ترجمه مقاله ارزیابی تبانی بین نیروگاه ها برای مهار ظرفیت پویا در حضور منابع تولید بادی

ارزیابی تبانی بین نیروگاه ها برای مهار ظرفیت پویا در حضور منابع تولید بادی

Evaluation of collusion between power plants for dynamic capacity withholding in the presence of the wind production resources

 

چکیده: با تجدید ساختار در صنعت برق، چالش های جدیدی برای تصمیم گیرندگان به وجود می آید. شرکت های تولیدی (GENCO) به دنبال به حداکثر رساندن سود و افزایش منافع اقتصادی و فنی خود هستند. این امر می تواند عواقب دیگری برای سایر بازیگران داشته باشد و به عبارت دیگر می تواند بر رفاه اجتماعی تأثیر بگذارد. یکی از مواردی که می تواند در این راه، مشکلاتی ایجاد کند، تبانی GENCOها برای انتقال انرژی به شبکه برق است. در چنین شرایطی، اپراتورهای سیستم باید به اندازه کافی از موقعیت های تبانی آگاه باشند و خود را برای هر موقعیت آماده کنند تا آثار منفی آن را کاهش دهند. در این مقاله موقعیت های تبانی بین GENCOها برای حفظ ظرفیت، مشخص شده است. برای این منظور، رفاه اجتماعی به عنوان یک شاخص تصمیم گیری برای رتبه بندی تبانی GENCO در نظر گرفته شده است. به همین منظور، اختلاف نسبی در رفاه اجتماعی در یک بازار کاملاً رقابتی توسط تبانی بین GENCOها تعیین می شود. بازار کاملاً رقابتی با استفاده از مسئله بهینه سازی یک سطح، مدلسازی می شود. همکاری بین GENCOها توسط یک مسئله بهینه سازی دوسطحی تدوین شده است، که سطح بالا و سطح پایین به ترتیب از دید شرکت های تبانی و اپراتور سیستم مدلسازی می شوند. شبیه سازی ها با حضور منابع تولید بادی، انجام شده و تأثیر این منابع بر نتایج بررسی شده است.

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

 

 

1. مقدمه

پس از تجدید ساختار در صنعت برق، رفتار و تصمیمات شرکت های تولیدکننده (GENCOها) تغییر کرده است. GENCOها به دنبال افزایش سودآوری خود از طرق مختلف هستند. همکاری با سایر GENCOها و ظرفیت نگهداری آنها روشی برای افزایش سودآوری یک GENCO است. این همکاری منجر به افزایش توان بازار برای تعدادی از GENCOها خواهد شد. توان بازار به GENCO اجازه می دهد سودآوری بالاتری نسبت به یک بازار کاملاً رقابتی داشته باشد.

توان بازار را می توان به عنوان یک پیشنهاد قیمتی بالاتر از هزینه حاشیه ای و مهار ظرفیت استفاده کرد. توان بازار می تواند از انحصار تولید و همچنین موقعیت فیزیکی خاصی ناشی شود. توان بازار، معمولاً منجر به تأثیرات منفی بر مصرف کنندگان برق می شود. به همین دلیل، اپراتور سیستم باید دید کافی نسبت به پتانسیل های توان بازار داشته باشد. از این طریق، اپراتور می تواند نسبت به اثرات منفی توان بازار واکنش مناسب نشان دهد. در این مقاله، پتانسیل های توان بازار در سیستم برق مورد بحث قرار گرفته است. برای این کار، روی موقعیت های تبانی بین GENCOها تمرکز می کنیم.

در منبع 1، بازار برق با حضور پیشرانان راهبردی مورد مطالعه قرار می گیرد. خریداران، این توانایی را دارند که هم به عنوان تأمین کننده و هم به عنوان مصرف کننده در یک بازار برق عمل کنند. در این مقاله فرض بر این است که یک پیشرو راهبردی، دارای یک واحد تجدیدپذیر و یک واحد پشتیبان گیری ارسال شده است و در یک بازار رقابتی شرکت می کند. پیش فروش کننده با تعیین میزان مبادله برق بین سبد محصولات تحت مالکیت خود و شبکه اصلی، سود خود را به حداکثر می رساند.

