مقدمه
۱-۱ مقدمه
از جمله مباحثی که هم اکنون پیش روی تصمیم گیران و سیاست گذاران صنعت برق در بسیاری از کشورها ی دنیا قرار دارد، تفکر تغییر شکل ساختار این صنعت مطابق با روند افزایش کارایی و رقابت در دیگر صنایع می باشد. لزوم حرکت در این مسیر به دلایل مختلفی چون سرمایه بر بودن، نا کارآیی اقتصادی ساختار سنتی و انحصاری بودن آن غیر قابل انکار می باشد. تحقیق حاضر ضمن ارائه ی یکی از مصادیق این تجدید ساختار(نقش نیروگاه مجازی در بهره برداری از سیستم قدرت) نتایج حاصل از حضور آن در بازار برق را مورد بررسی قرار خواهد داد. در این فصل به معرفی اهداف کلی طرح و محتویات فصلهای آینده پرداخته خواهد شد.
۱-۲ بازار برق
صنعت برق به عنوان یک صنعت زیر بنایی در دو دهه اخیر دستخوش تغییرات بنیادی گردیده است که از آن به عناوین مختلفی چون تجدید ساختار، مقررات زدایی و . . . یاد می‌شود. در ساختار جدید بر خلاف ساختار سنتی قدیم که در آن مالک سیستم تولید، انتقال و توزیع یکی بوده و تحت مالکیت واحد بهره ‌برداری می گردید، سیستم های تولید، انتقال و توزیع از یکدیگر مجزا شده و به صورت مستقل اداره می‌شوند.
بهره­وری پایین سیستم قدرت سنتی در تامین انرژی الکتریکی باعث گردید تا همانند صنایع هوایی و مخابرات از راه دور، تجدید ساختار در صنعت برق مطرح گردد. رقابت و دسترسی آزاد به سیستم انتقال دو موضوع اساسی در تجدید ساختار صنعت برق به شمار می رود. خصوصی­سازی و تغییر ساختارهای موجود در جهت ایجاد رقابت بیشتر و دسترسی آزاد و بدون تبعیض تولید­کنندگان مختلف به سیستم انتقال می­باشد. در این شرایط راهبری و طراحی هر یک از این بخش ها با توجه به فضای حاکم، نیازمندی ها و ارتباط با دیگر نهادها صورت می گیرد و سیستم توزیع برق به عنوان آخرین زنجیره برق رسانی می تواند به شکل های مختلفی باشد.
۱-۳ مفهوم نیروگاه مجازی(VPP)
یکی از دستاوردهای آینده تغییر ساختار، ایجاد فضای رقابتی در بخش تولید برق بوده است که در این خصوص مجموعه ای از واحدهای تولید مقیاس کوچک به همراه بار و شبکه تحت پوشش که توسط یک نهاد معین اداره می شود به نیروگاه مجازی موصوف است که می توانند در بازار عمده فروشی انرژی و ذخیره چرخان حضور فعال داشته باشند.
ایده به کارگیری نیروگاه مجازی به عنوان یکی از اجزای اصلی تشکیل دهنده سیستم قدرت در این تحقیق بررسی و تشریح می شود. این ایده برای سیستم های قدرت غیر متمرکز که متشکل از منابع تولید پراکنده می باشد، امکان بهره برداری بهینه مجموعه ای از منابع تولید پراکنده با بازده بالا و همچنین امکان حضور آنها را در بازار برق فراهم می سازد. بهره برداری از منابع تولید پراکنده موجب شده است تا ساختار متمرکز مدیریت مجموعه سیستم قدرت، تمایل به غیر متمرکز شدن مراکز مدیریت انرژی داشته باشد.

۱-۴ مروری بر مطالب فصل ها
این نیروگاه شامل اجزا و انواع مختلفی می باشد که در فصل دوم به آن پرداخته خواهد شد. همچنین جهت حضور نیروگاه مجازی در بازار برق می توان مدلهای مختلفی را مطرح کرد. این مدلها شامل: هانت و شاتل، تعادلی نش، غیر تعادلی، تخمین نقطه تعادل، برترند، مدل کورنات و مدل استکلبرگ می باشند. مالکان نیروگاه مجازی بر طبق مدل انتخابی و پیشنهادی خود در بازار برق شرکت نموده و پیشنهادات خود را در دوره ی زمانی معین عرضه می نمایند. تمامی مدلهای ذکر شده در تحقیقات متفاوت و زیادی مورد بررسی قرار گرفته است که در فصل دوم به این مدل ها، کاربرد، معادلات و چگونگی شرکت در بازار برق پرداخته خواهد شد.
