Üretim ve iletim sistemleri, özellikle dağıtık üretim sistemleri ile donatılmış bir alçak
gerilim mikro şebekesi için çok önemli bir rol oynamaktadır. Üretim planları ve enerji
kaynakları bir mikro şebekenin çevre dostu olup olmadığını tanımlar. Dağıtılmış
üretimi destekleyen yenilenebilir enerji kaynakları çevre dostudur. Ancak, farklı türde
yenilenebilir enerji üretim kaynaklarına sahip koordineli üretim, üretim sistemleri için
uygun maliyetli bir dağıtımın zorunluluğu ortaya çıkarmaktadır. Aksi takdirde, üretim
sistemi güç talebini daha düşük maliyet ve daha yüksek güvenilirlikle karşılamak için
yeterli olmayacaktır.
Bu nedenle, enerji yönetiminin müşteriye en az maliyetle enerji sağlaması için bir
çevrimiçi yük dağıtım tekniği tasarlanmalıdır. Farklı türlerde yenilenebilir enerji
kaynaklarının varlığı, bu kaynaklardan elde edilen çıktıların sabit olmaması nedeniyle
bunu daha da zorlaştırmaktadır. Güneş ışığından, rüzgar hızından ve diğer hava
koşullarından dolayı yenilenebilir enerji kaynaklarının üretimi değişkenlik
göstermektedirler. Dahası, bunlar dağıtılabilir kaynaklar da değildir. Bu nedenle,
dağıtılmış üretim sistemleri için, enerji talebini karşılayabilmeleri ve talebin
yenilenebilir enerji kaynaklarından gelen güç üretiminden daha düşük olduğu
durumlarda fazla enerjinin en iyi şekilde kullanılmasını sağlayacak özel bir
algoritmanın tasarlanması gerekmektedir.
Bu nedenle, minimum maliyetle yenilenebilir enerji kaynakları için mümkün olan en
iyi yük dağıtım planını bulmak amacıyla, üç farklı senaryo için iki farklı optimizasyon
algoritması önerilerek tek amaçlı bir optimum yük dağıtım yöntemi tartışılmıştır. Bu
tez kapsamında üç adet rüzgar enerji santrali, iki adet güneş enerji santrali ve bir adet
birleşik ısı ve güç santrali (kojenerasyon) göz önünde bulundurulmuştur.
Kojenerasyon santralleri bir teknoloji değildir, teknolojiyi uygulamak için
yaklaşımlardır. Bu çalışmada kojenerasyon santrali, kojenerasyon kabiliyeti, termal ve
toplam verim bakımından dolayı güneş enerjisi ve rüzgar kaynakları ile birlikte
düşünülmüştür. Geleneksel enerji ve kullanılabilir ısı üreten bir sistem %45 verime
sahipken, kojenerasyon yöntemi ise %80 verimlilikte çalışabilmektedir. Bu nedenle,
diğer yenilenebilir enerji kaynakları ile kojenerasyon sistemlerinin birleştirilmesi,
yenilenebilir enerji kaynaklarının düşük verimliliği nedeniyle daha düşük maliyetli ve
yüksek verimli olmaktadır. Ayrıca, kojenerasyon kabiliyeti bu sistemi çevre dostu
yapmaktadır.
Kojenerasyon santralinden güç sağlanması ve yenilenebilir enerji kaynaklarının
kullanılabilirliği açısından üç farklı durum göz önüne alınmıştır. Birinci durumda,
enerji kaynaklarının yenilenebilir enerji kaynakları ile ilişkilendirildiği varsayılarak,
tüm kaynakların 24 saat boyunca maksimum kapasiteye ulaşması sağlanmıştır.
Mümkün olan en düşük maliyetle mevcut tüm elektrik üretim kaynakları için en iyi
ekonomik yük dağıtımını bulmak için ikinci dereceden bir maliyet fonksiyonu en aza
indirilmiştir. İkinci durumda, aynı hedefe ulaşmak için aynı maliyet fonksiyonu en aza
indirilmiş ancak enerji depolama kaynağı dikkate alınmamıştır. Tüm yenilenebilir
enerji kaynakları değişken kaynaklar olarak kabul edilmiş ve herhangi bir zamanda
mevcut olan en yüksek gücü sağlayabildiği varsayılmıştır.
