2. σελ. 1
1. ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ
Στη διπλωματική αυτή αναπτύχθηκαν και αξιολογήθηκαν μεθοδολογίες για τη μαζική διαχείριση φόρτισης στόλου ηλεκτρικών
αυτοκινήτων σε πραγματικό χρόνο με σκοπό την εύρυθμη και αξιόπιστη συμμετοχή τους στην αγορά επικουρικών υπηρεσιών,
λαμβάνοντας υπ’ όψιν κριτήρια όπως: α) ο σεβασμός στο πρόγραμμα συμμετοχής εφεδρειών που ο εκπρόσωπος φορτίου (aggregator) έχει
δηλώσει στη day-ahead αγορά εφεδρειών, β) η όσον το δυνατό πιο φερέγγυα φόρτιση, γ) κριτήρια μεγιστοποίησης της διάρκειας ζωής της
μπαταρίας.
Ο διαχειριστής δηλώνει στην προ-ημερήσια αγορά ενέργειας το φορτίο που απαιτείται για την φόρτιση των ηλεκτρικών αυτοκινήτων,
ενώ ταυτόχρονα καταθέτει προσφορές για συμμετοχή στην αγορά εφεδρειών. Στην παρούσα διπλωματική θεωρήθηκε καταλληλότερη η
συμμετοχή στην αγορά δευτερεύουσας εφεδρείας. Εφόσον οι προσφορές γίνουν δεκτές από το διαχειριστή του συστήματος, ο διαχειριστής
του στόλου είναι υποχρεωμένος να ανταποκριθεί σε σήμα (AGC signal) για παροχή άνω ή κάτω εφεδρείας για ρύθμιση συχνότητας.
Οι προκλήσεις προέρχονται από τον περιορισμό, που δεν υπάρχει στην περίπτωση των μονάδων παραγωγής, αυτού της χωρητικότητας
των συσσωρευτών. Πιθανοί κίνδυνοι είναι: α) Ο περιορισμός της δυνατότητας παροχής προς τα κάτω εφεδρείας εξαιτίας πρόωρης φόρτισης,
β) η αναγκαιότητα φόρτισης σε προκαθορισμένο χαμηλότερο επίπεδο ώστε να υπάρχει δυνατότητα παροχής άνω εφεδρείας , γ) η μεταβολή
των αναμενόμενων χαρακτηριστικών του στόλου αυτοκινήτων σε πραγματικό χρόνο.
Δομή εργασιών για την ολοκλήρωση της Διπλωματικής Εργασίας
Αρχικά δημιουργήθηκε το βασικό μοντέλο, σε περιβάλλον GAMS, το οποίο στη συνέχεια αναπτύχθηκε ώστε να ανταποκρίνεται σε
πραγματικές εντολές Αυτομάτου Ελέγχου Παραγωγής της PJM ( , ,
signal
h m sAGC ) με βήμα 4sec. Αρχικά τα αυτοκίνητα φορτίζουν σε ένα άθροισμα
ενέργειας ίσο με αυτό που έχει δηλωθεί στην day-ahead αγορά. Η επί μέρους κατανομή γίνεται από τον aggregator, με τον αλγόριθμο που
δημιουργήθηκε. Σε κάθε σήμα του AGC ζητείται η παροχή της εκάστοτε αύξησης ή μείωσης της ισχύος και ο aggregator επιμερίζει την ισχύ
στα αυτοκίνητα.
Στον αλγόριθμο χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος BigM ώστε το πρόβλημα να λύνεται ακόμη και όταν τα οχήματα δεν μπορούν να
ανταποκριθούν στη ζήτηση του AGC και στην Ωριαία Δήλωση Φορτίου (Ω.Δ.Φ.) ώστε να διαπιστωθεί τυχόν αδυναμία συμμετοχής του στόλου
στην αγορά εφεδρείας και τις αποκλίσεις από την Ω.Δ.Φ.
Επίσης συμπεριλήφθηκαν περιορισμοί για την προσομοίωση της πορείας φόρτισης των μπαταριών και την προστασία της μακροζωίας
τους και αξιολογήθηκε ο καλύτερος συνδυασμός των παραμέτρων που σχετίζονται με τη φόρτιση των PHEVs, όπως το ποσοστό φόρτισης, η
χωρητικότητα της μπαταρίας και ο χρόνος σύνδεσης και αποσύνδεσης από το δίκτυο. Έτσι σχηματίστηκε η αντικείμενη συνάρτηση που
επιφέρει την βέλτιστη απόκριση σε σήμα PJM και εξασφαλίζει την αξιόπιστη συμμετοχή του aggregator στην αγορά δευτερεύουσας
εφεδρείας, με τις μικρότερες αποκλίσεις. Μετά την επιτυχή ολοκλήρωση του μοντέλου, διενεργήθηκαν κι άλλες προσομοιώσεις, με
διαφορετικούς στόλους οχημάτων (100,500 PHEVs) για επαλήθευση των αποτελεσμάτων.
