Elektrik enerjisi üretiminde birim taahhüt sorunu - Unit commitment problem in electrical power production

Birim taahhüt problemi ( UC elektrik üretiminde) büyük bir ailedir matematiksel optimizasyon elektrik jeneratörleri bir dizi üretim genellikle ya minimum maliyetle veya maksimize gelir enerji talebini eşleşen bazı ortak hedefine ulaşmak amacıyla koordine edilir problemler elektrik üretiminden. Bu gereklidir, çünkü elektrik enerjisini normal tüketimle karşılaştırılabilir bir ölçekte depolamak zordur ; bu nedenle, tüketimdeki her (önemli) değişiklik, üretimde karşılık gelen bir değişiklikle eşleştirilmelidir.

Üretim birimlerini koordine etmek birkaç nedenden dolayı zor bir iştir:

  • birimlerin sayısı büyük olabilir (yüzlerce veya binlerce);
  • önemli ölçüde farklı enerji üretim maliyetlerine ve gücün nasıl üretilebileceğine ilişkin kısıtlamalara sahip birkaç birim türü vardır ;
  • üretim, geniş bir coğrafi alana (örneğin, bir ülke) dağılmıştır ve bu nedenle , kendisi oldukça karmaşık bir sistem olan elektrik şebekesinin tepkisi dikkate alınmalıdır: tüm birimlerin üretim seviyeleri biliniyor olsa bile, yük sürdürülebilir ve kayıpların ne olduğu oldukça karmaşık güç akışı hesaplamaları gerektirir .

Elektrik sisteminin ilgili detayları dünya çapında büyük farklılıklar gösterdiğinden, UC probleminin çoğu zaman çözülmesi çok zor olan birçok çeşidi vardır. Bunun nedeni, bazı birimlerin başlatılması veya kapatılması oldukça uzun bir süre (birkaç saat) gerektirdiğinden, kararların çok önceden (genellikle, bir gün önce) alınması gerektiğidir, bu da bu sorunların zaman içinde çözülmesi gerektiği anlamına gelir. sıkı zaman sınırları (birkaç dakikadan birkaç saate kadar). Bu nedenle UC, güç sistemi yönetimi ve simülasyonundaki temel sorunlardan biridir . Uzun yıllardır çalışılmaktadır ve hala en önemli enerji optimizasyon problemlerinden biridir. Konuyla ilgili son araştırmalar, soruna ayrılmış yüzlerce bilimsel makaleyi sayıyor. Ayrıca, birkaç ticari ürün, UC'yi çözmek için özel modüller içerir veya hatta tamamen çözümüne adanmıştır.

Birim taahhüt problemlerinin unsurları

Elektrik sistemi dünya çapında farklı şekilde yapılandırıldığı ve yönetildiği için birçok farklı UC sorunu vardır. Ortak unsurlar şunlardır:

  • Kararların verilmesi gereken, sınırlı sayıda zaman anında örneklenen bir zaman ufku . Bu, genellikle bir veya iki gün, bir haftaya kadardır; burada, anların genellikle saat veya yarım saat olduğu; daha az sıklıkta, 15 veya 5 dakika. Bu nedenle, zaman anları tipik olarak 24 ile 2000 arasındadır.
  • Karşılık gelen enerji üretim maliyeti ve/veya emisyon eğrilerine ve (karmaşık) teknik kısıtlamalara sahip bir dizi üretim birimi .
  • Şebeke ağının önemli bir bölümünün bir temsili .
  • Karşılanacak (tahmin edilen) bir yük profili , yani her bir anda şebeke ağının her bir düğümüne teslim edilecek net enerji miktarı.
  • Muhtemelen, bazı öngörülemeyen olaylar meydana gelse bile talebin karşılanmasını sağlayan bir dizi güvenilirlik kısıtlaması .
  • Muhtemelen, finansal ve/veya düzenleyici koşullar (enerji gelirleri, piyasa işleyişi kısıtlamaları, finansal araçlar, ...).