Öte yandan, dağıtılamayan rüzgâr ya da güneş enerji kaynakları için üçüncü bir durum
ele alınmıştır. Aynı ikinci dereceden maliyet fonksiyonu, dağıtılmış üretim kaynakları
için uygun maliyetli en uygun dağıtımın bulunması için bir amaç fonksiyonu olarak
düşünülmüştür. Bu üç senaryodan elde edilen ekonomik yük dağıtımları, enerji
depolama sistemlerinin ve en iyi dağıtılmış üretim sisteminin gerekliliğini en düşük
maliyetle bulmak için bu tezde sunulmakta ve karşılaştırılmaktadır.
Güvenilirlik veya risk analizi, mikro şebekelere kesintisiz güç sağlayan bir sisteminin
tasarlanması için de çok önemlidir. Birçok nedenden ötürü elektrik kesintisinin
meydana gelebileceği kırsal bölgelerdeki mikro şebekelerde çoğunlukla yenilenebilir
enerji kaynakları kullanmaktadırlar. Bu nedenle, tüketicilere ada modunda sürekli bir
güç beslemesi sağlamak için güvenilirlik analizi yapılmalıdır. Ayrıca, müşterilere en
yüksek güvenilirlikte güç sağlamak için risk analizi çok önemli bir rol oynamaktadır.
Güvenilirlik analizi, enerji yönetim sistemine bir kesinti veya adalanma senaryosu
açısından ne gibi önlemler alınması gerektiğini söyleyerek enerji yönetimine yardımcı
olabilir. Bu sebepten ötürü, dağıtılmayan enerji miktarı, enerji yönetim sisteminin
önlem alması, dağıtılmış elektrik üretim kaynaklarının ve iletim hatlarının
arızalanması durumunda mevcut olmayan enerji miktarını rezerve etmesi ve gerekli
düzenlemeleri yapması için tahmin edilmiştir. Bu tezde, ilgili güvenilirlik analizi için
Monte Carlo Simülasyonuna dayanan olasılıksal bir hesaplama önerilmiş ve sonuçlar
yukarıda belirtilen üç farklı durum için sunulmuştur.
Öte yandan, konvansiyonel enerji üretim kaynakları ile donatılmış yüksek gerilim
seviyesindeki mikro şebekeler, içersinde bulunan kaynakların kullandığı kömür, petrol
veya gaz gibi fosil yakıtlar sebebiyle çevreye daha fazla olumsuz etki yapmaktadırlar.
Bütün bu fosil yakıtların çevre üzerinde büyük bir olumsuz etkisi vardır. Bu yakıtlar,
kükürt oksit ve nitrojen oksit gibi kirletici gazları yayarak çevre kirliliğine büyük
ölçüde neden olmaktadırlar. Normal olarak, bu gazlar fosil yakıtlı geleneksel üretim
sistemlerinin termal birimlerinden yayılır. Dolayısıyla, bu durumda yük dağıtımı,
sadece üretim maliyetine veya yakıt maliyetine bağlı değil, aynı zamanda çevreye
yayılan kirletici gaz miktarına da bağlı olarak gerçekleştirilmektedir.
Ekonomik yük dağıtımın temel amacı, üretim birimlerinin yük talebine göre
planlanması ve mümkün olan en düşük maliyetle tahmin edilmesidir. Ancak, bazı
çevresel değişikliklerin son anda meydana gelmesi sebebi ile, en az olası çevre kirliliği
ve zehirli gaz emisyonu ile termal enerji üretim ünitelerini işletmek ilgili kuruluşları
sınırlandırılmaktadır. Bu nedenle, araştırmacılar, kirletici gaz emisyonunu azaltmak
için bir takım teknikler ve stratejiler önermişlerdir. Bazıları kirliliği temizlemek için
ek ekipman takmayı önermiştir. Pek çok araştırmacı, şirketleri yüksek emisyonlu
yakıtların yerine düşük emisyonlu fosil yakıtlarla değiştirmeyi önermiştir. Öte yandan,
güç sistemi araştırmacılarının birçoğu ise eski ünitenin yerini alan üretim üniteleri için
daha temiz ve daha yeni yakıt yakıcıları önermişlerdir. Bu önerilerin tümü ya ek
ekipmanın kurulumunu ya da mevcut ekipmanın tam olarak değiştirilmesini gerektirir
ve bu da nihayet üretim maliyetini ve elektrik fiyatını artıran ek yatırım maliyetine
neden olmaktadır.
