بخشی از مقاله
چکیده - امروزه استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر به منظور تولید برق در سیستم قدرت در سرتاسر جهان در حال افزایش است. این امر به این دلیل است که این انرژیها پاک و دوستدار محیط زیست هستند، نگرانی از پایان یافتن آنان وجود ندارد، به وفور در طبیعت یافت میشوند و هزینه بهرهبرداری انان ناچیز است. اما به دلیل عدم قطعیت مربوط به منابع تولیدی این انرژیها، مشکلاتی در سیستم قدرت ایجاد شده است. لذا با زیاد شدن سهم این نیروگاهها به ویژه نیروگاههای بادی و مشکل متغیر بودن توان تولیدی این نیروگاهها به دلیل تغییر سرعت باد مسائل مختلف سیستم قدرت به مانند قابلیت اطمینان تحت تأثیر قرار گرفته است و باید روشهایی نوین جهت بررسی این موارد معرفی گردد. در این مقاله قابلیت اطمینان سیستم قدرت در سطح تولید با وجود نیروگاههای بادی مورد مطالعه قرار گرفته و تأثیر پراکنده نمودن مزارع بادی به منظور کاهش عدم قطعیت اینگونه نیروگاهها مورد ارزیابی قرار گرفته است. در تعیین مدل قابلیت اطمینان سیستم قدرت روش تحلیلی استفاده شده و به کمک روش خوشهبندی فازی تعداد مناسب خوشهها تعیین شده است.
کلید واژه- پراکندگی مزارع بادی، خوشهبندی فازی، قابلیت اطمینان، کفایت، مزارع بادی
-1 مقدمه
افزایش تدریجی قیمت سوختهای فسیلی، رو به پایان نهادن این منابع، مسائل زیست محیطی ناشی از مصرف اینگونه سوختها و تولید گازهای گلخانهای نظیر CO2, SO2, NO2 که منجر به تخریب لایه ازن میگردد، سبب رشد روزافزون استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر به مانند توربینهای بادی، انرژی برقآبی و سیستمهای فتوولتاییک شده است. این امر با پیشرفت تکنولوژی ساخت سیستمهای فتوولتاییک و توربینهای بادی و کاهش قیمت تمام شده برق تولیدی آنها سرعت گرفته است؛ به گونهای که ظرفیت توربینهای بادی نصب شده در جهان از 6100 مگاوات در سال 1996 به 197039 مگاوات در سال 2010 رسیده است .
[1] امروزه با پیشرفت تکنولوژی توربینهای بادی با قطر بزرگتر از 120 متر و ظرفیت بیش از 5 مگاوات ساخته شده است که با نصب گسترده آنها در مزارع بادی امکان تولید توانهای زیاد و قابل وصل به شبکه انتقال میسر شده است. با زیاد شدن سهم انرژیهای نو در تأمین بار، بررسی تأثیر آنها بر مسائل مختلف موجود در سیستم قدرت نظیر بهره-برداری، کیفیت توان و قابلیت اطمینان اهمیت پیدا کرده است. در این مقاله هدف این است که با استفاده از روش تحلیلی مبتنی بر جدول خروج ظرفیتها تأثیر نیروگاههای بادی بر مطالعات قابلیت اطمینان سیستم قدرت در سطح اول - سیستم تولید - مورد بررسی قرار بگیرد. با توجه به تغییر سرعت باد در طول زمانهای مختلف همواره این عدم قطعیت وجود دارد که توان خروجی نیروگاه بادی در حال تغییر میباشد. یکی از روش-هایی که میتوان عدم قطعیت مربوط به نیروگاههای بادی را کمتر نمود پراکنده نمودن نیروگاههای بادی در سطح جغرافیایی وسیع میباشد؛ چرا که در نقاط مختلف همبستگی بین سایت-های بادی کمتر بوده و با کاهش تولید یکی از نیروگاهها در نتیجه کاهش سرعت باد احتمال کاهش توان تولیدی سایر سایتها کمتر از زمانی است که تمام نیروگاهها متمرکز در یک نقطه باشند. در این مقاله تأثیر پراکنده نمودن مزارع بادی بر شاخصهای قابلیت اطمینان سیستم قدرت مورد ارزیابی قرار میگیرد. تاکنون در زمینه مطالعه قابلیت اطمینان سیستم قدرت با حضور نیروگاههای بادی کارهای زیادی صورت گرفته است.
در مراجع [2-3] برای مزارع بادی یک مدل قابلیت اطمینان ارائه شده و کفایت سیستم قدرت در سطح اول با استفاده از معیارهای احتمالاتی و سلامت سیستم در حضور نیروی باد بررسی شده است. برای اینکه حالت واقعیتر سیستم قدرت در نظر گرفته شود مطالعات سیستم مرکب تولید و انتقال نیز انجام شده و بر این اساس اولویت در تعیین مکان و ظرفیت نصب نیروگاههای بادی به دست آمده است. در مراجع [4-5] یک مدل ساده برای سرعت باد تنها بر اساس متوسط و انحراف معیار سالانه آن در یک مکان جغرافیایی مشخص معرفی و یک توزیع احتمال برای سرعت باد به دست آمده است.
سپس با توجه به مشخصه توان خورجی توربین، واحد بادی با ظرفیت چندین حالته با احتمالهای مربوطه مدل شده و از این مدل در ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم قدرت شامل تولیدات بادی استفاده شده است. در مرجع [6] از روش شبیهسازی مونتکارلوی غیرترتیبی و بر اساس مدل سلامت سیستم، ظرفیت معادلی برای یک واحد بادی تعیین و یک مدل دو حالته برای این واحد در نظر گرفته شده است. در این مقاله بر اساس دادههای گذشته سرعت باد، یک توزیع وایبال به این دادهها برازش شده است. با تولید اعداد تصادفی با توزیع یکنواخت برای واحدهای متعارف، و توزیع وایبال برای واحدهای بادی، مدل تولید در هر ساعت مشخص میشود، سپس با بار آن ساعت مقایسه و در نتیجه انجام شبیه-سازی برای 1 سال شاخصهای ریسک و سلامت به دست می-آید. برای رسیدن به همگرایی باید شبیهسازی به مدت چند هزار سال تکرار شود. در مرجع [7] قابلیت اطمینان سیستم مرکب تولید و انتقال با وجود واحدهای بادی با در نظر گرفتن همبستگی بین سایتهای بادی به روش نمونهبرداری مونتکارلو ارزیابی شده است. در مرجع[8] قابلیت اطمینان سیستم مرکب تولید و انتقال با وجود واحد بادی بررسی شده است. با داشتن دادههای گذشته سرعت باد منحنی نرمال به سرعت باد برای 6 ماه اول و دوم سال به صورت جداگانه برازش شده و بر اساس مشخصه توربین، توان خروجی واحد بادی به دست آمده و سپس به 11 حالت با احتمالهای مربوطه گسسته شده است. این مدل به سیستم تولید و انتقال جنوب ایران اعمال شده و شاخصهای قابلیت اطمینان سیستم مرکب به دست آمده است.
در مرجع [9] قابلیت اطمینان سیستم قدرت شامل دو نیروگاه بادی با در نظر گرفتن همبستگیهای مختلف بین این دو نیروگاه به روش شبیهسازی مونت کارلو بدست آمده است. این مطالعه در سطح دو انجام شده و شاخصهای قابلیت اطمینان سیستم مرکب تولید و انتقال در نقاط بار و همچنین شاخصهای کلی سیستم بدست آمده است. روش شبیهسازی مونت کارلوی بکار رفته در این مقاله مبتنی بر نمونهبرداری حالت بوده است. در مرجع [10] نی ز قابلیت اطمینان سیستم قدرت شامل دو مزرعه بادی با در نظر گرفتن همبستگی ب ین سایت این دو نیروگاه بررسی شده است.
شاخصی که در این مقاله مورد توجه قرار گرفته است قابلیت تأمین بار توسط نیروگاه های بادی بر اساس متوسط قطعی بار و فرکانس قطعی بار است که نشان داده شده این شاخص در مورد نیروگاههای باد ی در مقایسه با نیروگاههای متداول کمتر میباشد. همچنین نشان داده شده است که میزان همبستگی بین واحدهای بادی بر قابلیت اطمینان سیستم قدرت موثر است. در اینجا نیز از روش شبیهسازی مونت کارلو مبتنی بر نمونهبرداری حالت استفاده شده است. روش این مقاله مبتنی بر مدلهای تحلیلی قابلیت اطمینان بدست آمده برای منابع انرژی تجدیدپذیر باد، خورشید و آبی جریانی بوده که در مراجع [10-12] معرفی شده است. همانگونه که در این مراجع مشخص است نیروگاههای بادی به دلیل تغییر سرعت باد، نیروگاههای خورشیدی به دلیل تغییر می زان تابش خورشید و نیروگاههای آبی جریانی به دلیل تغیی ر دبی آب رودخانه توان خروجی متغیری خواهند داشت و لذا قدرت تولیدی آنها دارای عدم قطعیت خواهد بود. در این مراجع روشی تحلیلی بیان شده است که از نقطه نظر قابلیت اطمینان این نیروگاهها را به مانند نیروگاههای متداول اما با تعداد حالت بیشتر مدل نموده است. در این مقاله هدف این است که از این روشها بهره گرفته و با در نظر گرفتن همبستگی بین واحدهای بادی مجاور هم قابلیت اطمینان سیستم قدرت شامل واحدهای بادی بررسی شود. نتایج بدست آمده در این مقاله میتواند تأثیر پراکندگی نیروگاههای بادی بر قابلیت اطمینان سیستم قدرت را نشان دهد. بر این اساس این مقاله شامل 5 بخش خواهد بود. در بخش دوم مفهوم قابلیت اطمینان سیستم قدرت بیان شده و در بخش سوم مدل قابلیت اطمینان نیروگاههای بادی بدست میآید. در بخش چهارم نتایج شبیهسازی به منظور بررسی تأثیر پراکندگی مزارع بادی بر قابلیت اطمینان سیستم قدرت آورده شده است. نتیجهگیری مقاله نیز در بخش پنجم بیان گردیده است.
-2 مفهوم قابلیت اطمینان سیستم قدرت
در یک سیستم قدرت هدف تأمین تقاضای بار مصرف-کنندگان میباشد. بنابراین قابلیت اطمینان سیستم قدرت میزان توانایی این سیستم در تأمین برق مشترکین به صورت پیوسته همراه با کیفیت مطلوب و رعایت استانداردهای مربوطه میباشد. این توانایی در دو بخش کفایت و امنیت سیستم قدرت مورد مطالعه قرار میگیرد. کفایت سیستم قدرت زمانی فراهم میشود که امکانات کافی در قسمتهای تولید، انتقال و توزیع فراهم باشد که بتواند تقاضای بار را همراه با رعایت قیود بهرهبرداری پاسخگو باشد. امنیت سیستم قدرت به توانایی این سیستم در پاسخ به هرگونه اغتشاش نظیر از دست رفتن یک واحد تولیدی و یا قطع خطوط انتقال گفته میشود. مطالعات قابلیت اطمینان برای سیستمهای قدرت با توجه به وجود قسمتهای اساسی تولید، انتقال و توزیع در سه سطح سلسله مراتبی انجام میشود:
در سطح اول - HLI - تنها قسمت تولید در نظر گرفته شده و توانایی واحدهای تولیدی موجود در تأمین کل بار بدون در نظر گرفتن قسمتهای انتقال و توزیع بررسی میشود. در سطح دوم - HLII - در کنار بخش تولید، بخش انتقال نیز در نظر گرفته شده و توانایی سیستم مرکب در تغذیه بار مورد مطالعه قرار میگیرد. در سطح سوم - HLIII - هر سه قسمت تولید، انتقال و توزیع در مطالعات وارد میشوند اما به دلیل حجم محاسبه و پیچیدگی زیاد تنها قسمت توزیع با استفاده از نتایج به دست آمده در سطوح قبل مورد بررسی قرار میگیرد .[13] در مطالعات قابلیت اطمینان سیستم قدرت از معیارهای قطعی و احتمالاتی استفاده میشود. معیارهای قطعی بر مبنای تجربه مهندسی بوده و رفتار تصادفی المانهای سیستم و احتمال خطاهای مربوطه را در نظر نمیگیرند. معیار N-1 که به صورت گسترده استفاده می-شود نمونهای از این معیار است که سیستم قدرت را از لحاظ قابلیت اطمینان در صورتی قابل قبول میداند که با خراب شدن یک المان مشکلی در تأمین بار ایجاد نشود. اما معیارهای احتمالاتی تأثیر خرابی هر المان را به همراه احتمال مربوطه در تعیین قابلیت اطمینان سیستم کلی در نظر گرفته و بر این اساس شاخصهای دقیقی در ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم ارائه میکنند. دو روش در تعیین شاخصهای قابلیت اطمینان قابل استفاده است: یکی روش تحلیلی که سیستم را با مدل ریاضی نمایش داده و شاخصهای قابلیت اطمینان را از حل مستقیم عددی به دست میآورد و دیگری روش شبیهسازی که شاخصهای قابلیت اطمینان را با شبیهسازی فرایند واقعی و رفتار تصادفی سیستم تخمین زده و مسئله را به صورت یک سری تجربه و آزمایش واقعی با لحاظ نمودن کلیه حالتها و پیشامدهای موجود بررسی مینماید. بنابراین روش شبیهسازی نیاز به تکرار تا چند هزار سال و حجم محاسباتی زیاد خواهد داشت. روش تحلیلی در مقایسه با روش شبیهسازی مونت کارلو حجم محاسباتی کمتری داشته و مشکلاتی نظیر ابهام در جواب و عدم همگرایی را نخواهد داشت. در روش تحلیلی برای هر کدام از المانهای موجود در سیستم باید یک مدل قابلیت اطمینان ارائه شود. مدل مارکوف، حالتهای مختلفی را که یک المان در طول عملکرد خود دارا میباشد در نظر گرفته و نرخ رفتن این المان از یک حالت به حالت دیگر را نشان میدهد. بر اساس این مدل احتمال حالتهای مختلف، فرکانس و همچنین تداوم این حالتها تعیین میگردد.
-3 مدل قابلیت اطمینان مزارع بادی
در تعیین مدل قابلیت اطمینان مزارع بادی هم تأثیر خرابی اجزای تشکیلدهنده و هم تأثیر عدم قطعیت سرعت باد باید مورد توجه قرار بگیرد. عمده مزارع بادی نصب شده در سطح دنیا بر اساس تکنولوژی ژنراتورهای القایی دوسوتغذیه بودهاند و به همین دلیل در [10] مدل کامل قابلیت اطمینان مزارع بادی مبتنی بر اینگونه ژنراتورها بدست آورده شده است. در بدست آوردن مدل قابلیت اطمینان، تمامی اجزای مهم تشکیل دهنده با هم سری بوده و لذا خرابی یک المان منجر به توان صفر مزرعه میشود. همچنین متغیر بودن سرعت باد منجر به تنوع بسیار زیاد در توان خروجی مزرعه بادی میشود که برای مطالعات قابلیت اطمینان مناسب نیست. لذا به کمک خوشهبندی فازی تعداد حالتها به مقدار مناسب کاهش داده شده و مزرعه بادی با یک مدل چند حالته از نقطه نظر قابلیت اطمینان مدل شده است. مدل بدست آمده با مدل قابلیت اطمینان سایر نیروگاههای متعارف که معمولا 2 حالته هستند ترکیب شده و جدول COPT
- capacity outage probability table - کلی سیستم حاصل می-شود. با مقایسه توان تولیدی با بار سیستم شاخصهای مهم قابلیت اطمینان در سطح تولید به مانند متوسط زمان قطع بار - LOLE - و متوسط انرژی تأمین نشده - EENS - بدست آورده میشود.
-4 نتایج شبیهسازی
به منظور بررسی تأثیر پراکندگی مزارع بادی بر کفایت سیستم قدرت، سیستم تست RBTS در نظر گرفته شده است که مشخصات این سیستم در [13] اورده شده است. به منظور بررسی نمودن تأثیر نیروگاههای بادی و همبستگی بین آنها به این سیستم تست مزارع بادی با دادههای سرعت باد در منجیل و خواف اضافه میگردد. حالت اول: دو مزرعه 30 مگاواتی در منطقه خواف نصب شده است، حالت دوم: دو مزرعه 30 مگاواتی در منطقه منجیل نصب شده است و حالت سوم: دو مزرعه 30 مگاواتی یکی در منطقه منجیل و دیگری در منطقه خواف نصب شده است. با داشتن دادههای مربوط به سرعت باد در طول یک سال - سال - 1392 در دو منطقه خواف و منجیل و با فرض اینکه
