Transactive energy in electrical distribution network market structure and reliability analysis
Elektrik dağıtım şebekesinde transaktif enerji pazar yapısı ve güvenilirlik analizi
- Tez No: 865201
- Danışmanlar: PROF. DR. AYDOĞAN ÖZDEMİR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 119
Özet
Çatı tipi fotovoltaik (PV) teknolojisindeki gelişmelerle birlikte, bu dağıtık üretim birimleri tarafından üretilen enerji maliyeti istikrarlı bir şekilde azalmaktadır. Aynı zamanda, özellikle yoğun nüfuslu şehir bölgelerindeki evlerde enerji tüketimi artışına yol açan ev yaşam tarzındaki değişimler de bu etkiyi artırmaktadır. Bu iki faktörün birleşik etkisi, çatı üstü PV birimlerinin dağıtım ağı içinde benimsenmesinde büyük bir artışa neden olmaktadır. Başlıca olarak son kullanıcılar tarafından kullanılan bu dağıtık üretim türü, alçak gerilim ağlarına etkin bir şekilde entegre edilmektedir. Gün içinde enerji üretimindeki değişkenlik ile birlikte PV sahiplerinin değişen tüketim miktarları, genellikle dağıtık üretim tesislerinde fazla enerji üretimine neden olur. Genellikle Elektrik Dağıtım Şirketleri tarafından sunulan devlet destekli teşvikler, tüketicileri kendi enerjilerini üretmeye teşvik etmek amacıyla mevcuttur. Devlet destekli teşviklerin olmadığı durumlarda, PV sahipleri uzun geri ödeme süreleriyle karşılaşabilir, bu da yatırımların finansal olarak daha az cazip hale gelmesine neden olabilir. Bu tez, merkezi olmayan bir piyasa yapısını alternatif olarak ele almaktadır. Eşler arası enerji işlemleri, fotovoltaik sahiplerini fazla enerjilerini doğrudan komşularına satma imkanı tanır. Bu düzenlemede, aynı anda enerji üreten tüketiciler, enerjilerini elektrik dağıtım şirketlerinin sunduğu fiyatın üzerinde bir oranda satabilirler. Tüketiciler ise enerji ihtiyaçlarını, elektrik dağıtım şirketlerinin enerji perakende fiyatından daha düşük bir maliyetle karşılayabilirler. Bu değişim, Dağıtım Sistemi İşletmecisi için bazı altyapı yatırımlarını ertelemesine izin verir, çünkü talep puant noktaları kaymış ve/veya azalmış olacaktır. Önerilen piyasa yapısını değerlendirmek amacıyla, bu tezde Avrupa AG Test Fideri kullanıldı. Bu test fideri, toplamda 69 hat segmenti ile bağlanan 55 yük noktasını içermektedir ve ana şebeke üzerinden bir 800 kVA MV/LV transformatör aracılığıyla beslenmektedir. Bu modelde her yük noktası için Yapay Yük Profili Oluşturucu (ALPG) tarafından üretilen bir yük profili kullanıldı. Avrupa AG Test Fideri, teknik kayıp ve akım taşıma kapasitesini etkileyen farklı özelliklere sahip 10 farklı hat tipinden oluşmaktadır. Piyasa yapısını ve her üreten tüketici-tüketici çifti arasındaki enerji transferini değerlendirmek için gereken başka önemli bir veri güneş ışınımıdır. Güneş ışınımı, doğrudan üretilen enerjiyi ve dolayısıyla ticaret için kullanılabilir fazla enerjiyi etkiler. Kullanılacak çatı tipi fotovoltaik paneller, maksimum 16 panelden oluşan 4 kW'luk üniteler olarak değerlendirilmiştir. Bu üretim birimlerinin, %33 kapasite faktörüne sahip olacağı varsayılmiştir. Türkiye'deki belirli bir bölgeyle ilgili güneş ışınımı verilerini içeren gerçek yıllık veriler, hesaplamalarda kullanılmıştır. Avrupa AG Test fideri, bir kablo şebekesidir. Bu test fiderde güvenilirlik analizi yapabilmek için, özellikle AG tarafında genellikle kablolardan oluşan bir büyük şehir dağıtım şebekesinin ilgili güvenilirlik verileri kullanılmıştır. Güvenilirlik analizlerinde genellikle müşteri ve sistem odaklı güvenilirlik endekslerine odaklanır, örneğin sistem Ortalama Kesinti Süresi Endeksi ve Müşteri Ortalama Kesinti Süresi Endeksi. Bu iki endeks, zaman biriminde ölçülen birimlerle ifade edilir (saat veya dakika). Ayrıca, Sistem Ortalama Kesinti Sıklığı Endeksi [kesinti/yıl] ve Müşteri Ortalama Kesinti Sıklığı Endeksi gibi endeksler de kullanılmaktadır. Alçak gerilim (AG) dağıtım müşterileri genellikle tüketicilere özel nitelikler gösterir. Bu nedenle, yukarıda bahsedilen endekslerin yanı sıra doğrudan son kullanıcılarla ilgili olan yük noktası güvenilirlik endeksleri hesaplanır. Bu tezde hesaplanan yük noktası güvenilirlik endeksleri; arıza oranı (λ), ortalama kesinti süresi (r) ve yıllık ortalama kesinti süresi (U) endeksleridir. Bahsi geçen yük noktası güvenilirlik endeksleri Monte Carlo Simülasyonları (MCS) aracılığıyla hesaplanmıştır. Monte Carlo simülasyonda, her ekipman ya çalışır ya da arıza durumunda değerlendirilir. Her ekipman için Her bir iterasyonda Arızaya kadar geçen süre ve Olası Arızada Geçirilen Ortalama Zaman hesaplanır. İterasyonlar, kümülatif simülasyon süresi, yani MTTF'lerin ve MTTR'lerin toplamı, önceden belirlenmiş bir değere ulaşana kadar devam eder. Bu değer her ekipmanın veya hat parçasının en az bir kere arızalanabileceği bir süre olarak değerlendirilir, bu tezde şebeke karakteristiği ve hat uzunlukları dikkate alınarak bu değer 5000 yıl olarak belirlenmiştir. Endeksleri elde edebilmek için, Arızaya kadar geçen süre ve Olası Arızada Geçirilen Ortalama Zaman değerleri kullanılır. Bu tezde, hangi tüketicilerin, hangi üreten tüketicilerden ihtiyaçları olduğu enerjiyi alacağını belirlemek için iki ayrı çalışma yürütülmüştür. İlk çalışmada, üreten tüketiciler fiderde dört farklı senaryo altında rastgele atanmışlardır. Her senaryo, farklı sayıda üreten tüketici içeriyordur: birinci senaryoda 3, ikincisinde 6, üçüncüsünde 9 ve dördüncüsünde 12 üreten tüketici bulunmaktadır. Fiyatlandırma yönteminde, üreten tüketici ve tüketici arasındaki güzergahtaki teknik kaybı, üreten tüketici kar oranı ve dağıtım sistem kullanım ücreti dikkate alınmaktadır. Her üreten tüketici, güzergaha dayalı olarak her bir tüketici için farklılık gösterebilecek bir fiyat teklif eder. Tüketiciler de sırasıyla, bu fiyatları ve sadakat faktörünü göz önünde bulundurarak gerekli enerjilerini elde etme konusunda kararlar alırlar. Sadakat faktörü, tüketicinin geleneksel merkezi piyasa yapısına olan bağlılığını veya eşler arası piyasasına katılma ve daha çevre dostu bir kaynaktan enerji satın alma isteğini belirtir. Her bir yük noktasına 0.5 ile 0.85 arasında değişen rastgele bir sadakat faktörü atanmıştır. İkinci çalışmada, üreten tüketici ve tüketici çiftlerini belirlemek için Çok Amaçlı Gelişmiş Boz Kurt Algoritması kullanılmıştır. Hedef fonksiyonlar, üreten tüketicilerın geri ödeme süresini ve tüketicilerin bir ay içinde ödediği toplam enerji maliyetini içermektedir. Bu çalışmada da önceki çalışmada olan fiyatlandırma metodolojisi uygulanarak altı farklı senaryo incelenmiştir. İlk senaryoda, fiderde yalnızca bir üreten tüketici olduğu varsayılır. İkinci senaryoda, üreten tüketici sayısı 2'ye çıkarak her senaryoda üreten tüketici sayısı birer artarak altıncı senaryoda fiderde toplam 6 üreten tüketici bulunmaktadır. Her iki çalışmada da, özellikle eşler arası transaktif pazarında yer alan tüketicilerin enerjiye erişilebilirliğini değerlendirmek için olası arıza durumlarının başlangıç ve bitiş zamanları dikkate alınarak güvenilirlik analizleri gerçekleştirildi. Bu yaklaşım, eşler arası transaktif pazarında yer alan tüketicilerin, arıza kısmen veya tamamen güneş ışınımının yeterli olduğu bir durumda gerçekleştiği durumlarda, enerji kesintisinin süresinin daha kısa olmasını sağlar. İlk çalışmadaki tüm 4 senaryo için ve ikinci çalışmada ise Her senaryo için bazı temsilci Pareto çözümlerinde yük noktası güvenilirlik hesaplamaları gerçekleştirildi. Fidere fotovoltaik üniteler eklemenin genellikle; arıza oranını, ortalama kesinti süresini ve ortalama yıllık kesinti süresini iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Ancak, ilk ve ikinci fotovoltaik üniteleri için büyük iyileştirmeler, sonraki PV ünite eklemelerinde azalmıştır. Yani, üreten tüketici sayısının artmasıyla doygunluk oluşacak ve bu doygunluk, geri ödeme süresinde bir artışa neden olup ve güvenilirlik endekslerinde neredeyse hiç fark yaratmayacaktır. Geri ödeme süresini sabit değerlendirdiğimizde ise, enerji maliyeti neredeyse aynı güvenilirlik endeks sonuçlarıyla dramatik bir şekilde artacaktır. Dolayısıyla, fider doygunluğu durumunda tüketicilerin üretim tesisi kurulumu yapıp üreten tüketiciye dönüşmeleri artık cazip olamamaya başlayacaktır. Salt tüketiciler içinse, ağdaki üreten tüketici sayısı arttıkça enerji maliyeti artacağından bu durum bir memnuniyetsizlik nedeni olabilir. Elektrik dağıtım şebekesi bakış açısından ise, enerji kalitesinde etkileyici bir iyileşme olmadığı ve enjekte edilen enerji miktarı artışı göz önüne alındığında altyapı yatırımlarında kapasite artışı kaçınılmaz hale gelecektir.
Özet (Çeviri)
With advancements in rooftop PV technology, the cost per unit of energy produced by these distributed generation units is steadily decreasing. Simultaneously, the evolving lifestyle, particularly in densely populated urban areas, is leading to an escalation in the energy consumption per household. The combined influence of these two factors is driving a surge in the adoption of rooftop PV units within the distribution network. Primarily utilized by end-users, this form of distributed generation is prominently integrated into low-voltage networks. The variability in energy generation during the day, coupled with the varying demand of PV owners, often results in surplus energy from distributed generation. Government-backed incentives offered by energy operators are commonly available to motivate consumers in producing their own energy. In scenarios without governmental support, PV owners may encounter extended payback periods, making investments less financially viable. This thesis explores a decentralized market structure as an alternative. Peer-to-Peer energy transactions empower PV owners to sell their excess energy directly to their neighbors. In this setup, prosumers (consumers generating energy simultaneously) can sell their energy at a rate higher than the Disco's offered price. Consumers, in turn, can buy the energy they need at a lower cost than the Disco's retail price. This shift allows the Distribution System Operator (DSO) to defer some infrastructural investments since peak demand has shifted and decreased. To assess the proposed market structure, the European LV Test Feeder was employed in this thesis. This test feeder encompasses 55 load points connected by a total of 69 line segments feed from the main grid through an 800 kVA MV/LV transformer. For each load point in this model, a load profile, generated by the Artificial Load Profile Generator (ALPG), was used. The network consists of 10 different line types, each with distinct characteristics influencing technical loss and ampacity. Another crucial piece of data required to evaluate the market structure and the energy transfer between each prosumer-consumer pair is sun irradiation. Sun irradiation directly influences the generated energy and, consequently, the surplus energy available for trading. Rooftop PV panels are considered to be 4 kW, which consists of a maximum of 16 panels. These generation units are selected to have a 33% capacity factor. Real yearly data, including sun irradiation data related to a specific area in Turkey, has been used in the calculations. European LV Test Feeder is considered to be a cable network. To be able to perform reliability analysis in this test feeder, related reliability data for a metropolis in Turkey which mostly buildup from cables especially in LV side is used. Reliability analysis mostly focus on costumer and system based reliability indices like system Average Interruption Duration Index (SAIDI), Customer Average Interruption Duration Index (CAIDI). These two indices measured in units of time[hour or minute], System Average Interruption Frequency Index (SAIFI) [interruption/year] and Customer Average Interruption Frequency Index (CAIFI). LV distribution consumers mostly show specific characteristics based on the consumers. Therefore, load point reliability indices, which directly correlate to the end-users, are generally calculated in addition to the aforementioned indices. Failure rate (λ), average outage duration (r) and annual average outage duration (U) are load point reliability indices which are calculated in this thesis. Load point reliability indices are determined through Monte Carlo Simulations (MCS). In this simulation, every equipment is assessed in either an operational or failure state. The Mean Time To Failure (MTTF) and Mean Time To Repair (MTTR) are computed for each equipment in every iteration. The iterations persist until the cumulative simulation time, a sum of MTTFs and MTTRs, attains a predetermined value, set at 5000 years in this thesis. To obtain the indices, these MTTF and MTTR values are used. In this thesis, two distinct study cases were examined to determine which consumers would acquire the required energy from specific prosumers. In the initial case study, prosumers were randomly assigned in the network under four different scenarios. Each scenario involved a varying number of prosumers: 3 in the first scenario, 6 in the second, 9 in the third, and 12 in the fourth. In the pricing method, we factor in the technical loss along the route between the prosumer and the consumer in addition to prosumers profit rate and distribution system usage charge. Each prosumer bids a price for each consumer based on the route. Consumers, in turn, make decisions on obtaining their required energy, considering these prices and the loyalty factor. The loyalty factor signifies the consumer's loyalty to the traditional centralized market structure or their willingness to participate in the P2P market and purchase energy from a more environmentally friendly source. A random loyalty factor, ranging from 0.5 to 0.85, is assigned to each load point. In the second study case, the Multi-objective Advanced Grey Wolf Algorithm (MOAGWO) was employed to identify consumer-prosumer pairs. The objective functions include the prosumers' payback duration and the total energy cost paid by consumers within a month. The same pricing methodology was applied in this study case as in the previous one. Six different scenarios were examined. In the first scenario, there is assumed to be just one prosumer in the network. In the second scenario, the number of prosumers increases to 2, and so on, with the sixth scenario having 6 prosumers in the network. In both study cases, reliability analyses were conducted, taking into account the Mean Time to Failure (MTTF) start and end times to assess the energy accessibility of consumers, particularly those participating in the P2P transactive market. This approach ensures that consumers engaged in the P2P transactive market will experience a shorter duration of energy shortage if the failure occurs during sufficient sun irradiation, either partly or in full. Load point reliability calculations were performed for all 4 scenario in first study case and some representative Pareto solutions for each scenario in the second study case. It was found that adding PV units to the network generally improved the failure rate, average outage duration, and average annual outage duration. However, big improvements for the first and second PV units have decreased for the subsequent PV unit additions. That is, with the increase in the number of prosumers, there will be a saturation, which will cause an increase in the payback duration and make nearly no difference in the reliability indices, or if the payback duration is assumed constant, the energy cost will increase dramatically with nearly same reliability indices results. So, it will not be attractive for the demand points to become prosumers as the payback duration will increase in the case of network saturation; for the consumers, as the energy cost will grow if the number of prosumers in the network increases, this situation could become a dissatisfaction reason. From Disco's point of view, on the other hand, there will not be any economic benefits considering no impressive improvement in the energy quality and infrastructural investments postponed considering the amount of injected energy to the network there will be needed to increase capacity.
Benzer Tezler
- Cross-border process of frequency restoration and the consequences on transmission network
Başlık çevirisi yok
DORUK TUĞCU
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTechnische Universiteit EindhovenDR. J. E. S. DE HAAN
- Elektrik dağıtım sistemlerinde adaptif koruma
Adaptive protection for electrical distribution systems
ANIL ÇAĞLAR DOĞANCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. ÖMER GÜL
- Yüksek gerilim hatlarında yürüyen dalgalara korona etkilerinin incelenmesi
Analysis of corona effects for travelling waves on transmission lines
MEHMET ÖZALTINOK
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. MUZAFFER ÖZKAYA
- Göksu havzası'nın (Seyhan) su potansiyelinin belirlenmesi ve sürdürülebilirliği
Determination and sustainability of Göksu basin (Seyhan) water potential
FATİH KARAOSMANOĞLU
- Elektrik dağıtım sistemlerinde birey odaklı konfor öncelikli talep yönetimi için akıllı yöntem geliştirilmesi
Developing an intelligent method for the user oriented comfort based demand response studies in the electricity distribution systems
MEHMET ALİ SÖNMEZ
Doktora
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK