مشكلة التزام الوحدات في إنتاج الطاقة الكهربائية

📅 آخر تحديث: ١٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١٨ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

تُعدّ مسألة التزام الوحدات ( UC ) في إنتاج الطاقة الكهربائية مجموعة واسعة من مسائل التحسين الرياضي ، حيث يتم تنسيق إنتاج مجموعة من المولدات الكهربائية لتحقيق هدف مشترك، عادةً ما يكون إما تلبية الطلب على الطاقة بأقل تكلفة أو تعظيم الإيرادات من إنتاج الكهرباء. ويُعدّ هذا ضروريًا لصعوبة تخزين الطاقة الكهربائية على نطاق يُضاهي الاستهلاك الطبيعي؛ لذا، يجب أن يُقابل كل تغيير (كبير) في الاستهلاك بتغيير مماثل في الإنتاج.

يُعد تنسيق وحدات التوليد مهمة صعبة لعدة أسباب:

نظراً لاختلاف تفاصيل النظام الكهربائي اختلافاً كبيراً حول العالم، توجد العديد من صيغ مشكلة التحكم في الوحدات، والتي غالباً ما يصعب حلها. ويعود ذلك أيضاً إلى أن بعض الوحدات تتطلب وقتاً طويلاً (عدة ساعات) للتشغيل أو الإيقاف، مما يستلزم اتخاذ القرارات مسبقاً (عادةً في اليوم السابق)، وهو ما يعني ضرورة حل هذه المشكلات ضمن حدود زمنية ضيقة (من بضع دقائق إلى بضع ساعات). لذا، يُعد التحكم في الوحدات من المشكلات الأساسية في إدارة أنظمة الطاقة ومحاكاتها . وقد دُرست هذه المشكلة لسنوات عديدة، [ 1 ] [ 2 ] ولا تزال من أهم مشكلات تحسين الطاقة. وتشير الدراسات الحديثة في هذا المجال [ 3 ] [ 4 ] إلى وجود مئات المقالات العلمية المخصصة لهذه المشكلة. علاوة على ذلك، تتضمن العديد من المنتجات التجارية وحدات نمطية خاصة لحل مشكلة التحكم في الوحدات، مثل MAON [ 5 ] وPLEXOS، [ 6 ] أو حتى برامج مخصصة بالكامل لحلها. [ 7 ]

عناصر مشاكل التزام الوحدة

توجد العديد من مشاكل الاتصالات الموحدة المختلفة، حيث يختلف هيكل النظام الكهربائي وإدارته في جميع أنحاء العالم. ومن العناصر المشتركة ما يلي:

  • الأفق الزمني الذي يجب اتخاذ القرارات خلاله، ويتم أخذ عينات منه في عدد محدود من اللحظات الزمنية . عادةً ما يكون هذا الأفق يومًا أو يومين، وقد يصل إلى أسبوع، حيث تكون اللحظات الزمنية عادةً ساعات أو أنصاف ساعات؛ وفي حالات أقل شيوعًا، 15 أو 5 دقائق. وبالتالي، تتراوح اللحظات الزمنية عادةً بين 24 و2000 تقريبًا.
  • مجموعة من وحدات التوليد مع تكلفة إنتاج الطاقة و/أو منحنيات الانبعاثات المقابلة، والقيود التقنية (المعقدة).
  • تمثيل للجزء المهم من شبكة الكهرباء .
  • ملف تعريف الحمل (المتوقع) الذي يجب تلبيته، أي صافي كمية الطاقة التي سيتم توصيلها إلى كل عقدة من شبكة الكهرباء في كل لحظة زمنية.
  • ربما مجموعة من قيود الموثوقية [ 8 ] التي تضمن تلبية الطلب حتى في حالة حدوث بعض الأحداث غير المتوقعة.
  • ربما الظروف المالية و/أو التنظيمية [ 9 ] (إيرادات الطاقة، قيود تشغيل السوق، الأدوات المالية، ...).

