پایان نامه ارائه ساختار جدید بازار همزمان توان اکتیو و راکتیو با در نظر گرفتن قیود ولتاژی شبکه

فهرست:

چکیده.............................................................................................................................................................1

فصل اول: کلیات تحقیق

مقدمه.................................................................................................................................................2

حضور مزارع بادی در بازارهای تجدید ساختار یافته........................................................................3

ارائه توان راکتیو توسط مزارع بادی......................................................................................................4

بازارهای توان راکتیو............................................................................................................................4

چالش­ها در جهت ایجاد بازارهای توان راکتیو.....................................................................................5

تعامل بین بازار توان اکتیو و راکتیو....................................................................................................5

قدرت بازار........................................................................................................................................5

نوسانات قیمت و قیمت­گذاری برای مصرف­کنندگان.....................................................................6

اقدامات انجام گرفته در این پایان­نامه ...............................................................................................7

فصل دوم: مروری بر منابع

ارائه بازار برای پشتیبانی از توان راکتیو..............................................................................................8

مقدمه.................................................................................................................................................8

مفهوم توان راکتیو و ضرورت توجه به آن.........................................................................................8

توان راکتیو چیست؟...................................................................................................................8

نیاز به توان راکتیو در شبکه........................................................................................................9

توان راکتیو و خاموشی­ها..........................................................................................................10

تجهیزات تولیدکننده توان راکتیو...................................................................................................11

ژنراتور سنکرون.......................................................................................................................11

کندانسورهای سنکرون.............................................................................................................11

جبران­سازهای خازنی و سلفی..................................................................................................11

ادوات FACTS........................................................................................................................12

خطوط هوایی و کابل­های زیرزمینی.........................................................................................12

هزینه تولید توان راکتیو.................................................................................................................12

هزینه پشتیبانی توان راکتیو توسط ژنراتور سنکرون..................................................................13

هزینه­های پشتیبانی توان راکتیو توسط تجهیزات انتقال.............................................................15

ارائه توان راکتیو در بازارهای تجدید ساختاریافته.........................................................................16

نیویورک...................................................................................................................................16

سوئد........................................................................................................................................17

طراحی بازار برای توان راکتیو......................................................................................................17

هزینه تولید توان راکتیو............................................................................................................19

ساختار پیشنهادات توان راکتیو.................................................................................................20

استقرار بازار و شکل­گیری قیمت.............................................................................................22

بازار توان راکتیو ناحیه­ای..............................................................................................................22

جمع­بندی......................................................................................................................................24

مزارع بادی و مشارکت آن­ها در بازارهای انرژی و توان راکتیو.........................................................24مقدمه..............................................................................................................................................24

مزایای استفاده از انرژی باد......................................................................................................25

وضعیت فعلی و آینده مزارع بادی............................................................................................25

ساختار توربین­های بادی...............................................................................................................28

فن­آوری توربین­های بادی.............................................................................................................29

ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم(PMSG).................................................................................29

ژنراتور القایی قفس سنجابی.....................................................................................................29

ژنراتور سنکرون روتور سیم­پیچی شده....................................................................................30

ژنراتور القایی دوسو تغذیه(DFIG)..........................................................................................30

برنامه­ریزی تولید نیروگاه­های بادی در بازار انرژی.......................................................................31

مشارکت واحدهای بادی در مسأله پخش­بار اقتصادی..................................................................32

تابع هزینه واحدهای بادی در مسأله پخش­بار اقتصادی............................................................34

توان راکتیو تولید شده توسط توربین­های بادی.............................................................................37

طرح مزارع بادی مورد مطالعه..................................................................................................37

عوامل محدود کننده.................................................................................................................38

طراحی مقادیر...........................................................................................................................39

قابلیت توان راکتیو توربین­های بادی با توجه به تغییرات باد.........................................................40

اجزای هزینه تولید توان راکتیو توسط مزارع بادی........................................................................42

مولفه هزینه ثابت......................................................................................................................42

مولفه هزینه تلفات....................................................................................................................42

مولفه هزینه فرصت..................................................................................................................43

مدل هزینه عرضه توان راکتیو برای مزارع بادی............................................................................43

جمع­بندی...................................................................................................................................44