Araştırmacılar, üretim maliyeti ve kirletici gaz emisyonu arasındaki ilişkiyi
dengelemek için ek maliyetlerden kaçınmanın yeni bir yolunu bulmuşlardır. Çevre
kirliliğini göz önünde bulundurarak, ekonomik yük dağıtımın bu sorunu
çözebileceğini öne sürmüşlerdir. Bunu yapmak için, en düşük çevre kirliliğine neden
olacak, uygun maliyetli bir optimum dağıtım bulmak için çok amaçlı optimizasyon
teknikleri uygulanmalıdır. Bu nedenle, dağıtılmış fosil yakıtlı üretim ünitelerinden
yakıt maliyeti ve kirletici gaz emisyonu arasında en iyi dengeye ve en iyi çözüme
kavuşturulan çözümleri bulmak için çok amaçlı optimum bir yük dağıtım yöntemi
önerilmiştir. Ayrıca üreten birimlerin güvenilirliğide, emisyonun optimize edilmesi
için bir amaç olarak düşünülmüştür.
Yukarıda belirtilen tüm konulara değinmek amacıyla, bu tezde çok amaçlı
optimizasyon ve kısıt fonksiyonları açısından üç farklı örnek ele alınmıştır. İlk olarak,
ekstrem noktaların ve önerilen çok amaçlı optimizasyon yöntemi ile en iyi şekilde
optimize edilen tüm olası çözümlerin bulunması için güç üretim birimlerinin kısıtlı
üretimi göz önüne alınarak, ikinci dereceden bir yakıt maliyeti ve emisyon fonksiyonu
ayrı ayrı minimize edilmiştir. Bu, önerilen algoritmayı doğrulamak ve algoritmanın
etkinliğini göstermek için yapılmıştır. Yakıt maliyeti fonksiyonu ve emisyon
fonksiyonu da bu durumda çok amaçlı optimizasyon fonksiyonu olarak birlikte
minimize edilmiştir.
İkinci olarak, önerilen çok amaçlı algoritma, güç dengesi kısıtı dikkate alınarak üç
farklı senaryoyu optimize etmek için kullanılmıştır. Bu örnekte ilk olarak aynı yakıt
maliyeti ve emisyon fonksiyonu en aza indirilmiştir. Daha sonra yakıt maliyeti, sistem
yeterlilik parametresi ve sağlanması beklenmeyen enerji (SBE), güvenilirlik
fonksiyonu ile birlikte minimize edilmiştir. Yüksek gerilim seviyesindeki mikro
şebekelerin sistem güvenilirliği, büyük miktarda yükün buradan beslenmesi sebebi ile
büyük bir rol oynamaktadır. Bu nedenle, ilgili risk analizi, kesinti tahmini yapılmalı
ve olası sağlanmamış enerji miktarı üretim sisteminde reserv edilmelidir. Bu nedenle,
önerilen algoritmayı daha etkili hale getirmek için güvenilirlik burada
düşünülmektedir. Ayrıca önceki iki durum sonucunu karşılaştırmak için emisyon
fonksiyonu ve güvenilirliği optimize edilmiştir.
Son olarak, yakıt maliyeti fonksiyonu ve emisyon fonksiyonu çok amaçlı
optimizasyon fonksiyonu olarak, güç dengesi ve güvenilirlik kısıt fonksiyonları göz
önünde bulundurularak en aza indirilmiştir. Bu senaryoda elde edilen sonuçlar,
önerilen çok amaçlı optimizasyon algoritmasının etkinliğini gösteren önceki
sonuçlarla iyi bir benzerliği göstermektedir.