یک مدل پویا برای رقابت در بازار عمده فروشی در منبع 2 ارائه شده است. مدل پیشنهادی برای ارزیابی بازار برق، رویکردی را برای محاسبه تعادل رقابتی در بازارهای عمده فروشی برق در آمریکای شمالی ایجاد می کند. برای ارزیابی توان بازار، بازیگران بازار که پس از اصلاح انحصارهای طبیعی ظاهر شده اند، از شاخص هرفیندال-هیرشمن استفاده شده است. رویکرد جدیدی برای تشخیص توان بازار در سیستم های انرژی متشکل از منابع انرژی تجدیدپذیر در منبع 4 ارائه شده است. روش پیشنهادی، هم رفتار تبعیض آمیز GENCOها و هم احتمال تبانی صریح را در نظر می گیرد. علاوه بر این، سه شاخص توان جدید بازار برای تعیین سطح توان بازار و همچنین علت های دقیق آن معرفی شده است.

در منبع 5، با استفاده از مدل اندازه گیری مبتنی بر سکون (SBM) شرطی، راندمان بی قید و شرط شرکت های شبکه محاسبه می شود و سپس رابطه بین توان بازار و بازده شبکه برق بررسی می شود.

در منبع 6، از یک روش تعادل تابع تأمین در یک بازی سنتی ناپیوسته نش استفاده می شود که برای تجزیه و تحلیل رفتار بازیگران بازارهای برق استفاده می شود. در این نسخه خطی، سیستم های هیدروترماتیک به طور خاص مورد بررسی قرار گرفته است. تعادل نش، بازی بین GENCOها به عنوان یک مسئله تعادلی با محدودیت تعادل در منبع 7 برای بررسی فرصت های بازار برق در سیستم الکتریکی تدوین شده است. GENCOهای استراتژیک بر اساس بازی کورنوت، مدلسازی می شوند. تصمیمات سوئیچینگ انتقال نیز در روش پیشنهادی، مدلسازی شده است. در منبع 8، قدرت بازار واحدها و GENCOها بر اساس توانایی های آنها برای تغییر قیمت برق، تجزیه و تحلیل شده است. در مرحله اول با استفاده از شرایط کاروش-کان-تاکر (KKT) از روش لاگرانژی، LMP به چهار مؤلفه اصلی تجزیه می شود. این مؤلفه ها نشان دهنده سهم هر واحد در LMP هر باس است. در مرحله دوم، شاخص "LMP_S مبتنی بر واحد" که نشان دهنده ضریب سهم هر واحد در LMP هر باس است، به عنوان یک شاخص برق ساختاری جدید در بازار پیشنهاد شده است. توان بازار با تولید حرارت و گرما ترکیبی در سیستم انرژی نوردیک در منبع 9 مورد مطالعه قرار گرفته است. در این مقاله برای تبیین نقش تولیدکنندگان گرما و نیرو (CHP) در بازارهای مجتمع، یک مدل تکمیلی ارائه شده است. در ابتدا، تأثیر پیوند بین CHP و بخش گرمایش منطقه ای بر توان بازار و دوم، تأثیر قدرت بازار بر عملکردها در بخش DH بررسی شده است.

در مقالات، شاخص های زیادی برای ارزیابی توان بازار ارائه شده است [18-10]. در منبع 19، شاخص های توان بازار که در آنالیز توان بازار استفاده شده اند، بررسی می شوند. همچنین، روش های مختلف مدل رقابتی بازار مانند مدل بهینه سازی، مدل تئوری بازی و مدل های مبتنی بر عامل ارائه شده است. در این مقاله، نسبت غلظت، شاخص هرفیندال-هیرشمن، ارزیابی حاشیه تأمین، شاخص عرضه باقیمانده، شاخص لرنر، نسبت جریانMust ، سهم جریان Must، شاخص لرنر کارآمد و موقعیت مکانی، مورد بررسی قرار می گیرد.

