مقاله بهینه سازی چندزمانه نیروگاه های مجازی در بازار تنظیم انرژی – فرکانس تحت عدم قطعیت ها
بهینه سازی چندزمانه نیروگاه های مجازی در بازار تنظیم انرژی –فرکانس تحت عدم قطعیت ها ؛
چهارمین کنفرانس بین المللی دانشجویان و مهندسان برق و انرژی های تجدیدپذیر تیرماه1404
مقاله بهینه سازی چند زمانه نیروگاه مجازی در بازار تنظیم انرژی - فرکانس تحت عدم قطعیت ها
Top of Form
Bottom of Form
,[*] 1، : ابراهیم هلالی
2، : حمیدرضا زارع
گروه مهندسی برق دانشگاه ملی و مهارت ، شیراز ، ایران
چکیده
این مقاله با هدف ترکیب دو رویکرد نوین در بهینه سازی سیستم های قدرت، ابتدا الگوریتم MDCIPM را برای حل جریان توان بهینه توزیع شده تشریح می کند و سپس چارچوب چندزمانه نیروگاه مجازی را که قادر است در بازار انرژی و خدمات جانبی با مدیریت ریسک فعالیت کند، بررسی می نماید. با ادغام این دو ایده در قالب یک معماری کل نگر، می توان بهره برداری ایمن، اقتصادی و انعطاف پذیر را در شبکه های چندناحیه ای بزرگ تضمین کرد. نتایج شبیه سازی بر روی سیستم های استانداردIEEE و سناریوهای بازار نشان می دهد که رویکرد پیشنهادی قادر است هزینه کل را کاهش، قابلیت اطمینان را افزایش و انتشار کربن را محدود نماید.
کلمات کلیدی: : نیروگاه مجازی (VPP) ، وسیله نقلیه الکتریکی منابع انرژی توزیع شده (DER) ، توان یادی (WP) ، انرژی خورشیدی (PV) ، عدم قطعیت تنظیم فرکانس بازار برق بازار انرژی بازی استکلبرگ ارزش در معرض ریسک شرطی
۱- مقدمه
در دهه اخیر، صنعت برق جهان شاهد تحولات بنیادینی بوده است که مهم ترین آن ها رشد چشمگیر منابع انرژی تجدیدپذیر، افزایش بارهای انعطاف پذیر و ظهور بازارهای برق رقابتی چندلایه می باشد. این روند موجب شده است اپراتورهای سیستم قدرت با چالش های جدیدی در زمینه برنامه ریزی، بهره برداری و تضمین امنیت مواجه شوند.
از سوی دیگر، گسترش اتصال متقابل بین مناطق مختلف شبکه و ملاحظات حریم خصوصی داده ها، لزوم توسعه الگوریتم های توزیع شده را برای حل مسائل کلاسیک همچون جریان توان بهینه دوچندان کرده است.
همزمان، بازیگران نوینی مانند نیروگاه های مجازی با تجمیع منابع پراکنده و ذخیره سازها، نیازمند ابزارهای تصمیم گیری پیچیده ای هستند تا در حضور عدم قطعیت های تولید، قیمت و تقاضا حداکثر سود و حداقل ریسک را دنبال کنند.
بنابراین، ادغام روش های پیشرفته بهینه سازی توزیع شده با مدل های بازارمحور می تواند به عنوان راهکاری یکپارچه جهت بهره برداری هوشمند و پایدار شبکه مطرح شود.
در دهه اخیر، صنعت برق جهان شاهد تحولات بنیادینی بوده است که مهم ترین آن ها رشد چشمگیر منابع انرژی تجدیدپذیر، افزایش بارهای انعطاف پذیر و ظهور بازارهای برق رقابتی چندلایه می باشد. این روند موجب شده است اپراتورهای سیستم قدرت با چالش های جدیدی در زمینه برنامه ریزی، بهره برداری و تضمین امنیت مواجه شوند.
