توصيفگر ها :
برنامهريزي توسعه هماهنگ شبكههاي برق و گاز طبيعي , انعطافپذيري , مدل فلوي توان DC شبكه برق , مدل فلوي گاز حالت دائم شبكه گاز , لاين-پك , معيار قابليت اطمينانN-1 , بهينهسازي مخروطي آميخته با اعداد صحيح
چكيده فارسي :
در سالهاي اخير براي تأمين تقاضاي انرژي، كارشناسان حوزه انرژي و به طور خاص انرژي الكتريكي، به دنبال افزايش ظرفيت توليد و روشهاي جايگزين براي توليد برق از منابع انرژي پاك هستند. توسعه استفاده از نيروگاههاي مبتني بر منابع انرژي تجديدپذير در كنار مزيّتهايي كه دارند مشكلاتي را نيز به همراه دارند. از مهمترين مشكلات، كاهش قابليت اطمينان و افزايش عدم قطعيت در شبكه برق به سبب تصادفي و متغير بودن ميزان توليد آنها است. براي مواجهه با اين دو مسأله در سيستم قدرت، ارتقاي سطح انعطافپذيري به عنوان مفهومي جديد مورد توجه قرار گرفته است. ارتقاي انعطافپذيري سيستم در واقع ارتقاي توانايي سيستم براي تأمين مطمئن تقاضا انرژي در هر شرايط كاري است. از ابزارهاي تأمين انعطافپذيري، واحدهاي نيروگاهي مبتني بر توربينهاي گازي سريع و مبدلهاي برق به گاز هستند. البته بايد توجه داشت كه استفاده از اين تجهيزات، وابستگي شبكههاي برق و گاز را افزايش ميدهند.
با افزايش تقاضا در شبكههاي برق و گاز و افزايش تعداد نيروگاههاي تجديدپذير، برنامهريزي توسعه جداگانه هر كدام از شبكههاي برق و گاز ممكن است به پاسخهاي غير بهينه (يا حتي نشدني) منجر شود. استفاده از اين پاسخها ميتواند موجب تحميل شدن هزينههاي اضافي در توسعه و يا عدم كفايت طرح توسعه يافته براي برقراري قابليت اطمينان در سيستم و انعطافپذيري مناسب آن شود. به همين دليل لازم است مسأله برنامهريزي توسعه هماهنگ براي ارتقاي انعطافپذيري با درنظر گرفتن برهمكنش بين دو شبكه انجام شود. در اين پاياننامه، برنامهريزي توسعه هماهنگ شبكههاي برق و گاز براي ارتقاي انعطافپذيري مدنظر است. هدف از اين برنامهريزي تعيين مكان و ظرفيت تجهيزات مورد استفاده در شبكههاي برق و گاز است؛ بهطوري كه با درنظر گرفتن محدوديتهاي فني و اقتصادي، تقاضاي پيشبيني شده در سال هدف با كمترين هزينه و مطمئن تأمين شود و همچنين انعطافپذيري سيستم بهگونهاي ارتقا يابد كه بتواند در هر شرايطي تغييرات بار و منابع تجديدپذير را پاسخ دهد بدون اينكه قابليت اطمينان تهديد شود. تجهيزات هدف توسعه در اين پژوهش شامل نيروگاههاي گازسوز، خطوط انتقال برق، خطوط لوله انتقال گاز و كمپرسورهاي گاز و همچنين توسعه ظرفيت چاههاي گاز است.
در اين پژوهش از مدل DC فلوي توان در شبكه برق و مدل حالت دائم فلوي گاز در شبكه گاز استفاده ميشود. مدل DC شبكه برق، خطي و محدب است اما مدل حالت دائم شبكه گاز، غيرخطي و غيرمحدب است و لازم است با روشهاي مناسب به يك مدل محدب تبديل شود. از طرفي چون هدف از برنامهريزي، ارتقاي انعطافپذيري است، درنظر گرفتن قابليت ذخيرهپذيري گاز در خطوط لوله انتقال گاز ضروري است. مسأله نهايي اين پژوهش بهصورت يك مسأله بهينهسازي مخروطي با اعداد صحيح و پيوستهي آميخته به هم است. براي مدلسازي قابليت اطمينان از معيار N-1 براي خطوط انتقال برق استفاده ميشود. براي مدلسازي انعطافپذيري، در شبكه برق ميزاني از ظرفيت نيروگاههاي غيرتجديدپذير به عنوان ظرفيت نگهداشته شده براي تأمين تغييرات بار يا توليد منابع تجديدپذير درنظر گرفته ميشوند. در شبكه گاز معادلات بهگونهاي دستهبندي ميشوند كه علاوه بر شرايط عادي در شرايطي كه شبكه برق با تغييرات بار يا توليد منابع تجديدپذير روبهرو ميشود بتواند تقاضاي گاز در شبكه گاز و گاز مورد نياز نيروگاههاي گازسوز كه بهعنوان تجهيزات اصلي ارتقاي انعطافپذيري در شبكه برق شناخته ميشوند را تأمين كند.
به دليل بزرگ بودن ابعاد اين مسأله با استفاده از الگوريتم تجزيه بندرز مسأله يكپارچه به يك زيرمسأله و يك مسأله اصلي تجزيه ميشود. مسأله اصلي شامل تمام متغيرهاي عدد صحيح و محدوديتهاي آنهاو زيرمسأله شامل تمام متغيرهاي پيوسته و محدوديتهايي است كه مجموعه سيستمها را توصيف ميكنند. در اين الگوريتم زيرمسأله جوابهاي بهدست آمده از مسأله اصلي را بررسي ميكند و در هر مرحله محدوديتي جديد تحت عنوان برش بندرز به مسأله اصلي اضافه ميكند.
شبكههايي كه در اين پژوهش مورد بررسي قرار گرفتهاند شبكه 7 گره گاز متصل به شبكه برق گارور و همچنين شبكه گاز بلژيك (20 گرهاي) متصل به شبكه 24 باس برق IEEE RTS است. تحليل نتايج بهدست آمده نشان ميدهد كه مدل اين پژوهش ميتواند برنامهريزي هماهنگ شبكههاي برق و گاز را بهگونهاي انجام دهد كه بتواند در كنار اقتصادي بودن، قابليت اطمينان مناسب براي سيستم فراهم كند و انعطافپذيري را نيز ارتقا دهد.
چكيده انگليسي :
energy experts have sought to expand generation capacity and explore alternative methods for producing electricity from clean energy sources. However, while the expansion of power plants based on renewable energy sources offers significant advantages, it also introduces certain challenges. Among the most critical challenges are the reduction in system reliability and the increase in uncertainty within the electricity network, stemming from the stochastic and intermittent nature of renewable generation. To address these two issues in electricity network, enhancing system flexibility has emerged as a novel and important concept. Enhancing system flexibility essentially refers to improving the ability of the electricity network to reliably meet energy demand under various operating conditions. Among the tools for providing flexibility are fast-response gas turbine units and power-to-gas converters. However, it should be noted that the integration of this equipment converters increases the interdependence between electricity and natural gas networks. With the growing demand in electricity and natural gas networks, along with the increasing integration of renewable-based power plants, independent expansion planning of each network may lead to suboptimal plans. Relying on such expansion plans could impose additional costs on system expansion or even fail to ensure adequate reliability and flexibility. Therefore, it is essential to address the coordinated expansion planning problem with the objective of enhancing system flexibility while accounting for the interactions between electricity and natural gas networks. In this thesis, the coordinated expansion planning of electricity and natural gas networks is aimed at enhancing system flexibility. The objective of this problem is to determine the location and capacity of the equipment to be installed in both networks, such that, under technical and economic constraints, the forecasted demand in the target year is met reliably and at minimum cost. Furthermore, system flexibility should be enhanced to the extent that the electricity network can accommodate variations in load and renewable generation under any operating condition, without compromising reliability. The expansion equipment in this study include gas-fired power plants, electricity transmission lines, natural gas pipelines, gas compressors, and gas wells. In this study, the DC power flow model is employed for the electricity network, while a steady-state model is used for the natural gas network. The steady-state gas flow model is nonlinear and non-convex, requiring appropriate techniques to obtain a convex representation. Moreover, since the aim of the planning is to enhance flexibility, it is essential to account for the gas storage capability within transmission pipelines. The final formulation of this study results in a mixed-integer conic optimization problem, which can be solved using suitable algorithms and solvers. For modeling reliability requirements, the N-1 criterion is applied to electricity transmission lines. To represent flexibility in the electricity network, a portion of the capacity of non-renewable power plants is reserved to accommodate variations in load or renewable generation. In the gas network, the equations are formulated in such a way that, in addition to normal operating conditions, they can satisfy gas demand within the network and gas turbines considered the main flexibility-providing units in the electricity network—when the electricity system experiences load or renewable generation fluctuations. Due to the large scale of the problem, the problem decompose into a master problem and a subproblem using the Benders decomposition algorithm. In this algorithm, the subproblem evaluates the solutions obtained from the master problem and, at each iteration, adds new constraints, known as Benders cuts, to the master problem.