بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
افزايش مشارکت مزارع بادي در سيستم هاي تجديد ساختاريافته
چکيده — انرژي بادي به عنوان يکي از انرژي هاي نو نفوذ قابل توجهي نسبت به ساير انرژي هاي نو در شبکه داشته است ، اما بااين حال مسائل فني ، توليد متغير و عدم قطعيت آن سبب شده است که نفوذ اين انرژي در شبکه با محدوديت هايي روبه رو باشد. در اين مقاله روشي جديد جهت افزايش نفوذ اين انرژي در سيستم هاي تجديد ساختاريافته ارائه شده است . در اين روش توابع هدف مسئله شامل افزايش سطح رفاه اجتماعي ، کاهش هزينه بهره برداري سيستم و حفظ حالت پايدار سيستم به همراه افزايش نفوذ انرژي بادي به شبکه مي باشند.
جهت رسيدن به اين اهداف يک مسئله بهينه سازي چندهدفه به منظور جايابي ادوات (Flexible AC Transmission System)FACTS، حذف بار اقتصادي و جبران سازي بهينه شبکه به کار گرفته شده است . براي حل اين مسئله از الگوريتم Non dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II) به همراه برنامه پخش بار بهينه استفاده شده است . مطالعات صورت گرفته بر روي شبکه IEEE، ٣٠ شينه با در نظر گرفتن سناريوهاي بادي مختلف نشان دهنده کارآمدي روش موردبحث است .
واژه هاي کليدي —مشارکت مزارع بادي در شبکه ؛ ادوات FACTS؛ تراکم خطوط ؛ پايداري سيستم ؛ پخش بار بهينه
١. مقدمه
امروزه افزايش مصرف برق و درنتيجه تراکم خطوط انتقال سبب شده است که س يستم هاي قدرت گاهاً در نواح ي نزديک به مرزهاي ناپايداري کار کنند. اين محدوديت هاي مرزي عموماً شامل محدود يت هاي انتقال خطوط انتقال و محدوديت هاي پايداري شبکه ميباشند. ازجمله راه هاي کاهش اين محدوديت ها ميتوان به نصب ن يروگاه هاي جد يد، تجهيزات جبران ساز خطوط انتقال و استفاده از منابع سمت تقاضا نام برد. در س يستم هاي برق تجديد ساختارايفته ، انرژيهاي نو ازجمله سرو يس هاي کمکي هستند که ميتوانند نقش مهمي در تضمين پايداري س يستم داشته باشند [١]. انرژي بادي به عنوان يکي از انرژ يهاي نو در دهه ها ي اخ ير موردتوجه بس ايري قرارگرفته است اما محدوديت هاي فن ي ازجمله محدوديت هاي خطوط انتقال به همراه تول يد متغ ير و عدم قطع يت اين انرژي سبب ايجاد محدوديت هايي براي مشارکت اين انرژي در بازار برق شده است [٢,٣]. از طرف ي با توجه ه ب اينکه عمدتاً محل هاي مناسب جهت نصب تورب يهاي بادي در مناطق دور از مراکز بار و خطوط انتقال اصل ي ايفت ميشوند همواره مشکل انتقال توان قابل تول يد انرژي بادي وجود داشته است ؛ بنابرا ين در صورت عدم ارتقاء تجهيزات انتقال در اين مناطق ، شبکه با محدود يت انتقال توان و درنتيجه بلوکه شدن بخش ي از ظرف يت انرژي بادي روبه رو ميشود. جهت رفع اين مشکل ميتوان اقدام به جبران ساز ي سري خطوط انتقال ، جا ايب ي بهينه جبران سازها ي توان راکت يو مواز ي و استفاده از بارها ي قابل حذف نمود[٩,١٠]. در همين راستا ادوات Flexible AC Transmission (System)FACTS به عنوان تجهيزات با سرعت پاسخ بالا ميتوانند در کنار کاهش تراکم خطوط انتقال به افزا يش پايداري س يستم کمک کنند [٤].
ويژگيهاي اين ادوات سبب ميشود که قابل يت تطب يق با تغ يي رات سرع ي باد را داشته باشند و درنتيجه به کاهش توان بلوکه شده مزارع باد ي کمک کنند.
