Problém zapojení jednotky při výrobě elektrické energie - Unit commitment problem in electrical power production

Problém jednotkového závazku ( UC ) ve výrobě elektrické energie je velká skupina problémů matematické optimalizace, kde je výroba sady elektrických generátorů koordinována za účelem dosažení nějakého společného cíle, obvykle buď odpovídající energetické potřebě při minimálních nákladech, nebo maximalizaci příjmů z výroby elektřiny. Je to nutné, protože je obtížné skladovat elektrickou energii na stupnici srovnatelné s normální spotřebou; každá (podstatná) odchylka ve spotřebě proto musí odpovídat odpovídající odchylce výroby.

Koordinace generačních jednotek je obtížný úkol z několika důvodů:

  • počet jednotek může být velký (stovky nebo tisíce);
  • existuje několik typů jednotek s výrazně odlišnými náklady na výrobu energie a omezeními ohledně způsobu výroby energie;
  • generace je distribuována do rozsáhlé geografické oblasti (např. země), a proto je třeba vzít v úvahu reakci elektrické sítě , která je sama o sobě velmi složitým systémem: i když jsou známy úrovně výroby všech jednotek, je třeba ověřit, zda zátěž lze udržet a jaké jsou ztráty, vyžaduje velmi složité výpočty toku energie .

Protože se příslušné detaily elektrického systému celosvětově velmi liší, existuje mnoho variant problému UC, které je často velmi obtížné vyřešit. Důvodem je také to, že jelikož některé jednotky potřebují ke spuštění nebo vypnutí poměrně dlouhou dobu (mnoho hodin), je třeba rozhodnutí přijmout s dostatečným předstihem (obvykle den předem), což znamená, že tyto problémy je třeba vyřešit v rámci přísné časové limity (několik minut až několik hodin). UC je proto jedním ze základních problémů správy a simulace energetického systému . Byl studován mnoho let a stále je jedním z nejvýznamnějších problémů s optimalizací energie. Nedávné průzkumy na toto téma zahrnují mnoho stovek vědeckých článků věnovaných tomuto problému. Několik komerčních produktů navíc obsahuje specifické moduly pro řešení UC, nebo se dokonce zcela věnují jeho řešení.

Prvky problémů se zapojením jednotek

Existuje mnoho různých problémů UC, protože elektrický systém je strukturován a řízen odlišně po celém světě. Společnými prvky jsou:

  • Časový horizont , po níž se rozhodnutí musí být provedeny, odebrány vzorky na konečný počet časových okamžicích . Obvykle je to jeden nebo dva dny, až týden, kdy okamžiky jsou obvykle hodiny nebo půl hodiny; méně často, 15 nebo 5 minut. Časové okamžiky se tedy obvykle pohybují mezi 24 a kolem 2000.
  • Sada výrobních jednotek s odpovídajícími křivkami nákladů na výrobu energie a/nebo emisními křivkami a (složitými) technickými omezeními.
  • Reprezentace významné části sítě grid .
  • Musí být splněn (předpokládaný) profil zatížení , tj. Čisté množství energie, které má být dodáno do každého uzlu sítě v každém okamžiku.
  • Možná sada omezení spolehlivosti zajišťující, že poptávka bude uspokojena, i když dojde k některým nepředvídaným událostem.
  • Možná finanční a/nebo regulační podmínky (energetické příjmy, omezení fungování trhu, finanční nástroje, ...).

Rozhodnutí, která je třeba přijmout, obvykle zahrnují:

  • rozhodnutí o závazcích : zda jednotka vyrábí energii kdykoli;
  • rozhodnutí o výrobě : kolik energie jednotka produkuje v každém okamžiku;
  • síťová rozhodnutí : kolik energie proudí (a v jakém směru) na každé větvi přenosové a/nebo distribuční sítě v daném časovém okamžiku.

Zatímco výše uvedené funkce jsou obvykle přítomny, existuje mnoho kombinací a mnoho různých případů. Mezi nimi zmiňujeme:

  • bez ohledu na to, zda jednotky a rozvodnou síť zpracovává monopolní operátor (MO), nebo zda provozovatel sítě spravuje samostatný provozovatel přenosové soustavy (TSO), který poskytuje spravedlivý a nediskriminační přístup generujícím společnostem (GenCos), které soutěží o uspokojení produkce na ( nebo nejčastěji několik vzájemně propojených) trhů s energií ;
  • jsou různé druhy energetických výrobních jednotek , jako jsou tepelné / ty jaderné, ty vodních elektrárnách a obnovitelných zdrojů energie (vítr, slunce, ...);
  • které jednotky mohou být modulovány , tj. o jejich vyrobené energii může rozhodnout provozovatel (i když to podléhá technickým omezením jednotky), na rozdíl od toho, že je to zcela dáno vnějšími faktory, jako jsou povětrnostní podmínky;
  • úroveň podrobností, na které je třeba vzít v úvahu fungování elektrické sítě , od zásadního ignorování až po zvážení možnosti dynamického otevření (přerušení) vedení za účelem optimální změny směrování energie v síti.