فصل سوم: روش تحقیق

مقدمه..............................................................................................................................................45

اصلاح بازار توان راکتیو..................................................................................................................45بازار توان راکتیو متداول .................................................................................................................45

تابع پرداخت مورد انتظار..........................................................................................................45

استقرار بازار بمنظور قیمت­گذاری توان راکتیو.........................................................................46

بازار توان راکتیو اصلاح شده........................................................................................................47

تابع پرداخت مورد انتظار اصلاح شده......................................................................................47

اصلاح استقرار بازار و قیمت­گذاری توان راکتیو......................................................................48

مدل بازارهای مجزای توان اکتیو و راکتیو..........................................................................................50

بازار مجزای توان اکتیو....................................................................................................................50

بازار مجزای توان راکتیو..................................................................................................................50

تسویه بازارهای مجزای توان اکتیو و راکتیو....................................................................................51

اجرای همزمان بازار توان اکتیو و راکتیو..........................................................................................53

هزینه فرصت از دست رفته در بازار همزمان................................................................................53

بازار همزمان توان اکتیو و راکتیو...................................................................................................55

بازار توان راکتیو ناحیه­ای...................................................................................................................57شناسایی مناطق کنترل ولتاژ در یک سیستم..................................................................................57

فاصله الکتریکی........................................................................................................................58

تعیین مناطق با توجه به فاصله الکتریکی..................................................................................59

بازار توان راکتیو در مناطق کنترل ولتاژ محلی...............................................................................60

بازار همزمان انرژی و توان راکتیو ناحیه­ای........................................................................................60

مشارکت مزارع بادی و ژنراتورهای سنکرون در بازارهای توان اکتیو و راکتیو..................................61

مشارکت مزارع بادی و ژنراتورهای سنکرون در بازار مجزای توان اکتیو.....................................61

مشارکت مزارع بادی و ژنراتورهای سنکرون در بازار مجزای توان راکتیو....................................62

تأثیر خطای پیش­بینی مزارع بادی بر منحنی قابلیت توان راکتیو ..............................................62

بازار توان راکتیو برای مزارع بادی............................................................................................64

مدل بازار مجزای توان راکتیو برای مزارع بادی و ژنراتورهای سنکرون...................................68

مشارکت مزارع بادی و ژنراتورهای سنکرون در بازار همزمان توان اکتیو و راکتیو.......................68

جمع­بندی......................................................................................................................................72

فصل چهارم: شبیه­سازی ونتایج

مقدمه..............................................................................................................................................73

شبیه­سازی بازارهای توان اکتیو و راکتیو..........................................................................................73

بازار توان اکتیو مجزا ......................................................................................................................74

بازار توان راکتیو مجزا ....................................................................................................................76

بازار همزمان توان اکتیو و راکتیو ....................................................................................................78

مقایسه نمودار تولید توان اکتیو و راکتیو در بازارهای مجزا و همزمان ...........................................80

بازی در قیمت­های پیشنهادی در بازارهای مجزا و همزمان ...........................................................82

شبیه­سازی بازارهای انرژی و توان راکتیو ناحیه­بندی شده .............................................................83

ناحیه­بندی شبکه ............................................................................................................................83

بازار توان راکتیو ناحیه­ای ...............................................................................................................85

بازار همزمان انرژی و توان راکتیو ناحیه­ای ....................................................................................87

مقایسه نمودار تولید توان اکتیو و راکتیو در بازارهای مجزا و همزمان ناحیه­ای...............................89

شبیه­سازی بازارهای توان اکتیو و راکتیو با مشارکت مزارع بادی ...................................................90

مشارکت مزارع بادی در بازارهای مجزای توان اکتیو و راکتیو .......................................................93

مشارکت مزارع بادی در بازار همزمان توان اکتیو و راکتیو .............................................................98

مقایسه نمودار تولید توان راکتیو در بازارهای مجزا و همزمان با حضور مزارع بادی ...................103

بررسی تأثیر نوع خطا بر تولید توان اکتیو و راکتیو هرگره در بازار همزمان..................................106

جمع­بندی ................................................................................................................................... 108

فصل پنجم: نتیجه­گیری و پیشنهادات

نتیجه­گیری ...................................................................................................................................109

پیشنهادات ....................................................................................................................................110

پیوست ...............................................................................................................................................112

منابع ...................................................................................................................................................115

چکیده انگلیسی  .......................................................................................................................................120

منبع:

[1] Foley A.M, ÓGallachóir B.P, Hur J, Baldick R, McKeogh E.J. 2010. A strategic review of electricity systems models. Energy, Vol. 35, No. 12, pp: 4522-4530.

