Συμβολή στην ανάλυση υβριδικών αιολικών – αντλησιοταμιευτικών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

This PhD thesis deals with topics related with the operation of wind-pumped-storage hybrid power stations (HPS) and the repercussions from their introduction in non-interconnected island grids. The analysis focuses on three subjects: a) Investigation of the effect of the various HPS operating modes on the dynamic behavior of the island power system. b) Determination of a suitable operating policy for island systems with HPS, taking into account the existing regulatory framework in Greece. c) Investigation of the optimum sizing of HPS.First, the models developed for the dynamic simulation of an island power system with an indicative HPS are presented. Then results from the analysis of the dynamic behavior of the island system with and without a HPS, for various HPS operating modes, are presented and discussed, to show the effect on system dynamics, identify possible constraints regarding the operation of the HPS and investigate potential solutions.Then, taking into consideration the regulatory framework introduced in Greece, a specific operating policy is formulated for island systems with HPS. This policy ensures the viability of HPS investments and the increase of renewable energy penetration levels, without disturbing theoperation of conventional generating units and the existing wind farms of the island. The proposed operating policy and the expected energy and economic effects from its application are evaluated for three study case island systems (Crete, Lesvos, Karpathos) of different size and characteristics. In addition, the realistic study case of the HPS in Ikaria island is also examined and the expected benefits from its operation according to the proposed policy are presented.Finally, the subject of optimum sizing of pumped-storage HPS is analyzed with the help of genetic algorithms. The optimization problem is examined both from the investor’s and the system perspective, for various scenarios, to derive generic conclusions regarding HPS optimum sizing.

Στην παρούσα διατριβή αναλύονται ζητήματα που σχετίζονται με τη λειτουργία και τις επιπτώσεις από την ένταξη υβριδικών αιολικών-αντλησιοταμιευτικών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (ΥΒΣ) σε μη διασυνδεδεμένα νησιά (ΜΔΝ). Ουσιαστικά η ανάλυση επικεντρώνεται σε τρία επιμέρους θέματα: α) Διερεύνηση των επιπτώσεων των διαφόρων καταστάσεων λειτουργίας ενός ΥΒΣ στη δυναμική συμπεριφορά του ηλεκτρικού συστήματος ενός ΜΔΝ. β) Προσδιορισμός κατάλληλης πολιτικής διαχείρισης ΜΔΝ με ΥΒΣ, λαμβάνοντας υπόψη το υφιστάμενο θεσμικό πλαίσιο στην Ελλάδα, καθώς και διερεύνηση των αναμενόμενων ενεργειακών και οικονομικών επιπτώσεων από τη λειτουργία του ΥΒΣ. γ) Διερεύνηση θεμάτων βέλτιστης διαστασιολόγησης ΥΒΣ.Αναλυτικότερα, αρχικά παρουσιάζονται τα δυναμικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν για την προσομοίωση της λειτουργίας του ηλεκτρικού συστήματος ενός ΜΔΝ με ΥΒΣ και εν συνεχεία παρατίθενται και αναλύονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων για πιθανές λειτουργικές καταστάσεις του συστήματος, χωρίς και με τον ΥΒΣ. Στόχος της μελέτης είναι να διαπιστωθούν οι επιπτώσεις που προκαλούνται στη μεταβατική απόκριση του συστήματος από την ένταξη του ΥΒΣ, να εντοπιστούν οι πιθανοί λειτουργικοί περιορισμοί του ΥΒΣ και να προταθούν τεχνικές λύσεις για την αντιμετώπιση των όποιων προβλημάτων διαπιστωθούν.Ακολούθως και λαμβάνοντας υπόψη το υφιστάμενο νομοθετικό πλαίσιο στην Ελλάδα, προτείνεται συγκεκριμένη πολιτική διαχείρισης για αυτόνομα νησιωτικά συστήματα με ΥΒΣ, με κριτήρια την εξασφάλιση της οικονομικής βιωσιμότητας των ΥΒΣ και την αύξηση των επιπέδων διείσδυσης ΑΠΕ στο ηλεκτρικό σύστημα, χωρίς αρνητικές επιπτώσεις στη λειτουργία των συμβατικών μονάδων παραγωγής και των υφιστάμενων Α/Π των νησιών. Προκειμένου να αξιολογηθεί η προτεινόμενη πολιτική διαχείρισης και να διαπιστωθούν οι ενεργειακές και οικονομικές επιπτώσεις των ΥΒΣ στα νησιωτικά συστήματα, προσομοιώνεται και αναλύεται η λειτουργία τριών ΜΔΝ(Κρήτη, Λέσβος, Κάρπαθος), διαφορετικού μεγέθους και χαρακτηριστικών, θεωρώντας ΥΒΣ διαφόρων μεγεθών. Επιπλέον εξετάζεται και μια πραγματική εφαρμογή, αυτή του ΥΒΣ της Ικαρίας, και παρουσιάζονται τα αναμενόμενα οφέλη από τη λειτουργία του σύμφωνα με την προτεινόμενη πολιτική. Τέλος αναλύεται το θέμα της βέλτιστης διαστασιολόγησης ΥΒΣ με τη βοήθεια των γενετικών αλγορίθμων. Το πρόβλημα βελτιστοποίησης εξετάζεται τόσο από την οπτική του επενδυτή όσο και του συστήματος, για πληθώρα σεναρίων, προς εξαγωγή γενικότερων συμπερασμάτων επί του ζητήματος.