Cíle řízení

Cíle UC závisí na cílech aktéra, pro které je řešen. U MO jde v zásadě o minimalizaci nákladů na výrobu energie při uspokojení poptávky; spolehlivost a emise jsou obvykle považovány za omezení. V režimu volného trhu je cílem spíše maximalizace zisku z výroby energie , tj. Rozdílu mezi příjmy (kvůli prodeji energie) a náklady (kvůli její výrobě). Pokud je GenCo tvůrcem cen , tj. Má dostatečnou velikost pro ovlivnění tržních cen, může v zásadě provádět strategické nabídky za účelem zlepšení svých zisků. To znamená nabízet jeho výrobu za vysoké náklady tak, aby se zvýšily tržní ceny, ztratil podíl na trhu, ale část si ponechal, protože v zásadě není dostatečná výrobní kapacita. V některých regionech to může být způsobeno skutečností, že neexistuje dostatečná kapacita sítě pro import energie z okolních regionů s dostupnou výrobní kapacitou. Přestože jsou trhy s elektřinou vysoce regulovány, aby mimo jiné takové chování vyloučily, velcí výrobci mohou stále těžit ze současné optimalizace nabídek všech svých jednotek, aby zohlednili jejich kombinovaný účinek na tržní ceny. Naopak, cenoví příjemci mohou jednoduše optimalizovat každý generátor nezávisle, protože jelikož nemají významný dopad na ceny, odpovídající rozhodnutí spolu nesouvisí.

Druhy výrobních jednotek

V kontextu UC jsou generující jednotky obvykle klasifikovány jako:

  • Tepelné jednotky , včetně jaderných , které spalují nějaký druh paliva k výrobě elektřiny. Jsou předmětem mnoha složitých technických omezení, mezi nimiž můžeme jmenovat minimálně up / času dolů , rampa nahoru / dolů rychlosti , modulačního / stability (jednotka nemůže změnit jeho úroveň výroby mnohokrát) a start-up / odstavování rampě rychlost (při spouštění/zastavování musí jednotka dodržovat konkrétní křivku výkonu, která může záviset na tom, jak dlouho byla elektrárna offline/online). Optimalizace i jedné jednotky je tedy v zásadě již složitým problémem, který vyžaduje specifické techniky.
  • Hydro jednotky , které generují energii získáváním potenciální energie vody, jsou často organizovány do systémů spojených nádrží nazývaných hydro údolí . Vzhledem k tomu, že voda uvolňovaná z protiproudé nádrže se dostává do nádrže po proudu (po nějaké době), a proto je k dispozici k výrobě energie zde, je třeba přijímat rozhodnutí o optimální produkci pro všechny jednotky současně, což činí problém poměrně obtížným, i když ne (nebo málo) je zahrnuta tepelná výroba, a to ještě více, pokud se uvažuje o kompletním elektrickém systému. Hydro jednotky mohou zahrnovat přečerpávací jednotky , kde lze energii vynakládat na čerpání vody do kopce. Toto je jediná současná technologie schopná uložit dostatek (potenciální) energie, aby mohla být významná na typické úrovni problému UC. Na vodní jednotky se vztahují složitá technická omezení. Množství energie generované turbínou určitého množství vody není konstantní, ale závisí na vodní hladině, která zase závisí na předchozích rozhodnutích. Vztah je nelineární a nekonvexní, což činí problém obzvláště obtížně řešitelným.
  • Jednotky obnovitelné generace, jako jsou větrné farmy , solární elektrárny , vodní elektrárny na řece (bez vyhrazené nádrže, a proto jejichž výroba je dána tekoucí vodou) a geotermální jednotky . Většinu z nich nelze modulovat a některé jsou také přerušované , tj. Jejich produkci je obtížné přesně předpovědět s dostatečným předstihem. V UC tyto jednotky ve skutečnosti neodpovídají rozhodnutím, protože je nelze ovlivnit. Jejich produkce je spíše považována za fixovanou a přidanou k produkci ostatních zdrojů. Podstatný nárůst přerušované výroby energie z obnovitelných zdrojů v posledních letech výrazně zvýšil nejistotu v čisté zátěži (poptávka minus produkce, kterou nelze modulovat), což zpochybnilo tradiční názor, že předpokládané zatížení v UC je dostatečně přesné.

