بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
برنامه ريزي سيستم يکپارچه انرژي با توجه به عدم قطعيت ها
چکيده : تدوين برنامه بلندمدت بهينه سازي بخش عرضه انرژي، تاثير مثبتي بر اقتصاد و ارتقاي نقش کشور در بازارهاي جهاني انرژي دارد. از جمله نتايج حاصل از برنامه بهينه سازي بخش عرضه انرژي، بهبود راندمان و کاهش توليد آلاينده هاي زيست محيطي ناشي از توليد انرژي است . راهکارهاي بهينه سازي متعددي در بخش عرضه انرژي مطرح است که از جمله آنها ميتوان به توليد همزمان برق و حرارت ، در عرضه ي حامل هاي انرژي اشاره نمود. لذا مفهوم سيستم هاي يکپارچه انرژي ( Hub energy)، استفاده بهينه ، طراحي و برنامه ريزي اين سيستم ها امري لازم و ضروري است . در اين تحقيق به برنامه ريزي يک سيستم يکپارچه انرژي با در نظر گرفتن عدم قطعيت ها پرداخته شده است و مدل در نظر گرفته شده به گونه اي است که مسائل زيست محيطي در آن لحاظ شده و براي حل اين موضوع از روش هاي ترکيبي ژنتيک GA با روش هاي رياضي CPLEX که در غالب نرم افزار GAMS استفاده شده به کار رفته است .
کلمات کليدي: برنامه ريزي- سيستم يکپارچه انرژي- سيستم هاي چند حامل انرژي - بهينه سازي- عدم قطعيت .
١. مقدمه
رشد روز افزون قيمت حامل هاي انرژي و محدوديت منابع فسيلي، باعث شده است که بشر نسبت به انرژي هايي که داراي قابليت انتقال و سازگاري بيشتر با محيط زيست هستند و همچنين قيمت تمام شده ي کمتر همراه با بازدهي انرژي بالاتري را دارا مي باشند، توجه ويژه اي داشته باشد.[١] بر اساس اين مطالعات سناريو هايي اتخاذ گرديده که ميتوان با استفاده از آنها در مورد نحوه و مقدار و ظرفيت توليد برنامه ريزي کرد. اين ايده ها منجربه پيشرفت هاي زيادي در زمينه انرژي گرديده است . اما دانشمندان معتقدند هنوز جاي پيشرفت هاي بسياري، باقي است .[٢]
افزايش نياز به حامل هاي انرژي و کمبود منابع انرژي جهاني سبب گشته تا همواره راه کار هايي در جهت کم کردن و بهينه سازي مصرف انرژي و به پيرو آن کمتر شدن هزينه تمام شده در صنايع ، ارائه گردد.
يکي از نکاتي که در اين راستا حائز اهميت است ، بحث برنامه ريزي اين حامل هاي انرژي مي باشد. همواره ميتوان با بکار بردن ترفند هايي در بخش برنامه ريزي ، از قيمت تمام شده ، کاست . زيرا با برنامه ريزي مناسب ميتوان از هزينه هاي اضافي مصرف باتوجه به قيمت حاملها و رشد مصرف در اين بخش در سالهاي بعد جلوگيري کرد[٦-٣].
در راستاي دستيابي به اين مهم ، نظريه اي به نام سيستم يکپارچه انرژي مطرح گرديد که در اين طرح تحقيقاتي به دنبال آن هستيم که با در نظر گرفتن يک مدل نمونه به عنوان يک سيستم يکپارچه انرژي ( Energy Hub ) به مساله برنامه ريزي و توجيه اقتصادي توليد انرژي به منظور کاهش هزينه تمام شده انرژي و تامين انرژي با قابليت اطمينان بالا در کنار استفاده از انرژيهاي تجديد پذير بپردازيم .[٩-٧]
در اين مقاله به مساله برنامه ريزي به اين معني که چه تجهيزاتي در يک سيستم يکپارچه انرژي نصب شود که در مجموع هزينه نصب و بهره برداري از اين تجهيزات در سال افق حداقل شود در قالب يک مدل استاتيکي با در نظر گرفتن عدم قطعيت بار پرداخته مي شود . ازجمله ويژگي مهم منابع تجديدپذير عدم قطعيت در توليد توان است که جزء ويژگي ذاتي اين منابع است . سودآوري هاب انرژي در حضور عدم قطعيت هاي مختلف و با حضور انواع حاملهاي انرژي از مسائلي است که مورد توجه سرمايه گذاران در اين حوزه ميباشد.