[2] FERC Order No.888. Promotion of wholesale competition through open access non-discriminatory transmission services by public utilities and recovery of stranded costs by public utilities and transmitting utilities. Issued April 1996.

[3] Zhong J, Bhattacharya K. 2002. Toward a competitive market for reactive power. IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 17, No. 1, pp: 1206-1215.

[4] Baughman M.L, Siddiqi S.N. 1991. Real-Time pricing of reactive power: Theory and case study results. IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 6, No. 1, pp: 23-29.

[5] El-Keib A, Ma X. 1997. Calculating short-run marginal cost of active and reactive power production. IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 12, No. 2, pp: 559-565.

[6] Lamont J.W, Fu J. 1999. Cost analysis of reactive power support. IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 14, No. 3, pp: 890-898.

[7] Amjady N, Rabiee A, Shayanfar H.A. 2010. A stochastic framework for clearing of reactive power market. Energy, Vol. 35, No. 1, pp: 239-245.

[8] Saini A, Saraswat A. 2013. Multi-objective reactive power market clearing in competitive electricity market using HFMOEA. Applied Soft Computing,Vol. 13, No. 4, pp: 2087-2103.

[9] Saini A, Saraswat A. 2013. Multi-objective day-ahead localized reactive power market clearing model using HFMOEA. Electrical Power and Energy Systems,46, pp: 376-391.

[10] Echavarren F.M, Lobato E, Rouco L. 2009. Steady-state analysis of the effect of reactive generation limits in voltage stability. Electric Power Systems Research, Vol. 79, No. 9, pp: 1292-1299.

[11] Staff report. 2005. Principles for efficient and reliable reactive power supply and consumption. FERC Publication, Docket No. AD05-1-000.

[12] Lior N. 2010. Sustainable energy development: the present situation and possible paths to the future. Energy, Vol. 35, No. 10, pp: 3976-3994.

[13] Ackermann T, Andersson G. Soder L. 2001. Distributed generation: a definition. Electric Power Systems Research, Vol. 57, No. 3, pp: 195–204.

[14] Alabdi M.H, El-Saadany E.F. 2010. Overview of wind power intermittency impacts on power systems. Electric Power Systems Research, Vol. 80, No. 6, pp: 627-632.

 [15] Ullah N.R, Thiringer T, Karlsson D. 2008. Temporary primary frequency control support by variable speed wind turbines—Potential and applications. IEEE Transaction on Power Systems. Vol. 23, No. 2, pp: 601–612.

[16] Rabiee A, Shayanfar H.A, Amjady N. 2009. Coupled Energy and Reactive Power Market Clearing Considering Power System Security. Energy Conversion and Management. Vol 50, No. 4, pp: 907-915.

[17] Hao. S, Papalexopoulas A. 1997. Reactive power pricing and management. IEEE Transaction on Power Systems. Vol. 12, No. 1, pp: 95–104.

[18] Ahlstrom M, Jones L, Zavadil R, Grant W. 2005. The future of wind forecasting and utility operations. IEEE Power and Energy Magazine, Vol. 3, No. 6, pp: 57–64.

[19] Zhong J, Nobile E, Bose A, Bhattacharya K. 2004. Localized reactive power markets using the concept of voltage control areas. IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 19, No. 3,  pp: 1555-1561.

[20] Zhong J, Bhattacharya K. 2002. Reactive power management in deregulated power systems-A review. IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, Vol. 2, pp: 1287–1292.

[21] Prabhakar K.S, Jacob Raglend I, Kothari D.P. 2013. A review on market power in deregulated electricity market. Electrical Power and Energy Systems, Vol. 48, pp: 139–147.

[22] Rider M.J, Paucar V.L. 2004. Application of a nonlinear reactive power pricing model for competitive electric market. IEE Proceeding on Generaton Transmission Distribution, Vol. 151, No. 3, pp: 407-414.