2. ΔΕΔΟΜΕΝΑ
2.1.Αναγκαιότητα αποθήκευσης ενέργειας
Το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, εξισορροπεί το φορτίο και την παραγωγή, ελέγχοντας τη ροή της ενέργειας, υπό τη μορφή της
πραγματικής και της άεργου ισχύος, ώστε να ικανοποιείται το ισοζύγιο της ισχύος και σε κάθε χρονική στιγμή η συχνότητα του συστήματος
να διατηρείται στην ονομαστική συχνότητα των 50Hz. Οποιαδήποτε απόκλιση από αυτήν την τιμή, απαιτεί δράση από το διαχειριστή του
συστήματος. Η αύξηση της συμμετοχής της ηλεκτρικής ενέργειας που προέρχεται από την αιολική ενέργεια συμβάλλει στην έντονη χρονική
διακύμανση της παραγόμενης ενέργειας και εισάγει στοχαστικότητα στη διαχείριση. Όταν η συχνότητα αυξάνεται, τότε παράγεται
περισσότερη ισχύς σε σχέση με το φορτίο, οπότε είτε το φορτίο πρέπει να αυξηθεί είτε οι γεννήτριες πρέπει να μειώσουν την παραγωγή
τους. Όταν η συχνότητα μειώνεται, τότε φορτίο είναι μεγαλύτερο από την παραγόμενη ισχύ του συστήματος και οι γεννήτριες πρέπει να
αυξήσουν την παραγωγή τους ή να μειωθεί το φορτίο. Οι προσαρμογές αυτές ονομάζονται ρύθμιση συχνότητας (Regulation).
2.2. Αξιοποίηση των ηλεκτρικών οχημάτων με διασύνδεση τους στο δίκτυο
Ο μέσος όρος αυτοκινήτων οδηγείται μόνο μία ώρα την ημέρα (62,3 min/day,ΗΠΑ 2001). Οπότε ένας στόλος από PHEVs θα μπορούσε
να είναι μια πηγή αποθήκευσης ενέργειας τις υπόλοιπες 23 ώρες, για την εξυπηρέτηση της ρύθμισης συχνότητας και της στρεφόμενης
εφεδρείας, λόγω της εν γένει γρήγορης απόκρισης (ως φορτίο με την φόρτιση της μπαταρίας και ως πηγή εκφορτίζοντας την μπαταρία στο
δίκτυο V2G). Μάλιστα επικυρώθηκε και πειραματικά ότι μπορεί να υπερκαλύψει τις απαιτήσεις απόκρισης της PJM.
2.3.Επικουρικές Υπηρεσίες - Η Δευτερεύουσα Ρύθμιση Συχνότητας ιδανική για PHΕVs
Οι Επικουρικές Υπηρεσίες της Πρωτεύουσας, Δευτερεύουσας και Τριτεύουσας Ρύθμισης αναφέρονται συνοπτικά και ως Επικουρικές
Υπηρεσίες Ρύθμισης Συχνότητας και Ενεργού Ισχύος. Θετική ή αρνητική Εφεδρεία Δευτερεύουσας Ρύθμισης είναι τα περιθώρια αύξησης ή
μείωσης αντίστοιχα της Ενεργού Ισχύος της Μονάδας λαμβάνοντας υπόψη το τρέχον επίπεδο Ενεργού Ισχύος της Μονάδας. H δυνητική αξία
ανά όχημα είναι πολύ μεγαλύτερη όταν η εφεδρεία πωλείται για ρύθμιση συχνότητας στα 50 Hz, επειδή ο κύκλος φόρτισης/εκφόρτισης των
μπαταριών, είναι πιο κοντά στη συχνότητα κλήσης από το δίκτυο (μέχρι και εκατοντάδες φορές την ημέρα). Σε πραγματικό χρόνο το σήμα
ρύθμισης συχνότητας («άνω» ή «κάτω ρύθμιση») έχει χρονικό βήμα λίγων μόνο λεπτών και εύρος πολύ μικρότερο από τις διακυμάνσεις
της καμπύλης φορτίου. Αυτή είναι μία καλή εφαρμογή για μια μπαταρία, καθώς η μπαταρία φορτίζεται ή αποφορτίζεται ελαφρώς. Έτσι
περιορίζεται και η φθορά που επιφέρει μια μεγάλης διάρκειας αποφόρτιση με βαθύ κύκλο (Depth of Discharge-DOD). Παρ' όλα αυτά η
απρόβλεπτη φύση της ρύθμισης συχνότητας, μπορεί να οδηγήσει σε πλήρη φόρτιση ή να αποφορτίσει εντελώς την μπαταρία του
οχήματος σε V2G λειτουργία. Θα πρέπει λοιπόν να χρησιμοποιηθούν κατάλληλοι αλγόριθμοι για τη βέλτιστη διαχείριση της φόρτισης των
οχημάτων, ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι περιπτώσεις όπου όλες οι μπαταρίες, είτε έχουν φορτιστεί πλήρως, είτε έχουν αποφορτιστεί
εντελώς, χάνοντας τη δυνατότητα παροχής άνω ή κάτω εφεδρείας, για τη ρύθμιση της συχνότητας.