تتضمن القرارات التي يجب اتخاذها عادةً ما يلي:

  • قرارات الالتزام : ما إذا كانت الوحدة تنتج الطاقة في أي لحظة زمنية؛
  • قرارات الإنتاج : مقدار الطاقة التي تنتجها الوحدة في أي لحظة زمنية؛
  • قرارات الشبكة : مقدار الطاقة المتدفقة (وفي أي اتجاه) على كل فرع من فروع شبكة النقل و/أو التوزيع في أي لحظة زمنية معينة.

على الرغم من أن الخصائص المذكورة أعلاه موجودة عادةً، إلا أن هناك العديد من التركيبات والحالات المختلفة. ومن بينها نذكر ما يلي:

  • سواء كانت الوحدات والشبكة تتم إدارتها جميعًا بواسطة مشغل احتكاري (MO)، [ 10 ] أو يقوم مشغل نظام نقل منفصل (TSO) بإدارة الشبكة مما يوفر وصولًا عادلًا وغير تمييزي لشركات التوليد ( GenCos ) التي تتنافس لتلبية الإنتاج في سوق (أسواق) الطاقة (أو، في أغلب الأحيان، العديد من الأسواق المترابطة) ؛
  • الأنواع المختلفة من وحدات إنتاج الطاقة ، مثل الوحدات الحرارية/النووية، والوحدات الكهرومائية، ومصادر الطاقة المتجددة (الرياح، والطاقة الشمسية، ...)؛
  • أي الوحدات التي يمكن تعديلها ، أي أن الطاقة المنتجة يمكن تحديدها من قبل المشغل (وإن كانت تخضع للقيود التقنية للوحدة)، بدلاً من أن يتم تحديدها بالكامل من خلال عوامل خارجية مثل الظروف الجوية؛
  • مستوى التفصيل الذي يجب مراعاته في عمل الشبكة الكهربائية ، بدءًا من تجاهلها بشكل أساسي وصولًا إلى النظر في إمكانية فتح (قطع) خط بشكل ديناميكي من أجل تغيير مسار الطاقة على الشبكة على النحو الأمثل. [ 11 ]

أهداف الإدارة

The objectives of UC depend on the aims of the actor for which it is solved. For a MO, this is basically to minimize energy production costs while satisfying the demand; reliability and emissions are usually treated as constraints. In a free-market regime, the aim is rather to maximize energy production profits, i.e., the difference between revenues (due to selling energy) and costs (due to producing it). If the GenCo is a price maker, i.e., it has sufficient size to influence market prices, it may in principle perform strategic bidding[12] in order to improve its profits. This means bidding its production at high cost so as to raise market prices, losing market share but retaining some because, essentially, there is not enough generation capacity. For some regions this may be due to the fact that there is not enough grid network capacity to import energy from nearby regions with available generation capacity.[13] While the electrical markets are highly regulated in order to, among other things, rule out such behavior, large producers can still benefit from simultaneously optimizing the bids of all their units to take into account their combined effect on market prices.[14] On the contrary, price takers can simply optimize each generator independently, as, not having a significant impact on prices, the corresponding decisions are not correlated.[15]

Types of production units

In the context of UC, generating units are usually classified as:

