Βελτιστοποίηση δομής και οικονομική αξιολόγηση απομονωμένου συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας που βασίζεται σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας

Abstract

This thesis is concerned with the study of small isolated power systems that contain renewable energy sources technologies, as it suggests methodologies related to their economic evaluation and their optimal sizing, their simulation and reliability analysis, as well as the estimation of their environmental cost in their economic evaluation. The origin of the current thesis is the development of novel methodologies that 1) optimize the structure of small isolated power systems, 2) combine a graphical and mathematical methodology of simulation and reliability evaluation in such systems, and 3) calculate their economic and environmental cost. For the solution of the complex combinatorial optimization problem of optimal sizing in a small isolated power system, three metaheuristic methods are initially examined: tabu search, genetic algorithms, and simulated annealing. The examination of the characteristics in each method leads to the proposition of two hybrid methodologies that combine the advantages of each examined metaheuristic method: 1) the hybrid method of genetic algorithms and tabu search, and 2) the hybrid method of simulated annealing and tabu search. The simulation and reliability evaluation of a small isolated power system is implemented via Petri nets, which are a graphical and mathematical tool that models dynamic systems. The proposed methodology is improved by a number of modifications and extensions, in order to study the most important quantitative and qualitative characteristics of system’s operation. As a result, the proposed Petri net methodology combines the characteristics of the classical simulation methods with the advantage of the graphical representation of system’s static structure, as well as its dynamically changing state. The economic and environmental cost of a small isolated power system are used as objective functions in a multiobjective optimization problem, which aims to calculate the Pareto optimal set of non-dominated solutions. The economic evaluation is based on the calculation of system’s cost of energy. For the environmental evaluation, the proposed criterion is the total greenhouse gas emissions of system’s components, as they are calculated through the life cycle analysis methodology. The solution of the above problem is implemented by a hybrid method that combines a multiobjective genetic algorithm and a local search procedure.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται µε τη µελέτη των µικρών αποµονωµένων συστηµάτων ηλεκτρικής ενέργειας που εµπεριέχουν τεχνολογίες ανανεώσιµων πηγών ενέργειας, προτείνοντας µεθοδολογίες που σχετίζονται µε την οικονοµική αξιολόγηση και βελτιστοποίηση της δοµής τους, την προσοµοίωση και ανάλυση αξιοπιστίας τους, καθώς και το συνυπολογισµό του περιβαλλοντικού κόστους στην οικονοµική τους αποτίµηση. Η πρωτοτυπία της παρούσας διατριβής έγκειται στην ανάπτυξη καινοτοµικών µεθοδολογιών επίλυσης του προβλήµατος της βελτιστοποίησης της δοµής των συστηµάτων αυτών, στη γραφική και µαθηµατική µεθοδολογία προσοµοίωσης και ανάλυσης αξιοπιστίας, καθώς και στην προσέγγιση που ακολουθείται για το συνυπολογισµό του οικονοµικού και περιβαλλοντικού κόστους. Για την επίλυση του σύνθετου προβλήµατος συνδυαστικής βελτιστοποίησης της εύρεσης της βέλτιστης δοµής ενός µικρού αποµονωµένου συστήµατος ηλεκτρικής ενέργειας εξετάζεται καταρχήν η επίδοση τριών µεθευρετικών µεθόδων: της αναζήτησης ταµπού, των γενετικών αλγορίθµων και της προσοµοιωµένης ανόπτησης. Στη συνέχεια, η εξέταση των ιδιαιτέρων χαρακτηριστικών κάθε µεθόδου οδηγεί στη χρήση δύο υβριδικών µεθοδολογιών που συνδυάζουν τα πλεονεκτήµατα της καθεµιάς µεθευρετικής µεθόδου: 1) της υβριδικής µεθόδου γενετικών αλγορίθµων και αναζήτησης ταµπού, και 2) της υβριδικής µεθόδου προσοµοιωµένης ανόπτησης και αναζήτησης ταµπού. Η προσοµοίωση και ανάλυση αξιοπιστίας ενός µικρού αποµονωµένου συστήµατος ηλεκτρικής ενέργειας υλοποιείται µε χρήση των δικτύων Petri, που είναι ένα γραφικό και µαθηµατικό εργαλείο µοντελοποίησης δυναµικών συστηµάτων. Για τη βελτίωση της αποδοτικότητας της µεθόδου, προτείνονται ορισµένες προσθήκες και τροποποιήσεις στη συνήθη µεθοδολογία των δικτύων Petri, έτσι ώστε να µπορέσουν να µελετηθούν µε αποδοτικότερο τρόπο τα βασικότερα ποιοτικά και ποσοτικά χαρακτηριστικά της λειτουργίας του συστήµατος. Ως αποτέλεσµα, η χρήση των δικτύων Petri συνδυάζει τα χαρακτηριστικά των κλασσικών µεθόδων προσοµοίωσης µε το πλεονέκτηµα της γραφικής αναπαράστασης τόσο της στατικής δοµής του συστήµατος, όσο και της δυναµικά µεταβαλλόµενης κατάστασής του. Το οικονοµικό και το περιβαλλοντικό κόστος ενός µικρού αποµονωµένου συστήµατος ηλεκτρικής ενέργειας λαµβάνονται ως αντικειµενικές συναρτήσεις σε ένα πρόβληµα πολυαντικειµενικής µοντελοποίησης, που έχει ως στόχο να υπολογίσει το σύνολο Pareto των βέλτιστων µη κυριαρχουσών λύσεων. Η οικονοµική αποτίµηση βασίζεται στον υπολογισµό του κόστους ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ για την περιβαλλοντική αποτίµηση προτείνεται να ληφθούν ως κριτήριο οι συνολικές εκποµπές αερίων του θερµοκηπίου του συστήµατος, όπως αυτές υπολογίζονται από τη µεθοδολογία της ανάλυσης κύκλου ζωής των συστατικών του συστήµατος. Η επίλυση του προβλήµατος υλοποιείται µε τη συνεργασία ενός γενετικού αλγορίθµου πολυαντικειµενικής βελτιστοποίησης και µιας διαδικασίας τοπικής αναζήτησης.