بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزيابي قابليت اطمينان سيستم هاي فتوولتاييک مقياس بزرگ با استفاده از مدل مارکوف
چکيده — در اين مقاله يک روش تحليلي بر مبناي فضاي حالت مارکوف براي محاسبه قابليت اطمينان سيستم هاي فتوولتائيک ارائه شده است . رفتار سيستم از ديدگاه قابليت اطمينان با استفاده از روش تحليلي مارکوف و آناليزهاي احتمال به کار رفته مورد بررسي قرار گرفته است .
همچنين فرض بر اين بوده که در سيستم تعميرات وجود نداشته و در نتيجه يک از کار افتادگي منجر به از کار افتادن کل سيستم مي گردد. در اين راستا براي استخراج معادله قابليت اطمينان از طريق نمودار فضاي حالت ، مدل قابليت اطمينان سيستم ترسيم شده است . نتايج محاسبه قابليت اطمينان سيستم در بازه هاي زماني ١ سال و ٢٠ سال با ميانگين ٨,٥ ساعت کار در روز محاسبه و ارائه شده است .
در نهايت با بررسي درصد تاثير اجزا در قابليت اطمينان سيستم فتوولتاييک ، تاثير گذار ترين اجزا مشخص شده است . اين نکته مي تواند در بهينه سازي و افزايش قابليت اطمينان سيستم مورد استفاده قرار گيرد.
واژههاي کليدي — سيستم فتوولتاييک؛ قابليت اطمينان؛ مدل مارکوف؛ فضاي حالت
١.مقدمه
در ادامه تحقيق هاي گذشته هدف اين پژوهش اين است که با در نظر گرفتن اثرات اجزاي مختلف يک سيستم فتوولتاييک ، روشي مفيد براي ارزيابي قابليت اطمينان سيستم فتولتائيک بزرگ متصل به شبکه ارائه دهد. در [١] به ماهيت نوسان ساز بودن انرژي توليد شده توسط سيستم فتوولتائيک که بر قابليت اطمينان سيستم کلي تاثير گذار بوده ، توجه شده است . در واقع تاثير نوسان ساز بودن انرژي توليدي سيستم فتوولتائيک و انتظار از دست رفتن بار بر روي قابليت اطمينان سيستم مورد بررسي قرار گرفته است . در [٢] قابليت اطمينان چندين سيستم فتوولتائيک نصب شده بر اساس شاخص هاي متوسط زمان بين خرابي MTBF و متوسط زمان بين تعمير MTTR بررسي شده و سيستم ها را به لحاظ ميزان هزينه اي که در هر سال براي قابليت اطمينان سيستم پرداخت مي شود مقايسه کرده است . در [٣]
قابليت اطمينان سه نوع سيستم فتوولتائيک ساده به روش آناليز اثر خرابي 1FMEA ارزيابي شده است . در [٤] مشکلات و موانع متعدد به وجود آمده در يک سيستم 2PV متصل به شبکه توصيف شده است . در [٥]
معادلات قابليت اطمينان از روش آناليز درخت معايب 3FTA بدست آمده است . در مقاله ياد شده ، معادلات قابليت اطمينان با يک روش مفيد و قابل اعتماد محاسبه شده ولي هيچ گونه قابليت اطميناني و نيز هيچ گونه آناليز آماري محاسبه نشده است . در [٦] سلول هاي خورشيدي مورد مطالعه به صورت منفرد است . هدف مقاله ياد شده بيشتر بررسي قابليت اطمينان ترکيب هاي مختلف سري ، موازي ، سري - موازي ، ارتباط پلي و .... مي باشد.
در [٧] قابليت اطمينان و ايمني براي اينورترها مورد بررسي قرار گرفته است . توجه خاص اين مقاله بر روي جزيره اي شدن و پارامترهاي ايمني اينورترها مي باشد. جهت محاسبه قابليت اطمينان اينورترها مدهاي خرابي از طريق تست دوام شتاب داده شده به صورت تجربي در آزمايشگاه بدست آمده است . در اين مقاله آزمون هاي ساده فقط بر روي اجزاي اصلي انجام شده است ولي تابع چگالي خطا را براي اينورترها فراهم نکرده است . در
[٨] ميزان خرابي و اطلاعات نگهداري در متوسط زمان بين خرابي MTBF4 و متوسط زمان بين تعمير 5MTTR محاسبه شده است . در اين مقاله هيچ يک از سيستم ها فتوولتائيک در انتهاي بازه زماني مورد نظر خراب نبوده اند.
در [٩] سيستم هاي مقياس کوچک را مورد مطالعه قرار داده است و براي اين سيستم ها اينورترهاي داراي ماژول مجتمع را پيشنهاد مي دهد که داراي قابليت اطمينان بالاتري هستند. همچنين در پژوهش ياد شده محاسبات مربوط به قابليت اطمينان نرخ شکست ثابت فرض شده است .در مقايسه با ساير مقالات در زمينه قابليت اطمينان سيستم هاي فتوولتائيک ، ويژگي اين مقاله ارائه مدل واقعي از سيستم فتوولتائيک متصل به شبکه بزرگ به همراه اجزاي تشکيل دهنده سيستم مي باشد که بر اساس نرخ خرابي اجزاي سازنده سيستم MTTF قابليت اطمينان سيستم محاسبه مي شود.