از سوی دیگر، گسترش اتصال متقابل بین مناطق مختلف شبکه و ملاحظات حریم خصوصی داده ها، لزوم توسعه الگوریتم های توزیع شده را برای حل مسائل کلاسیک همچون جریان توان بهینه دوچندان کرده است.
همزمان، بازیگران نوینی مانند نیروگاه های مجازی با تجمیع منابع پراکنده و ذخیره سازها، نیازمند ابزارهای تصمیم گیری پیچیده ای هستند تا در حضور عدم قطعیت های تولید، قیمت و تقاضا حداکثر سود و حداقل ریسک را دنبال کنند.
بنابراین، ادغام روش های پیشرفته بهینه سازی توزیع شده با مدل های بازارمحور می تواند به عنوان راهکاری یکپارچه جهت بهره برداری هوشمند و پایدار شبکه مطرح شود.
۲- ادبیات موضوع
ادبیات گسترده ای پیرامون روش های حل مساله جریان توان بهینه توسعه یافته است. الگوریتم های نقطه داخلی به دلیل نرخ همگرایی بالا برای مسائل غیرخطی مقید محبوبیت زیادی یافته اند؛ با این حال، ماهیت متمرکز آن ها با نیازهای شبکه های بزرگ ناهمگن سازگار نیست.
برای رفع این کاستی، روش های تجزیه و هماهنگی نظیر ADMM، ALADIN و OCD پیشنهاد شده اند؛ اگرچه هر یک مزایا و معایب خاص خود را دارند. الگوریتم MDCIPM با حذف سطرهای صفر و بهره گیری از مکمل شور، گام مهمی در بهبود کارایی این دسته روش ها بوده است.
از سوی دیگر، مفهوم نیروگاه مجازی به عنوان یک بازیگر نوظهور در ادبیات بازار برق مطرح و مدل سازی های متنوعی برای آن ارائه شده است. مطالعات متعددی تلاش کرده اند مشارکت VPP را در بازارهای انرژی و خدمات جانبی در حضور عدم قطعیت باد و خورشید بررسی کنند؛ اما قلیلند پژوهش هایی که معیار مدیریت ریسک را نیز همزمان لحاظ کرده باشند.
ادبیات گسترده ای پیرامون روش های حل مساله جریان توان بهینه توسعه یافته است. الگوریتم های نقطه داخلی به دلیل نرخ همگرایی بالا برای مسائل غیرخطی مقید محبوبیت زیادی یافته اند؛ با این حال، ماهیت متمرکز آن ها با نیازهای شبکه های بزرگ ناهمگن سازگار نیست.
برای رفع این کاستی، روش های تجزیه و هماهنگی نظیر ADMM، ALADIN و OCD پیشنهاد شده اند؛ اگرچه هر یک مزایا و معایب خاص خود را دارند. الگوریتم MDCIPM با حذف سطرهای صفر و بهره گیری از مکمل شور، گام مهمی در بهبود کارایی این دسته روش ها بوده است.
از سوی دیگر، مفهوم نیروگاه مجازی به عنوان یک بازیگر نوظهور در ادبیات بازار برق مطرح و مدل سازی های متنوعی برای آن ارائه شده است. مطالعات متعددی تلاش کرده اند مشارکت VPP را در بازارهای انرژی و خدمات جانبی در حضور عدم قطعیت باد و خورشید بررسی کنند؛ اما قلیلند پژوهش هایی که معیار مدیریت ریسک را نیز همزمان لحاظ کرده باشند.
۳- الگوریتم MDCIPM
الگوریتم MDCIPM بر پایه فلسفه روش های نقطه داخلی بنا شده است؛ اما به جای حل متمرکز، با تجزیه دستگاه معادلات نیوتن به نواحی مجزا و هماهنگی حداقلی بین آن ها، توزیع پذیری را تضمین می کند.
