SUPERVISOR
Gholamreza Yousefi,Mohamadamin Latifi
غلامرضا یوسفی (استاد مشاور) محمدامین لطیفی (استاد راهنما)
STUDENT
Mostafa Ansari
مصطفی انصاری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Coordinated Operation Planning of a GenCo’s Wind Farm and Gas Turbines Considering Natural Gas Network Constraints
Wind power generation has some advantages and disadvantages. Uncertainty in power generation is one of the main wind power disadvantages. Therefore, uncertainty level would be increased with rising the penetration rate of wind farms (WFs) in an electricity network (EN). Various methods have been proposed to mitigate WFs uncertainty from various perspectives. Gas turbines (GTs) besides wind generation could mitigate the mentioned uncertainty issue. GTs, due to their fast response, would be used to compensate the production uncertainty of WFs. GTs employment aimed at WFs uncertainty management causes demand fluctuations in the natural gas network (NGN). Thus, NGN adequacy should be evaluated in this regard. The mentioned problem with growth of gas fired power plants can increase the NGN and EN interdependency. Energy storage systems is another tool which can be used for WFs generation uncertainty mitigation. Energy storage systems are usually fast and are able to exchange energy over an operation period to manage the wind generation uncertainties. This thesis focuses on the coordinated operation planning of a generation company (GenCo) consists of WFs, GTs, gas storage (GS) and battery storage (BS) considering NGN and EN constraints in a deregulated electricity and natural gas systems. Due to electricity and natural gas interdependency the GenCo should consider natural gas market (NGM) and related gas network constraints as well as electricity market (EM) and power system constraints in its operation planning. And also, GenCo should consider uncertainty in NGMs prices and pipelines accessibility. In this thesis GenCo is assumed to be a price taker in both NGM and EM. The natural gas pipeline is shared between GenCo and residential users. We assume that residential users have priority to use natural gas. In the proposed model, GenCo can participate in the short term and long term electricity and gas markets. In this model energy arbitrage is possible because of diverse electricity and natural gas contracts and storages. The supposed problem is defined as a stochastic optimization problem then it is converted to a mixed integer linear programing (MILP) problem which could be solved using conventional optimization packages such as GAMS. The GenCo objective function is to maximize expected profit in the operation planning horizon while risk is taken to account. The uncertainty of wind speed, and uncertainties related to gas and electricity prices are considered through suitable scenario generation. In the proposed model EM and transmission network constraints are modeled. Also NGMs and pipelines constraints are formulated. In this Thesis, a linear model for NGM constraints and a linear model for dynamic flow of natural gas are introduced. The proposed model is tested in different operation conditions using real data. The value of stochastic solution (VSS) index is used to evaluate the stochastic solution. Results of various case studies acknowledge that the proposed model is able to manage fluctuations of WFs’ generation by means of flexible elements (i.e. GTs, GS and BS) and energy contracts. Also test results show that the proposed model can increase the expected profit and reduce the financial risk of the GenCo. The VSS is expressed that presented model is justifiable in all the evaluated conditions. Keywords: wind farm, operational planning, gas turbines, natural gas market, gas network, gas storage, battery, electricity market.