2.4. Κριτήρια μεγιστοποίησης της διάρκειας ζωής της μπαταρίας
Ο επικρατέστερος τύπος μπαταριών σε PHEVs είναι οι μπαταρίες Li-ion, λόγω υψηλής πυκνότητας ισχύος και ενέργειας. Η μεγαλύτερη
πρόκληση είναι η προστασία της μπαταρίας με κριτήρια το κόστος και τη διάρκεια ζωής. Η ιδανική στρατηγική φόρτισης ενός PHEV,
καθορίζεται από τη χρονική στιγμή και τον ρυθμό με τον οποίο απορροφά ηλεκτρική ενέργεια. Kύρια αιτία της υποβάθμισης των
μπαταριών, είναι o σχηματισμός ενός μη αναστρέψιμου στερεού ηλεκτρολυτικού φιλμ (SEI-Solid electrolyte Interface) πάνω στο
ηλεκτρόδιο της ανόδου που αυξάνει την εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας και οδηγεί στη μείωση της χωρητικότητας. Μια στρατηγική
3. σελ. 2
φόρτισης, είναι η καθυστέρηση της φόρτισής τους, ώστε η πλήρης φόρτιση να ολοκληρώνεται ακριβώς πριν από το χρόνο της χρήσης,
ελαχιστοποιώντας τη διάρκεια παραμονής σε υψηλά SOC όπως επίσης και ο ορισμός του άνω ορίου φόρτισης στο 97% (αντί 100%), για
αποφυγή υπερφόρτισης.
3. ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ
3.1. Ο αλγόριθμος διαχείρισης της βέλτιστης φόρτισης των PHEVS σε GAMS
Ο αλγόριθμος, δημιουργήθηκε στο ειδικό περιβάλλον Γενικευμένης Αλγεβρικής Μοντελοποίησης Συστημάτων και επίλυσης
προβλημάτων μαθηματικής βελτιστοποίησης GAMS (Generic Algebraic Modeling System) σε συνδυασμό με χρήση αρχείων Excel. Το
πρόβλημα μοντελοποιήθηκε με γραμμικό προγραμματισμό και επιλύθηκε με τη βοήθεια του solver ΙΒΜ CPLEX
@
.
3.2. Διαχείριση στόλου με συμμετοχή στην προ-ημερήσια αγορά (day-ahead market)
Η διαχείριση ενός στόλου PHEVs σε πραγματικό χρόνο πρέπει να αντιμετωπιστεί σε συνδυασμό με τη συμμετοχή του aggregator στην
προ-ημερήσια αγορά ενέργειας, διότι τότε γίνεται η εκκαθάριση της Ωριαίας Δήλωσης Φορτίου του aggregator και των προσφορών για
παροχή δευτερεύουσας εφεδρείας. Τυχόν αποκλίσεις, τον εκθέτουν στην τιμή αγοράς ενέργειας πραγματικού χρόνου και χρεώνεται με
penalty. Η σύμβαση του προσήμου της ροής ισχύος, είναι συνεπής με εκείνη του φορέα εκμετάλλευσης του δικτύου και όχι του οχήματος.
Το σήμα ρύθμισης , ,
signal
h m sAGC χρησιμοποιεί: α) αρνητικές τιμές για έκτακτη απορρόφηση ισχύος [δίκτυο προς όχημα - παροχή κάτω
εφεδρείας] και β) θετικές τιμές για μείωση/απόδοση ισχύος [όχημα προς δίκτυο -παροχή άνω εφεδρείας]. O aggregator εκμεταλλεύεται
τα περιθώρια παροχής κάτω εφεδρείας για να φορτίσει τον διαχειριζόμενο στόλο, όχι μόνο χωρίς να χρεώνεται αλλά λαμβάνοντας και
αποζημίωση για την παροχή.