  • Thermal units, which include nuclear ones, that burn some sort of fuel to produce electricity. They are subject to numerous complex technical constraints, among which we mention minimum up/down time, ramp up/down rate, modulation/stability (a unit cannot change its production level too many times[16]), and start-up/shut-down ramp rate (when starting/stopping, a unit must follow a specific power curve which may depend on how long the plant has been offline/online[17]). Therefore, optimizing even a single unit is in principle already a complex problem which requires specific techniques.[18]
  • غالبًا ما تُنظَّم وحدات الطاقة الكهرومائية ، التي تُولِّد الطاقة عن طريق استغلال طاقة الوضع المائية ، في أنظمة من الخزانات المتصلة تُسمى الوديان الكهرومائية . ولأن المياه المُحرَّرة من خزان في المنبع تصل إلى الخزان في المصب (بعد فترة من الزمن)، وبالتالي تُصبح متاحة لتوليد الطاقة هناك، يجب اتخاذ قرارات بشأن الإنتاج الأمثل لجميع الوحدات في آنٍ واحد، مما يجعل المسألة معقدة للغاية حتى في حال عدم وجود إنتاج حراري (أو وجود إنتاج حراري ضئيل)، [ 19 ] وتزداد تعقيدًا عند النظر إلى النظام الكهربائي بأكمله. [ 20 ] قد تتضمن وحدات الطاقة الكهرومائية وحدات تخزين بالضخ ، حيث يُمكن استخدام الطاقة لضخ المياه إلى أعلى التل. هذه هي التقنية الوحيدة الحالية القادرة على تخزين طاقة (كامنة) كافية لتكون ذات أهمية على المستوى النموذجي لمسألة التحكم في الطاقة. تخضع وحدات الطاقة الكهرومائية لقيود تقنية معقدة. فكمية الطاقة المُولَّدة من خلال تدوير كمية معينة من المياه ليست ثابتة، بل تعتمد على منسوب المياه الذي يعتمد بدوره على القرارات السابقة. هذه العلاقة غير خطية وغير محدبة، مما يجعل حل المسألة صعبًا للغاية. [ 21 ]
  • تشمل وحدات توليد الطاقة المتجددة مزارع الرياح ، ومحطات الطاقة الشمسية ، ووحدات الطاقة الكهرومائية الجارية (التي لا تحتوي على خزان مخصص، وبالتالي يتحدد إنتاجها بتدفق المياه)، ووحدات الطاقة الحرارية الأرضية . لا يمكن تعديل معظم هذه الوحدات ، كما أن العديد منها متقطع ، أي يصعب التنبؤ بدقة بإنتاجها مسبقًا. في إدارة الطاقة الحضرية، لا تُعتبر هذه الوحدات قرارات فعلية، إذ لا يمكن التأثير عليها. بل يُعتبر إنتاجها ثابتًا ويُضاف إلى إنتاج المصادر الأخرى. وقد أدى الارتفاع الكبير في توليد الطاقة المتجددة المتقطعة في السنوات الأخيرة إلى زيادة ملحوظة في عدم اليقين بشأن صافي الحمل (الطلب مطروحًا منه الإنتاج غير القابل للتعديل)، مما شكّل تحديًا للرؤية التقليدية القائلة بأن التنبؤ بالحمل في إدارة الطاقة الحضرية دقيق بما فيه الكفاية. [ 22 ]

نماذج الشبكة الكهربائية

توجد ثلاث طرق مختلفة يتم من خلالها تمثيل شبكة الطاقة داخل وحدة التحكم المركزية:

عند استخدام نموذج التيار المتردد الكامل، فإن UC يتضمن في الواقع مشكلة تدفق الطاقة الأمثل ، وهي بالفعل مشكلة غير محدبة وغير خطية.

في الآونة الأخيرة، تم التشكيك في النظرة التقليدية "الخاملة" لشبكة الطاقة في إدارة الطاقة الموحدة. ففي شبكة كهربائية ثابتة ، لا يمكن توجيه التيارات، إذ يُملي سلوكها بالكامل حقن الطاقة عند العقد: وبالتالي، فإن الطريقة الوحيدة لتعديل حمل الشبكة هي تغيير الطلب أو الإنتاج عند العقد، وهو أمر محدود النطاق. مع ذلك، فإن إحدى النتائج غير البديهية لقوانين كيرشوف هي أن قطع خط (حتى لو كان مزدحمًا) يؤدي إلى إعادة توجيه شاملة للطاقة الكهربائية، مما قد يُحسّن أداء الشبكة. وقد أدى ذلك إلى تعريف مسألة التبديل الأمثل للنقل [ 11 ] ، حيث يمكن فتح وإغلاق بعض خطوط الشبكة ديناميكيًا على مدار الزمن . إن دمج هذه الخاصية في مسألة إدارة الطاقة الموحدة يجعل حلها صعبًا حتى مع تقريب التيار المستمر، ويزداد الأمر صعوبة مع نموذج التيار المتردد الكامل [ 23 ] .

