بخشی از مقاله
چکیده
حضور منابع تولید پراکنده در شبکه و ارتباط بین مالکین تولید پراکنده و شرکت توزیع از نقطه نظر اقتصادی، از شاخصهای مهم در هوشمندسازی شبکه برق میباشد. از طرفی با توجه به لزوم درنظرگیری یک ارتباط قوی بین معادلات اقتصادی شرکت توزیع و تولید پراکنده و همچنین حساسیت بالای معادلات اقتصادی به تغییر در اندازه، مکان تولیدات پراکنده و هزینهی مناقصهی برق، از روش-های بهینهسازی اکتشافی چند هدفه در این راستا استفاده میشود که آنها دو تابع هدف مجزا بهجای تابع تکهدفه، در نظر میگیرند. در این مقاله مسئلهی بهینهسازی، بر اساس ماکزیمم سوددهی مالک تولید پراکنده و مینیممکردن هزینهی شرکتهای توزیع بطور همزمان تعریف میشود. که در آن از الگوریتم ژنتیک چند هدفه NSGAII بهمنظور یافتن مقدار بهینهی پارامترهای برنامهریزی - از قبیل اندازه، مکان تولیدات پراکنده و هزینه ی مناقصهی برق بین مالک تولید پراکنده و شرکت توزیع - استفاده میشود.
کلید واژه: سیستم قدرت، طراحی بهینه پایدارساز، نوسانات فرکانس پایین، الگوریتم جدید.
-1 مقدمه
مزیت های انکار ناپذیر انرژیهای تجدیدپذیر، موجب نفوذ قابل توجه این منابع جدید در سیستمهای توزیع جدید و شبکههای هوشمند گردیدهاست. مزیتهای برجستهی این منابع عبارتند از: صرفهجویی در مصرف سوخت، تأمین توان جاهای دور از شبکه، ترغیب کردن به استفاده از منابع انرژی پاک، فرصتهای اقتصادی بوجود آمده برای سرمایهگذاران در صنعت برق و سوددهی برای شبکههای برق توسط بهبود شاخصهای شبکه - کاهش تراکم در شبکه، کاهش تلفات، بهبود پروفیل ولتاژ، افزایش قابلیت اطمینان و.[1] - ...
بطور مرسوم در شبکههای برق رسانی بعلت استفاده از سیستم-های تولید، انتقال و توزیع متمرکز، با تقاضای بار شدید مواجه می-شوند. به هر حال در دهههای اخیر با توجه به اصل هوشمند سازی، شبکههای برقرسانی تمایل به استفاده از واحدهای تولید پراکنده - 1DG - از سایز کوچک تا متوسط پیدا کردهاند. DGها هم میتوانند مانند دیگر منابع انرژی تجدید پذیر از قبیل منابع ترکیبی گرما و هوا - 2CHP - ، سلولهای خورشیدی - 3PV - ، توربینهای بادی کوچک رفتار کنند و هم میتوانند مانند انواع قدیمی و مرسوم منابع انرژی مانند توربینهای گازی رفتار کنند .[2] کاهش در تلفات توان، بهبود پروفیل ولتاژ، بهبود قابلیت اطمینان، بهبود کیفیت توان - 4PQ - ، آلودگی ناچیز ناشی از گاز گلخانهای و رفع تراکم شبکهی توزیع در مقالات متعدد بعنوان مزیتهای عمدهی استفاده از DGها در شبکه-ی توزیع میباشد [1] و .[3]
به هر حال با طراحی و برنامهریزی نامناسب نفوذ تولیدات پراکنده، سیستمهای توزیع با برخی از مشکلات از فبیل: کاهش قابلیت اطمینان، افزایش تلفات توان، کاهش پایداری ولتاژ و دیگر موضوعات ایمنی، مواجه خواهند شد .[ 4] از طرفی روشهای ریاضی کلاسیک برای حل مسئلهی جایابی بهینهی تولیدات پراکنده و تعیین تعداد متغیرها و نیز گسترهی تغییرات آنها، ناکارآمد و غیر ممکن میباشند. بعلاوه این روشها سرعت همگرایی پایینی دارند بنابراین، روشهای اکتشافی، یک اولویت ویژه برای حل این مسئله هستند. . الگوریتمهای اکتشافی میتوانند به دو دستهی اصلی - 1 تکهدفه و - 2 چند هدفه تقسیم گردند. در نوع پیشین، مسئلهی چند هدفه تبدیل به یک مسئلهی تکهدفه با جمع همهی توابع هدف توسط ضرایب وزنی مربوطه - روش جمع وزندار - ، میشوند. اما این روش برای حل این مسئله مناسب نمیباشد، زیرا با استفاده از روش جمع وزندار بصورت غیر عمد به یکی از تابع هدفها در جواب نهایی اهمیت بیشتری داده میشود و به بعضیها اهمیت کمتری داده میشود.
