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Jahresbericht 2007 - FGE - RWTH Aachen University

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DISSERTATIONEN

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

kraftwerken für einige Stunden überflüssig. Die dabei im Oberbecken gespeicherte potentielle Energie wurde in den Tagstunden wieder turbiniert und senkte die Lastspitze, während andernfalls der Einsatz teurer Spitzenlastkraftwerke notwendig gewesen wäre. Heute wird diese nur auf den Kraftwerkspool eines Energieversorgungsunternehmens ausgerichtete Einsatzweise den Anforderungen der in den vergangenen Jahren entstandenen Energie- und Kapazitätsmärkte nicht mehr gerecht. Hierfür sind verschiedene Entwicklungen maßgebend: • Die Entwicklung von liquiden und transparenten Großhandelsmärkten für Fahrplanenergie wie den europäischen Spot- und Terminmärkten hat dazu geführt, dass Wasserkraftwerke nicht mehr nur von einem Unternehmen zur Pooloptimierung eingesetzt werden, sondern ihre Dienstleistung flexibel zu Marktpreisen anbieten. Die starken Schwankungen der Strompreise führten zu einer Zunahme der Unsicherheit in der Kraftwerkseinsatzoptimierung. Daher ist zu erwarten, dass sich durch eine explizit stochastische Berücksichtigung der Strompreisunsicherheiten wirtschaftliche Vorteile erzielen lassen. • Die Anstrengungen der Europäischen Union und insbesondere auch Deutschlands, aus Gründen des Klimaschutzes die CO 2 -Emissionen zu begrenzen, haben in den vergangenen Jahren zu einer hohen staatlichen Förderung der Energieerzeugung auf Basis erneuerbarer Energiequellen geführt. In Deutschland wurde insbesondere die Erzeugungskapazität von Windenergieanlagen stark ausgebaut. Die Windgeschwindigkeiten und damit auch die von Windenergieanlagen eingespeiste Energie sind jedoch nicht exakt prognostizierbar. Wegen ihrer sehr hohen Verfügbarkeiten und Leistungsänderungsgeschwindigkeiten und den sehr flexiblen Einsatzmöglichkeiten sind Speicherkraftwerke zur Reservevorhaltung besonders geeignet. Sie werden deswegen heute vielfach an mehreren Märkten, nämlich den oben erwähnten Märkten für Fahrplanenergie wie den neu entstandenen Märkten für Reserveleistung, vermarktet. Durch die beschriebenen erheblichen strukturellen Veränderungen hat sich die Aufgabenstruktur der Kraftwerkseinsatzoptimierung von Wasserkraftwerken nachhaltig geändert, was die Entwicklung spezieller Optimierungsmodelle und leistungsfähiger Algorithmen unabdingbar macht. Die einen Tag umfassende eigentliche Kraftwerkseinsatzplanung weist wegen ihrer zeitlichen Nähe zum Kraftwerksbetrieb eine hohe Komplexität auf. Diese erfordert nämlich einerseits DISSERTATIONEN eine hochgenaue Modellierung aller Randbedingungen, andererseits ist wegen der üblicherweise kurzen Zeiträume zur Lösung der Planungsaufgabe die Rechenzeit hierfür eingesetzter Optimierungsverfahren ein kritischer, häufig begrenzend wirkender Faktor. In der Vergangenheit vorgelegte Arbeiten zu diesem Themenbereich haben sich vielfach auf einzelne Optimierungsansätze konzentriert, die häufig zu Abstrichen bei der Modellierungsgenauigkeit oder zu vergleichsweise langen Rechenzeiten führen. Weiterhin weisen Arbeiten aus der Vergangenheit häufig den Nachteil auf, dass die aufgrund der Entwicklungen der vergangenen Jahre stark angestiegenen Unsicherheiten oder spezielle technische Aspekte, wie die gerade im alpinen Raum relevante Vernetzung einzelner Kraftwerke zu ganzen Kraftwerkssystemen, nicht angemessen berücksichtigt werden. In dieser Arbeit soll deshalb grundsätzlich analysiert werden, welche Optimierungsansätze für eine marktgerechte Kraftwerkseinsatzplanung von vernetzten Wasserkraftwerken geeignet erscheinen. Darauf aufbauend soll ein entsprechendes Verfahren, das dem oben beschriebenen veränderten Anforderungsprofil genügt, entwickelt werden. 2 Analyse und Modellierung 2.1 Systemabgrenzung Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Kraftwerkseinsatzplanung vernetzter hydraulischer Erzeugungssysteme unter Berücksichtigung von Planungsunsicherheiten. Solche Systeme werden, insbesondere im alpinen Raum, in der Regel von Handels- und Erzeugungsgesellschaften betrieben, die über keine oder eine vernachlässigbar geringe thermische Erzeugung verfügen. Thermische Kraftwerke werden daher in dieser Arbeit nicht betrachtet. Die Erweiterung des in dieser Arbeit vorgestellten Verfahrens um die zusätzliche Abbildung thermischer Kraftwerke ist jedoch prinzipiell möglich. Im betrachteten System besteht für Kraftwerksbetreiber die Möglichkeit – unter Berücksichtigung bereits zuvor abgeschlossener Handelsgeschäfte, beispielsweise am Terminmarkt, sowie bestehender Reserveverträge – am Spotmarkt Fahrplanenergie zu handeln. Das hydraulische System besteht aus einem Netz von Speicherkraftwerken (SKW), Pumpspeicherkraftwerken (PSKW) und Laufwasserkraftwerken (LWKW). Der Zeithorizont umfasst einen Tag bis hin zu einer Woche; als Zeitraster wird eine Stunde gewählt, da dieses die kleinste zu handelnde Zeiteinheit am Spotmarkt darstellt. IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007 51

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