3.3. Ο κώδικας σε GAMS- Επίλυση του μοντέλου
Κάθε 5λεπτο της ώρας ο aggregator λύνει τον αλγόριθμο “5min dispatch”, με σκοπό να δώσει 5-λεπτα set-points στα PHEVs, το
άθροισμα των οποίων ισούται με την Ωριαία Δήλωση Φορτίου (Ω.Δ.Φ.). Η αντικείμενη συνάρτηση που επιλύεται, έχει την ακόλουθη
μορφή:
5min 5min
, , , , , ,min cost = · ( )· ( )· ( )· ( ) · , ( , ) bat dep plugged
h m i h m i h m i i i h m
i
pop f SOC f E f T f T M ue h m
με άγνωστες μεταβλητές τις
5min
, ,i h mp και τον όρο 5min
, ,i h mue .
Κάθε 4 sec του κάθε 5-λέπτου, ο aggregator λύνει τον αλγόριθμο “AGC dispatch”, με σκοπό να δώσει στα PHEVs εντολές κατανομής ή
απόκλισης ισχύος από τα 5-λεπτα set-points, για να παράσχει την απαιτούμενη δευτερεύουσα εφεδρεία την οποία ζητά ο Διαχειριστής του
συστήματος από τον aggregator. Αν ζητείται κάτω εφεδρεία ( , , 0signal
h m sAGC ), τότε ο aggregator λύνει το μοντέλο AGC Dispatch Down και η
αντικείμενη που καλείται να επιλύσει την βέλτιστη κατανομή, έχει τη μορφή:
,
, , , , , , , , , ,min cost = ( ( () ) ( , ( , ,) ) ) AGC bat dep plugged dn AGC
h m s i h m s i h m s i i i h m s
i
p f f E f T f T M ue hC mO sS
ενώ αν ζητείται άνω εφεδρεία ( , , 0signal
h m sAGC ),τότε ο aggregator λύνει το μοντέλο AGC Dispatch Up και η αντικείμενη έχει τη μορφή:
,
, , , , , , , , , ,min cost = ( ( () ) ( , ( , ,) ) ) AGC bat dep plugged up AGC
h m s i h m s i h m s i i i h m s
i
p f f E f T f T M ue hC mO sS
Τέλος στην περίπτωση που δεν ζητείται παροχή εφεδρείας ( , , 0signal
h m sAGC ), τότε γίνεται κατανομή μόνο με βάση τα 5-λεπτα set-point.
Σε κάθε περίπτωση και για να αποτραπούν οι ανέφικτες λύσεις (infeasibilities) κατά την επίλυση του αλγορίθμου, χρησιμοποιήθηκε η
μέθοδος BigM στις αντικείμενες συναρτήσεις.
3.4. Ανισωτικοί περιορισμοί μοντέλου. Προστασία της μπαταρίας.
Αλλαγή ρυθμού φόρτισης όταν ,
, , ,
cc cv
i h m s isoc SOC
Ενσωματώθηκε στον κώδικα κατάλληλη μοντελοποίηση, η οποία επιβάλλει μείωση του ρυθμού φόρτισης, όταν το iSOC
ξεπεράσει μια συγκεκριμένη τιμή. Σύμφωνα με μελέτη του πανεπιστημίου του Delaware, η προτεινόμενη τιμή είναι όταν
,cc cv
iSOC =89%
τιμή η οποία και υιοθετήθηκε.
Διακοπή της φόρτισης όταν , , , dep
i h m s isoc SOC
Σύμφωνα με την ίδια μελέτη προβλέπεται στον κώδικα η διακοπή της φόρτισης, όταν η στάθμη της μπαταρίας ξεπεράσει το 97%
και όχι το 100% για αποφυγή υπερφόρτισης.
3.5. Μοντελοποίηση καμπύλης φόρτισης μπαταριών Li-ion-Υπολογισμός 5min
ipop set point
H φόρτιση μιας μπαταρίας αρχίζει με ένα σταθερό ρεύμα υπό αυξανόμενη τάση (cc) και όταν η τάση φθάσει σε ένα ανώτερο όριο
,cc cv
iSOC , το εφαρμοζόμενο ρεύμα μειώνεται, διατηρώντας ο φορτιστής σταθερή την τάση (cv). Το άνω όριο την μεταβλητής έχει ως
εξής:
στη φάση φόρτισης υπό σταθερό ρεύμα(cc) ,όταν ,
, , ,
cc cv
i h m s isoc SOC τότε: 5min
<= chrg
i ipop P
στη φάση φόρτισης υπό σταθερή τάση(cv), όταν ,
, , ,
cc cv
i h m s isoc SOC τότε η μέγιστη αύξηση του , , ,i h m ssoc μέσα σε ένα
πεντάλεπτο (5min/60min) προκύπτει αν το όχημα φόρτιζε συνεχώς στη μέγιστη δυνατή ισχύ καθ' όλη τη διάρκεια του 5-λέπτου.