Alınması gereken kararlar genellikle şunları içerir:

  • taahhüt kararları : bir birimin herhangi bir anda enerji üretip üretmediği;
  • üretim kararları : bir ünitenin herhangi bir anda ne kadar enerji ürettiği;
  • ağ kararları : herhangi bir anda iletim ve/veya dağıtım şebekesinin her bir dalında ne kadar enerjinin (ve hangi yönde) aktığı.

Yukarıdaki özellikler genellikle mevcut olmakla birlikte, birçok kombinasyon ve birçok farklı durum vardır. Bunlar arasında şunları belirtiyoruz:

  • ünitelerin ve şebekenin tümünün bir Tekelci Operatör (MO) tarafından mı yoksa ayrı bir İletim Sistemi Operatörü (TSO) tarafından mı ele alınıp alınmadığı , şebekeyi yönetir ve üretim şirketlerine (GenCos) adil ve ayrımcı olmayan erişim sağlar. veya çoğu zaman birbiriyle bağlantılı birkaç enerji piyasası/piyasaları ;
  • enerji üretim birimlerinin farklı türde , termal / nükleer olanlar, hidro-elektrik olanlar ve yenilenebilir kaynağı olarak, (rüzgâr, güneş, ...);
  • hangi birimlerin modüle edilebileceği , yani ürettikleri enerji, hava koşulları gibi dış etkenler tarafından tamamen dikte edilmesinin aksine (ünitenin teknik kısıtlamalarına tabi olmakla birlikte) operatör tarafından kararlaştırılabilir;
  • elektrik şebekesinin işleyişinin dikkate alınması gereken ayrıntı düzeyi, temel olarak göz ardı edilmesinden şebeke üzerindeki enerji yönlendirmesini en uygun şekilde değiştirmek için bir hattın dinamik olarak açılması (kesilmesi) olasılığının dikkate alınmasına kadar değişir.

Yönetim hedefleri

UC'nin amaçları, çözüldüğü aktörün amaçlarına bağlıdır. Bir MO için bu, temel olarak talebi karşılarken enerji üretim maliyetlerini en aza indirmektir ; güvenilirlik ve emisyonlar genellikle kısıtlamalar olarak ele alınır. Serbest piyasa rejiminde amaç, daha çok enerji üretim karlarını , yani gelirler (enerji satışından kaynaklanan) ile maliyetler ( üretimden kaynaklanan) arasındaki farkı maksimize etmektir . GenCo bir fiyat yapıcı ise , yani piyasa fiyatlarını etkilemek için yeterli büyüklüğe sahipse, prensipte kârını artırmak için stratejik ihale yapabilir . Bu, piyasa fiyatlarını yükseltmek için üretimini yüksek maliyetle teklif etmek, pazar payını kaybetmek, ancak esasen yeterli üretim kapasitesi olmadığı için bir kısmını korumak anlamına gelir. Bazı bölgeler için bunun nedeni, mevcut üretim kapasitesine sahip yakın bölgelerden enerji ithal etmek için yeterli şebeke ağı kapasitesinin olmaması olabilir. Elektrik piyasaları, diğer şeylerin yanı sıra, bu tür davranışları dışlamak için yüksek düzeyde düzenlenmiş olsa da, büyük üreticiler, piyasa fiyatları üzerindeki birleşik etkilerini hesaba katmak için tüm birimlerinin tekliflerini aynı anda optimize etmekten hala yararlanabilirler. Aksine, fiyat alıcılar , fiyatlar üzerinde önemli bir etkisi olmadığından, ilgili kararlar birbiriyle ilişkili olmadığından, her bir jeneratörü bağımsız olarak optimize edebilir.