[23] Sauer P.W, Overbye T.J, Gross G, Alvarado F, Oren S, and Momah J. Reactive power support services in electricity markets: Costing and pricing of ancillary services final project report. PSERC Publication 00-08, May 2001.

[24] Lo K.L, Alturki Y.A. 2008. Towards reactive power markets, Part 2: differentiated market reactive power requirements. IET Generation Transmission and Distribution, Vol. 2, No. 4, pp: 516–529.

[25] Zhong J, Bhattacharya K. 2008. Reactive power market design and its impact on market power. Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century. pp: 1 – 4.

[26] Sauer P.W, What is reactive power?. PSERC background paper, Sept. 2003.

[27] Piao-hong Kong, Jun-yong Liu, Lei-lei Pan and Yuan Huang. 2004. Reactive power market based on consolidated compensation. IEEE International Conference on Electric Utility Deregulation, Restructuring and Power Technologies (DRPT2004) April Hong Kong 2004, pp: 540-545.

[28] Zhong J. A pricing mechanism for network reactive power devices in competitive market. IEEE Power India Conference 2006.

[29] Nilsson N.E, Mercurio J. 1994. Synchronous generator capability curve testing and evaluation. IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 9, No. 1, pp: 414–424.

[30] Bhattacharya K, Zhong J. 2001. Reactive power as an ancillary service. IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 16, No. 2, pp: 294-300.

[31] De M, Goswami S.K. 2012. Reactive power cost allocation by power tracing based method. Energy Conversion and Management, Vol. 64, pp: 43–51.

[32] Ethier R, Zimmerman R, Mount T, Schulze W, Thomas R. 1999. A uniform price auction with locational price adjustments for competitive electricity markets. Electrical Power and Energy Systems, Vol. 21, No. 2, pp: 103–110.

[33] Schlueter R.A, Hu I, Chang M.W, Lo J.C, Costi A. 1991. Methods for determining proximity to voltage collapse. IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 6, No. 1, pp: 285–292.

[34] Lie T, Schlueter R.A, Rusche P.A, Rhoades R. 1993. Method of identifying weak transmission network stability boundaries. IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 8, No. 1, pp: 293–301.

[35] Lagonotte P, Sabonnadiere J.C, Leost J.Y, Paul J.P. 1989. Structural analysis of the electrical system: Application to secondary voltage control in France. IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 9, No. 5, pp: 479–486.

[36] Sonderegger R.C, Henderson D, Bubb S, Steury J. 2004. Distributed asset insight. IEEE Power and Energy Magazine, Vol. 2, No. 3, pp: 32–39.

[37] Kishinevsky Y, Zelingher S. 2003. Coming clean with fuel cells. IEEE Power and Energy Magazine, Vol. 1, No. 6,  pp:20–25.

[38] Andrews C.J, Weiner S.A. 2004. Visions of a hydrogen future. IEEE Power and Energy Magazine, Vol. 2, No. 2,  pp:26–34.

[39] Slootweg J.G, Kling W.L. 2003. Is the answer blowing in the wind? IEEE Power and Energy Magazine, Vol. 1, No. 6,  pp:26–34.

[40] Caixia W, Zongxiang L, Ying Q. 2013. A consideration of the wind power benefits in day-Ahead scheduling of wind-coal intensive power systems. IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 28, No. 1, pp: 236-245.

[41] Hau E. 2013. Wind Turbines Fundamentals, Technologies, Application, Economics. Third, translated edition, UK: Horst von Renouard London, Springer, 870 p.

[42] Chompoo-inwai C,Yingvivatanapong C, Methaprayoon K, Wei-Jen L. 2005. Reactive  compensation techniques to improve the ride-through capability of wind turbine during disturbance. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 41, No. 3.

[43] World Wind Energy Association ,2010. World Wind Energy Report 2009. [Online] Available: http://www.wwindea.org/home/images/stories/worldwindenergyreport2009_s.pdf

[44]  World Wind Energy Association, 2014. 2014 Half-Year Report. [Online] Available:  http://www.wwindea.org/webimages/WWEA_half_year_report_2014.pdf

[45] DOE J. 2008. 20% wind energy by 2030: Increasing wind energy’s contribution to US electricity supply. Washington, DC: US Department of Energy, 227 p.