بهمنظور ماکزیممکردن سوددهی استفاده از DGها در سیستم قدرت، این مهم است که بطور همزمان بهترین مکان و اندازهی DGها بهمنظور بهبود پایداری ولتاژ و قابلیت اطمینان شبکه، تعیین گردد .[5] علاوه بر این، در بازارهای برق مالکین DG و اهداف اقتصادی 5DisCoها - شرکتهای توزیع - بایستی در نظر گرفتهشود. عموماً کمینهکردن هزینه و بهبود فنی شبکه، اهداف اصلی DisCoها هستند در حالیکه هدف اصلی مالک DG ماکزیمم کردن سود خود به بیشترین مقدار ممکن توسط فروش برق به شبکهی توزیع میباشد.
انواع گوناگونی از توابع هدف در مسئلهی جایابی بهینهی DGها در مقالات تعریف و در نظر گرفته میشود. این توابع هدف به دو گروه عمده تقسیم میگردند: - 1 توابع هدف عملکردی و - 2 توابع هدف اقتصادی. عموماً توابع هدف شامل بهبود پایداری ولتاژ [6]، تلفات توان اکتیو [7]، کاهش تلفات راکتیو [8] ، کاهش آلودگی .[9] از طرفی در مقالات متعدد این توابع هدف در قالب یک مسئله ی بهینه-سازی تعریف گردیده و با استفاده از الگوریتمهای بهینهسازی مبادرت به حل این مسئله شده است. در ادامه به ارائهی مقالات مورد مطالعه در این زمینه پرداخته میشود.
در [1]، مکان و اندازهی بهینه ی DG با استفاده از الگوریتم 6PSO بهمنظور بهبود مشخصههای فنی و اقتصادی شبکه، تعیین شدهاست. در [10]، جایابی بهینهی DG بهمنظور پایداری ولتاژ و جبرانسازی توان راکتیو انجام شدهاست. در [11] مکان و اندازهی بهینهی چندین DG با استفاده از 7HPSO بهمنظور ماکزیممکردن قابلیت بارگذاری، مینیمم کردن تلفات توان و بهبود ولتاژ، تعیین میشود. در [12]، یک روش مدرن برای جایابی بهینهی DG برای برنامهریزی بلندمدت تولیدات پراکنده به منظور مینیممکردن تلفات توان، پیشنهاد میگردد. هزینهها و سوددهیهای مربوط به نفوذ DGها در شبکه برای DisCoها و یا مالکین DG ها، بخش اصلی توابع هدف اقتصادی میباشد. بایستی ذکر شود که اغلب مقالات از هزینهی کلی DGها - هزینههای سرمایهگذاری، عملکردی و نگه-داری - بهعنوان پارامتر اصلی خودشان استفاده کردهاند؛ در حالیکه تعداد کمی از مقالات [13] و رضایتمندی DisCoها را متمایز از مالکین DG که قصد دارند DGها را در شبکهی قدرت بهمنظور بدست آوردن سود حاصل از فروش آنها بهکار ببرند، در نظر گرفته-است. از این رو در این مقاله یک روش چند هدفهی جدید برای محاسبهی همزمان مکان، اندازه و بهای مناقصهی بهینهی DG ارائه میگردد. در این روش مسئلهی بهینهسازی، بر اساس ماکزیمم سوددهی مالک DG و مینیممکردن هزینهی DisCoها بطور همزمان تعریف میشود و از الگوریتم NSGAII یرای حل آن استفاده میشود.
-2 مدلسازی و توابع هدف
همانطور که در قسمت مقدمه بیان شد، در این مقاله مسئلهی بهینهسازی، بر اساس ماکزیمم سوددهی مالک DG و مینیممکردن هزینهی DisCoها بطور همزمان تعریف میشود و از روشهای بهینهسازی چند هدفه مانند الگوریتم NSGAII، بهمنظور یافتن مقدار بهینهی پارامترهای برنامهریزی - از قبیل اندازه، مکان DGها و هزینهی مناقصهی برق بین مالک DG و - DisCo استفاده میشود. لذا هزینهها و سوددهیهای مربوط به نفوذ DGها در شبکه برای DisCoها و یا مالکین DGها، بخش اصلی توابع هدف اقتصادی میباشد که در زیر به شرح روابط و معادلات مربوط به آنها می-پردازیم:
که در روابط فوق NY تعداد کل سالها در افق برنامهریزی، Nbus تعداد باسهای شبکه، NDG تعداد واحدهای تولید پراکنده، Nb تعداد خطوط موجود در شبکه، NNS تعداد کل بارهای تغذیه نشده برای هر خطا، CMWh,p هزینهی خریداری توان از پست - $/MWh - ، Costinv هزینهی سرمایهگذاری - $/MW - DG، Costoper هزینهی عملکردی - $/MWh - DG، Costmaint هزینه-ی نگهداری DG ، CPDG هزینهی مناقصهی فروش توان بین مالک DG و - $/MWh - DisCo، Cint بهای وقفه در تغذیهی هر بار درطی زمان تعمیر میباشد که وابسته به نوع بار میباشد - $/kW - ،
PDG توان اکتیو - MW - DG، PLoss تلفات توان شبکه - MW - ، PL,n توان اکتیو بار متصل به باس nام - MW - ، Psub توان اکتیو تأمینشده از سوی پست - MW - ، CF ضریب ظرفیت، rb مقاومت خط bام - - ، I جریان در هر خط - آمپر - ، Th تعداد کل ساعات در یک روز - ساعت - ، Td تعداد کل روز در یک سال، b نرخ خطا در خط bام - f/km.yr - ، Lb طول خط bام - بر حسب متر - ، INF_R نرخ تورم و INT_R نرخ سود یا بهره میباشد.