4. σελ. 3
Υπολογίζεται λοιπόν ως:
max,5min
guaranted
i ipop P
2
, , ,5min
, , ,, ,
1 5
1
1 1 60
chrg c
i h m schrg i i
i i i h m scc cv cc cv bat
i i i
soc P
pop P soc
SOC SOC E
3.5. Περιθώρια για παροχή άνω και κάτω εφεδρείας.
3.5.1.Περιθώριο παροχής κάτω εφεδρείας
Tο επίπεδο ισχύος 5-λέπτου 5min
ipop ,αφήνει ένα
περιθώριο (capacity) προς τα πάνω μέχρι τη μέγιστη ισχύ
φόρτισης (Εικ.1), το οποίο αντιστοιχεί στο περιθώριο κάτω
εφεδρείας, συνυπολογίζεται στο ισοζύγιο ενέργειας όταν
το , , 0signal
h m sAGC και λύνεται η ανίσωση:
, , , 5min
, , , ,
1
1
i h m sAGC chrg
i h m s i icc cv
i
soc
p P pop
SOC
3.5.2.Περιθώριο παροχής άνω εφεδρείας
Αντίστοιχα, το περιθώριο κάτω από το επίπεδο ισχύος
5λέπτου 5min
ipop μέχρι το μηδέν (Εικ.1), αντιστοιχεί στο
περιθώριο άνω εφεδρείας οπότε και λύνεται η ανίσωση:
5min
, , ,
AGC
i h m s ip pop
3.5.3.Μη εξυπηρετούμενη ενέργεια σε παροχή άνω ή κάτω εφεδρείας
Όταν το άθροισμα των ,δηλαδή της στιγμιαίας ισχύος των 4sec όλων των συνδεδεμένων οχημάτων, δεν επαρκεί για να
ικανοποιήσει το , ,
signal
h m sAGC , για παροχή εφεδρείας, τότε η υπόλοιπη ισχύς που δεν μπόρεσε να εξυπηρετηθεί, αποθηκεύεται στις μεταβλητές
/ ,
, , ,
up down AGC
i h m sue . Το ισοζύγιο παροχής ενέργειας δευτερεύουσας εφεδρείας περιγράφεται από την παρακάτω εξίσωση:
/ ,
, , , , , , , ,, , ( , , )AGC up down AGC signal
i h m s i h m s h m s
i
i p ue AGC h m s
3.6. Τροποποιήσεις συνάρτησης και σύγκριση αποτελεσμάτων
Ο έλεγχος φόρτισης ενός στόλου οχημάτων μόνο κατά
iSOC (State Of Charge), παρατηρήθηκε ότι προκαλεί
πρόωρη φόρτιση και δεν επιφέρει τα επιθυμητά
αποτελέσματα τόσο σε απορρόφηση της διαθέσιμης
ενέργειας όσο και σε επίπεδο του τελικού ποσοστού
φόρτισης των οχημάτων. Τελικός στόχος είναι ασφαλώς
υψηλά επίπεδα τελικής φόρτισης, αλλά με τη μέγιστη
δυνατή ικανοποίηση των απαιτήσεων σε παροχή εφεδρείας
ώστε να μπορεί να συμμετάσχει ένας aggregator με
αξιοπιστία στην αγορά επικουρικών υπηρεσιών.
Στα πλαίσια της Διπλωματικής εργασίας, η αντικείμενη
συνάρτηση βελτιώθηκε σχηματίζοντας αντικείμενες
συναρτήσεις που συνδυάζουν ταυτόχρονο έλεγχο: α) του
ποσοστού φόρτισης iSOC , β) της χωρητικότητας της
μπαταρίας κάθε οχήματος
bat
iE , γ) του υπολειπόμενου
χρόνου σύνδεσης 1
ου
,2
ου
,3
ου
,4
ου
βαθμού
4
/
dep ctr dur
h iiT T T , και δ) της διάρκειας σύνδεσης 1
ου
,
2
ου
, 3
ου
βαθμού μέσω της διαφοράς
3
/
dep arr dur
i iiT T T με
24dur
iT h, για ημερήσια εκκαθάριση, δημιουργώντας έτσι
έναν πολυκριτηριακό αλγόριθμο βελτιστοποίησης.
Η βέλτιστη λοιπόν αντικείμενη συνάρτηση είναι αυτή
που συνδυάζει: α) τον καλύτερο Μέσο Όρο, β) τη
μεγαλύτερη Ελάχιστη τιμή
dep
iSOC , γ) που θα εξασφαλίζει
όμως ταυτόχρονα ικανοποιητική κατανομή (Energy
Dispatch) της Ωριαίας Δήλωσης Φορτίου και δ) αξιόπιστη
Παροχή Δευτερεύουσας Εφεδρείας, βάσει των Δηλωμένων
Προσφορών, με τις μικρότερες δυνατές αποκλίσεις.