مدلی که در میان این تحقیقات جهت مدلسازی و انجام این پایان نامه انتخاب گردید مدل اقتصادی برای ارائه پیشنهاد قیمت در بازار برق براساس مدل غیر تعادلی می باشد. مدل غیر تعادلی جهت طراحی یک استراتژی پیشنهاد نیروگاه مجازی مورد استفاده قرار می گیرد که در آن، قیود مربوط به منابع بار تامین شده، قیود تعادل عرضه و تقاضا و همچنین قیود امنیتی به عنوان قیود شبکه در نظر گرفته می شوند.
در مدل ارائه شده نیروگاه مجازی می تواند یک شرکت کننده بازار برق با نقش دوگانه از جمله تولید کننده و مصرف کننده در جهت تبادل توان با شبکه بالادست باشد. علاوه بر این، نیروگاه مجازی می تواند سرویس ذخیره چرخان را تامین کند.
در فصل سوم به مدل سازی مسئله ی استراتژی بهینه سازی مشارکت نیروگاه مجازی در بازار برق پرداخته خواهد شد. در این بخش نحوه ی مدلسازی، الگوریتم حل، تابع هدف و قیود موجود در مساله تشریح خواهد می شود. در این تحقیق از دو شبکه به عنوان نیروگاه های مجازی مورد بررسی، استفاده گردیده است. شبکه ی اول شامل ترکیبی از واحدهای تولید پراکنده، ذخیره ساز الکتروشیمیایی و مصرف کنندگان نهایی بوده و شبکه ی دوم مشتمل بر شبکه اول به همراه دو واحد تولید همزمان، یک واحد تولید کننده ی حرارت و یک واحد تولید سنتی می باشد. در ابتدا روابط موجود در مساله برای شبکه ی اول و سپس روابط جهت شبکه ی دوم بیان می گردد.
از جمله نکات مهم در تحقیقاتی که اهداف آنها بهینه سازی می باشد استفاده ی مناسب از الگوریتم های موجود می باشد. شناخت، درک و نحوه ی کاربرد الگوریتم مناسب در جهت مساله مورد نظر در مسائل بهینه سازی امری حیاتی می باشد. چه بسا الگوریتمی برای یک مساله بهینه سازی مناسب باشد و برای مساله دیگر چنین نباشد. این موضوع به مسائل مهمی چون ابعاد مساله، قیود به کار رفته، زمان انجام بستگی دارد.
تاکنون روش های بسیاری توسط طراحان الگوریتم‌ها برای جستجوی داده‌ها ارائه شده است. روش‌هایی به نام جستجوی سریع و جستجوی دودویی، از ساده‌ترین الگوریتم‌ها هستند، امّا این الگوریتم‌ها شاید، هنگامی که با حجمی گسترده از داده‌ها روبرو شوند، کارایی ندارند. در این میان یک روش وجود دارد که مسائل بزرگ را به سادگی حل می‌کند و آن «الگوریتم ژنتیک» است. الگوریتم به کار رفته در این تحقیق الگوریتم ژنتیک می باشد که بر مبنای انتقال خصوصیات موروثی توسط ژن‌هاست. این الگوریتم شامل عملگرهای مختلفی می باشد که در فصل سوم به آن پرداخته شده است.
از نکات مهم و ایده ی جدید این تحقیق می توان به اعمال عدم قطعیت ها اشاره نمود. در مقالات و تحقیقات کمی به مساله عدم قطعیت و تاثیر آن بر پارامترهای شاخص و تابع هدف به صورت دقیق پرداخته شده است. لذا با مطالعه و بررسی کاستی های موجود و لزوم اعمال آن، در ابتدا به عدم قطعیت در قیمت انرژی و سپس به عدم قطعیت در پیش بینی بار اشاره می شود. از نکات حائز اهمیت این تحقیق در نظر گرفتن عدم قطعیت در پیش بینی بار علاوه بر قیمت انرژی می باشد. در ادامه به مدلسازی عدم قطعیت ها با بهره گرفتن از توابع چگالی نرمال لگاریتمی و نرمال پرداخته می شود. با توجه به اعمال متغیرهای تصادفی و احتمالی از شبیه سازی مونت کارلو به منظور تاثیر این متغیرها بر استراتژی نیروگاه مجازی جهت شرکت در بازار برق استفاده شده است.