مهمترين روش تحليلي موجود در اين زمينه روش ترسيم فضاي حالت مارکوف است . اما حل اين مسئله به کمک روش هاي تحليلي ، پيچيده و دشوار بوده و در موارد زيادي ناگزير همراه با تقريب مي باشد. اما فرضيات مقاله شامل بدون تعمير بودن سيستم و مجاز در نظر گرفتن يک از کار افتادگي ، باعث سادگي فضاي حالت مي شود[١٠] .
در اين مطالعه رفتار سيستم از ديدگاه قابليت اطمينان با استفاده از روش تحليلي مارکوف و آناليزهاي احتمال به کار رفته مورد بررسي قرار گرفته است . فرض بر اين است که در سيستم تعميرات وجود ندارد و در نتيجه يک از کار افتادگي منجر به از کار افتادن کل سيستم مي شود.
٢. شناسايي سيستم مورد مطالعه
طرح الکتريکي واقعي از يک سيستم PV در «شکل ١» نشان داده شده است . برخي از اين محافظ ها در تاسيسات واقعي مي توانند حذف گردند.
در اين مقاله فرض بر اين است که جرقه گيرها خراب نمي شوند. همچنين در «شکل ١» تجهيزات مورد نياز و حفاظتي سيستم نشان داده شده است .
آناليز قابليت اطمينان در جايي که سيستم به ترانسفورماتور متصل مي شود خاتمه مي يابد.
به منظور ارزيابي قابليت اطمينان ، هفت سيستم PV مقياس بزرگ با توان نامي از KW ١٠٠ تا KW ٢٥٠٠ طراحي شده است . تعداد اجزاي مورد نياز براي هر سيستم با توجه به مشخصات الکتريکي و توان نامي ماژول ها و اينورترها در «جدول ١» نمايش داده شده است . مطالعه آناليز هفت سيستم PV ارائه شده در طول دوره هاي زماني يک سال و بيست سال با ميانگين ٨,٥ ساعت کار در روز مورد بررسي قرار گرفته است .
٣.کميت هاي ارزيابي قابليت اطمينان
براي محاسبه روابط قابليت اطمينان روابط زير به کار مي رود[١١-١٠].
• ميانگين زمان تا خرابي MTTF و نرخ خرابي λ
در (١) MTTF ميانگين عمر مفيد قطعه مورد نظر است که با رابطه زير تعيين مي شود.
براي زمان کوچک Δt ،λ×Δt ، احتمال آن را مشخص مي کند که قطعه يا سيستمي که تا زمان t سالم بوده در زمان t+Δt، خراب شود.
ميزان خرابي اينورترها در يک بازه زماني ٨ سال و با ميانگين ٨,٥ ساعت کار در روز با استفاده از ثابت (Failures.hour ٦-١٠) ٤٠,٢٩ = λ حاصل شده است [١٢]. تمامي ميزان خرابي ها ازمرجع [١٣] گرفته شده و در «جدول ٢» گزارش شده است .
• تابع قابليت اطمينان
قابليت اطمينان سيستم همان احتمال اينکه قطعه يا سيستم مورد نظر ماموريت خود را تا زمان t با موفقيت انجام دهد است که با تابع نمايي و بر اساس (٣) و (٤) محاسبه مي شود.
٤.مدل قابليت اطمينان سيستم و پياده سازي روش مارکوف
از ديدگاه قابليت اطمينان هرگاه در يک سيستم از عضو مازاد استفاده نشود و هر گونه خرابي در زير سيستم منجر به خرابي سيستم شود، مدل قابليت اطمينان آن سيستم سري است [١٠]. در اينجا سيستم به صورت سري در نظر گرفته شده بنابراين مدل قابليت اطمينان سيستم فتوولتائيک به صورت «شکل ٢» است .
در «جدول ١» تعداد اجزاي مورد نياز با توجه به سطح توزيع در طرف DC و قدرت نامي سيستم هاي PV طراحي شده ، گزارش داده شده است . تمامي اجزاي تشکيل دهنده يک زير سيستم به صورت متناظر مي باشند. در اين مدل به جاي تمامي قطعاتي که متناظر هستند يک قطعه جايگزين شده است . که خرابي هر جز منجر به خرابي کل سيستم مي شود. در «شکل ٣» نمودار فضاي حالت سيستم با فرض عدم امکان وجود تعميرات و براي حالتي که تنها يک از کار افتادگي در سيستم مجاز مي باشد رسم شده است . کدهاي مورد استفاده در مدل قابليت اطمينان و نمودار فضاي حالت در «جدول ٣» شرح داده شده است .
مقادير با توجه به سري بودن اجزاي هر زير سيستم از (٥) و با توجه به «جدول ١ و٢ » قابل محاسبه است .
نرخ خرابي کل هر زير سيستم در مدل فضاي حالت ترسيم شده براي سيستم PV همانگونه که در «شکل ٣» ديده مي شود حالت موفقيت سيستم همان حالت صفر است . لذا قابليت اطمينان سيستم طبق رابطه (٦) محاسبه شده است .