Modely elektrické sítě

Existují tři různé způsoby, jak je energetická síť v UC reprezentována:

  • Při aproximaci jednoho sběrnice je mřížka ignorována: poptávka je považována za uspokojenou, kdykoli se celková produkce rovná celkové poptávce, bez ohledu na jejich geografickou polohu.
  • V DC aproximaci je modelován pouze Kirchhoffův současný zákon ; to odpovídá zanedbání toku jalového výkonu , rozdíly v úhlech napětí jsou považovány za malé a profil úhlového napětí je považován za konstantní;
  • V úplném AC modelu jsou použity kompletní Kirchhoffovy zákony : výsledkem jsou vysoce nelineární a nekonvexní omezení v modelu.

Když je použit plný AC model, UC ve skutečnosti zahrnuje problém optimálního toku energie , což je již nekonvexní nelineární problém.

V poslední době je tradiční „pasivní“ pohled na energetickou síť v UC zpochybňován. V pevné elektrické síti nelze směrovat proudy, jejich chování je zcela určeno uzlovým vstřikováním energie: jediný způsob, jak upravit zatížení sítě, je tedy změnit uzlovou poptávku nebo produkci, pro kterou existuje omezený rozsah. Poněkud neintuitivní důsledek Kirchhoffových zákonů je ten, že přerušení vedení (možná i přetíženého) způsobí globální přesměrování elektrické energie, a proto může zlepšit výkon sítě. To vedlo k definování problému optimálního přepínání přenosu , přičemž některé čáry mřížky lze dynamicky otevírat a zavírat v časovém horizontu. Začlenění této funkce do problému UC ztěžuje řešení i při DC aproximaci, ještě více u plného AC modelu.

Nejistota v problémech zapojení jednotky

Znepokojujícím důsledkem skutečnosti, že UC je třeba vyřešit v dostatečném předstihu před skutečnými operacemi, je to, že budoucí stav systému není přesně znám, a proto je třeba jej odhadnout. To býval relativně malý problém, když nejistota v systému byla způsobena pouze kolísáním poptávky uživatelů, které lze souhrnně předpovědět celkem efektivně, a výskytem poruch na linkách nebo generátorech, které lze vyřešit dobře zavedenými pravidly ( rezerva na předení ). V posledních letech se však produkce z přerušovaných obnovitelných zdrojů produkce výrazně zvýšila. To zase velmi výrazně zvýšilo dopad nejistoty v systému, takže jeho ignorování (jak se tradičně provádí pomocí odhadů průměrných bodů) riskuje značné zvýšení nákladů. To způsobilo, že bylo nutné uchýlit se k vhodným technikám matematického modelování, které by správně zohledňovaly nejistotu, například:

Kombinace (již mnoha) tradičních forem problémů UC s několika (starými a) novými formami nejistoty vede k ještě větší rodině problémů s nejistým závazkem jednotky (UUC), které jsou v současné době na hranici aplikovaných a metodický výzkum.

Integrované přenosové a distribuční modely

Jedním z hlavních problémů problému se zapojením jednotek v reálném čase je skutečnost, že poptávka po elektřině přenosové sítě je v každé distribuční soustavě obvykle považována za „bod zátěže“ . Realita je však taková, že každý bod zatížení je komplexní distribuční síť s vlastními dílčími zátěžemi, generátory a DER . Zjednodušením distribuce do bodů zatížení může dojít k extrémním provozním problémům celé energetické sítě. Mezi takové problémy patří vysoký tlak na systém přenosu energie a zpětný tok energie z distribučních systémů směrem k systému přenosu energie. Nově uplatňovaný přístup k efektivnějšímu řešení problému jednotkových závazků se proto rodí z integrovaných přenosových a distribučních systémů. V takových modelech je problém zapojení jednotky přenosových systémů obvykle kombinován s problémem správy obnovitelných zdrojů distribučních systémů pomocí dvouúrovňových programovacích nástrojů.

Viz také

Reference

externí odkazy

  • Popis úlohy problémů se zapojením jednotek v celkovém kontextu řízení energetického systému lze nalézt ve Wiki energetické optimalizace vyvinuté projektem COST TD1207.