عدم اليقين في مشاكل التزام الوحدات

من النتائج المقلقة لضرورة حل مشكلة عدم اليقين في النظام قبل بدء العمليات الفعلية بوقت كافٍ، عدم معرفة الحالة المستقبلية للنظام بدقة، وبالتالي الحاجة إلى تقديرها. كان هذا الأمر يمثل مشكلة بسيطة نسبيًا عندما كان عدم اليقين في النظام ناتجًا فقط عن تغيرات طلب المستخدمين، والتي يمكن التنبؤ بها إجمالًا بكفاءة عالية، [ 24 ] [ 25 ] وحدوث أعطال في الخطوط أو المولدات، والتي يمكن التعامل معها بقواعد راسخة ( الاحتياطي الدوار ). مع ذلك، شهد الإنتاج من مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة زيادة ملحوظة في السنوات الأخيرة. وقد أدى ذلك بدوره إلى زيادة كبيرة في تأثير عدم اليقين في النظام، بحيث أن تجاهله (كما هو معتاد من خلال أخذ تقديرات متوسطة) يُنذر بزيادة كبيرة في التكاليف. [ 22 ] وقد استدعى هذا اللجوء إلى تقنيات النمذجة الرياضية المناسبة لمراعاة عدم اليقين بشكل صحيح، مثل:

إن الجمع بين الأشكال التقليدية (العديدة بالفعل) لمشاكل الالتزام بالوحدة مع الأشكال العديدة (القديمة والجديدة) للشك يؤدي إلى ظهور عائلة أكبر من مشاكل الالتزام بالوحدة غير المؤكدة [ 4 ] (UUC)، والتي تعتبر حاليًا في طليعة البحث التطبيقي والمنهجي.