در فصل چهارم به نتایج شبیه سازی شبکه های مورد بررسی به همراه تحلیل های لازم پرداخته می شود. داده های موجود در جدولی تحت عنوان اطلاعات ورودی مساله بیان شده است. در بخش نخست با توجه به فرضیات مساله، قیود موجود ، تابع هدف، داده های موجود برای شبکه ی اول به کار رفته و در طی دوره ی زمانی ۲۴ ساعت با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک شبیه سازی و تحلیل می شود. سپس به مدلسازی عدم قطعیت ها و تاثیر آن بر مساله پرداخته می شود. جهت این مدلسازی ها، سناریوهای متفاوتی به کار رفته است که نتایج هر کدام از این سناریوها گردآوری شده است. در این تحقیق شبیه سازی ها هم برای بازار انرژی و هم برای بازار رزرو انجام شده است. به این نحو که در ابتدا شبیه سازی برای بازار انرژی بدون عدم قطعیت و تحت عنوان شبکه ی مبنا و سپس با در نظر گرفتن عدم قطعیت ها شکل گرفته و در ادامه به نحوه ی حضور نیروگاه مجازی در بازار رزرو(ضمن در نظر گرفتن بازار انرژی) اشاره دارد. در ادامه به شبکه ی دوم، قیود به کار رفته و تابع هدف آن همانند حالت قبل و تحت الگوی منظم بازار انرژی، بازار رزرو و استراتژی نیروگاه مجازی بدون در نظر گرفتن عدو قطعیت ها و در نهایت به اعمال عدم قطعیت ها با توجه به سناریوهای متفاوت پرداخته خواهد شد.
در فصل پنجم به نتیجه گیری و ارائه پیشنهاداتی در جهت ادامه ی این طرح جهت علاقمندان به این موضوع شده است. به امیدی که مفید و کاربردی واقع گردد.
فصل دوم
معرفی نیروگاه مجازی و مروری بر تحقیقات انجام شده
۲-۱ مقدمه
با وقوع تجدید ساختار در صنعت برق، بخش های مختلف این صنعت تحت تاثیر قرار گرفته اند. ساختار سیستم های قدرت در این فضا از حالت یکپارچه با ساختار عمودی خارج شده و به بخش های مجزا تقسیم می شود که هر یک از این اجزا تحت مالکیت و بهره برداری نهاد های مستقل و در عین حال مرتبط قرار می گیرد.
یکی از دستاوردهای آینده تغییر ساختار، ایجاد فضای رقابتی در بخش تولید برق بوده است که در این خصوص مجموعه ای از واحدهای تولید مقیاس کوچک به همراه بار و شبکه تحت پوشش که توسط یک نهاد معین اداره می شود و به نیروگاههای مجازی موسوم اند، مصداقی از نیروگاههایی می باشند که می توانند در بازار عمده فروشی انرژی و ذخیره چرخان حضور فعال داشته باشند.
در این فصل در بخش اول مفهوم نیروگاه مجازی (VPP^[1]) ارائه می شود. با توجه به وابستگی مفهوم VPP و تولید پراکنده (DG^[2]) در ادامه ی این بخش نگاهی به تعاریف تولید پراکنده، مزایای مربوط به آن و طبقه بندی انواع واحدهای تولید پراکنده خواهیم داشت. دربخش دوم و سوم به انواع VPP و اجزای مربوط به آن به ترتیب پرداخته می شود. با توجه به اهمیت و تاثیر نقش کنترل در عملکرد نیروگاههای مجازی، در بخش چهارم روش های کنترل VPP ارائه می شود.
