SUPERVISOR
Akbar Ebrahimi,Mohamadamin Latifi
اکبر ابراهیمی (استاد راهنما) محمدامین لطیفی (استاد مشاور)
STUDENT
Morteza Jadidoleslam
مرتضی جدیدالاسلام زیدآبادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389
TITLE
Power Transmission Network Expansion Planning to Increase Penetration of the Wind Power Plants
In recent years, sustainable development issues are considerably noticed for energy policy-making. In electric industry, major portion of the transition to a sustainable energy system is relying on wind power. However, due to some characteristics of wind power plants (W) such as intermittency, high capital investment, and financial risk, they may not be an attractive investment option for independent investors. Nevertheless, the public demand and the environmental concerns have persuaded energy policy-makers to support the integration of wind power into the power system using different support policies. Although the pursuit of the support schemes lead to development of wind power projects, but they impose a considerable economic aspect on governments. On the other hand, investment in W is tightly conditioned by transmission network expansion. In electricity markets, wind producers generally offer power at zero price and are paid by the Locational Marginal Price (LMP) of the bus where they are located. Therefore, the transmission network and its future expansion plans can play a determinative role in revenue and profitability of a WPP. In an electricity market, transmission system operator (TSO), as the planner, is responsible for efficient expansion of transmission network. Hence, TSO can consider the investors’ concerns in its expansion strategies and provide economic motivation to stimulate more private investment in W. Toward this end, it is necessary to consider the interactions between transmission expansion planning (TEP) and wind power investment in an integrated framework. Moreover, the desired framework must properly represent the market clearing process and inherent uncertainties in the input data of the problem such as load and wind power production. In this dissertation, a stochastic framework is presented for analyzing the role of TEP to make wind projects attractive. The problem is formulated as a bi-level optimization model. In the upper-level (UL) problem, TSO decides on the number and routes of the new transmission lines. The siting and sizing of the economically attractive W are also determined in the UL. The objective functions of the UL optimization problem are minimization of new transmission line costs, maximization of the financial attractive W capacity, and maximization of power system reliability. The mean-variance (MV) theory is used to analyze the attractiveness of W. In the MV theory, the profit and financial risk are simultaneously taken into account. In the lower-level (LL) there is two sets of optimization problems. The first one represents the market clearing which calculates the LMPs of network buses for each load and wind scenario and the second one represents composite power system reliability evaluation which calculates expected energy not served at hierarchical level II (EENS HLII ). In order to demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed methodology, it is implemented to modified versions of the IEEE-RTS and IEEE 118 bus test systems. The obtained results show that adoption a proper strategy for TEP can lead to more private investment absorption in wind power without a significant additional transmission investment cost.
بر خلاف نیروگاههای سنتی، نیروگاههای بادی بهعلّت عدمقطعیت توان تولیدی، هزینههای سرمایهگذاری نسبتاً بالا و ریسکهای سرمایهگذاری برای سرمایهگذاران خصوصی جذابیت زیادی ندارند. با وجود این، خواست عمومی جامعه و توجه روز افزون نسبت به مسائل زیستمحیطی، سیاستگذاران انرژی را متقاعد کرده است که از طریق سیاستهای تشویقی از اتصال این منابع انرژی به شبکه حمایت کنند. اگرچه پیگیری این سیاستها توانسته به جذابتر شدن پروژههای بادی کمک نماید، اما هزینههای زیادی برای کشورها بههمراه داشته است. از سوی دیگر، سیستم انتقال نقش مهمی در توسعه نیروگاههای بادی بهعهده دارد؛ بهگونهای که میتوان گفت توسعه این منابع وابسته به توسع? سیستم انتقال است. علاوهبر این، در یک بازار رقابتی، عموماً نیروگاههای بادی در قیمت صفر پیشنهاد قیمت میدهند و به آنها بر اساس قیمت حاشیهای محلی (LMP) شینی که در آن قرار دارند پرداخت میشود. از اینرو، سیستم انتقال میتواند قیمتهای بازار را دستخوش تغییر نموده و نقش تعیینکنندهای در میزان درآمد نیروگاههای بادی و سودآوری پروژههای بادی داشته باشد. با توجه به خواست عمومی و قوانین و سیاستهای تدوین شده برای توسعه منابع تجدیدپذیر، در یک بازار برق تجدیدساختار یافته، بهرهبردار شبکه انتقال (TSO) که بهعنوان برنامهریز مسئولیت توسعه شبکه انتقال را نیز بر عهده دارد، میتواند در راهبردهای توسعه انتقال خود به نگرانی سرمایهگذاران خصوصی توجه داشته و انگیزههای اقتصادی لازم را بهمنظور ترغیب آنها برای سرمایهگذاری در پروژههای توان بادی فراهم نماید. دستیابی به چنین هدفی نیازمند توجه به تأثیرات متقابل توسعه انتقال و نیروگاههای بادی در یک چارچوب برنامهریزی همزمان است که در آن حداکثر مزایای فنی و اقتصادی ناشی از توسعه شبکه انتقال و نیروگاههای بادی قابل حصول باشد. علاوهبر این، چارچوب مورد نظر بایستی فرایند تسویه بازار را بهدرستی مدلسازی نموده و همچنین توانایی در نظر گرفتن عدمقطعیتهای موجود در مسئله همچون عدمقطعیت توان بادی و همچنین تقاضای بار را داشته باشد. در این رساله چارچوبی مبتنی بر برنامهریزی تصادفی برای در نظر گرفتن نقش توسعه انتقال در جذاب نمودن پروژههای بادی و افزایش ضریبنفوذ توان بادی ارائه شده است. برای این منظور، مسئله توسعه همزمان شبکه انتقال و نیروگاههای بادی بهصورت یک مدل دوسطحی فرمولبندی شده است که در آن تصمیمات سرمایهگذاری انتقال و نیروگاههای بادی در سطح بالا اتخاذ میشوند. توابع هدف مسئل? سطح بالا حداقلکردن هزینههای سرمایهگذاری انتقال، حداکثر نمودن جذب سرمایهگذاری خصوصی برای احداث نیروگاههای بادی و حداکثرکردن قابلیتاطمینان سیستم قدرت مرکب در نظر گرفته شدهاند. در ارزیابی سودآوری پروژههای بادی از تئوری میانگین-واریانس استفاده شده که در آن همزمان به سود و ریسک سرمایهگذاری توجه میشود. مجموع? مسائل سطح پایین از دو دسته مسئل? بهینهسازی مبتنی بر پخش توان بهینه (OPF) تشکیل میشوند که شامل مسئل? تسویه بازار و همچنین مسئل? محاسبه شاخص مقدار انتظاری انرژی تأمیننشده سیستم مرکب ( EENS HLII ) در سناریوهای مختلف تقاضای بار و توان بادی هستند. بهمنظور نشان دادن عملکرد و کارایی چارچوب برنامهریزی ارائه شده، مدل و روش پیشنهادی بر روی سیستمهای آزمون اصلاح شده 24 شینه (IEEE-RTS) و همچنین شبکه اصلاح شده 118 شینه (IEEE-118bus) پیادهسازی شدهاند. نتایج بهدست آمده نشان می دهد اتخاذ یک راهبرد مناسب برای توسعه شبکه انتقال می تواند منجر به جذب سرمایهگذاری بیشتر در توان بادی، بدون افزایش قابل توجه در هزینههای توسعه سیستم انتقال شود.