بخشی از مقاله
-1 مقدمه
سیستم ذخیرهساز انرژی الکتریکی - 1ESS - ، سیستمی است که در آن انرژی الکتریکی به نوعی از انرژی - شیمیایی، حرارتی، مغناطیسی و ... - که قابلیت ذخیره شدن را دارا باشد، مبدل شده تا در صورت نیاز، مجددا به انرژی الکتریکی تبدیل شود. سیستم ذخیرهساز انرژی را میتوان به عنوان یک عامل حیاتی برای مدیریت انرژی و ایجاد یک شبکه مدرن و امن در نظر گرفت .[1] محدودیت در منابع، افزایش هزینه، نگرانیهای تغییر اقلیم و قوانین دولت، میل به افزایش تولید منابع انرژی تجدیدپذیر را زیاد کرده، از طرفی عدم قطعیت ناشی از منابع تجدیدپذیر مطالعات را به سمت استفاده از سیستمهای ذخیرهساز انرژی در شبکه برده است .[2]
با ادامه روند تکامل تکنولوژیهای ذخیرهسازی، کاربرد سیستمهای ذخیرهساز انرژی در شبکههای آینده، بیش از پیش توجه اپراتورهای سیستم را به خود جلب کرده است و کاربرد آنها در سیستم قدرت، در حال یافتن توجیه اقتصادی میباشد. یکی از کاربردهای اساسی سیستم ذخیرهساز انرژی، شیفت بار میباشد؛ یعنی هنگامی که تولید ارزان است انرژی ذخیره و در پیک بار که تولید گران است، انرژی تحویل داده میشود. بدین شکل سبب هموار شدن پروفیل بار میگردد.
به طور کلی سیستم ذخیرهساز میتواند در مواردی مانند کاهش مشکلات نوسان و قطعی منابع انرژی تجدیدپذیر، تبعیت از بار، پایداری ولتاژ و فرکانس، مدیریت پیک بار، بهبود کیفیت توان، رفع مشکلات ناشی از تراکم خط و تعویق ارتقای سیستم به بهبود کارآیی سیستم قدرت کمک کند .[3] هزینه سرمایهگذاری بالای سیستم ذخیرهساز انرژی، مدل سازی بهینه این سیستم را میطلبد تا علاوه بر بهرهبرداری مطلوب، اقتصادی نیز باشد. بدین منظور بهترین اندازه سیستم ذخیرهساز باید تعیین شود؛ چرا که ذخیرهساز کوچک - منظور کوچکتر از حالت بهینه - ممکن است در ارائه مزایای اقتصادی، انعطاف پذیری مطلوب و اهداف قابلیت اطمینان مورد نظر شبکه، ناکام بماند و ذخیرهساز بزرگتر، هزینه سرمایهگذاری و نگهداری بیشتری را به شبکه تحمیل کند. بنابراین، کاهش هزینههای بهره-برداری میتواند، سرمایهگذاری بر روی ذخیرهساز را توجیه کند که مقالات متنوعی به مبحث اندازه بهینه پرداختهاند .[6]-[4]
چالش اصلی ادغام سیستمهای ذخیرهساز انرژی و منابع انرژی تجدیدپذیر علاوه بر بدست آوردن اندازه بهینه سیستمهای ذخیرهساز، مکان و تعداد بهینه آنها نیز میباشد . علت مکانیابی بهینه سیستمهای ذخیرهساز انرژی این است که اگر سیستمهای ذخیرهساز انرژی در مکان درستی واقع نشوند؛ عواقبی همچون افزایش هزینه بهرهبرداری، افزایش تلفات سیستم، افزایش ظرفیت ذخیرهساز، کاهش و یا افزایش ولتاژ را در پی دارند. به همین خاطر ارائه یک روش مناسب برای بدست آوردن مکان بهینه سیستمهای ذخیرهساز انرژی امری ضروری است.
مکانیابی سیستمهای ذخیرهساز انرژی در مقالات متعدد و با اهداف متنوع انجام پذیرفته است. به طور مثال هدف مرجع [7] تعیین مکان و اندازه بهینه سیستمهای ذخیرهساز انرژی در یک شبکه قدرت به منظور کاهش هزینههای تولید، بوسیله حذف بار میباشد. مرجع [8] مکانیابی بهینه منابع ذخیرهساز را در یک سیستم توزیع قدرت با هدف کمینهکردن هزینههای خاموشی بررسی میکند. در بحث مکانیابی یکی دیگر از اهداف مهم که در مقالات به آن اشاره شده است تلفات میباشد.