در ادامه مقاله در بخش ٢ به تعريف مساله و سپس در بخش ٣ به مدل سازي آن و در بخش ٤و ٥ به روش حل و نتايج پياده سازي مساله پرداخته شده است .
٢. تعريف مساله برنامه ريزي سيستم يکپارچه انرژي
٢-١. مفهوم سيستم يکپارچه انرژي
سيستم هاي يکپارچه انرژي ترکيبي را بعنوان واسطه اي بين توليدکنندگان انرژي، مصرف کنندگان و زيرساخت هاي انتقال معرفي مي کند که مي تواند براي مدل کردن بسياري از مصرف کنندگان صنعتي و غير صنعتي مفيد باشد. سامانه ي سيستم يکپارچه انرژي شامل بخشهاي زير ميباشد.
• ورودي و خروجي
• مبدل ها
• ذخيره سازي
سيستم هاي يکپارچه انرژي ميتوانند به عنوان رابط بين زيرساخت هاي انرژي و اعضاي شبکه (توليدکنندگان و مصرف کنندگان ) يا زيرساخت هاي مختلف انرژي در نظر گرفته شوند. به عنوان مثال برق و سيستم هاي گاز طبيعي بدون اتصال به منابع به بار متصل ميشود.
شکل (١) يک نمونه از سيستم يکپارچه انرژي
شکل ١ نماي از يک سيستم يکپارچه انرژي با دو ورودي و دو خروجي و تجهيزات داخلي ترانسـفورماتور CHP و بـويلر را نشان مي دهد[٩]
٢-٢. برنامه ريزي سيستم هاي يکپارچه انرژي
2
در سيستم هاي يکپارچه انرژي با توجه به اين که سيستم قابليت انعطاف دارد و مي توانيم تجهيزات بسيار زيادي براي تبديل ، توليد و ذخيره سازي انرژي در نظر بگيريم ميتوانيم برنامه ريزي را به طور کلي اينگونه بيان کنيم که چه تجهيزاتي چه زماني وکجا در سيستم نصب شود که تابع هدف مينيمم شود. يعني اين که هزينه هاي ما جهت نصب و راه اندازي و تعمير و نگهداري و همچنين تبديل و ذخيره سازي انرژي پايين بيايد و نيز در خروجي ها بتوانيم بار مورد نياز را تامين نماييم قابل ذکر است که در اين تحقيق با در نظر گرفتن مدل استاتيکي از يک سيستم يکپارچه انرژي به بررسي آن در يک بازه ي زماني مشخص مي پردازيم که اين مدل ها در بخش هاي بعدي به طور کامل بررسي مي شود .
شکل ٢ يک سيستم يکپارچه انرژي را نشان مـي دهـد کـه تجهيزات آن با توجه به بهينه نمـودن بهـره بـرداري سيسـتم و کاهش هزينه هاي خريد انرژي برنامه ريزي و در مدار قرار مـي گيرند.
شکل (٢) برنامه ريزي تجهيزات درون سيستم يکپارچه انرژي
يکي از نکاتي که در اين راستا حائز اهميت است ، بحث برنامه ريزي و بهره برداري از اين حامل هاي انرژي مي باشد.
همواره ميتوان با بکار بردن ترفند هايي در بخش برنامه ريزي ، از قيمت تمام شده ، کاست . زيرا با برنامه ريزي مناسب ميتوان از هزينه هاي اضافي مصرف باتوجه به قيمت حاملها و رشد مصرف در اين بخش در سالهاي بعد جلوگيري کرد.در راستاي دستيابي به اين مهم ، نظريه اي به نام سيستم يکپارچه انرژي مطرح گرديد که در اين طرح تحقيقاتي به دنبال آن هستيم که با در نظر گرفتن مدل هاي مختلف يک سيستم يکپارچه انرژي ( Energy Hub) به مساله برنامه ريزي و توجيه اقتصادي [unknown error.خطای ناشناخته]
توليد انرژي به منظور کاهش هزينه تمام شده انرژي و تامين انرژي بپردازيم .
٣. مدل سازي مساله
٣-١. مدلسازي سيستم يکپارچه انرژي
همانطور که در بخش قبل بيان شد ، سيستم يکپارچه انرژي مي تواند براي بهينه سازي بهره برداري از شبکه هاي انرژي چند برداري مورد استفاده قرار بگيرد. قدم اول براي انجام اين کار مدل سازي مناسب سيستم يکپارچه انرژي است . ابتدا روابط بين اجزاي تشکيل دهنده سيستم يکپارچه بصورت رياضي بيان مي شود.
