The Solution of Environmental-Economic Power Dispatch Problem Including Renewable Power Generation Units with Charged System Search Algorithm

Abstract

Environmental-economic power dispatch problem the solution of which has a great importance for electrical engineering and which is handled in many studies in literature, is defined as the meeting of the demanded power by the system, with the lowest fuel cost and emission amount under the system constraints. The use of exhaustible fossil-based fuels in order to meet the electrical power need increases both the fuel cost and the emission amount spread to the environment seriously. Another way to decrease these cost and emission values is the use of renewable power generation systems for power generation, the fuel cost and the emission amount of which is zero. The most important two of these systems are wind and solar power generation systems. Today, although the use of wind and solar power generation systems increases, these systems feed the local load in many applications. In this study, by adding wind and solar power generation units to a power system having thermal generation units, the cost, emission and transmission line losses of the system for the same load demand have been calculated. In the study, the optimization of environmental-economic power dispatch problem has been done with charged system search (CSS) algorithm. IEEE 30-bus 6-generator power system, which was defined as the sample system, has been solved with CSS algorithm twice. While the power need in the system has been only met by the thermal generation units in the first solution, in the second solution, wind and solar power generation unit has been added to the two load buses feeding the load in these buses. In the solution of the problem since the minimization of both the fuel cost and the emission amount in different units from each other, takes place at the same time, these two aims have been united in one purpose function with weighted sum method. The transmission line losses of the sample system have been calculated approximately by using B-loss matrices. The cost values, emission amounts and transmission line losses found for both solutions have been compared and the results have been discussed.

Keywords

• Environmental-economic power dispatch
• Renewable power generation systems
• Fuel cost
• Emission amount
• Charged system search (CSS) algorithm

Yenilenebilir Enerji Üretim Birimleri İçeren Çevresel-Ekonomik Güç Dağıtımı Probleminin Yüklü Sistem Arama Algoritması ile Çözümü

Abstract

Elektrik mühendisliği için çözümü büyük bir öneme sahip ve literatürde birçok çalışmada ele alınan çevresel-ekonomik güç dağıtımı problemi, sistem tarafından talep edilen gücü, sistem kısıtları altında en düşük yakıt maliyeti ve emisyon miktarı ile karşılamak olarak tanımlanır. Elektrik enerjisi ihtiyacının karşılanması için genellikle tükenebilir fosil kaynaklı yakıtların kullanılması hem yakıt maliyetini hem de çevreye salınan emisyon miktarlarını ciddi oranda artırmaktadır. Bu maliyet ve emisyon değerlerini azaltmanın diğer bir yolu da elektrik enerjisi üretimi için yakıt maliyeti ve emisyon miktarı sıfır olan yenilenebilir enerji üretim sistemlerinin kullanılmasıdır. Bu sistemlerden en önemli ikisi rüzgâr ve güneş enerjisi üretim sistemleridir. Günümüzde rüzgâr ve güneş enerjisi üretim sistemlerinin kullanımı giderek artsa da bu sistemler birçok uygulamada yerel yükü beslemektedir. Bu çalışmada termik üretim birimleri bulunan bir güç sistemine, rüzgâr ve güneş enerjisi üretim birimleri eklenerek sistemin aynı yük talebi için maliyet, emisyon ve iletim hattı kayıpları hesaplanmıştır. Çalışmada çevresel-ekonomik güç dağıtım probleminin optimizasyonu yüklü sistem arama (CSS) algoritmasıyla yapılmıştır. Örnek sistem olarak belirlenen IEEE 30-bara 6-generatörlü güç sistemi, CSS algoritması ile iki kez çözülmüştür. İlk çözümde sistemdeki güç talebi sadece termik üretim birimleri tarafından karşılanırken, ikinci çözümde ise sistemdeki iki yük barasına, o baralardaki yükü besleyecek rüzgâr ve güneş enerjisi üretim birimi eklenmiştir. Problemin çözümünde birbirinden farklı birimdeki hem yakıt maliyeti hem de emisyon miktarının aynı anda minimizasyonu yer aldığından, bu iki amaç ağırlıklı toplam metodu ile tek bir amaç fonksiyonunda birleştirilmiştir. Örnek güç sisteminin iletim hattı kayıpları B-kayıp matrisleri kullanılarak yaklaşık hesaplanmıştır. Her iki çözüm içinde bulunan maliyet değerleri, emisyon miktarları ve iletim hattı kayıpları karşılaştırılmış ve sonuçlar tartışılmıştır.

Keywords

• Çevresel-ekonomik güç dağıtımı
• Yenilenebilir enerji üretim sistemleri
• Yakıt maliyeti
• Emisyon miktarı
• Yüklü sistem arama (CSS) algoritması

References

1. Abarghooee, R.A., Niknam, T., Roosta, A., Malekpour, A.R., Zare, M., (2012). Probabilistic multiobjective wind-thermal economic emission dispatch based on point estimated method. Energy, 37(1), 322-335.
2. Basu, M., (2019). Multi-area dynamic economic emission dispatch of hydro-wind-thermal power system. Renewable Energy Focus, 28, 11-35.
3. Bhattacharya, A., Chattopadhyay, P.K., (2011). Solving economic emission load problems using hybrid differential evolution. Applied Soft Computing, 11, 2526-2537.
4. Dubey, H.M., Pandit, M., Roosta, A., Panigrahi, B.K., (2015). Hybrid flower pollination algorithm with time-varying fuzzy selection mechanism for integrated multi-objective dynamic economic dispatch. Renewable Energy, 83, 188-202.
5. Jadhav, H.T., Roy, R., (2013). Gbest guided artificial bee colony algorithm for environmental/economic dispatch considering wind power, Expert Systems with Applications, 40, 6385-6399.
6. Jevtic, M., Jovanovic, N., Radosavljevic, J., Klimenta, D., (2017). Moth swarm algorithm for solving combined economic and emission dispatch problem. Elektronika ir Elektrotechnika, 23(5), 21-28.
7. Jiang, S., Ji, Z., Wang, Y., (2015). A novel gravitational acceleration enhanced particle swarm optimization algorithm for wind-thermal economic emission dispatch problem considering wind power availability, International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 73, 1035-1050.
8. Kaveh, A., Talatahari, S., (2010). A novel heuristic optimization method: charged system search. Acta Mechanica, 213(3-4), 267-289.

9. Özyön, S., Temurtaş, H., Durmuş, B., Kuvat, G., (2012). Charged system search algorithm for emission constrained economic power dispatch problem. Energy, 46(1), 420-430.
10. Özyön, S., Yaşar, C., Temurtaş, H., (2015). Hibrit (Rüzgâr-Güneş) enerji sistemlerinin çevresel ekonomik güç dağıtımı üzerine etkilerinin incelenmesi. International Multidisciplinary Congree of Eurasia (IMCOFE’15), 1-5 September 2015, Üsküp, 364-377.
11. Tabrizian, Z., Amiri, G.G., Beigy, M.H.A., (2014). Charged system search algorithm utilized for structural damage detection. Shock and Vibration, 2014, 1-13.
12. Zhu, C., Wang, J., Qu, B., (2014). Multi-objective economic emission dispatch considering wind power using evolutionary algorithm based on decomposition. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 63, 434-445.