از سو ي د يگر به دليل تغييرات و خطاها ي پيش بيني توان بادي، انعطاف پذيري بارها ميتواند در افزايش نفوذ انرژ ي بادي در شبکه مؤثر باشد. در اين مورد بارهاي حساس به قيمت ميتوانند روش ي مناسب در ايجاد بارهاي انعطاف پذير باشند[٧]. اين ابزار در شرايط بهره برداري مختلف س يستم با حذف بارهاي قابل حذف به حفظ اپيداري س يستم کمک ميکند.
در اين مقاله با استفاده از يک مسئله بهينه سازي چندهدفه به افزايش مشارکت انرژي بادي در شبکه پرداخته شده است . در مسئله موردنظر افزايش سطح رفاه اجتماع ي، کاهش هز ينه هاي بهره برداري س يستم و افزايش حد پايداري س يستم با در نظرگيري عدم قطع يت هاي انرژي بادي به عنوان توابع هدف مسئله در نظر گرفته شده اند. جهت رس يدن به ا ين اهداف ادوات
FACTS به همراه بارهاي حساس به ق يمت مورد بهره برداري قرارگرفته اند.
از م اين ادوات FACTS،Static Var Compensator)SVC( و (TCSC) Thyristor Controlled Series Capacitor به دليل هزينه کمتر و توانايي افزايش پايداري انتخاب شده اند [٨]. همچن ين جهت مدل کردن عدم قطع يت توان تول يدي تورب يهاي بادي از يک سري سناريوهاي محتمل استفاده شده است .
نتايج شب سازيها نشان ميدهد که به کارگيري روش ايدشده موجب شده است که با افزا يش امکان انتقال توان توسط خطوط انتقال و افزا يش همبستگ ي ب ين توان تول يدي تورب يهاي بادي و بارها با حذف بار بهينه بتوان پايداري س يستم را در کنار ب يشترين بهره ور ي براي تول يدکننده ها و مصرف کننده ها فراهم نمود.
٢.تأثير خطوط انتقال بر انرژي بادي
مناسب ترين محل ها براي نصب تورب يهاي بادي عمدتاً در مناطق دور از مراکز بار و خطوط انتقال اصل ي ايفت ميشوند؛ بنابراين اين مسئله سبب ميشود که جهت استفاده حداکثري از ظرف يت قابل تول يد آن ها ن ايز به انتقال توان تول يدي به ساير مناطق باشد؛ اما ممکن است که خطوط انتقال در اين مناطق از ظرف يت کاف ي براي انتقال توان اضاف ي برخوردار نباشند. اين مسئله سبب ميشود که همواره بخش ي از ظرف يت انرژي بادي بلوکه شود.
ازجمله عوامل کاهش دهنده ظرف يت انتقال محدود يت هاي گرما يي هاديها، مسائل پا يداري ولتاژ و پا يداري گذرا ي س يستم ميباشند.
کم هزينه ترين راه حل ها جهت غلبه بر ا ين محدوديت ها تعويض کابل ها، اضافه کردن به تعداد ترانسفورماتورها ي موجود در پست ها، جبران ساز ي خطوط انقت ال ، مديريت تراکم خطوط انتقال و بارها ميباشند.
دراين مقاله جهت افزا يش امکان انتقال توان مزارع باد ي با خطوط موجود، ادوات FACTS به همراه بارها ي انعطاف پذ ير مورداستفاده قرارگرفته اند.
٣.ادوات FACTS
ادوات FACTS ادواتي بر پايهي الکترونيک قدرت هستند که با بهره برداري بهينه از آنها مي توان عملکرد سيستم انتقال را بهبود بخشيد [٦]. در اين مقاله از ميان اين ادوات SVC و TCSC به دلايل فني و هزينه کمتر نسبت به ساير تجهيزات انتخاب شده اند. SVC يک امپدانس متغير شامل راکتور کنترل شونده با تريستور که موازي با يک سري بانک هاي خازني با قابليت سوئيچ شوندگي قرار دارند مي باشد (شکل ٢). اين تجهيز جهت فراهم آوردن سريع توان راکتيو و کمک به تنظيم ولتاژ به صورت گسترده اي مورد استفاده قرار مي گيرد. از جمله دلايل فني استفاده از SVC در اين مقاله مي توان به امکان افزايش توان انتقال در خطوط طولاني و حفظ حالت پايدار سيستم با تنظيم ولتاژ سريع اشاره کرد.