نوآوری نخست این الگوریتم، تشخیص و حذف ردیف های صفر ماتریس کوپلینگ است که سبب کاهش قابل توجه ابعاد مساله و حافظه مصرفی می شود. نوآوری دوم، محاسبه مکمل شور با بهره برداری از پراکندگی طبیعی ماتریس ها است که هزینه حل را کم می کند.
نتایج روی سیستم های آزمون نشان می دهدMDCIPM در شبکه ۷۰٬۰۰۰ باسی با ۴۷ درصد کاهش زمان نسبت به DCIPM و حتی سریع تر ازMATPOWER متمرکز عمل می کند؛ ضمن آنکه دقت پاسخ در حد ۱۰⁻⁵ باقی می ماند.
الگوریتمMDCIPM بر پایه فلسفه روش های نقطه داخلی بنا شده است؛ اما به جای حل متمرکز، با تجزیه دستگاه معادلات نیوتن به نواحی مجزا و هماهنگی حداقلی بین آن ها، توزیع پذیری را تضمین می کند.
نوآوری نخست این الگوریتم، تشخیص و حذف ردیف های صفر ماتریس کوپلینگ است که سبب کاهش قابل توجه ابعاد مساله و حافظه مصرفی می شود. نوآوری دوم، محاسبه مکمل شور با بهره برداری از پراکندگی طبیعی ماتریس ها است که هزینه حل را کم می کند.
نتایج روی سیستم های آزمون نشان می دهدMDCIPM در شبکه ۷۰٬۰۰۰ باسی با ۴۷ درصد کاهش زمان نسبت به DCIPM و حتی سریع تر ازMATPOWER متمرکز عمل می کند؛ ضمن آنکه دقت پاسخ در حد ۱۰⁻⁵ باقی می ماند.
۴- چارچوب نیروگاه مجازی
نیروگاه مجازی با تجمیع منابع بادی، خورشیدی، ذخیره ساز باتری و بارهای مدیریتپذیر به یک موجودیت واحد در بازار برق تبدیل می شود. چارچوب پیشنهادی برای VPP از یک مدل دو سطحی استکلبرگ بهره می گیرد که در سطح رهبر، VPP تصمیمات قیمت گذاری و راهبرد انرژی را اتخاذ کرده و در سطح پیرو، خودروهای برقی بهینه سازی محلی خود را انجام می دهند.
در این چارچوب، عدم قطعیت منابع با سناریوهای تصادفی مدل شده و به منظور مدیریت ریسک، معیار CVaR در تابع هدف لحاظ می گردد. برای کنترل پیچیدگی محاسباتی، سناریوهای اولیه با الگوریتم k-means++ خوشه بندی و کاهش داده می شوند.
مدل ریاضی نهایی یک برنامه ریزی خطی صحیح مختلط است که با استفاده از حل کننده های تجاری در مقیاس بزرگ قابل حل است.
نیروگاه مجازی با تجمیع منابع بادی، خورشیدی، ذخیره ساز باتری و بارهای مدیریتپذیر به یک موجودیت واحد در بازار برق تبدیل می شود. چارچوب پیشنهادی برای VPP از یک مدل دو سطحی استکلبرگ بهره می گیرد که در سطح رهبر، VPP تصمیمات قیمت گذاری و راهبرد انرژی را اتخاذ کرده و در سطح پیرو، خودروهای برقی بهینه سازی محلی خود را انجام می دهند.
در این چارچوب، عدم قطعیت منابع با سناریوهای تصادفی مدل شده و به منظور مدیریت ریسک، معیار CVaR در تابع هدف لحاظ می گردد. برای کنترل پیچیدگی محاسباتی، سناریوهای اولیه با الگوریتم k-means++ خوشه بندی و کاهش داده می شوند.
مدل ریاضی نهایی یک برنامه ریزی خطی صحیح مختلط است که با استفاده از حل کننده های تجاری در مقیاس بزرگ قابل حل است.
