Αξιοπιστία συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας σε περιβάλλον ανταγωνιστικής αγοράς και επιπτώσεις των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας

Abstract

The increased penetration of renewable energy sources in the modem electric power systems is favored by a great variety of incentives. The generating units that operate on renewable energy sources may contribute significantly to the satisfaction of the system load demand requirements while keeping the respective operating cost and environmental impact quite low. In addition, the competitive electric energy market being applied constitutes an important factor in favour of the renewable energy sources and, as a result, a great number of relative investments take place worldwide by allowing the existence of various independent producers. However, the increased use of the respective generating units may affect significantly the reliability and overall operational performance of the power systems since their availability level and effective use are restricted by random and unpredicted weather conditions. This fact together with new technologies and operating procedures being introduced into the electric power systems in order to improve their operational performance and services to their customers necessitates the development of appropriate tools that can be used for simulating the operation of these systems and assessing the impact of their various characteristics. In this Thesis appropriate methodologies are developed in order to be used for evaluating the reliability and overall operational performance of electric power systems with an increased use of renewable energy sources and/or the implementation of new operating procedures. In all cases, the main operating features of each system are simulated realistically and alternative design and operational schemes are examined in order to deduce safe conclusions about the way that the various features affect the systems operational performance. The methodologies are developed by using the Monte-Carlo sequential simulation method which is a stochastic procedure that simulates the operation of the systems chronologically. The main assumption of this method is that the system parameters constitute random variables that may be simulated by using appropriate probability distributions and the combination of the status for all the systems parameters gives the overall status of the system. Finally, a large number of samples for the system operation are simulated in order for even the most unlikely situations to be investigated thoroughly.

Τα κίνητρα που ευνοούν τη διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας είναι πολλά. Οι εγκαταστάσεις διαφόρων μορφών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μπορούν να συνεισφέρουν σημαντικά στην κάλυψη της ζήτησης φορτίου των συστημάτων διατηρώντας σε χαμηλά επίπεδα το κόστος λειτουργίας τους και τις αντίστοιχες περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Επιπλέον, το νέο καθεστώς που έχει διαμορφωθεί τα τελευταία χρόνια, στο πλαίσιο της ανταγωνιστικής αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, ευνοεί ακόμα περισσότερο τη διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών και ένας συνεχώς αυξανόμενος αριθμός σχετικών επενδύσεων λαμβάνει χώρα σε εθνικό και διεθνές επίπεδο καθιστώντας δυνατή την ύπαρξη πολλών ανεξάρτητων παραγωγών. Όμως, η αυξημένη διείσδυση των αντίστοιχων μονάδων παραγωγής μπορεί να προκαλέσει σημαντικά προβλήματα στην υπάρχουσα στάθμη της αξιοπιστίας λειτουργίας και στη λειτουργική απόδοση των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας καθώς η στάθμη διαθεσιμότητας και η αποτελεσματική τους χρήση περιορίζεται σημαντικά από την εξάρτησή τους από απρόβλεπτα και τυχαία μεταβαλλόμενα καιρικά φαινόμενα. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με νέες τεχνολογίες και λειτουργικές πρακτικές που εφαρμόζονται έτσι ώστε να βελτιωθεί η λειτουργική συμπεριφορά των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και να επιτευχθούν καλύτερα και οικονομικότερα επίπεδα παροχής ισχύος στους καταναλωτές τους, καθιστά επιτακτική την ανάγκη για ανάπτυξη κατάλληλων εργαλείων τα οποία θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προσομοίωση της λειτουργίας των συστημάτων και την ποσοτικοποίηση των επιπτώσεων που έχουν τα διάφορα χαρακτηριστικά τους σε αυτή. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή έχει ως αντικείμενο την ανάπτυξη κατάλληλων μεθοδολογιών ανάλυσης της αξιοπιστίας λειτουργίας και της συνολικής λειτουργικής απόδοσης των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας στα οποία υπάρχει διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας ή/και εφαρμογή νέων λειτουργικών διαδικασιών. Σε κάθε περίπτωση προσομοιώνονται ρεαλιστικά τα βασικά χαρακτηριστικά λειτουργίας των συστημάτων και εξετάζονται εναλλακτικοί τρόποι σχεδιασμού και λειτουργίας τους έτσι ώστε να προκόψουν συμπεράσματα για τον τρόπο με τον οποίο τα χαρακτηριστικά αυτά επηρεάζουν τη λειτουργική απόδοσή τους. Το εργαλείο υλοποίησης των ανεπτυγμένων μεθοδολογιών είναι η ακολουθιακή μέθοδος προσομοίωσης Monte-Carlo η οποία αποτελεί μία στοχαστική διαδικασία που προσομοιώνει τη λειτουργία κάθε συστήματος κατά χρονολογική σειρά. Η βασική θεώρηση στην οποία στηρίζεται η μέθοδος είναι ότι κάθε παράμετρος του συστήματος αποτελεί μία τυχαία μεταβλητή η οποία προσομοιώνεται από μία κατάλληλη πιθανοτική κατανομή και ο συνδυασμός της κατάστασης για όλες τις παραμέτρους δίνει την κατάσταση του συστήματος. Τελικά, προσομοιώνεται ένας μεγάλος αριθμός δειγμάτων έτσι ώστε να μελετηθούν ακόμα και οι πιο σπάνιες περιπτώσεις λειτουργίας του συστήματος.