Life-cycle loss evaluation and Total Ownership Cost of transformers in vertically-integrated and decentralized energy systems integrating renewable energy sources

Abstract

Η οικονομική αξιολόγηση της επένδυσης σε κάποιο μετασχηματιστή, βασισμένη στη μέθοδο Συνολικού Κόστους Ιδιοκτησίας (ΣΚΙ - $), σκοπό έχει να επιδείξει τις άμεσες και έμμεσες δαπάνες του αντίστοιχου μετασχηματιστή προς στον ιδιοκτήτη ή στον υποψήφιο αγοραστή του. Στόχος της μεθοδολογίας ΣΚΙ είναι να υπολογίσει το συνολικό οικονομικό κόστος του μετασχηματιστή βάσει του αναμενόμενου κύκλου ζωής του. Η εκτίμηση του ΣΚΙ βασίζεται σε μια διαδικασία που συμπεριλαμβάνει την αξιολόγηση και κατ’ επέκταση την κοστολόγηση των απωλειών του μετασχηματιστή στο διάστημα της αναμενόμενης ζωής του. Πιο συγκεκριμένα, η διαδικασία της κοστολόγησης των απωλειών ενός μετασχηματιστή προσδιορίζει το άθροισμα της παρούσας αξίας του κόστους για ένα κιλοβάτ ($/kW) απωλειών κατά την ωφέλιμη του ζωή. Βάσει της μεθόδου ΣΚΙ μπορεί να γίνει σύγκριση της οικονομικής βιωσιμότητας για δύο ή περισσότερους μετασχηματιστές, καθώς και η σύγκριση προσφορών από κατασκευαστές για την καλύτερη επιλογή αγοράς μεταξύ μετασχηματιστών διαφορετικού κόστους. Αρχικά, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη μέθοδο για τον υπολογισμό του κόστους ηλεκτρικής ισχύς και ενέργειας που απαιτείται για την τροφοδότηση των απωλειών για μετασχηματιστές ισχύος, κατά τον ωφέλιμο κύκλο ζωής τους. Η μεθοδολογία αυτή ανταποκρίνεται στις ανάγκες των χρηστών/ιδιοκτητών μετασχηματιστών που διαθέτουν δικά τους δίκτυα και εγκαταστάσεις παραγωγής και μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Η μέθοδος αυτή στηρίζεται στη χρήση ιστορικών στοιχείων και προβλέψεων που σχετίζονται με το υπό μελέτη ηλεκτρικό σύστημα. Στην παρούσα διατριβή, η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόζεται σε ένα πραγματικό ηλεκτρικό σύστημα μικρής κλίμακας, χρησιμοποιώντας πραγματικές μετρήσεις και στοιχεία (οικονομικά και λειτουργικά). Επίσης, η μεθοδολογία αυτή αναδεικνύει και χρησιμοποιεί κατάλληλα τεχνο-οικονομικά μοντέλα και στατιστικές μεθόδους για τις ανάλογες οικονομικές και λειτουργικές προβλέψεις. Ωστόσο, η εικόνα στο τομέα της αξιολόγησης των απωλειών μετασχηματιστή γίνεται πιο πολύπλοκη στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας με χαμηλές εκπομπές άνθρακα. Για το λόγο αυτό, οι υπάρχουσες μέθοδοι κοστολόγησης απωλειών θα πρέπει να προσαρμοστούν/αναθεωρηθούν για να μπορούν να εφαρμόζονται, επίσης, σε αποκεντρωμένα ενεργειακά συστήματα. Για παράδειγμα, στα σύγχρονα αποκεντρωμένα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας συνυπάρχουν πολλοί ηλεκτρικοί οργανισμοί (κρατικοί και μη) και ανεξάρτητοι παραγωγοί ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Οι οντότητες αυτές, είναι λογικό να έχουν διαφορετικούς στόχους, καθώς και τρόπους υπολογισμού των δαπανών τους και του προφίλ της παραγόμενης τους ενέργειας. Έτσι, για κάθε περίπτωση η μεθοδολογία κοστολόγησης των απωλειών, του μετασχηματιστή τους, πρέπει να είναι διαφορετική για κάθε ξεχωριστή ενεργειακή οντότητα που εμπλέκεται στα εν λόγω συστήματα. Κατά συνέπεια, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει επίσης μια ολοκληρωμένη μέθοδο κοστολόγησης απωλειών για μετασχηματιστές ισχύος που εξυπηρετούν μεγάλης κλίμακας εφαρμογές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Οι εφαρμογές αυτές μπορεί να ανήκουν είτε σε εποπτευόμενους/κρατικούς οργανισμούς παραγωγής ενέργειας, είτε σε ανεξάρτητους παραγωγούς ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, οι μέθοδοι που προτείνονται εκτιμούν πως ακριβώς θα πρέπει να αξιολογηθούν οι απώλειες, λαμβάνοντας υπόψη το ιδιοκτησιακό καθεστώς των μετασχηματιστών σε σχέση με το ρυθμιστικό πλαίσιο της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας που ισχύει σε κάθε περίπτωση. Εν κατακλείδι, τονίζεται ότι οι μέθοδοι και τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν, ανταποκρίνονται στις προσπάθειες για την ανάπτυξη μεθόδων αξιολόγησης του ρίσκου (κινδύνου) και του κόστους ενεργειακών αναγκών, στις διαδικασίες λήψης αποφάσεων, ώστε να ανταποκρίνονται στις διαμορφούμενες ανάγκες των σημερινών αγορών ηλεκτρικής ενέργειας. Τέλος, το περιεχόμενο της παρούσας διατριβής αναμένεται να συμβάλει στις προσπάθειες τροποποίησης και επανέκδοσης του προτύπου IEEE C57.120.1991 “IEEE Loss Evaluation Guide for Power Transformers and Reactors”.