Sistem yeterliliği parametre değerlendirmesi için Monte Carlo Simülasyonu temelli
olasılık yaklaşımı uygulanmıştır. Güvenilirlik bir fonksiyon olarak işlev görürken, tüm
olası çözüm alanları için SBE'yi hesaplamak üzere bu Monte Carlo Simülasyonunu
kullanılmıştır. Daha sonra bu çözümler sırasıyla yakıt maliyeti fonksiyonu ve emisyon
fonksiyonu ile birlikte en az indirilmiştir. Öte yandan, önerilen çok amaçlı
optimizasyon algoritması, güvenilirliği bir kısıtlama olarak görmekte, SBE'yi
hesaplamak için aynı tekniği kullanmakta ve algoritmanın gerekliliğine göre
öngörülen bir sınırda tutmaya çalışmaktadır.
|
The generation and transmission system play a very important role for a low voltage
microgrid, specially for one which is equipped with distributed generation systems.
The generation schemes and energy sources define whether a microgrid is environment
friendly or not. The renewable energy sources supported distributed generation is
environment friendly. But the coordinated generation with different type of renewable
power generation sources create an urgency of a cost effective dispatch for the
generation systems. Otherwise, the generation system will not be enough to meet the
power demand with lower cost and higher reliability.
For this reason, an online dispatching technique should be designed for the energy
management to supply energy to the customer with least possible cost. The presence
of different types of renewable energy sources make it more difficult as the output
from these sources are not constant. They vary with the sunlight, wind speed as well
as other weather conditions. Moreover, they are not dispatchable sources. Therefore,
a special type of algorithm need to be designed for the distributed generation system
so that they can meet the power demand and also make the best use of the excessive
power when the demand is lower than the power generation from the renewable energy
sources.
For this reason, a single objective optimal dispatching method has been discussed by
proposing two different optimization algorithms for three distinguished scenarios in
order to find the best possible dispatching scheme for the renewable energy sources at
minimum cost. Three wind power plants, two solar plants and one Combined Heat and
Power (CHP) have been considered for this thesis. The CHPs are not technologies,
they are approach for applying technologies. In this study, a CHP is considered with
solar and wind sources because of its cogeneration capability as well as thermal and
overall efficiency. A conventional system of producing power and usable heat has 45
percent combined efficiency, while CHP method can operate at 80% combined
efficiency. Therefore, combining CHP with other renewable energy sources is more
cost effective and electrically efficient because of the lower efficiency associated with
renewable energy sources. Moreover, it is also environment friendly for its
cogeneration capability.
Three different cases have been considered in terms of supplying power from the CHP
and the availability of the renewable energy sources. For the first case, energy storage
systems are assumed to be associated with the renewable energy sources in order to
make all the sources ava
xx
cost function has been minimized to find the best economic dispatch for all the
available power generation sources at lowest possible cost. For the second case, the
same cost function has been minimized to achieve the same objective but no energy
storage source is considered. All the renewable energy sources are considered as
variable sources and assumed to be able to supply the highest power available at any
given time. On the other hand, a third case has been considered for the renewable
energy sources where no wind or solar plants are dispatchable. The same quadratic
cost function has been considered as objective function to find the cost effective
optimal dispatch for the distributed power generation sources. The economic
dispatches obtained from these three scenarios are presented and compared in this
thesis in order to find the necessity of the energy storage systems and the best
distributed generation system at the lowest possible cost.
Reliability or risk analysis is also very important for designing an unintervened power
supply system for a microgrid. Often the rural microgrids use renewable energy
sources where power interruption could occur for many reasons. Therefore, to ensure
the continuous power supply to the consumers, reliability analysis should be done for
the islanding mode of operation. Moreover, for supplying the power to the customers
at highest reliability, risk analysis plays a very important role. Reliability analysis can
help the energy management by telling the energy management system what
precaution need to be taken in terms of an outage or islanding scenario. For this
reasons, the amount of expected energy not served has been forecasted to the energy
management system to take precaution and make necessary arrangement to reserve the
amount of energy which could not be available in case of failure of any distributed
power generation sources and transmission lines. A probabilistic calculation, based on
Monte Carlo Simulation has been proposed in this thesis for the corresponding
reliability analysis and the results are presented for the above mentioned three different
cases.