با توجه به اینکه یکی از مسائل مهم دنیای امروز صنعت برق مشارکت نیروگاه ها در بازار برق می باشد، در بخش بعدی این فصل، نقش نیروگاه مجازی در بازار برق بررسی خواهد شد. از نکات مهم این امر، انتخاب مدل مناسب جهت حضور نیروگاه می باشد. لذا در بخش های بعدی به برخی از مدلهای موجود اشاره خواهد شد.
با توجه به اینکه از جمله نکات برجسته ی این تحقیق، بررسی تاثیرات عدم قطعیت بر نحوه ی استراتژی نیروگاه مجازی می باشد، لذا در بخش انتهایی به استراتژی قیمت دهی نیروگاه گیرنده ی قیمت تحت عدم قطعیت قیمت پرداخته خواهد شد.
۲-۲ مفهوم نیروگاه مجازی(VPP)
اگر هر یک از واحدهای تولید پراکنده و بارهای شبکه را یک سلول سیستم قدرت بنامیم، در ایده نیروگاه مجازی چند سلول سیستم قدرت با هم و بصورت یک گروه کنترل پذیر در می آیند و بصورت یک مجموعه واحد در نظر گرفته می شوند. حال این مجموعه واحد می تواند به عنوان یک واحد نیروگاهی مستقل در بازار برق ظاهر شود تا هم سود خود را حداکثر و هم عملکرد بهینه سیستم قدرت را تضمین کرده باشد]۱ [.
با توجه به اهمیت وجود منابع تولید پراکنده و ارتباط مستقیم آن در مباحث نیروگاه مجازی، در این بخش تعاریفی از تولید پراکنده ارائه شود.
۲-۲-۱ تولید پراکنده
تولید پراکنده یا DG عبارتست از تولید برق در محل مصرف، اما گاهاً به تکنولوژی هایی گفته می شود که از منابع تجدیدپذیر برای تولید برق استفاده می کنند.
تعاریفی که برای تولید پراکنده ارائه شده است تا حدودی متفاوت است.
IEEE تولید برق توسط وسایلی که به اندازه کافی از نیروگاه های مرکزی کوچکتر باشند و قادر به نصب در محل مصرف هستند را به عنوان تولید پراکنده تعریف نموده است]۱۲ [.
در IEAواحد های تولید کننده توان در محل مصرف یا در داخل شبکه توزیع که توان به طور مستقیم به شبکه توزیع محلی تزریق می کنند DG معرفی شده است.
نکته ای که عموماً مورد قبول است، این است که این مولد ها صرف نظر از نحوۀ تولید توان آنها، نسبتاً کوچک بوده و مستقیماً به شبکه وصل می شوند]۸ [.
اتصال DG ها به شبکه توزیع علی رغم مزایایی که برای شبکه دارد اما در عین حال اتصال آنها به شبکه باعث ایجاد هارمونیک در شبکه و کاهش امپدانس اتصال کوتاه می شود، اما این مسائل باعث نادیده گرفتن مزایای این نوع مولد ها نمی شود ]۱۳ [.
۲-۲-۲ مزایای استفاده از DG
استفاده از DG ممکن است در بعضی مواقع دارای صرفه اقتصادی نباشد اما علاوه بر صرفه ی اقتصادی مسائل دیگری نیز دراستفاده از این مولد ها دخیل هستند که باعث استفاده روزافزون از این تکنولوژی شده که تعدادی از این مزایا عبارتند از :
۱) تولید برق اضطراری
مهمترین کاربرد DG استفاده از آن برای تولید برق اضطراری برای مصرف کنندگان خاص مانند بیمارستانها، آزمایشگاهها و حتی هتل ها می باشد که برای آنها مسائل اقتصادی در مقابل مسائلی چون عدم قطعی برق در درجه دوم قرار دارد .
۲) کیفیت توان و قابلیت اطمینان
DG کیفیت توان را بهبود می بخشد و قابلت اطمینان را افزایش می دهد]۱۴ [.
IEA تهیه توان قابل اطمینان را به عنوان مهم ترین نقش آینده بازار برق برای مولد های پراکنده نام برده است]۱۴ [. زیرا این مولد ها از شبکه انتقال استفاده نمی کنند و بنابراین از حوادثی که در شبکه انتقال می تواند موجب قطع برق مشترک شود در امان می باشند.
۳) استفاده از DG جهت تولید برق و گرما به صورت هم زمان