در این مقاله، مدل جدیدی برای تعیین احتمالات GENCOها در سیستم نیرو ارائه شده است. این مطالعات از دیدگاه ایزو انجام می شود تا به طور مناسب نسبت به دوری از بازار رقابتی مناسب، واکنش نشان دهد. برای این منظور، ارزش های رفاه اجتماعی در حالت های رقابتی کامل و ناقص بازار مقایسه می شود. در یک بازار رقابتی ناقص، امکان حفظ ظرفیت توسط تبانی GENCOها در نظر گرفته شده است. بازارهای رقابتی کامل و ناقص به ترتیب با استفاده از مشکلات بهینه سازی سطح یک و دو، مدلسازی می شوند. در مدل ارائه شده، تأثیرات حضور منابع انرژی بادی در مهار نتایج مورد بررسی قرار گرفته است.

نقش های عمده و جدید بودن این مقاله به شرح زیر است.

• ارزیابی موقعیت های تبانی در بازار ناقص برق و رتبه بندی آنها.
• الگوبرداری از وجود منابع انرژی بادی در مشکل ارزیابی تبانی.
• مدلسازی برنامه ریزی نگهداری نیروگاه ها در مدل پیشنهادی.

این مقاله به شرح زیر است. اول، بخش 2، مدلی پیشنهادی برای ارزیابی تبانی ارائه می دهد. در این بخش، فرمولاسیون مدل پیشنهادی ارائه شده است. مطالعات عددی در بخش 3 ارائه شده است و در آخر، اظهارات نتیجه گیری در بخش 4 آورده شده است.

 

2. توضیحات مدل

GENCOها به طور طبیعی به دنبال افزایش سودآوری خود هستند. یکی از راه های افزایش سودآوری، تبانی با سایر شرکت ها برای افزایش سود است. اپراتورهای سیستم برای کاهش توان بازار باید موقعیت های تبانی بین GENCOها را شناسایی کنند. مدل ارائه شده در این نسخه برای شناسایی تبانی بین GENCOها در شکل 1 ارائه شده است.

در ابتدا تمام حالت های تبانی احتمالی بین GENCOها مشخص می شوند. مبنای تعیین تبانی منجر به افزایش توان بازار، مقایسه رفاه اجتماعی در حالت تبانی و یک بازار کاملاً رقابتی است. برای این منظور، در مدل پیشنهادی، مسئله برنامه ریزی عملیاتی از منظر GENCO و ISO به عنوان دو مشکل جداگانه حل می شود. به منظور تعیین رفاه اجتماعی در صورت تبانی بین GENCOها، یک مسئله بهینه سازی دوسطحی حل می شود. عملکرد هدف از سطح بالایی مسئله، به حداکثر رساندن سودآوری تبانی GENCOها با توجه به محدودیت های پیش روی این نیروگاه ها است. سطح پایین مسئله از دیدگاه ISO با در نظر گرفتن تصمیمات GENCOهای تبانی، به حل و فصل بازار می پردازد. برای محدودیت های سیستم و GENCOهایی که در تبانی شرکت نمی کنند، مسئله سطح پایین در نظر گرفته شده است. به منظور تعیین رفاه اجتماعی در بازار رقابتی کامل، مسئله بهینه سازی یک سطحی به طور جداگانه از منظر ISO حل می شود. با مقایسه رفاه اجتماعی در یک بازار کاملاً رقابتی و احتمال تبانی GENCOها، شاخص تبانی مشخص می شود. شاخص تبانی به عنوان تفاوت نسبی رفاه اجتماعی در مورد رقابت کامل و ناقص به شرح زیر تعریف می شود:

در این مقاله، رفاه اجتماعی براساس محصول منبع تغذیه ای که به ازای قیمت آنها به مصرف کنندگان ارائه می شود، تعریف شده است. روش توصیف شده برای همه حالت های تبانی احتمالی محاسبه می شود و با مقایسه شاخص های برخورد، فرصت تبانی مشکل ساز برای سیستم مشخص می شود.

 

3. نتیجه و بحث و بررسی

به منظور ارزیابی مدل پیشنهادی در این مقاله، سیستم های استاندارد باسIEEE-30  و باس-57 به عنوان مطالعات موردی در نظر گرفته شده اند.

مدل پیشنهادی، که در بخش 2 توضیح داده شده است، به صورت یک برنامه نویسی خطی عدد صحیح مخلوط، مدلسازی شده است. این مسئله توسط حل کننده MIP در GAMS 21.7 حل شده است.

در ابتدا، این مدل بر روی سیستم اصلاح شده باس IEEE-30 آزمایش می شود. مشخصات ژنراتورهای معمولی در سیستم در جدول 1 آورده شده است. خصوصیات بهره برداری نیروگاه ها به همراه هزینه تعمیرات آنها در این جدول ارائه شده است. فرض بر این است که یک نیروگاه بادی 50 مگاواتی با هزینه عملیاتی 3 دلار بر مگاوات ساعت در باس 20 نصب شده است [20]. فرض بر این است که نیروگاه بادی، نیروگاهی غیر قابل توزیع است که کل تولید ساعتی آن به شبکه، تحویل داده می شود.

کلیه حالت های تبانی نیروگاه های معمولی در جداول 2 تا 6 ارائه شده است. فرض بر این است که فقط نیروگاه های معمولی در تبانی شرکت می کنند.

جدول 2 شاخص تبانی را برای موقعیتی نشان می دهد که تنها یک نیروگاه معمولی از توان بازار استفاده می کند. نتایج نشان می دهد که استفاده از توان بازار توسط واحد 1 بیشترین تغییر را در CI ایجاد می کند و بیشترین تغییر را در مقایسه با بازار کاملاً رقابتی ایجاد می نماید. واحد 1 می تواند تولید خود را کاهش داده و سهم تولید نیروگاه های گران تر را افزایش داده، بنابراین هزینه های تحمیل شده بر مصرف کنندگان را بالا می برد.

شاخص تبانی برای تبانی بین دو نیروگاه در جدول 3 آورده شده است. در این جدول مقدار IC برای نیروگاه های مربوطه در ردیف و ستون مربوطه ارائه شده است. مطابق این جدول، تبانی بین نیروگاه های 1 و 2 باعث ایجاد بیشترین تغییر در رفاه اجتماعی خواهد شد.

این شاخص برای کلیه حالت های تبانی بین سه نیروگاه معمولی در جدول 4 محاسبه شده است. نتایج، بیشترین تأثیر را بر مصرف کنندگان نهایی به تبانی نیروگاه های 1، 2 و 3 نشان می دهد. جدول های 5 و 6، مقدار IC را همه نیروگاه ها نشان می دهد. حالت تبانی به ترتیب بین چهار و پنج نیروگاه وجود دارد. ترکیب واحدهای 1، 2، 3 و 6 بیشترین تأثیر را در رفاه اجتماعی در بین همه حالت های تبانی بین 4 واحد دارد.

طبق جدول 6، ترکیب واحدهای 1، 2، 3، 4 و 6 بیشترین تأثیر و ترکیب واحدهای 2، 3، 4، 5 و 6 کم ترین تأثیر را بر قیمت های حاشیه ای دارد.

خصوصیات نیروگاه های معمولی در سیستم آزمایشگاهی IEEE-57 اصلاح شده، در جدول 7 ارائه شده است. فرض بر این است که این سیستم دارای یک نیروگاه بادی 50 مگاواتی است که در باس 24 نصب شده است.

در جدول 7 حداکثر مقادیر شاخص برای تعداد متفاوت نیروگاه های تبانی آورده شده است. نتایج نشان می دهد با افزایش تعداد شرکت های تبانی، هزینه های تحمیل شده بر مصرف کنندگان افزایش می یابد و بنابراین رفاه اجتماعی کاهش می یابد.

 

جدول 1 مشخصات ژنراتورهای معمولی در سیستم تست باس IEEE-30 اصلاح شده

 

جدول 2 شاخص تبانی برای اعمال توان بازار توسط نیروگاه ها

 

جدول 3 شاخص تبانی برای تبانی بین دو نیروگاه

 

جدول 4 شاخص تبانی برای تبانی بین سه نیروگاه

 

جدول 5 شاخص تبانی برای تبانی بین چهار نیروگاه

 

جدول 6 شاخص تبانی برای تبانی بین چهار نیروگاه

 

جدول 7 مشخصات ژنراتورهای معمولی در سیستم آزمایش باس IEEE-57 اصلاح شده

 