[46] Pao L.Y, Johnson K.E. 2009. A tutorial on the dynamics and control of wind turbines and wind farms. American Control Conference. Louis, MO, USA, June 10-12, pp:2076-2089.

[47] Betz A. Introduction to the Theory of Flow Machines. Oxford: Permagon Press, 1966.

[48] Thomas Ackermann, Lennart SoÈ der. 2000. Wind energy technology and current status: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 4, No. 4, pp:315-374.

[49] Baroudi J.A, Dinavahi V, Knight A.M. 2000. A review of power converter topologies for wind generators. Renewable Energy, Vol. 32, No. 14, pp:2369–2385.

[50] Liang J, Grijalva S, Harley R.G. 2011. Increased wind revenue and system security by trading wind power in energy and regulation reserve markets. IEEE Transactions on Sustainable Energy, Vol. 2, No. 3, pp: 340- 347.

[51] Izadpanah H, Yousefi G.R, Kaviri S.M. 2013. Asset and risk management for a wind farm in a competitive electricity market. 21st Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE), pp: 1-6.

[52] Galloway S, Bell G, Burt G, McDonald J, Siewierski T. 2006. Managing the risk of trading wind energy in a competitive market. IEE Proceeding-Generation, Transmission and Distribution, Vol. 153, No. 1, pp:106-114.

[53] Boutsika T, Santoso S. 2012. Sizing an energy storage system to minimize wind power imbalances from the hourly average. IEEE Power and Energy Society General Meeting, pp:1-8.

[54] Wood A.J, Wollenberg B.F. 1996. Power Generation, Operation and Control, 2th edn, New York: Wiley.

[55] Damousis I.G, Alexiadis M.C, Theocharis J.B, Dokopoulos P.S. 2004. A fuzzy model for wind speed prediction and power generation in wind parks using spatial correlation. IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 19, No. 2, pp: 352–3361.

[56] Shuhui Li, Wunsch D.C, O’Hair E.A, Giesselmann M.G. 2001. Using neural networks to estimate wind turbine power generation. IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 16, No. 3, pp: 276-282.

[57] Brown B.G, Katz R.W, Murphy A.H. 1984. Time series models to simulate and forecast wind speed and wind power. Journal of Climate and Applied Meteorology, Vol. 23, No. 8, pp: 1184–1195.

[58] Peiyuan Chen, Pedersen T, Bak-Jensen B, Zhe Chen. 2010. ARIMA-based time series model of stochastic wind power generation. IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 25, No. 2, pp:667-676.

[59] Miranda V, Hang P.S. 2005. Economic dispatch model with fuzzy wind constraints and attitudes of dispatchers. IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 20, No. 4, pp: 2143-2145.

[60] Hetzer J, Yu D.C, Bhattarai K. 2008. An economic dispatch model incorporating wind power. IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 23, No. 2, pp: 603-611.

[61] Ullah N.R, Bhattacharya K, Thiringer T. 2009. Wind farms as reactive power ancillary service providers—Technical and economic issues. IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 24, No. 3, pp: 661-672.

[62] Ahlstrom M, Jones L, Zavadil R, Grant W. 2005. The future of wind forecasting and utility operations. IEEE Power and Energy Magazine, Vol. 3, No. 6, pp: 57–64.

[63] Rueda-Medina A.C, Padilha-Feltrin A. 2013. Distributed generators as providers of reactive power support—A market approach. IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 28, No.1, pp: 490-502.

[64] Ahmadi H, Akbari Foroud A. 2014. Joint energy and reactive power market considering coupled active and reactive reserve market ensuring system security. Arabian Journal for Science and Engineering, Vol. 39, No. 6, pp: 4789-4804.

[65]  Reliability Test System Task Force: The IEEE Reliability Test System,1996. IEEE Transaction on Power Systems. Vol. 14, No. 3, pp: 1010–1020.

[66]  Generalized Algebraic Modeling Systems (GAMS), [Online] Available: http://www.gams.com

[67]  Matpower 4.1 user manual, [online] available at: http://www.pserc.cornell.edu/matpower/manual.pdf