TCSCيک جبران ساز خازني شامل يک سري بانک خازني موازي با يک (Thyristor Controlled Reactor)TCR است که جهت فراهم نمودن راکتانس سري متغير استفاده ميشود (شکل ٣) ؛ بنابراين TCSC ميتواند با تغيير طول الکتريکي به افزايش ظرفيت خطوط پايداري سيستم کمک کند.
٤. چارچوب روش ارائه شده
در س يستم هاي تجديد ساختاريافته جنبه هاي فن ي و اقتصادي سيستم از هم جدا نيستند؛ بنابراين در نظر گرفتن فقط يکي از آن ها به عنوان تابع هدف مناسب ن يست [٥]. ازاين رو در اين مقاله هردوي آن ها در نظر گرفته شده اند.
افزايش پايداري سيستم و بالا بردن سطح رفاه اجتماعي به منظور افزايش سود براي شرکت کنندگان به ترتيب به عنوان توابع هدف فني و اقتصاد ي سيستم در نظر گرفته شده اند. روش پيشنهادي در اين مقاله با استفاده از يک برنامه بهينه سازي چندهدفه مبادرت به جايابي و تنظيم بهينه ادوات FACTS همراه با حذف بار اقتصادي ورزيده است .
١.٤. توابع هدف مسئله
درروش ارائه شده ، توابع هدف مسئله شامل افزايش پايداري استاتيکي سيستم ، کاهش توان بلوکه شده تورب هاي بادي، افزايش سطح رفاه اجتماعي و کاهش ميزان بار حذف شده ميباشند.
افزايش حد بارپذيري سيستم با در نظر گرفتن تعادل بين توليد و مصرف با در نظرگيري محدود يت ها ي انتقال خطوط ، به عنوان افزايش پايداري استاتيکي سيستم در نظر گرفته شده اند . جايابي و تنظيم صحيح ادوات FACTS منجر به افزايش حد پايداري استاتيکي سيستم ميشود . محدوديت هاي حداقل حد بارپذيري سيستم در زير آورده شده اند،
در اين روابط ٠ به ترتيب توان اکتيو و راکتيو پايه سيستم و λ بيانگر حداقل حاشيه بار است .
در اين مقاله حداقل کردن هزينه توليد، افزايش سود مصرف کننده و افزايش درآمد مزارع بادي به عنوان افزايش سطح رفاه اجتماعي در شرايط عادي بهره برداري شبکه در نظر گرفته شده و به صورت زير فرمول بندي شده است که قسمت اول و دوم آن بيانگر هزينه توليد واحدها و سود مصرف کننده ها و قسمت سوم آن بيانگر سود حاصل از مشارکت مزارع بادي در بازار توان يباشند،
که در آن به ترتيب توابع هزينه توليد و سود مصرف کننده ها در شرايط عادي بهره برداري ميباشند; قيمت حاشي اي محلي در محل مزارع بادي در شرايط عادي بهره برداري شبکه است و توان توليدي در مزرعه بادي t ميباشد.
گاهي اوقات جهت حفظ تعادل بين توليد و مصرف در شرايط عملکردي مختلف سيستم ، حذف بار خصوصاً در شرايط بهره برداري بحراني سيستم اجتناب ناپذير ميباشد. در اين مقاله دودسته بارهاي قابل قطع و غيرقابل قطع در نظر گرفته شده اند. بارهاي قابل قطع بارهايي هستند که قبلاً توافق کرده اند که در صورت نياز قطع شوند و هزينه هاي قطع به آن ها پرداخت شود. در اين صورت تابع رفاه اجتماعي در شرايط بحراني به صورت زير فرمول بندي ميشود،
که در آن به ترتيب توابع هزينه توليد و سود مصرف کننده ها در شرايط بهره برداري بحراني ميباشند; هزينه جبراني پرداختي به بارها در پي کاهش توانشان ميباشد و ميزان توان کاهش ايفته بار j ام است .
٢.٤. مسئله بهينه سازي چند هدفه
جهت جايابي و تنظيم بهينه ادوات FACTS همراه با حذف بار اقتصادي از يک مسئله بهينه سازي چندهدفه استفاده شده است . در ابتدا اين تجهيزات با توجه به توابع هدف و قيود مسئله به وس يلهي الگوريتم (NSGA-II)Non Dominated Sorting Genetic Algorithm تنظيم و در مرحله بعد هزينه بهره برداري سيستم و سطح رفاه اجتماعي توسط پخش بار بهينه تعيين ميشوند.