جدول 8 شاخص تبانی برای تبانی بین تعداد مختلف نیروگاه ها

 

به منظور ارزیابی تأثیرات ظرفیت خطوط انتقال در سیستم باس-30، میانگین مقدار شاخص تبانی برای برخورد سه گانه بین GENCOها برای ظرفیت های مختلف سیستم انتقال در شکل 2 نشان داده شده است. نتایج نشان می دهد که هنگامی که ظرفیت خطوط انتقال کاهش می یابد، میزان رفاه اجتماعی در حالت تبانی، بیشتر از حالت رقابتی کامل، منحرف می شود. با کاهش ظرفیت خطوط انتقال، موقعیت نیروگاه ها برای استفاده از توان بازار افزایش می یابد.

تعداد تغییرات در ترکیب نیروگاه های برخورد در مقایسه با مورد پایه (حداکثر CI برای برخورد سه گانه) برای ظرفیت های مختلف خطوط انتقال در سیستم باس-30 در شکل 3 نشان داده شده است. با تغییر ظرفیت انتقال خطوط، ترکیب GENCOها که می توانند سود خود را با تبانی به حداکثر برسانند، تغییر خواهند کرد.

 

شکل 2. میانگین شاخص تبانی برای ظرفیت خطی مختلف برای تبانی سه گانه

 

شکل 3. تعداد تغییرات در ترکیب واحدهای تبانی

 

به منظور بررسی تأثیر نیروگاه های بادی بر تبانی بین GENCOها، ابتدا میانگین CI برای برخورد سه گانه برای ظرفیت های مختلف نیروگاه بادی در سیستم باس-30 در شکل 4 نشان داده شده است به طوری که با افزایش ظرفیت نیروگاه های بادی و نوسانات قابل توجه در خروجی این نیروگاه، شاخص برخورد افزایش می یابد. محدودیت تعادل عرضه و تقاضا، با وجود نوسانات برق، احتمال تبانی بین GENCOها را برای افزایش سودآوری بالا می برد.

به منظور بررسی تأثیر توزیع نیروی باد در باس های مختلف در سیستم باس-30، 5 سناریو در نظر گرفته شده است:

مورد 1: ده نیروگاه بادی 10 مگاواتی (باس های 2، 4، 8، 10، 12، 16، 18، 20 و 25، 28)

مورد 2: پنج نیروگاه بادی 20 مگاواتی (باس های 4، 8، 10، 20 و 25)

مورد 3: چهار نیروگاه بادی 25 مگاواتی (باس های 4، 10، 20 و 25)

مورد 4: دو نیروگاه بادی 50 مگاواتی (باس های 20 و 25)

مورد 5: یک نیروگاه بادی 100 مگاواتی (باس 20)

نتایج نشان می دهد که توزیع نیروگاه های بادی احتمال تبانی بین GENCOها را کاهش می دهد. این موقعیت، انحصار نیروگاه ها را کاهش می دهد.

 

شکل 4. میانگین شاخص تبانی برای ظرفیت نیروگاه های بادی متفاوت برای تبانی سه گانه

 

شکل 5. میانگین شاخص تبانی برای سناریوهای مختلف نیروگاه بادی برای تبانی سه گانه

 

4. نتیجه گیری

در این مقاله، یک مدل جدید برای طبقه بندی فرصت های تبانی بین GENCOها ارائه شده است. در این مدل، شاخص تبانی برای تعیین تأثیر تبانی بین GENCOها در رفاه اجتماعی تعریف شده است. تبانی GENCOها براساس شاخص تبانی، تعیین و رتبه بندی می شود. نتایج مطالعات نشان می دهد که با افزایش تعداد GENCOهای شرکت کننده در تبانی، رفاه اجتماعی با بازار کاملاً رقابتی تفاوت دارد. از طرف دیگر، با افزایش حد ظرفیت خطوط انتقال، شاخص تبانی افزایش می یابد. مطالعات نشان می دهد که با افزایش ظرفیت نیروگاه بادی، شاخص تبانی افزایش می یابد. شبیه سازی ها نشان می دهد که با توزیع نیروگاه های بادی، امکان تبانی بین نیروگاه ها کاهش می یابد.