On the other hand, a high voltage microgrid equipped with conventional power
generation sources has greater negative impact on the environment because these
generators normally use fossil fuel such as coal, oil or gas. All of these fossil fuels
have a huge negative impact on the environment. These fuels causes environment
pollution to a great extent by emitting pollutant gas such as sulphur oxides and nitrogen
oxides. Normally, these gases are emitted from the thermal units of the fossil fueled
conventional generation systems. So, in this case, dispatching of the generators are not
done depending on the cost of generation or fuel cost alone, it also depends on the
amount of pollutant gas emitted in the environment.
The primary objective of economic dispatch is the scheduling of generation units
according to the load demand and forecast at lowest possible cost. But due to the recent
passage of some environmental amendments, utilities are bounded to operate the
thermal power generation units with least possible environmental pollution and toxic
gas emission. Therefore, researchers have suggested a number of techniques and
strategies to reduce the pollutant gas emission. Some of them have proposed to install
additional equipment for cleaning pollution. While many researchers have suggested
the utility companies to replace the highly pollutant fuels with the low emission fossil
fuels. On the other hand, many of the power system researchers have suggested to use
cleaner and newer fuel burners for the generation units replacing the old one. All of
these suggestions require either installation of additional equipment or complete
xxi
replacement of the existing equipment causing additional investment cost which
finally increase the generation cost and electricity price.
Researchers have found a new way to avoid the additional cost in order to balance the
tradeoffs between generation cost and pollutant gas emission. They have suggested
that economic dispatch considering the environment pollution can solve these issue.
To do this, multi-objective optimization techniques need to be implemented to find a
cost effective optimal dispatch which will cause the lowest environment pollution.
That is why a multi-objective optimal dispatching method has been proposed to find
the best trade-off and best compromised solutions between fuel cost and pollutant gas
emission from the distributed fossil fueled generation units. Reliability of the
generating units have also been considered with the emission as an objective to be
optimized.
To address all the above mentioned issues, three different illustrations have been
considered in this thesis in terms of multi-objective optimization and constraint
functions. Firstly, a quadratic fuel cost and emission function have been minimized
separately considering restricted generation of the power generation units in order to
find the extreme solution points and diversive nature of the pareto optimal solutions
resulted from the proposed multi-objective optimization method. This is done to
validate the proposed algorithm and demonstrate the effectiveness of the algorithm.
The fuel cost function and emission function have also minimized together as multiobjective
optimization function in this case too.
Secondly, the proposed multi-objective algorithm has been used to optimize three
different scenarios considering the power balance constraint. In this illustration, the
same fuel cost and emission function have been minimized at first. Then, the fuel cost
has been minimized along with the system adequacy parameter, expected energy not
served (EENS), as reliability function. System's reliability plays a great role because
a huge amount of load receive energy from high voltage microgrids. Therefore,
corresponding risk analysis, outage forecast as well as probable amount of unserved
energy need to be reserved in the generation system. Therefore, reliability is
considered here to make the proposed algorithm more effective. Furthermore,
emission function and reliability have been optimized to compare the result with the
previous two cases results.
Finally, the fuel cost function and emission function have been minimized as multiobjective
optimization function considering the power balance and reliability function
as constraint functions. The results obtained in this scenario has illustrated a very good
similarity with the previous results demonstrating the effectiveness of the proposed
multi-objective optimization algorithm.
For the system adequacy parameter evaluation, Monte Carlo Simulation based
probabilistic approach has been implemented. While the reliability acts as a function,
it uses this Monte Carlo Simulation to calculate the EENS for all the possible solution
spaces. Then these solutions have been minimized along with the fuel cost function
and emission function respectively. On the other hand, when the proposed multiobjective
optimization algorithm considered the reliability as a constraint, it has used
the same technique to calculate the EENS and try to keep it in a prescribed limit
according to the necessity of the algorithm. |