Next generation energy markets and applications

Abstract

Η μετάβαση από τη παραδοσιακή στην έξυπνη λειτουργία του δικτύου έχει αναδεύσει πολλές ευκαιρίες για τη βελτίωση της απόδοσης και της ασφάλειας του ηλεκτρικού δικτύου. Το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας βρίσκεται σε σταθερή κατάσταση μόνο όταν όλες οι συνιστώσες που το απαρτίζουν (σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, γεννήτριες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ), καταναλωτές (οικιακοί, εμπορικοί, βιομηχανικοί), σταθμοί μετασχηματιστών, μονάδες μέτρησης φάσης, ρυθμιστές) βρίσκονται σε ισορροπία. Τις τελευταίες δεκαετίες, οι ερευνητές μέσα από ένα μεγάλο αριθμό δημοσιεύσεων επικεντρώθηκαν στη βελτίωση της αποδοτικότητας του ηλεκτρικού δικτύου με τη χρήση τεχνικών απόκρισης ζήτησης, με την άμεση συμμετοχή των καταναλωτών στη λειτουργία του ηλεκτρικού δικτύου και πιο συγκεκριμένα στην λειτουργία της αγοράς ενέργειας. Με αυτόν τον τρόπο οι καταναλωτές έχουν ενεργό ρόλο στην διαμόρφωση της τιμής της αγοράς. Επιπλέον, η ενσωμάτωση των ΑΠΕ μπορεί να αυξήσει περαιτέρω την εξοικονόμηση ενέργειας αυξάνοντας έτσι την ανάγκη αποθήκευσης ενέργειας. Ωστόσο, πρέπει να ληφθεί υπόψη ο αντίκτυπος της στοχαστικότητας στην πλευρά της παραγωγής της ενέργειας. Στην παρούσα διατριβή, παρουσιάζουμε μερικές εφαρμογές που βασίζονται σε μοντέλα της αγοράς που εστιάζουν στην 1) εξοικονόμηση ενέργειας μεταβάλλοντας τη ζήτηση εκτός ωρών αιχμής από τις ώρες αιχμής, 2) προσαρμογή κατάλληλων τιμολογίων ενέργειας σε κάθε καταναλωτή, 3) πώληση ενέργειας σε χαμηλότερες τιμές, 4) ενσωμάτωση των ΑΠΕ στον δίκτυο για την κάλυψη των αναγκών σε ενέργεια στην αγροτική περιοχή, και 5) μεθοδολογίες διαχωρισμού του δικτύου για τη βελτίωση της λειτουργίας του δικτύου διανομής όσον αφορά την εξοικονόμηση ενέργειας. Συγκεκριμένα, ο απώτερος στόχος μας είναι να σχεδιάσουμε και να εφαρμόσουμε μοντέλα προσομοίωσης και επαλήθευσης προηγμένων ενεργειακών συστημάτων, ικανά να ενσωματώσουν περισσότερο τους καταναλωτές και τις ΑΠΕ στην λειτουργία του ηλεκτρικού δικτύου. Στις εφαρμογές που παρουσιάζονται και αναλύονται στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιείται το GridLAB-D , ένα νέο εργαλείο προσομοίωσης και ανάλυσης του ηλεκτρικού δικτύου στο επίπεδο της διανομής, μοντέλα θεωρίας παιγνίων, η θεωρία ασαφούς λογικής, τεχνικές ομαδοποίησης των καταναλωτών και τεχνικές απόκρισης της ζήτησης. Λόγω της ελευθέρωσης της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, η συμβατική αγορά και οι μονοπωλιακές αγορές αντικαθίστανται από διάφορες συνιστώσες με διαφορετικές αρμοδιότητες. Αυτές οι συνιστώσες είναι οι παραγωγοί ενέργειας, οι καταναλωτές και ο διαχειριστής της αγοράς. Οι παραγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας είναι ανεξάρτητες επιχειρήσεις, είτε συμβατικές είτε ΑΠΕ, που παράγουν και πωλούν ενέργεια σε συγκεκριμένες τιμές. Οι καταναλωτές είναι οι πελάτες, οι οποίοι μπορεί να είναι οικιακοί, εμπορικοί ή βιομηχανικοί. Ο διαχειριστής της αγοράς είναι υπεύθυνος για την ομαλή λειτουργία της αγοράς στοχεύοντας στην διατήρηση της ισορροπίας μεταξύ της ζήτησης και της προσφοράς. viii Η ενέργεια δεν μπορεί να αποθηκευτεί σε μεγάλη κλίμακα. Έτσι, ο διαχειριστής της αγοράς προσπαθεί να πουλήσει όσο περισσότερη ενέργεια είναι δυνατόν. Σε αυτό το πλαίσιο, μελετάμε τους διάφορους τύπους αγορών ηλεκτρικής ενέργειας και προτείνουμε μοντέλα για την αγορά της ηλεκτρικής ενέργειας που εισάγουν ανταγωνισμό μέσω της ενεργούς συμμετοχής τόσο των καταναλωτών όσο και των παραγωγών. Συγκεκριμένα, πρώτα, εισάγουμε διάφορους τύπους αγορών ηλεκτρικής ενέργειας επικεντρώνοντας στα χαρακτηριστικά της αγοράς που ακολουθείται από τις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής. Η ανάπτυξη των νέων μοντέλων της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας αντιμετωπίζει το πρόβλημα της υψηλής κατανάλωσης ενέργειας κατά τη διάρκεια των ωρών αιχμής τόσο για την οικιακή όσο και για την γεωργική ζώνη. Η πολιτική επίλυσης αυτού του προβλήματος εξετάζει διάφορα χαρακτηριστικά όπως η προτεραιότητα στη λειτουργία συγκεκριμένων συσκευών και η προθυμία του καταναλωτή να μετατοπίσει την κατανάλωση ενέργειας σε διαφορετικές στιγμές μέσα σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Οι τεχνικές απόκρισης ζήτησης διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην ασφαλή και σταθερή λειτουργία του ηλεκτρικού δικτύου. Πρωταρχικός στόχος τους είναι να εξομαλύνουν την κατανάλωση ενέργειας προσφέροντας καλύτερες τιμές στους καταναλωτές ή παρέχοντάς τους κίνητρα για να μειώσουν την κατανάλωση σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα κατά τη διάρκεια της ημέρας. Πολλοί ερευνητές έχουν ως στόχο τις τεχνικές διαχείρισης της ζήτησης που δίνουν μεγαλύτερη έμφαση στην πλευρά των καταναλωτών. Για σταθερή, αξιόπιστη και αποδοτική λειτουργία τόσο των δικτύων μεταφοράς όσο και των δικτύων διανομής, μπορούν να ληφθούν υπόψη διάφορες τεχνικές. Επιπλέον, μια ανωμαλία ή διακοπή της λειτουργίας του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας θα μπορούσε να μετριαστεί με την εφαρμογή διάφορων μηχανισμών λήψης αποφάσεων. Οι τεχνικές αυτές στοχεύουν στην αποτελεσματική αντίδραση του ηλεκτρικού δικτύου υπό διάφορες μορφές διαταραχών. Για παράδειγμα, μια τεράστια διαταραχή στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί με την απομόνωση του προβλήματος για την αποτροπή της διάχυσης του σε ολόκληρο το δίκτυο. Περαιτέρω, η διανομή ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να είναι συνεχής, έτσι ώστε η απομόνωση τυχόν προβλημάτων μπορεί να αποτραπεί με μεθόδους ομαδοποίησης.