بخشی از مقاله
چکیده -
با توجه به اهمیت حضور منابع انرژیهای تجدیدپذیر در سیستمهای توزیع در این مقاله به حل مساله جایابی و تعیین ظرفیت این منابع پرداخته شده است. توربینهای بادی و پنلهای خورشیدی به عنوان منابع انرژیهای تجدیدپذیر در این مقاله در نظر گرفته شده است. برای حل این مساله بهینه سازی از الگوریتم جدید اجتماع سالپها استفاده شده است. توابع هدف به صورت کاهش تلفات، بهبود پروفیل ولتاژ و کاهش هزینههای منابع انرژیهای تجدیدپذیر در نظر گرفته شده است.
در این روش تخصیص منابع تجدید پذیر انواع مدلهای بار در سیستم توزیع نیز برای سطوح مختلف بار با استفاده از اندازه گیرهای هوشمند در نظر گرفته شده است. علاوه بر این دادههای باد، تابش خورشید و دمای به صورت روزانه در نظر گرفته شده است. روش پیشنهادی بر روی سیستم 33 شینه استاندارد IEEE اعمال شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان دهنده عملکرد بهتر الگوریتم چند هدفه اجتماع سالپ در بهبود پروفیل ولتاژ و کاهش تلفات در سیستم توزیع را دارد.
-1 مقدمه
افزایش روز افزون مصرف انرژی الکتریکی، محدودیتهای اقتصادی و فنی در احداث نیروگاههای بزرگ، مسائل مربوط به آلودگیهای زیست محیطی، بحرانهای مالی و انرژی، ایجاد فضای رقابتی در تولید و فروش توان و ... حرکت به سمت تولید در مقدار کم و بصورت پراکنده را در شبکههای قدرت افزایش داده است.
منابع انرژی های تجدیدپذیر - - RES مانند سلول-های خورشیدی، پیل سوختی، توربینهای بادی، نیروگاه های زمین گرمایی، بیوماس و ...منابعی هستند که سطح تولید توان در آنها پایین بوده - 10 MW> - و در پایینترین سطح شبکه یعنی نزدیک به مصرف کنندهگان نهایی و در سیستم توزیع انرژی الکتریکی نصب میشوند.
معمولاً سوخت مصرفی منابع RESیا کاملاً پاک است و یا آلودگی آن بسیار کم است . که این آلودگی در مقایسه با نیروگاههای بزرگ کمتر است.
از مزایای استفاده از منابع RES علاوه بر تولید پاک، بدلیل تولید در محل مصرف و عدم انتقال توان از فواصل دور، تلفات خطوط را نخواهد داشت و لذا حضور این منابع در شبکههای توزیع تلفات توان را تا حدود زیادی کاهش داده و همچنین هزینه سرمایهگذاری را کم ، به تعویق انداختن هزینههای زیاد - احداث نیروگاههای بزرگ و خطوط انتقال - ، و افزایش قابلیت اطمینان سیستم را می توان اشاره کرد.
علاوه بر این با توجه به شعاعی بودن شبکههای توزیع قطعی و خروج یک خط بارهای زیادی را با خاموشی مواجه می کند و لذا وجود RESها در شبکههای توزیع قابلیت اطمینان شبکه را نیز بالا برده و با کاهش تلفات باعث بهبود پروفیل ولتاژ و پایداری ولتاژ میگردد. اما تولید توان RES با عدم قطعیت همراه بوده و شرایط محیطی تعیین کننده میزان تولید این منابع میباشد. مشخص است تغییر تولید این منابع نقطه کار شبکه را از نقطه بهینه دور میکند.
علاوه بر این انتخاب نادرست محل نصب RES و میزان ظرفیت آنها ممکن است باعث افزایش تلفات و افزایش ولتاژ در بعضی از شین ها شود. از آنجا که محل نصب و میزان تولید این منابع غیرقابل تغییر است، لذا باید به دنبال ابزارهایی بود تا با استفاده از آنها نقطه کار شبکه را تا حد ممکن به شرایط بهینه نزدیک کنیم، در حالیکه که حداکثر توان را از منابع RES اخذ شود. روشهای مختلفی در مراجع برای انتخاب بهینه محل و اندازه توان تولیدی RES ارائه شده است. DG با توابع هدف متفاوتی انجام گرفته است. یکی از مهمترین توابع هدفی که برای پیدا کردن بهینه محل و اندازه DG استفاده میشود تلفات شبکه است. بهبود پروفیل ولتاژ از دیگر توابع هدفی است که در رابطه به جایابی DG مورد استفاده قرار میگیرد
قابلیت اطمینان نیز یکی دیگر از توابع هدفی است که در این رابطه مورد استفاده قرار می گیرد.[8] اهداف متنوعی که برای پیدا کردن محل و اندازه DG مورد استفاده قرار میگیرند در مراجع [10]-[9] به تفصیل توضیح داده شدهاند. بیشتر روشها مبتنی بر الگوریتمهای فراابتکاری میباشد. الگوریتمهای بهینهسازی اجتماع ذرات - [12]- [11] - PSO، جفتگیری زنبور عسل - HBMO - [13]، الگوریتم پخش توان [14] - PFA - ، الگوریتم آسیاباناک [15] - ALO - ، الگوریتم رمه شاه میگو - [16] - SKHA، الگوریتم ژنتیک - [17] - GA، الگوریتم جستجوی ارگانیسم های همزیستی [18] - SOSA - ، الگوریتم رقابت استعماری - [19] - ICA، الگوریتم گرگ خاکستری [20] - GWO - ، در حل مساله جایابی و تعیین ظرفیت تولیدات پراکنده استفاده شده اند.