Στην Εικ.2 συγκεντρώσαμε τα dep
iSOC όλων των
αντικείμενων συναρτήσεων για να διακρίνουμε τη βελτίωση που επέφερε η κάθε μία, στον ίδιο στόλο 100 PHEVs, με βάση σύγκρισης τη
διαχείριση φόρτισης μόνο κατά SOC .
, , ,
AGC
i h m sp
Εικόνα 3 - Πορεία φόρτισης όλου του στόλου (MO/4sec).
Εικόνα 2 - Συγκεντρωτικό διάγραμμα των τελικών SOC όλων των
αντικείμενων συναρτήσεων που δοκιμάστηκαν.
Εικόνα 1 - Περιθώρια για παροχή άνω και κάτω εφεδρείας
5. σελ. 4
Επίσης παρατηρήθηκε ότι όσο αυξάνεται η δύναμη
του χρόνου, τόσο ο Μ.Ο. κινείται σε υψηλότερες τιμές
(πάνω πορείες φόρτισης) με αποτέλεσμα να έχουμε
πρόωρη φόρτιση των οχημάτων και αδυναμία απόκρισης
στο , ,
signal
h m sAGC , (Εικ.3).
Αντίθετα στις κάτω πορείες συναντάμε τις
χαμηλότερες τιμές ,mindep
iSOC με επιβάρυνση των
οχημάτων με τους μεγαλύτερους χρόνους αποσύνδεσης
dep
iT . Αυτό όμως παραβιάζει τη φερεγγυότητα της
φόρτισης, γιατί δεν τηρείται η συμφωνία του
εκπροσώπου του στόλου με τους χρήστες των οχημάτων,
για πλήρη φόρτιση, τη δηλωμένη ώρα αποσύνδεσης.
Στην επάνω πορεία που ξεχωρίζει, με έλεγχο μόνο
κατά , , ,i h m ssoc , είχαμε τα χειρότερα αποτελέσματα, με
την μικρότερη απορρόφηση ενέργειας, λόγω πρόωρης
φόρτισης (Εικ.4).
Στις ενδιάμεσες λοιπόν καμπύλες (Εικ.4), συναντούμε τις αντικείμενες συναρτήσεις με τα πιο επιθυμητά χαρακτηριστικά, που
συνδυάζουν υψηλό M.O. dep
iSOC , χωρίς πρόωρη φόρτιση ώστε να διαθέτουν τα υψηλότερα δυνατά περιθώρια παροχής Up και Down
εφεδρείας, μέχρι το τέλος φόρτισης όλου του στόλου.
4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
4.1. Τελική αξιολόγηση – Επιλογή βέλτιστης αντικείμενης συνάρτησης
Αφού επιλέχθηκαν οι δυο καλύτερες συναρτήσεις, αξιολογήθηκαν σε περισσότερα case studies, και επιβεβαιώθηκαν στην πλειοψηφία
τους, οι μικρές διαφορές. Αυτό μας οδηγεί στην εξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων, όσον αφορά στη γενικότερη συμπεριφορά τους στη
διαχείριση φόρτισης ενός τυχαίου στόλου οχημάτων, με χαρακτηριστικά που ακολουθούν κανονικές κατανομές.
Με βάση τα αποτελέσματα παρατηρείται ότι η αντικείμενη συνάρτηση
3
bat dep ctr dep arr
i i i h i iSOC E T T T T (eq2) , σε απόλυτη
σύγκριση με την
3
bat dep ctr
i i i hSOC E T T (eq1), εμφανίζει: α) Τα υψηλότερα ποσοστά τήρησης της Ωριαίας Δήλωσης Φορτίου (Ω.Δ.Φ.) με τις
μικρότερες αποκλίσεις από αυτήν, β) τις μικρότερες ωριαίες ποσοστιαίες αποκλίσεις μη εξυπηρετούμενης ενέργειας, με αποτέλεσμα να
δίνει μεγαλύτερα ποσοστά τήρησης της Ω.Δ.Φ., γ) υψηλά ποσοστά εξυπηρέτησης παροχής άνω εφεδρείας, δ) πολύ ικανοποιητικά ποσοστά
εξυπηρέτησης παροχής κάτω εφεδρείας, ε) Τους υψηλότερους μέσους όρους φόρτισης της τάξης του 96.9% , με τεχνικό μέγιστο το 97% για
λόγους μακροζωίας της μπαταρίας , ζ) Τις υψηλότερες ελάχιστες τιμές φόρτισης ,mindep
iSOC που εξασφαλίζει πως όλοι οι πελάτες του
στόλου θα παραλάβουν το όχημα τους σε πολύ ικανοποιητικό επίπεδο φόρτισης, για οποιαδήποτε μετακίνηση τους. Από τις προσομοιώσεις
προκύπτει ότι η συνολική τάξη του παράγοντα dep
i
T δεν πρέπει να ξεπερνάει την 4
η
συνολικά, σε όποια μορφή του όρου ελέγχου κι αν
συμμετέχει, διότι επιβάλλει υπερβολική καθυστέρηση φόρτισης στα PHEVs με τους μεγαλύτερους χρόνους αποσύνδεσης.