الگوريتميادشده با توجه به توانايي بالا در حل مسائل چندهدفه مورداستفاده قرارگرفته است . نحوه کار اين الگوريتم به شرح زير است :
١ -در ابتدا يک جمعيت اوليه توليد ميشود.
٢ - کروموزوم ها بر اساس مجموعه ها ي غير تحت سلطه ذخيره ميشوند.
٣ -بهترين کروموزوم ها ازلحاظ رتبه انتخاب ميشوند و در حوضچه ازدواج قرار ميگيرند.
٤ -در حوضچهي ازدواج اعمال همبري و جهش روي کروموزوم ها انجام ميشود.
٥ - جمعيت فعلي و حوضچهي ازدواج باهم ترکيب و بهترين کروموزوم ها جهت ايجاد جمعيت جديد انتخاب ميشوند.
٦ - مراحل الگوريتم و رتبه بندي تا رسيدن به بهترين جواب ها ادامه پيدا ميکند.
٣.٤. پخش بار بهينه
برنامه پخش بار بهينه شامل بارهاي حساس به قيمت ، جهت به دست آوردن نقاط کار سيستم در شرايط بهره برداري عادي و بحراني شبکه مورداستفاده قرارگرفته است . قيود اين برنامه پخش بار به شرح زير ميباشند: قيود تساوي مربوط به قبل از وقوع خطا،
قيود تساوي مربوط به بعد از وقوع خطا،
که اين قيود به تعادل بين توان اکتيو و راکتيو در هر يک از ش ين ها قبل و بعد از وقوع خطا مربوط ميشوند.
قيود نامساوي،
قيود ٩ تا ١٦ حدود بالا و پايين ولتاژ ش يها، توان اکتيو و راکتيو ژنراتورها و محدوديت انتقال خطوط را در شرايط بهره برداري عادي و بحراني شبکه مشخص ميکنند.
در اين قيود انديس هاي n و k به ترتيب مربوط به شرايط حالت عملکردي عادي و بحراني شبکه ميباشند.
٥. شبيه سازي و تحليل نتايج
جهت بررسي روش ارائه شده ، از شبکه ٣٠ شينه IEEE شامل دو مزرعه بادي با توان هاي توليدي حداکثر ب يست و پنج و هجده مگاوات که به ترتيب در پاس هاي شانزده و بيست و نه قرار دارند، استفاده ميشود (شکل ١). اين شبکه شامل شش شين ژنراتور و ٢٠ شين بار است . سطح بار شبکه در نقطه کار نامي ٢٤٦٫١ مگاوات است که ٤٩٫٣ مگاوات از آن بارهاي حساس به قيمت قابل حذف ميباشند. عدم قطع يت هاي توان توليدي تورب هاي بادي در قالب سناريوهايي که در شکل ١ نشان داده شده مدل شده اند . براي هر يک از اين سناريوها شب سازي انجام و نتايج ارائه شده است . جهت کاهش مکان هاي مناسب براي نصب ادوات FACTS، آناليز اوليه اي بر اساس روش ارائه شده در [٩] انجام شده است . بر اين اساس خطوط منتخب براي نصب خازن هاي کنترل شده سري تريستوري خطوط ( ٢٧-٢٨)، (٣٠-٢٩) و (٢٨-٨) و پاس هاي هشت و بيست و يک پاس هاي منتخب جهت نصب جبران سازها ي استاتيکي توان راکتيو ميباشند . راکتانس خازن هاي کنترل شده سري تريستوري بين ٠٫٢ تا ٠٫٧ برابر راکتانس خطوط موردنظر (به ترتيب برابر ٠٫٣٥، ٠٫٤٥ و ٠٫٢ اهم ) و ظرفيت نصب شدهي جبران سازهاي استاتيکي توان راکتيو از ٢٠- تا ٣٠ مگاوار در نظر گرفته شده است .
براي بررسي بهتر روش ارائه شده ، مسئله در حلت هاي بارگذاري زير مورد ارزيابي قرارگرفته است ،
١) حالت پايه
٢) تغيير الگوي بار
شکل ٥: دياگرام تک خط ي شبکه ٣٠ شينه IEEE شامل دو مزرعه بادي
