). Το προταθέν πιθανοτικό μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό των μέσων ωριαίων (ή υποπολλαπλάσιων της ώρας) θερμικών και ηλεκτρικών φορτίων ζήτησης κτιρίων. Σε μεγαλύτερα ΣΗΕ, η διαδικασία εύρεση της βέλτιστης ροής φορτίου με περιβαλλοντικούς περιορισμούς και με μονάδες ΣΗΘ απομάστευσης σε λειτουργία Heat Match αντιμετωπίστηκε επιτυχώς μέσω συγκεκριμένης μεθοδολογίας που αναπτύχθηκε, αναδεικνύοντας τις μονάδες αυτές κύριους παίκτες. Κατόπιν, η εύρεση της λύσης για το στοχαστικό πολυκριτηριακό πρόβλημα βελτιστοποίησης σε Μικροδίκτυο, επιτυγχάνεται, λαμβάνοντας υπόψη ότι οι συναρτήσεις του αναμενόμενου λειτουργικού κόστους καθώς και οι συναρτήσεις ρίσκου (αναμενόμενες αποκλίσεις της παραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ισχύος) που πρόκειται να ελαχιστοποιηθούν με τη χρήση του σταθμισμένου αθροίσματος, είναι "αλληλοσυγκρουόμενες". Η επέκταση και η λύση του γνωστού στοχαστικού μοντέλου οικονομικής κατανομής με χρήση μονάδων ΣΗΘ απομάστευσης ώστε να συμπεριληφθούν τα αιολικά πάρκα, οι εκπομπές αερίων ρύπων καθώς και η συνάρτηση ασφάλειας του ΣΗΕ λόγω αυξημένης διείσδυσης αιολικής ισχύος αντιμετωπίστηκε ικανοποιητικά. Με αυτό τον τρόπο ο εκάστοτε λειτουργός του συστήματος έχει ένα ισχυρό πρόγραμμα για τη λήψη αποφάσεων ώστε να επιτύχει περισσότερο ακριβείς λύσεις και εκτιμήσεις ενός συστήματος ισχύος με διείσδυση μονάδων ΑΠΕ, κάτω από περιβαλλοντικές πολιτικές. Τέλος, υλοποιήθηκαν υπολογιστικά ευέλικτα προγράμματα για τις περισσότερες αριθμητικές και αναλυτικές μεθόδους επίλυσης του προβλήματος της Πιθανοτικής Ροής Φορτίου σε ΣΗΕ με διείσδυση μονάδων ΑΠΕ ώστε να είναι εφικτή η σύγκριση των αποτελεσμάτων και οι αποδόσεις τους έχοντας σα βάση σύγκρισης τη μέθοδο Monte Carlo. Ιδιαίτερα, η εφαρμογή της μεθόδου γραμμικοποίησης των AC εξισώσεων ροής φορτίου σε συνδυασμό με την επέκταση κατά Gram-Charlier ή Cornish-Fisher στο δίκτυο της Κρήτης έδωσε αξιόπιστα αποτελέσματα σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα σε σχέση με τις άλλες μεθόδους που εξετάστηκαν. Επίσης, η μελέτη της πιθανοτικής ροής φορτίου σε δίκτυο ΧΤ που ενσωματώνει μονάδα Μίκρο-ΣΗΘ για την οποία τα μεγέθη εξόδου της (ηλεκτρική και θερμική ισχύς) παρέχονται από το πιθανοτικό μοντέλο αναπτύχθηκε με πληρότητα. Η μελέτη της επίδρασης της εξωτερικής θερμοκρασίας περιβάλλοντος στα μεγέθη της τάσης και της ροής ισχύος στις γραμμές του εξεταζόμενου δικτύου μπορεί να φανεί χρήσιμη σε περιπτώσεις όπου υπάρχει μεγάλη διείσδυση πολλών μονάδων Μίκρο-ΣΗΘ που λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο.