Συμβολή στη βέλτιστη αξιοποίηση ενεργειακών πόρων και υποδομών για τη λειτουργία και ανάπτυξη των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας
Authors: Πεδιαδίτης Παναγιώτης 
Published: April 2024

Η διατριβή πραγματεύεται περιοχές της λειτουργίας των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) για τις οποίες υπάρχει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον. Τέτοιες περιοχές είναι: α) μηχανισμοί και διαδικασίες έτσι ώστε να αξιοποιούνται βέλτιστα οι υποδομές και οι ενεργειακοί πόροι που βρίσκονται στο επίπεδο του δικτύου διανομής (ΔΔ) ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και β) η διασυνοριακή συνεργασία συστημάτων για την από κοινού διαστασιολόγηση εφεδρειών συχνότητας. Η διατριβή επικεντρώνεται πρώτα στα δίκτυα διανομής και την εύρεση της οριακής τιμής ανά μονάδα ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση κατανεμημένων αλγορίθμων που δεν απαιτούν την χρήση ιδιωτικών πληροφοριών για τους χρήστες του δικτύου (καταναλώσεων, παραγωγών). Στα πλαίσια της διατριβής προτείνεται κατάλληλο γραμμικό ισοδύναμο μοντέλο για την κατά προσέγγιση εύρεση της οριακής τιμής με αποδεκτό σφάλμα. Επιπλέον, προτείνεται μέθοδος επιτάχυνσης της σύγκλισης προς την βέλτιστη λύση του προβλήματος με χρήση πληροφοριών της τοπολογίας του δικτύου. Η προτεινόμενη μέθοδος επιτυγχάνει τουλάχιστον τριπλάσια ταχύτητα σύγκλισης σε σχέση με άλλες μεθόδους στην υπάρχουσα βιβλιογραφία και σφάλματα από το γραμμικό ισοδύναμο μοντέλο μικρότερα του 1%. Η χρήση της οριακής τιμής ως σήμα κινητοποίησης ευελιξίας από Διεσπαρμένες Πηγές Ενέργειας (ΔΠΕ) στα ΔΔ χρειάζεται σημαντικές υποδομές μέτρησης και αυτοματοποίησης. Για το λόγο αυτό, η πρόσφατη βιβλιογραφία, στρέφεται σε εναλλακτικούς τρόπους ενεργοποίησης των ΔΠΕ. Το κύριο μέσο που εξετάστηκε είναι οι κυμαινόμενες Χρεώσεις Χρήσης Δικτύου (ΧΧΔ). Η διατριβή αυτή προτείνει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο σχεδιασμού τέτοιων χρεώσεων, που συνδυάζει την ανάκτηση εσόδου στο οποίο αποσκοπούν οι ΧΧΔ με την χρονική μετατόπιση της ζήτησης για την εξυπηρέτηση των αναγκών του συστήματος. Στο πρώτο μέρος της ανάπτυξης του σχετικού πλαισίου, μελετήθηκε ο σχεδιασμός κυμαινόμενων ΧΧΔ με χρήση μεθόδων που μοντελοποιούν ταυτόχρονα και την απόκριση της ζήτησης, προσθέτοντας έτσι ένα επιπλέον επίπεδο ακρίβειας στις αποφάσεις του μοντέλου. Χρησιμοποιήθηκαν κατάλληλα μαθηματικά εργαλεία που βασίζονται στην θεωρία παιγνίων και τον μαθηματικό προγραμματισμό. Συγκεκριμένα, το πρόβλημα περιγράφεται ως ένα παίγνιο τύπου Stackelberg, ή ηγέτη-ακολούθου, όπου ο ηγέτης (διαχειριστής) καθορίζει τις ΧΧΔ και οι ακόλουθοι (ΔΠΕ) αντιδρούν ορθολογικά στις χρεώσεις αυτές. Ο βαθμός λεπτομέρειας των ΧΧΔ είναι επιλογή του χρήστη της μεθόδου και μπορεί να φτάσει την ανά ζυγό του δικτύου και περίοδο λειτουργίας διακύμανση. Κύριο χαρακτηριστικό της μεθόδου είναι η χρήση μηχανικής μάθησης για την μείωση της πολυπλοκότητας των ΧΧΔ που σχεδιάζονται καθώς η καθημερινή διακύμανση ζήτησης και παραγωγής ανάγεται σε λίγα αντιπροσωπευτικά ημερήσια μοτίβα που καλούνται αντιπροσωπευτικές ημέρες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι κυμαινόμενες ΧΧΔ είναι εξαιρετικά αποτελεσματικές στη μετατόπιση της ζήτησης ακόμη και με χρήση λίγων αντιπροσωπευτικών ημερών.Στα πλαίσια της ευρύτερης εφαρμογής μελετήθηκε η περίπτωση όπου τα δεδομένα πεδίου (ηλεκτρικά μεγέθη όπως ισχύς, τάση, ρεύμα, κλπ.) που χρειάζεται η μέθοδος δεν προέρχονται από πραγματικές μετρήσεις αλλά από εκτιμητή κατάστασης που βασίζεται σε λιγότερες και περισσότερο ετερογενείς μετρήσεις, προσομοιώνοντας έτσι την πραγματικότητα που αντιμετωπίζουν οι περισσότεροι διαχειριστές σήμερα. Σε επόμενα στάδια της διατριβής επεκτάθηκε το μοντέλο σχεδίασης ΧΧΔ με σκοπό να ενσωματώνει την δυνατότητα του διαχειριστή να αγοράζει επιπλέον υπηρεσίες ευελιξίας από ΔΠΕ. Οι υπηρεσίες αυτές έχουν την μορφή συμβολαίων δυναμικού περιορισμού μέγιστης διαθέσιμης ισχύος και είναι αρκετά χρήσιμες για ΔΠΕ που έχουν υψηλές αιχμές, όπως φορτιστές ηλεκτρικών οχημάτων. Από τις σχετικές προσομοιώσεις, έγινε εμφανές ότι οι δύο μέθοδοι κινητοποίησης ευελιξίας (ΧΧΔ και υπηρεσίες περιορισμού μέγιστης ισχύος) αναπτύσσουν ενδιαφέρουσες και χρήσιμες συνέργειες. Στο τελευταίο μέρος της έρευνας γύρω από τις ΧΧΔ, η μέθοδος συμπεριέλαβε τις αποφάσεις επενδύσεων για επέκταση της χωρητικότητας του ΔΔ καθώς και το αντίστοιχο κόστος. Τέλος, η παρούσα διατριβή μελέτησε την διασυνοριακή συνεργασία συστημάτων με σκοπό την μείωση της ισχύος και του κόστους της εφεδρείας αποκατάστασης συχνότητας (ΕΑΣ) (ή δευτερογενούς εφεδρείας). Αναπτύχθηκε μέθοδος για την από κοινού διαστασιολόγηση της εφεδρείας σε πολλαπλά γειτονικά συστήματα η οποία συμπεριλαμβάνει την σχετική αβεβαιότητα γύρω από τις ανάγκες τέτοιας εφεδρείας και το πως η διασυνοριακή σύνδεση την επηρεάζει. Έγινε δοκιμή της μεθόδου, σε μορφή προσομοίωσης, με χρήση πραγματικών δεδομένων από 9 χώρες της νοτιοανατολικής Ευρώπης.