مطابق با فرمولهای فوق 1 - تا - 6 برای هزینهها و سوددهیهای مربوط به مالک DG و DisCo، تابع هدف برای پیدا کردن مکان، اندازه و هزینهی مناقصهی برق بهینه که همزمان سوددهی مالک DG را ماکزیمم و هزینهی DisCo را مینیمم میکند، به شکل زیر تعریف میشود. در این معادلات، F1 اختلاف بین سوددهی مالک DG و توابع هزینه - روابط 1 تا - 4 میباشد. علاوه بر این، F2 جمع هزینههای مربوط به DisCo - روابط 5 و - 6 میباشد.
1-2 محدودیتهای عملکردی مسئلهی بهینهسازی 1-1-2 حد مجاز بارگذاری خطوط فشار ضعیف این محدودیت برای حصول اطمینان از ظرفیت حرارتی خطوط استفاده میشود و در رابطهی مربوط به آن، IL,max حداکثر جریان عبوری از خط میباشد:
2-1-2 ولتاژ شینهها
ولتاژ شینههای سیستم توزیع شعاعی بایستی بین مقادیر حداقل و حداکثر محدود شود. به همین منظور از رابطهی زیر استفاده می-شود که در آن Vi,min و Vi,max مقادیر بالا و پایین دامنه ولتاژ می-باشند:
3-1-2 ظرفیت DGها
برای در نظرگیری محدودیت در ظرفیت تولیدات پراکنده از رابطهی زیر استفاده میشود که در آن PDG,min و PDG,max مقادیر ماکزیمم و مینیمم توان خروجی DG میباشند: - 10 - PDG ,max PDG PDG ,min
4-1-2 محدودیت بهای مناقصه
برای در نظرگیری محدودیت در بهای مناقصه از رابطهی زیر استفاده میشود که در آن CPDG,min و CPDG,max مقادیر ماکزیمم و مینیمم بهای مناقصه میباشند:
5-1-2 محدودیت پخش بار
برای در نظرگیری محدودیت پخش بار از رابطهی زیر استفاده میشود که در آن bmn، gmn و mn بهترتیب سوسپتانس، کندوکتانس - - 1/ و زاویهی امپدانس انشعاب - یا خط - بین باس-های mام و nام، میباشند:
6-1-2 محدودیت سرمایهگذاری مالک DG
برای در نظرگیری این محدودیت از رابطهی زیر استفاده میشود که در آن C maxinvestment ماکزیمم مقدار سرمایهگذاری از نقطه نظر مالک DG میباشد:Cinvestment C maxinvestment - 13 -
-3 اصول بهینهسازی چند هدفه و الگوریتم ژنتیک چند هدفه - NSGAII - در اغلب مسائل بهینهسازی - بویژه آنهایی که در سیستمهای قدرت قابل کاربرد هستند - بیشتر از یک تابع هدف وجود دارد که بایستی همزمان بهینه شوند. دو تفاوتهای اصلی بین تکنیکهای بهینهسازی چند هدفه و بهینهسازی تک هدفه مرسوم، عبارت است از:1. چندین تابع هدف بایستی همزمان بهینه شوند. 2. مجموع های از جوابهای بهینه وجود دارد که مطابق با روشهای ریاضی، مجموعهای از جوابهای به یک اندازه مناسب - این معنی میدهد که هیچ کدام از آنهای بر دیگری ارجحیت ندارد و یک مصالحه در انتخاب یکی از آنها - بجای یک جواب بهینهی تکی، وجود دارد. عموماً هر مسئلهی بهینهسازی چند هدفه شامل تعدادی از آبجکتها و چندین محدودیت مساوی و نامساوی میباشد که می-تواند به شکل رابطهی - 14 - فرمولبندی شود: هر جواب در دسته جواب بهینهی پرتو دو مشخصهی اصلی دارد: 1. برای هر دو جواب متعلق به جبهه پرتو یکسان رابطهی - 15 - صادق میباشد: این به این معنی میباشد که برای هر جواب ̅ متعلق به جبهه-ی پرتو { } حداقل یک جواب ̅ وجود دارد که بهتر از ̅ برای حداقل یک از تابع هدفها - در اینجا n نامیده میشود - میباشد. بعبارت دیگر هیچ جوابی در یک جبههی بهینهی پرتو، در میان همه-ی اعضاء مجموعه بهنگام در نظر گیری همهی آبجکتها، بهتر نمی-باشد.