با توجه به این که اکثر مراجع جایابی و تعیین ظرفیت RES بدون در نظر گرفتن منابع باد و خورشید و این که احتمال محدود بودن آنها باشد انجام شده است. و همچنین نوع مدل بار و درصد توان بار مصرفی نیز به طور دقیق نمی باشد. در شبکه توزیع بار شامل مشترکین تجاری، صنعتی و مسکونی می باشد. مصرح این مشترکین در طول شبانه روز و در طول سال متغیر بوده و برای هر نوع مشترک از الگوی خاصی پیروی میکند. لذا در نظر گرفتن بار با مقدار ثابت در شبکه توزیع می تواند نتایج نادرستی را در مسئله جایابی DGو تعیین ظرفیت منابع RES به همراه داشته باشد.
در برخی از مقالات بار به صورت چند سطحی در نظر گرفته شده، که این امر نیز با توجه به این که مقدار پیک مصرف در هر سه نوع مشترک خانگی و صنعتی و تجاری در یک زمان اتفاق نمی افتد، منجر به نتایج متضاد و گمراهکننده خواهد شد. بنابراین در نظرگرفتن بار به صورت چندسطحی برای تمامی انواع مشترکین نتایج درستی نخواهد داد. به همین منظور استفاده از کنتورهای هوشمند و اندازه گیری دقیق میزان مصرف بارهای مختلف باعث می شود که نتایج دقیق تری در بررسی سیستم توزیع حاصل شود. لذا در این مقاله برای تخصیص دقیق منابع RES علاوه بر در نظر گرفتن میزان درصد بار مصرفی مشترکین به صورت جدا و دقیق به صورت ساعتی میزات تولید توان منابع RES نیز با توجه به محدودیت منابع مانند هوایابری و عدم وزش باد نیز بررسی شده است. تا با توجه به این موارد سعی در کاهش تلفات سیستم و هزینه های انرژی و بهیبود پروفیل ولتاژ در شبکه توزیع شود.
به همین منظور پروفیل باد، تابش خورشید، دما و درصد پروفیل بار - صنعتی، تجاری و خانگی - به صورت 24 ساعته در نظر گرفته شده است. مسائله تخصیص منابع RES را می توان به صورت یک مساله بهینه سازی تعریف کرد. برای حل این مساله بهینه سازی نیز از روش بهینهسازی اجتماع سالپ ها استفاده شده است. از انجا که با توجه به تئوری ناهار مجانی [21] NFL هر الگوریتم فراابتکاری قادر به حل دقیق مسائل مهندسی نیست.
به همین خاطر از الگوریتم جدید SSA که توسط آقای میرجلیلی و همکاران در سال 2017 ارائه شده[22]، در این مقاله استفاده شده است. در این روش بهنه سازی که از رفتار اجتماعی و حرکت زنجیر وار سالپ ها الهام گرفته شده است. زنجیر سالپ دارای این توانایی است که به سمت بهین سراسری که در طی تکرارها تغییر میکند جرکت کند. برای دیدن نحو تاثیرگذاری مدل زنجیره سالپ و الگوریتم MSSA و مزایای آن در حل مسائل بهینهسازی، به برخی نکات ذیل توجه شود:
کارایی الگوریتم MSSA، برخی نکات به این صورت بیان میشوند:
· پاسخهای غیرمغلوب بدست آمده تاکنون در یک مخزن ذخیره میشوند، بنابراین هرگز گم نمیشوند حتی اگر کل جمعیت در یک تکرار تخریب شده و از بین رود.
· پاسخهایی با همسایگی شلوغ در هر بار حفظ و نگهداری مخزن رها میشوند، که این موجب بهبود پوشش پاسخهای غیرمغلوب در همه اهداف میشود.
