Jahresbericht 2007 - FGE - RWTH Aachen University

DISSERTATIONEN
Stochastische Tageseinsatzoptimierung vernetzter Wasserkraftwerke mit Hilfe
Genetischer Algorithmen
Stochastic Day-Ahead Generation Optimization of Interconnected Hydropower
Plants by means of Genetic Algorithm
M.Sc. Xiayang Zhao
xiayang.zhao@iaew.rwth-aachen.de
Aufgrund des steigenden Bedarfs an hydraulischer Energie und der erhöhten Planungsunsicherheit im liberalisierten
Strommarkt kommt der hydraulischen Energie eine hohe Bedeutung zu. Ziel dieser Arbeit ist deshalb die Entwicklung
eines leistungsfähigen Verfahrens für die stochastische Tageseinsatzoptimierung vernetzter Wasserkraftwerke. Hierbei
werden einerseits die komplexe Problemstruktur der vernetzten Wasserkraftwerke und andererseits die stochastischen
Eingangdaten berücksichtigt, wobei die technischen Rahmenbedingungen geeignet modelliert werden. Die Praxistauglichkeit
des entwickelten Verfahrens wurde durch Anwendung auf einen Modellsystem nachgewiesen. Die Ergebnisse
zeigen, dass das Verfahren ähnlich gute Lösungen wie exakte Verfahren bei niedrigeren Rechenzeiten liefert.
With the implementation of the Erneuerbare-Energien-
Gesetze (EEG) in 2004 and the Kyoto-Protokoll in 2005,
the hydro energy has played a great role in the generation
section of the electricity industry. At the same
time, the amount of installed capacity of the wind
energy leads to an arising demand of reserve energy.
Due to its high availability and high ramp rates the
hydro energy is an appropriate supplier for the reserve
energy. Hence the hydro energy becomes more important.
After the liberalisation of the electricity market, the
power exchange has been remarkably increasing with
volatile power prices. It leads to a large uncertainty of
the generation schedule of power plants. Moreover, the
change of the power industry structure leads to a tight
connection between generation schedule and power
exchange, so that the function of the generation
schedule has sustainable changed.
The main problem of the generation optimization for
interconnected hydro power plants comes from the
extremely tight coupling among the variables, which
lies in both the time and the topology sides. The
consideration of the electricity market leads to a new
uncertainty in generation optimization on the one hand,
and to a new degree of freedom on the other hand. Due
to the uncertainty and the various couplings, the
problem complexity is critical. For this reason, it is
required to develop a special efficient method with low
computational effort and time.
Genetic algorithms perform a parallel searching and are
capable to deal with problems with complicated
constraints, thus they are specially suitable for stochastic
optimization of interconnected hydro power plants.
They have already been applied by some researchers in
this field. However, most of them have not integrally
considered interconnected topology of hydro power
plants and the uncertainties.
In this work, a method based on genetic algorithms has
been developed which is supplemented by a localsearching-method
and a repair-approach. These two
approaches, which are based on the experience of
generation optimization of interconnected hydropower
plants, lead to better convergence and results.
A classic mathematic method, which has been developed
in IAEW, is used as a reference to evaluate the
optimization results. The exemplary investigation,
which is based on a practical model, shows that the
developed method provides similar optimal results. The
stochastic investigation of the optimization problem
shows that it can deliver a better expected value of
profit than the deterministic case.
1 Einleitung
Die grundlegenden Umwälzungen in der europäischen
Elektrizitätswirtschaft im vergangenen Jahrzehnt haben
die Rahmenbedingungen für den Einsatz von Kraftwerken
allgemein, insbesondere aber auch für den von
Wasserkraftwerken, deutlich verändert. In der Vergangenheit
wurden insbesondere Pumpspeicherkraftwerke
mit relativ geringer Speicherkapazität, sogenannte
Tagesspeichern, hauptsächlich zur Optimierung des
Einsatzes der thermischen Kraftwerke eines Energieversorgungsunternehmens
eingesetzt. Die Leistungsaufnahme
der Pumpspeicherkraftwerke in den Nachtstunden
ermöglichte eine nicht gedrosselte und somit
wirkungsgradoptimale Einspeisung der Grundlastkraftwerke
auch in den lastschwachen Nachtstunden.
Alternativ machte sie das kostenintensive und die
Anlagen stark belastende Abfahren von Mittellast-
50 IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007