Επίσης προκύπτει ότι και οι δύο αντικείμενες συναρτήσεις ικανοποιούν τις αυστηρές απαιτήσεις συμμετοχής ενός aggregator, σε μια
αγορά όπως η PJM, με ποσοστά εξυπηρέτησης των εντολών του σήματος ελέγχου για παροχή εφεδρείας, που κυμαίνονται: α) μεταξύ 99,65%
και 100% σε παροχή άνω εφεδρείας και β) μεταξύ 98,87% και 100% σε παροχή κάτω εφεδρείας.
Με βάση λοιπόν την παραπάνω αξιολόγηση, προτείνεται ως βέλτιστη η αντικείμενη συνάρτηση όπου γίνεται διαχείριση φόρτισης
στόλου Η/Ο με έλεγχο τεσσάρων παραμέτρων, δηλαδή: α) της τρέχουσας κατάστασης φόρτισης , , ,i h m ssoc , β) της χωρητικότητας της
μπαταρίας
bat
iE , γ) του υπολειπόμενου χρόνου σύνδεσης 3
ου
βαθμού, δηλαδή
3
/
dep ctr dur
i h iT T T
δ) της διάρκειας σύνδεσης 1
ου
βαθμού
1
/dep arr dur
i iiT T T
με 24dur
iT h . Έτσι οι προτεινόμενες αντικείμενες συναρτήσεις για την επίλυση των αντίστοιχων μοντέλων,
είναι:
κατά την εκτέλεση του 5-λεπτου μοντέλου “5min Dispatch” όπου υπολογίζεται το 5λεπτο set-point για την τήρηση της Ω. Δ.Φ., η
αντικείμενη συνάρτηση θα έχει τη μορφή:
5min ,max
, ,
3
5min
, ,min cost
– –
= , ( , )
bat
i i
dep bat
i i h m i
dep ctr
i h
dur
dep arr
i i
h m h mdur
i
pop
SOC soc
T T T TE
M ue h m
E T
T
Αν ζητείται κάτω εφεδρεία ( ), τότε ο aggregator θα λύνει το μοντέλο “AGC Dispatch Down” και η αντικείμενη που θα
καλείται να επιλύσει την βέλτιστη κατανομή, θα έχει τη μορφή:
,max
, , ,
, , ,
3
,
, , , ,min cost
– –
,= ( , , )
AGC bat
i h m s i
dep bat
i i h m s i
dep ctr
i h
dur
dep arr
dn AGCi i
h m s h m sdur
i so
p
SO cC
T T T TE
M ue h m s
E T
T
, , 0signal
h m sAGC
Εικόνα 4 - Περιοχές βέλτιστης, πρόωρης και καθυστέρησης φόρτισης.
(ΜO/4sec μεγέθυνση)
6. σελ. 5
Αντίστοιχα αν ζητείται άνω εφεδρεία ( ), τότε ο aggregator λύνει το μοντέλο “AGC Dispatch Up” και η αντικείμενη που
καλείται να επιλύσει την βέλτιστη κατανομή έχει τη μορφή:
,max
3
,
, , , , , , , , , ,min cost
–
= , ( )
–
, ,
bat
i
bat
i
dur
dep ctr
i h
dur
AGC dep dn AGC
h m s i h m s i i h m s h m sdep arr
i i i
s
TE T
p SO oC M ue h m s
E T T
c
T T
Η πορεία φόρτισης iSOC του κάθε οχήματος
φαίνεται στα επόμενα διάγραμματα, όπου είναι εμφανής
η βελτιστοποίηση της πλήρους φόρτισης στο τεχνικό
μέγιστο του 97%, για το σύνολο του στόλου των 100
PHEVs, το μικρό εύρος των τελικών ποσοστών φόρτισης
dep
iSOC κατά την αποσύνδεση και η αποφυγή της
πρόωρης φόρτισης (Εικ.5 και Εικ.6).
Επίσης η σωστή διαχείριση της πορείας
φόρτισης του στόλου, εξασφαλίζει στον aggregator, την
αξιόπιστη συμμετοχή του στο πρόγραμμα εφεδρειών,
αξιοποιώντας στο μέγιστο το διαθέσιμο ενεργειακό
δυναμικό που του προσφέρει ο στόλος των PHEVs,
ικανοποιώντας όλες τις απαιτήσεις του διαχειριστή σε
άνω ή κάτω εφεδρεία, παρέχοντας ποιοτικές και
αξιόπιστες υπηρεσίες δευτερεύουσας εφεδρείας ρύθμισης
συχνότητας (Εικ. 7).