Üretim birimleri türleri

UC bağlamında, üretim birimleri genellikle şu şekilde sınıflandırılır:

  • Elektrik üretmek için bir tür yakıt yakan nükleer olanları içeren termal birimler . Bunlar arasında, minimum yukarı/aşağı süresi , rampa yukarı/aşağı oranı , modülasyon/kararlılık (bir ünite üretim seviyesini çok fazla değiştiremez) ve başlatma/kapatma rampasından bahsettiğimiz çok sayıda karmaşık teknik kısıtlamaya tabidirler. hız (başlarken/durdururken, bir ünite, tesisin ne kadar süredir çevrimdışı/çevrimiçi olduğuna bağlı olabilen belirli bir güç eğrisini izlemelidir). Bu nedenle, tek bir birimin bile optimize edilmesi, prensipte halihazırda belirli teknikler gerektiren karmaşık bir problemdir.
  • Su potansiyel enerjisini toplayarak enerji üreten hidro üniteler , genellikle hidro vadiler olarak adlandırılan bağlantılı rezervuar sistemleri halinde düzenlenir . Bir memba rezervuarı tarafından salınan su mansaptaki rezervuara ulaştığından (bir süre sonra) ve bu nedenle orada enerji üretmek için uygun hale geldiğinden, tüm üniteler için aynı anda optimal üretime ilişkin kararlar alınmalıdır, bu da sorunu çok zorlaştırıyor (veya çok az) termal üretim söz konusudur, hatta tüm elektrik sistemi düşünüldüğünde daha da fazladır. Hidro üniteler, suyu yokuş yukarı pompalamak için enerjinin harcanabileceği pompalı depolama ünitelerini içerebilir . Bu, tipik UC problem düzeyinde önemli olacak kadar (potansiyel) enerjiyi depolayabilen mevcut tek teknolojidir. Hidro üniteler karmaşık teknik kısıtlamalara tabidir. Bir miktar su turbining tarafından üretilen enerji miktarı sabit değildir, ancak bağlı su kafası sırayla önceki kararlara bağlıdır. İlişki doğrusal ve dışbükey değildir, bu da sorunu çözmeyi özellikle zorlaştırır.
  • Gibi yenilenebilir üretim üniteleri, rüzgar çiftlikleri , güneş enerjisi santrallerinde , çalıştırma-nehir hidro birimleri (özel bir hazne olmaksızın ve bu nedenle üretim akan su ile belirlenir) ve jeotermal birimi . Bunların çoğu modüle edilemez ve birkaçı da kesintilidir , yani üretimlerini önceden doğru bir şekilde tahmin etmek zordur. UC'de, bu birimler etkilenemeyecekleri için kararlara gerçekten karşılık gelmezler. Aksine, üretimleri sabit kabul edilir ve diğer kaynakların üretimlerine eklenir. Son yıllarda kesintili yenilenebilir üretimdeki önemli artış, net yükteki belirsizliği önemli ölçüde artırdı (talep eksi modüle edilemeyen üretim), bu da UC'de tahmini yükün yeterince doğru olduğuna dair geleneksel görüşe meydan okudu .

Elektrik şebekesi modelleri

Enerji şebekesinin bir UC içinde temsil edilmesinin üç farklı yolu vardır:

  • Gelen tek otobüs yakınlaştırılması ızgara göz ardı edilir: Talep bakılmaksızın coğrafi konumu, toplam üretim toplam talebi eşittir zaman tatmin edilmesi düşünülmektedir.
  • In DC yakınlaştırılması sadece Kirchhoff akım kanunu modellenmiştir; bu, reaktif güç akışının ihmal edilmesine, voltaj açı farklarının küçük kabul edilmesine ve açı voltajı profilinin sabit varsayılmasına karşılık gelir;
  • Gelen tam AC modeli tam Kirchhoff kanunları kullanılır: modelinde son derece doğrusal olmayan ve konveks olmayan kısıtlamalar bu sonuçlar.

Tam AC modeli kullanıldığında, UC aslında zaten konveks olmayan doğrusal olmayan bir problem olan optimal güç akışı problemini içerir.