نماذج النقل والتوزيع المتكاملة

إحدى المشكلات الرئيسية في مشكلة التزام الوحدات في الوقت الفعلي هي أن الطلب على الكهرباء في شبكة النقل يُعامل عادةً على أنه "نقطة تحميل" في كل نظام توزيع . إلا أن الواقع يُشير إلى أن كل نقطة تحميل هي شبكة توزيع معقدة ذات أحمال فرعية ومولدات ومصادر طاقة موزعة . إن تبسيط التوزيع إلى نقاط تحميل قد يُؤدي إلى مشاكل تشغيلية جسيمة في شبكة الطاقة بأكملها. تشمل هذه المشاكل الضغط العالي على نظام نقل الطاقة وتدفق الطاقة العكسي من أنظمة التوزيع إلى نظام نقل الطاقة. ومن هنا، ظهر نهج جديد لحل مشكلة التزام الوحدات بشكل أكثر فعالية، وهو أنظمة النقل والتوزيع المتكاملة. [ 26 ] في هذه النماذج، تُدمج مشكلة التزام الوحدات في أنظمة النقل عادةً مع مشكلة إدارة الطاقة المتجددة في أنظمة التوزيع باستخدام أدوات البرمجة ثنائية المستوى.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ سي جيه بالدوين، كي إم ديل، آر إف ديتريش. دراسة حول الإغلاق الاقتصادي لوحدات التوليد في الإرسال اليومي . معاملات المعهد الأمريكي للمهندسين الكهربائيين، أجهزة وأنظمة الطاقة ، الجزء الثالث، 78(4):1272–1282، 1959.
  2. ↑ جيه إف بارد. جدولة قصيرة الأجل للمولدات الحرارية الكهربائية باستخدام استرخاء لاغرانج . بحوث العمليات 1338 36(5):765–766، 1988.
  3. ↑ NP Padhy. التزام الوحدة - مسح ببليوغرافي ، معاملات IEEE لأنظمة الطاقة 19(2):1196-1205، 2004.
  4. 1 2 م. تاهانان، دبليو. فان أكويج، أ. فرانجيوني، ف. لاكالاندرا. التزام الوحدة على نطاق واسع في ظل عدم اليقين ، 4OR 13(2)، 115-171، 2015.
  5. ↑ دليل نموذج ماون
  6. ↑ نموذج الطاقة المتكامل PLEXOS®
  7. ↑ تحسين استهلاك الطاقة
  8. ↑ م. شاهيدبور، هـ. يامين، و ز. لي. عمليات السوق في أنظمة الطاقة الكهربائية: التنبؤ، والجدولة، وإدارة المخاطر ، مطبعة وايلي-IEEE، 2002.
  9. ↑C. Harris. Electricity markets: Pricing, structures and Economics, volume 565 of The Wiley Finance Series. John Wiley and Sons, 2011.
  10. ↑A.J. Conejo and F.J. Prieto. Mathematical programming and electricity markets, TOP 9(1):1–53, 2001.
  11. 12E.B. Fisher, R.P. O'Neill, M.C. Ferris. Optimal transmission switching, IEEE Transactions on Power Systems 23(3):1346–1355, 2008.
  12. ↑A.K. David, F. Wen. Strategic bidding in competitive electricity markets: a literature survey In Proceedings IEEE PES Summer Meeting 4, 2168–2173, 2001.
  13. ↑T. Peng and K. Tomsovic. Congestion influence on bidding strategies in an electricity market, IEEE Transactions on Power Systems 18(3):1054–1061, August 2003.
  14. ↑A.J. Conejo, J. Contreras, J.M. Arroyo, S. de la Torre. Optimal response of an oligopolistic generating company to a competitive pool-based electric power market, IEEE Transactions on Power Systems 17(2):424–430, 2002.
  15. ↑J.M. Arroyo, A.J. Conejo. Optimal response of a thermal unit to an electricity spot market, IEEE Transactions on Power Systems 15(3):1098–1104, 2000.
  16. ↑J. Batut and A. Renaud. Daily scheduling with transmission constraints: A new class of algorithms, IEEE Transactions on Power Systems 7(3):982–989, 1992.
  17. ↑G. Morales-España, J.M. Latorre, A. Ramos. Tight and Compact MILP Formulation of Start-Up and Shut-Down Ramping in Unit Commitment, IEEE Transactions on Power Systems 28(2), 1288–1296, 2013.
  18. ↑A. Frangioni, C. Gentile. Solving Nonlinear Single-Unit Commitment Problems with Ramping Constraints, Operations Research 54(4), 767–775, 2006.
  19. ↑E.C. Finardi and E.L. Da Silva. Solving the hydro unit commitment problem via dual decomposition and sequential quadratic programming, IEEE Transactions on Power Systems 21(2):835–844, 2006.
  20. ↑F.Y.K. Takigawa, E.L. da Silva, E.C. Finardi, and R.N. Rodrigues. Solving the hydrothermal scheduling problem considering network constraints., Electric Power Systems Research 88:89–97, 2012.
  21. ↑A. Borghetti, C. D’Ambrosio, A. Lodi, S. Martello. A MILP approach for short-term hydro scheduling and unit commitment with head-dependent reservoir, IEEE Transactions on Power Systems 23(3):1115–1124, 2008.
  22. 1 2 أ. كيهاني، م.ن. ماروالي، و م. داي. دمج الطاقة الخضراء والمتجددة في أنظمة الطاقة الكهربائية ، وايلي، 2010.
  23. ↑ KW Hedman, MC Ferris, RP O'Neill, EB Fisher, SS Oren. Co-optimization of generation unit commiting and transfer switching with n  −  1 reliable , IEEE Transactions on Power Systems 25(2):1052–1063, 2010.
  24. ↑ إي. أ. فاينبرغ، د. جينيثليو. التنبؤ بالأحمال ، في الرياضيات التطبيقية لأنظمة الطاقة الكهربائية المعاد هيكلتها ، جيه. إتش. تشاو، إف. إف. وو، وجيه. موموه (محررون)، سبرينغر، 269-285، 2005
  25. ↑ هـ. هان، س. ماير-نيبرغ، س. بيكل. أساليب التنبؤ بحمل الطاقة الكهربائية: أدوات لاتخاذ القرارات ، المجلة الأوروبية لبحوث العمليات 199(3)، 902-907، 2009
  26. ↑ فتح آباد، أبو الحسن محمدي؛ تشنغ، جيان تشيانغ؛ بان، كاي (2021-01-01)، "الفصل 5 - أنظمة نقل وتوزيع الطاقة المتكاملة" ، في رن، جينغ تشنغ (محرر)، مستقبل مدفوع بالطاقة المتجددة ، دار النشر الأكاديمية، ص 169-199 ، ISBN  978-0-12-820539-6تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 يناير 2021
  • يمكن العثور على وصف لدور مشاكل التزام الوحدة في السياق العام لإدارة نظام الطاقة في موسوعة تحسين الطاقة التي طورها مشروع COST TD1207.