The Total Ownership Cost (TOC) is a financial estimate indented to provide the transformers’ buyers and owners the direct and indirect costs of their transformers’ investment. It thus provides a cost basis for determining the total economic value of the transformer over its estimated life-cycle. The approach for estimating the TOC of transformers relies on the concept of life-cycle loss evaluation of transformers. In particular, loss evaluation is a process that accounts for the sum of the Present Worth Value (PWV) of each kilowatt of loss of transformers throughout their expected life. The TOC is typically used to compare the offerings of two or more manufacturers to facilitate the best purchase choice among competing transformers and hence to support the purchase of more efficient units. Firstly, the thesis presents a holistic method for calculating the cost of the electric power and energy needed to supply the life-cycle losses of power transformers - applicable to transformer users who possess their own generation and transmission facilities. The reported loss evaluation method is based on factors derived from relevant historical and forecasted data that are combined to determine the Total Ownership Cost of Power Transformers. Most importantly the proposed method is evaluated on a small scale real system, by incorporating relevant financial data and system characteristics through appropriate techno-economic models as well as statistical evaluations. However, the picture of loss evaluations becomes more complex in the context of low carbon electricity markets. To this end, loss evaluation methods should be adjusted for evaluating the ownership cost of transformers operated in a decentralized energy environment. For example, under liberalized electricity markets, several regulated utilities and independent renewable power producers co-exist but have diversified ways of assessing their capital costs, system expenditures and generation profiles. Thus, the methods for capitalizing their own transformer losses should be different. To this extent, this thesis also offers a comprehensive loss evaluation method to calculate the total ownership cost of power transformers serving large scale RES applications. These transformers may be owned by either Independent energy producers or by Regulated Utilities. More specifically, the methods derived appreciate exactly how losses should be evaluated, bearing in mind the ownership status of the transformers in relation to the regulatory framework of the electricity market they exist in. In conclusion, it is highlighted that the methods and models developed, for the scope of this thesis, respond to the ongoing efforts of developing risk and cost-based decision making processes in today’s competitive and dynamic energy markets. It is also expected to contribute to the ongoing efforts of modifying and reissuing IEEE standard C57.120.1991 ‘‘IEEE Loss Evaluation Guide for Power Transformers and Reactors’’.