· یک منبع غذایی از پاسخهای غیرمغلوب با کمترین تعداد پاسخهای همسایگی انتخاب میشود، که این منجر به جستجو به سمت نواحی خلوتتر جبهه بهینه پارتو میشود و پوشش پاسخهای بدست آمده را بهبود میبخشد.
· الگوریتم MSSA به دلیل استفاده از تقسیم جمعیتی مشابه با SSA - سالپهای رهبر و پیرو - و فرایند بروزرسانی موقعیت، دارای همان عملگرهای SSA است.
· الگوریتم MSSA دارای تنها دو پارامتر کنترلی است c1 - و اندازه آرشیو - .
• الگوریتم MSSA ساده بوده و پیادهسازی آن راحت است.
این نکات باعث میشوند الگوریتم MSSA به لحاظ نظری و بالقوه قادر به حل مسائل بهینهسازی چندهدفه با فضاهای جستجوی نامعلوم باشد و به صورت منطقی قادر است پاسخهای دقیق بهینه پارتو را با دقت بالایی در میان اهداف بیابد. سازوکار تطبیقی الگوریتم MSSA به این الگوریتم اجازه می دهد تا از پاسخ های محلی دوری گزیده و در نهایت به تخمین صحیح از بهترین پاسخ بدست آمده در طی بهینه سازی دست یابد.
این نکات نشان می دهند. در این روش پیشنهادی از سه تابع هدف استفاده شده است. این توابع هدف به ترتیب کاهش تلفات، بهبود پروفیل ولتاژ و کاهش هزینه های منابع RES می باشد. با توجه به این که این توابع هدف به صورت چند هدفه میباشند، به همین خاطر از روش تصمیم گیری فازی برای انتخاب جواب بهینه از بین مجموعه جوابهای پارتو استفاده شده است.
روش پیشنهادی بر روی سیستم تست استاندارد 33 شینه IEEEاعمال شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی در دو سناریو بررسی شده است. این نتایج نشان دهنده کارایی و عملکرد بهتر الگوریتم MSSA در حل مساله بهینه سازی چندهدفه و تخصیص منابع RES در سیستم توزیع به صورت بهینه با در نظر گرفتن مدل بار و محدودیت منابع میباشد. که باعث کاهش هزینه های ناشی از نصب منابع RES و تلفات در سیستم توزیع و بهبود و پایداری ولتاژ در سیستم توزیع شده است.
-2 فرمول بندی مساله
هدف از این مساله برنامه ریزی منابع انرژیهای تجدید پذیر - RES - به منظور تعیین محل نصب و ظرفیت آنها در سیستم های توزیع میباشد. به همین منظور توابع هدف باید کمترین مقدار را داشته باشند و همچنین قیود مساله و شبکه رعایت شود. در ادامه نحوه مدلسازی توربین بادی و پنلهای خورشیدی به همراه توابع هدف و قیود در نظر گرفته شده در این مقاله شرح داده شده است.
که Vci سرعت قطع پایین، vco سرعت قطع بالا، vr سرعت باد نامی، Prated-wt توان خروجی میباشد.[23]
-1-2 مدلسازی پنل خورشیدی - PV -
توان خروجی یک نیروگاه خورشیدی را میتوان با قدرت خروجی نامی آن در شرایط آزمایش استاندارد، و با توجه به شدت نور و دمای محیط محاسبه کرد.
که Ppv خروجی نیروگاه خورشیدی است. شرایط آزمایش استاندارد - standard test condition - - STC - به این معنی است که تابش خورشید GSTC برابر 1000 وات بر مترمربع است، دمای تابش خورشید TSTC برابر 25 درجه سانتی گراد است و کیفیت نوری اتمسفری AM 5/1 است. Gc تابش نقطه عملیاتی است، k ضریب درجه حرارت توان، PSTG توان خروجی بر اساس STC است. Tc درجه حرارت نقطه عملیاتی است
-2-2 مدلسازی بار
با توجه به این که در یک سیستم توزیع انواع بارها موجود میباشد باید در هنگام مطالعه نوع بار را مشخص کرد. از آنجا که میزان مصرف و جداسازی نوع بار ها مشکل میباشد. به همین خاطر مدلسازی میزان مصرف بار را با توجه به نوع بار مشخص میکنند. به عبارتی در هر پست توزیع نوع بار به لحاظ صنعتی و خانگی و تجاری متفاوت بوده و مقدار توان مصرفی آن به صورت تابعی از دامنه ولتاژ آن پست خواهد بود. بنابراین ثابت در نظر گرفتن توان مصرفی شینها دقیق نخواهد بود. در نظر گرفتن این موضوع باعث پخش بار مناسب و محاسبه دقیق تلفات سیستم میشود. به همین منظور مدلهای بار و توان مصرفی اکتیو و راکتیو را می توان به صورت ریاضی و با توجه به روابط - 4 - - - 3 - تعریف کرد.