Son zamanlarda, UC'deki enerji şebekesinin geleneksel "pasif" görüşüne meydan okundu. Bir de , sabit elektrik ağ akımları yönlendirilemez, davranışları tamamen düğüm güç enjeksiyon ile dikte edilir: ağ yükünü değiştirmek için tek yol, sınırlı kapsamı olduğu düğüm talep ve üretim, değiştirme etmektir. Bununla birlikte, Kirchhoff yasalarının biraz ters-sezgisel bir sonucu, bir hattın (hatta belki de sıkışık olanın) kesintiye uğramasının, elektrik enerjisinin küresel olarak yeniden yönlendirilmesine neden olması ve bu nedenle şebeke performanslarını iyileştirebilmesidir . Bu, şebekenin bazı hatlarının zaman ufku boyunca dinamik olarak açılıp kapatılabileceği Optimal İletim Anahtarlama probleminin tanımlanmasına yol açmıştır . Bu özelliği UC problemine dahil etmek, DC yaklaşımıyla bile, tam AC modeliyle daha da fazla çözmeyi zorlaştırır.

Birim taahhüt problemlerinde belirsizlik

UC'nin fiili işlemler için çok önceden çözülmesi gerektiği gerçeğinin rahatsız edici bir sonucu, sistemin gelecekteki durumunun tam olarak bilinmemesi ve bu nedenle tahmin edilmesi gerektiğidir. Bu , sistemdeki belirsizliğin yalnızca, toplamda oldukça etkili bir şekilde tahmin edilebilen kullanıcı talebindeki değişiklikten ve iyi kurulmuş kurallarla ele alınabilecek hat veya jeneratör arızalarının ortaya çıkmasından kaynaklandığı durumlarda, nispeten küçük bir sorundu. ( dönme rezervi ). Ancak, son yıllarda kesintili yenilenebilir üretim kaynaklarından yapılan üretim önemli ölçüde artmıştır. Bu da, sistemdeki belirsizliğin etkisini çok önemli ölçüde artırdı, böylece onu görmezden gelmek (geleneksel olarak ortalama nokta tahminleri alarak yapıldığı gibi) önemli maliyet artışları riskine neden oldu. Bu, belirsizliği uygun şekilde hesaba katmak için aşağıdakiler gibi uygun matematiksel modelleme tekniklerine başvurmayı gerekli kılmıştır:

(Zaten çok) belirsizlik birkaç (eski ve) yeni formlarla UC sorunların geleneksel formları daha büyük aileye yol açmaktadır kombinasyonu Belirsiz Birimi Bağlılık uygulanan hali hazırdaki şu anda (UUC) problemler ve metodolojik araştırma.

Entegre İletim ve Dağıtım Modelleri

Gerçek zamanlı birim taahhüt problemindeki en önemli sorunlardan biri, iletim şebekesinin elektrik talebinin genellikle her dağıtım sisteminde bir "yük noktası" olarak ele alınmasıdır . Ancak gerçek şu ki, her bir yük noktası kendi alt yükleri, jeneratörleri ve DER'leri olan karmaşık bir dağıtım ağıdır . Yük noktalarına dağıtımın basitleştirilmesi, tüm elektrik şebekesinde aşırı operasyonel sorunlara yol açabilir. Bu tür problemler, güç aktarım sistemi üzerindeki yüksek basıncı ve dağıtım sistemlerinden güç aktarım sistemine doğru ters güç akışını içerir. Birim taahhüt sorununu daha etkin bir şekilde çözmek için yeni izlenen bir yaklaşım, bu nedenle Entegre İletim ve Dağıtım Sistemleri tarafından doğar. Bu tür modellerde, İletim Sistemlerinin birim taahhüt problemi, genellikle iki seviyeli programlama araçları vasıtasıyla Dağıtım Sistemlerinin Yenilenebilir Yönetim Problemi ile birleştirilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar

  • Genel güç sistemi yönetimi bağlamında birim taahhüt sorunlarının rolünün bir açıklaması , COST TD1207 projesi tarafından geliştirilen Enerji Optimizasyonu Wiki'sinde bulunabilir.