Με τον αλγόριθμο που υλοποιήθηκε, σε
συνεργασία με τον «αλγόριθμο βελτιστοποίησης της
στρατηγικής δηλώσεων φορτίου και προσφορών
δευτερεύουσας εφεδρείας» που αναπτύχθηκε στην
αναφορά
1
, εξασφαλίζεται η αξιόπιστη συμμετοχή του
aggregator στην προ-ημερήσια αγορά ηλεκτρικής
ενέργειας, παρέχοντας υψηλής ποιότητας επικουρικές
υπηρεσίες ρύθμισης συχνότητας.
5. ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Η συμμετοχή στην αγορά επικουρικών
υπηρεσιών, προκύπτει ότι είναι η πιο κατάλληλη χρήση για
την πλήρη αξιοποίηση των ηλεκτρικών οχημάτων, τις 23
ώρες/ημέρα που κατά μέσο όρο δεν κινούνται, με
δοκιμασμένη, πειραματικά, απόκριση σε σήμα PJM, υπό
πραγματικό χρόνο αποστολής. Οι μπαταρίες των PHEVs
ικανοποιούν τους γρήγορους χρόνους απόκρισης των
σημάτων ελέγχου και η χαμηλή συνολική συναλλασσόμενη
ενέργεια, είναι ιδανική για εφαρμογές G2V και V2G (Vehicle
to Grid). Τα δεδομένα που παρουσιάζονται στην παρούσα
διπλωματική δείχνουν ότι ένας στόλος ηλεκτρικών
οχημάτων, με σωστή διαχείριση της φόρτισής τους, είναι
ικανός να παρέχει επικουρικές υπηρεσίες.
Η υψηλότερη τιμή επικουρικών υπηρεσιών είναι η
Εφεδρεία Δευτερεύουσας Ρύθμισης , θετική ή αρνητική και
εκφράζει τα περιθώρια αύξησης ή μείωσης αντίστοιχα της
Ενεργού Ισχύος της Μονάδας λαμβάνοντας υπόψη το
τρέχον επίπεδο Ενεργού Ισχύος της Μονάδας. Ένας
aggregator που διαχειρίζεται τη φόρτιση ενός στόλου PHEVs,
θεωρείται από το Διαχειριστή του συστήματος ως μια «Συμβεβλημένη Μονάδα Επικουρικών Υπηρεσιών» η οποία: α) πληρώνεται για τη
διαθεσιμότητα της παροχής Επικουρικών Υπηρεσιών πληρώνεται για την παροχή Επικουρικών Υπηρεσιών .
Η αξιοποίηση των ηλεκτρικών οχημάτων στα πλαίσια ενός Smart Grid, ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας, μέσω της βέλτιστης
διαχείρισης της φόρτισης, με γνώμονα πάντα τη μικρότερη επιβάρυνση στη μακροζωία της μπαταρίας τους, εξασφαλίζει την υποστήριξη
του δικτύου, την αποφυγή υπερφόρτισης και την αξιόπιστη συμμετοχή σε ένα πρόγραμμα ρύθμισης συχνότητας, χωρίς να επηρεάζεται η
ποιότητα ισχύος, μειώνοντας δραστικά τα προβλήματα του συστήματος διανομής.
Είναι αδιαμφισβήτητα τα περιβαλλοντικά οφέλη που μπορεί να προσφέρει η διαχείριση αυτού του ενεργειακού δυναμικού, όπως
μεταφορές χωρίς κατανάλωση καυσίμων, μείωση της ηχορύπανσης, μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης με μείωση των εκπομπών
αερίων του θερμοκηπίου (GHG), ανεξαρτησία από τη χρήση του πετρελαίου με μέγιστη αξιοποίηση του αιολικού και ηλιακού δυναμικού
της χώρα μας εξαιτίας λιγότερης χρήση πετρελαίου και λιγνίτη και όλα τα οφέλη της ενεργειακής ασφάλειας, που προκύπτουν από την
βέλτιστη διαχείριση φόρτισης των PHEVs.
1
Stylianos I. Vagropoulos,Anastasios G. Bakirtzis,2013. “Optimal Bidding Strategy for Electric Vehicle Aggregators in Electricity Markets”
, , 0signal
h m sAGC
Εικόνα 7 - Βελτίωση της εξυπηρετούμενης ισχύος.
Εικόνα 6 - Φόρτιση 100PHEVs με έλεγχο μέσω της βέλτιστης αντικείμενης
συνάρτησης
Εικόνα 5 - Φόρτιση 100PHEVs με έλεγχο μόνο κατά SOC. Πρόωρη φόρτιση