نیروگاه‌های بادی مشابه بسیاری از فناوری‌های ساخت بشر معایبی دارد که یکی از مهم‌ترین آن‌ها عدم قطعیت در توان تولیدی است. ازاین‌رو با نفوذ مزارع بادی در شبکه‌های نوین، سطح عدم قطعیت سیستم‌های الکتریکی افزایش یافته و بهره‌برداری از آن‌ها سخت‌تر می‌شود. برای حل مسئله‌ی عدم قطعیت تولید مزارع بادی، تاکنون روش‌های گوناگونی از منظرهای مختلف پیشنهاد شده است. یکی از راهکارهای مناسب استفاده از توربین‌های گازی در کنار مزارع بادی است. ازآنجاکه توربین‌های گازی سرعت پاسخ‌گویی بالایی دارند می‌توانند برای جبران کمبود تولید مزارع بادی در طول روز مورد استفاده قرار گیرند. به‌کارگیری توربین‌های گازی برای پوشش عدم قطعیت مزارع بادی، موجب نوسان در تقاضای گاز از شبکه گاز می‌شود. لذا باید کفایت سیستم گازرسانی در این شرایط مدنظر قرار گیرد. این استفاده از توربین‌های گازی به همراه رشد نیروگاه‌های حرارتی گازسوز در شبکه، موجب درهم تنیدگی بیش‌ازپیش سیستم‌های قدرت و شبکه‌های گاز طبیعی می‌شود. یکی دیگر از راهکارهایی که برای مواجهه با نوسانات تولید مزارع بادی می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد، استفاده از انواع ذخیره‌سازهای انرژی در کنار مزارع بادی است. ذخیره‌سازهای انرژی عموماً سرعت بالایی دارند و با جابجایی انرژی در طول زمان می‌توانند کمبود و بیش‌بود انرژی تولیدی مزارع بادی را جبران کنند. در این پایان‌نامه مدلی برای برنامه‌ریزی بهره‌برداری در یک شرکت تولید انرژی الکتریکی شامل مزرعه بادی، توربین گازی، ذخیره‌ساز گاز و ذخیره‌ساز انرژی الکتریکی (باتری) در افق زمانی میان‌مدت با در نظر گرفتن قیدهای مربوط به شبکه گاز طبیعی در محیط تجدید ساختار یافته‌ی برق و گاز ارائه می‌شود. وابستگی سیستم‌های قدرت و شبکه‌ی گاز طبیعی ایجاب می‌کند که شرکت تولید در مطالعات برنامه‌ریزی بهره‌برداری خود، علاوه بر قیدهای سیستم قدرت و بازار برق، قیدهای مربوط به شبکه و بازار گاز و عدم قطعیت‌های موجود در آن نظیر قیمت گاز و دسترسی‌پذیری ظرفیت خط لوله گاز را در نظر بگیرد. در این تحقیق شرکت تولید در بازارهای برق و گاز قیمت‌پذیر فرض شده و با یک مصرف‌کننده‌ی اولویت‌دار در تأمین گاز (شهرک مسکونی) در خط لوله‌ی گاز مشترک است. در مدل پیشنهادی، شرکت تولید می‌تواند در بازار برق و گاز کوتاه‌مدت و بلندمدت شرکت کرده و از امکانات مختلف آربیتراژ بین بازارهای برق و گاز در طول زمان استفاده کند. برنامه‌ریزی بهره‌برداری شرکت تولید مورد نظر در قالب یک مسئله بهینه‌سازی تصادفی تعریف، به شکل مسئله‌ی بهینه‌سازی آمیخته با اعداد صحیح (MILP) مدل‌سازی و در نرم‌افزار GAMS پیاده‌سازی می‌شود. تابع هدف مدل ارائه‌شده، بیشینه‌سازی امید ریاضی سود شرکت تولید با در نظر گرفتن ریسک در افق برنامه‌ریزی است. عدم قطعیت موجود در سرعت باد و قیمت‌های بازارهای گاز و برق به‌صورت سناریوهای تولیدشده از فرآیندهای تصادفی متناظر در نظر گرفته می‌شوند. در مدل پیشنهادی، محدودیت‌های مربوط به بازار برق و شبکه‌ی انتقال انرژی الکتریکی در نظر گرفته می‌شود. به‌علاوه محدودیت‌های مربوط به بازارهای گاز و خط لوله گاز نیز در مدل پیشنهادی لحاظ می‌شود. در این تحقیق، مدلی خطی برای در نظر گرفتن محدودیت‌های بازارهای گاز و فلوی گاز در شبکه‌ی گاز ارائه می‌شود. مدل پیشنهادی توسط داده‌های واقعی در شرایط مختلف بهره‌برداری محک زده می‌شود. به‌منظور ارزیابی ارزش مدل‌سازی تصادفی در مدل پیشنهادی، از شاخص ارزش روش حل تصادفی (VSS) استفاده می‌شود. طی تحلیل نتایج عددی حاصل از موارد مطالعاتی متنوع، کارآمد بودن استفاده از تجهیزات ایجاد انعطاف (توربین‌های گازی و ذخیره‌سازهای انرژی) و ترکیب قراردادهای انرژی (اعم از برق و یا گاز) برای پوشش نوسانات تولید مزرعه بادی در شرایط محیطی مختلف نشان داده می‌شود. به‌علاوه نتایج نشان می‌دهند که با مدل پیشنهادی ریسک شرکت تولید در مبادلات انرژی کاهش می‌یابد. مقادیر ارزیابی‌شده برای VSS، توجیه‌پذیر بودن مدل پیشنهادی در همه‌ی حالات ارزیابی شده را نشان می‌دهد. کلمات کلیدی : مزرعه بادی، برنامه‌ریزی بهره‌برداری، توربین گازی، بازار گاز طبیعی، شبکه گاز طبیعی، ذخیره‌ساز گاز، باتری، بازار برق