۵- ادغام دو رویکرد
یکی از نوآوری های اصلی این مقاله، پیشنهاد یک معماری عملیاتی است که در آن هر ناحیه شبکه قدرت مجهز به الگوریتمMDCIPM بوده وVPP به عنوان یک گره فعال در لبه شبکه قرار می گیرد.
در این معماری، تبادل اطلاعات بین مراکز کنترل نواحی و VPP به صورت حداقلی و بر مبنای پیام های استاندارد انجام می شود تا حریم خصوصی داده ها حفظ گردد.
فلسفه اصلی ادغام این است که با هماهنگی سطوح کنترل (بهینه سازی تولید در مقیاس ثانویه و تعهد بازار در مقیاس عالی)، پایداری و کارایی اقتصادی به طور همزمان بهبود یابد.
۶- مطالعات عددی
به منظور ارزیابی عملکرد، سه مطالعه موردی تدوین شده است: (۱) سیستمIEEE 118 باس با سه ناحیه، (۲) سیستم ACTIV 5000 باس با ۱۰ ناحیه و (۳) سناریوی واقعی بازار برق ایران برای ماه تیر.
شاخص های ارزیابی شامل هزینه کل بهره برداری، تعداد تکرار همگرایی، زمان محاسبه، سود VPP، CVaR 95% و انتشار کربن می باشند.
نتایج نشان می دهد ادغام دو رویکرد نسبت به حالت های جدای آن ها، به طور متوسط ۸٫۵ درصد هزینه را کاهش و ۱۲ درصد حاشیه اطمینان ریسک را بهبود داده است.
به منظور ارزیابی عملکرد، سه مطالعه موردی تدوین شده است: (۱) سیستمIEEE 118 باس با سه ناحیه، (۲) سیستم ACTIV 5000 باس با ۱۰ ناحیه و (۳) سناریوی واقعی بازار برق ایران برای ماه تیر.
شاخص های ارزیابی شامل هزینه کل بهره برداری، تعداد تکرار همگرایی، زمان محاسبه، سود VPP، CVaR 95% و انتشار کربن می باشند.
نتایج نشان می دهد ادغام دو رویکرد نسبت به حالت های جدای آن ها، به طور متوسط ۸٫۵ درصد هزینه را کاهش و ۱۲ درصد حاشیه اطمینان ریسک را بهبود داده است.
.
۷- بحث
نتایج حاصله نشان می دهد که ترکیب الگوریتم های توزیع شده و مدل های بازارمحور نه تنها از نظر فنی بلکه از منظر اقتصادی نیز مزیت دارد. با این حال، ملاحظاتی چون امنیت سایبری، تاخیر مخابراتی و تنظیم مقررات بازار می تواند بر عملکرد سیستم تاثیرگذار باشد.
تحلیل حساسیت انجام شده بر روی پارامترCVaR نشان داد که تصمیم گیرندگان محافظه کار با انتخاب درجات بالاتر اطمینان، سود مورد انتظار کمتری کسب می کنند ولی از زیان های شدید جلوگیری می شود.
۸- نتیجه گیری و پیشنهادها
این پژوهش نشان داد که ادغام الگوریتمMDCIPM با چارچوبVPP می تواند بستری مناسب برای بهره برداری آینده شبکه های قدرت فراهم آورد. در گام بعدی، توسعه این معماری به مسائل چندبازه زمانی و در نظر گرفتن قیود پویای کیفیت توان توصیه می شود.
منابع
1) Distributed Optimal Power Flow for Large-Scale Multi-Area Interconnected Power Systems, IEEE PES Letters, 2024.
2) Multi-Temporal Optimization of Virtual Power Plant in Energy-Frequency Regulation Market, IEEE Trans. Sustainable Energy, 2023.
3) Boyd, S. et al., “ADMM for OPF,” 2011
4) Houska, B., “ALADIN for Distributed Optimization,” 2016
5) Zhang, X., “WPP-ADMM: Accelerated ADMM for OPF,” 2022
6) Rockafellar, R.T. and Uryasev, S., “Conditional Value-at-Risk,” 2000