مبدل هاي انرژي با توجه به تعداد ورودي و خروجي به چهار دسته تقسيم مي شوند ، تک ورودي تک خروجي ، تک
ورودي چند خروجي ، چند ورودي تک خروجي ، چند ورودي چند خروجي هستند.
شکل (٣) يک سيستم با چند ورودي و چند خروجي
توزيع بارهاي انرژي ورودي و خروجي مستقل نيستند و از رابطه ي (١)پيروي ميکند.
در رابطه بالا ضريب تزويج بين ورودي و خروجي است .
مدل کلي چند ورودي و چند خروجي با انرژيهاي خروجي و ورودي گوناگون مطابق با شکل (٣)ميباشد. که انرژيهاي ورودي متعدد به انرژيهاي خروجي تبديل شده است . اين تبديل ميتواند هر يک توسط يک ابزار يا توسط يک ترکيب تبديل گرهاي متعدد ايجاد شود، اگرچه ما اين مورد را به عنوان يک بخش با انرژي هاي ورودي و خروجي، مانند يک قطب انرژي، در نظر ميگيريم .
توان انرژي ورودي و توان انرژي هاي خروجي ميباشد.
ماتريس C، ماتريس کوپلينگ ناميده شده است . اين ماتريس ، تبديل طرح نيروها انرژيورودي به تبديل گر انرژي خروجي ميباشد. هر عامل اتصال به انرژي ورودي ويژه و انرژي خروجي معين بستگي دارد.[١٣]
در بررسي يک سيستم يکپارچه انرژي قيود زير برقرار است :
در روابط بالا بازده پايدار ترانسفورماتور، بازده هاي الکتريکال و حرارت براي توربين گازي و بازهي حرارت براي کوره و براي تبادلگر گرما در نظر گرفته ميشود.
٣-٢. مدل سازي مساله برنامه ريزي استاتيکي سيستم يکپارچه انرژي
سيستم يکپارچه زير را با اجزاي داخلي ترانسفورماتور ، سيستم توليد همزمان برق و حرارت (CHP)، بويلر ، ذخيره ساز الکتريکي و ذخيره ساز حرارتي در نظر بگيريد . ورودي هاي سيستم انرژي الکتريکي و گاز طبيعي مي باشد و در خروجي نيز الکتريسيته و حرارت بدست مي آيد مدل سوم را در بازه زماني يک سال بررسي مي کنيم .
شکل ٤ مدل مورد بررسي
توابع هدف :
مقدار تابع هدف f بايد مينيمم گردد:
(8)
تابع هدف شامل سه بخش مي باشد .که بخش اول مربوط به هزينه نصب تجهيزات در مدت زمان يک سال است :
(9)
)01(
(inv)k مربوط به هزينه نصب تجهيزات است .
K نوع تجهيز که شامل مبدل ها و ذخيره سازها است .
بخش دوم آن مربوط به هزينه حامل هاي انرژي و هزينه بهره برداري از تجهيزات مي باشد .هزينه توليد شامل هزينه هاي خريد برق از شبکه با قيمت هاي مشخص شده از سوي شبکه ، هزينه توليد انرژي به وسيله نيروگاه توليد همزمان برق و حرارت مي باشد.
(11)
در عبارت فوق هزينه ثابت تعميرات نگهداري است و و بيانگر هزينه هاي متغير و بهره برداري از chp مي باشند ، نوع سوخت ورودي به سيستم يک پارچه انرژي و i نوع المان قابل نصب است .
Cost P قيمت حامل هاي انرژي الکتريکي بر حسب پريونيت که از شبکه خريداري مي شود .
4
بخش دوم تابع هزينه مربوط به جرايم آلودگي حاصل از تغييـر حامل ها و توليد گاز هاي سمي مي باشند.
(12)
ضرايب اعمال هزينه الودگي مي باشند و از سوي نهاد کنترل کننده کيفيت هوا مشخص مي شوند.
معادلات توصيف کننده سيستم را زماني که ذخيره ساز به سيستم اضافه مي شود را مي توان به صورت ماتريس زير بيان
کرد:
(13)
(14)
همچنين مي توان قيود مربوط به کران ها را به صورت زير بيان
کرد :
(18)
(19)
(20)
(21)
٣-٣. روش حل
براي حل اين سناريوها از نرم افزار گمز ٢٤.١.٢ و نرم افزار متلب ٢٠١١ و نرم افزار اکسل ورژن سال ٢٠١٠ استفاده
گرديد.
شکل (٥) اتصال گمز به متلب [unknown error.خطای ناشناخته]