در فیدرهای با تلفات زیاد اختصاص مقدار کمی سیستم ذخیرهساز انرژی میتواند تلفات را به مقدار قابل توجهی کاهش دهد .[9] در مرجع [10] یک روش برای یافتن مکان بهینه سیستمهای ذخیرهساز انرژی با هدف جلوگیری از تغییرات ولتاژ در شبکههای توزیع غیر شعاعی ارائه گردیده است. در این مرجع سیستم ذخیرهساز انرژی در باسی نصب شده است که بیشترین کاهش تلفات و کمترین تغییرات ولتاژ را دارا میباشد. یکی دیگر از کاربردهای اساسی سیستمهای ذخیرهساز که هدف مقالات میباشد، رفع تراکم خطوط انتقال ناشی از ساخت نیروگاههای بادی است. تراکم خط سبب افزایش قیمت برق و کاهش انعطافپذیری شبکه میگردد. با محدودیت انتقال، نیروگاه بادی میبایست تولید خود را متوقف کند، اما با استفاده از سیستمهای ذخیرهساز میتواند تولید خود را ذخیره و در ساعات دیگر به شبکه تحویل دهد .[11]
برای یافتن مکان بهینه سیستمهای ذخیرهساز در ریزشبکه، باید به این موضوع اشاره کرد که اکثر ریزشبکهها میتوانند در دو حالت متصل و منفصل از شبکه عملکرد داشته باشند، یافتن اندازه æ مکان بهینه برای یک مد عملکردی به معنی حالت بهینه برای مد عملکردی دیگر نمیباشد. هدف مرجع [12] پیدا کردن مکانæ اندازه سیستمهای ذخیرهساز انرژی در یک ریزشبکه، با در نظرگرفتن هر دو حالت، متصل به شبکه سراسری و حالت جزیرهای با هم است. این مرجع یک روش جدید برای پیدا کردن مکان و اندازه بهینه یک سیستم ذخیرهساز برای ریزشبکهها در ضمن عملکرد روزانه با در نظرگرفتن هر دو حالت متصل و منفصل از شبکه ارائه میدهد. در این مقاله روشی نوین برای یافتن تعداد، مکان و اندازه بهینه سیستمهای ذخیرهساز انرژی به منظور کاهش هزینه و افزایش قابلیت اطمینان شبکه با در نظر گرفتن بارهای پاسخگو پیشنهاد شده است. مقاله در ادامه به این صورت سازماندهی شده است که در بخش 2 انتخاب نوع ذخیرهساز، بخش 3 روش پیشنهادی، بخش 4 شبیهسازی و در بخش 5 نتیجهگیری مطرح میگردد.
-2 انتخاب نوع ذخیرهساز
در حال حاضر بیش از 140 گیگاوات ذخیرهساز انرژی در مقیاس بزرگ، در شبکههای برق در سراسر جهان نصب شده است. اکثر این ظرفیت شامل فناوریهای تلمبهای ذخیرهای - 2PH - و ترکیبی از فناوریهای باتری، ذخیرهساز هوای فشرده - 3CAES - ، چرخ طیار و ذخیرهساز هیدروژن میباشد .[1] برای ذخیرهسازی انرژی روشهای گوناگون وجود دارد. ذخیرهسازی انرژی الکتریکی از طریق 4 روش شیمیایی، حرارتی، مکانیکی و الکتریکی انجام میشود.
از جمله فناوریهای مهم ذخیرهسازی به روش الکتریکی می-توان به ذخیرهساز ابرخازن و ذخیرهساز مغناطیسی ابررسانا اشاره کرد. فناوریهای تلمبهذخیرهای، ذخیرهساز هوای فشرده و ذخیرهساز چرخ طیار از دسته ذخیرهسازهای مکانیکی میباشند. فناوریهای ذخیرهساز انرژی حرارتی محسوس، سیستمهای ذخیرهسازی انرژی حرارتی ناپیدا و سیستمهای ذخیرهساز انرژی حرارتی دما بالا از جمله سیستمهای ذخیرهساز حرارتی میباشند. سیستم ذخیرهسازی هیدروژن، سیستم برق به گاز، باطریهای جریانی، باطری لیتیم- یون، باطری لید-اسید و باطریهای دما بالا، فناوریهای ذخیرهساز به روش شیمیایی میباشند.
قبل از انتخاب یک فناوری ذخیرهسازی انرژی، به مجموعهای از معیارها به منظور کمک به اتخاذ تصمیمات صحیح نیاز است. این معیارها عبارتند از مقادیر نرخ توان و انرژی مورد نیاز، سرعت شارژ و دشارژ، درجه حرارت، حجم، وزن، راندمان، چرخهعمر و از همه مهمتر هزینه سرمایهگذاری که متناسب به هدف باید اولویت-بندی شوند. بطور مثال برای کاربردهایی مثل کیفیت توان، نیاز به تخلیه انرژی در کسری از ثانیه، برای کاربردهایی همچون ذخیره گردان، نیاز به تخلیه انرژی در حد دقیقه و برای کاربردهای همانند مدیریت انرژی شامل هموارکردن منحنی بار و پیکسائی، نیاز به تخلیه در حدود ساعت است. پس برای هر کدام از این اهداف ملاک مهم انتخاب، زمان شارژ و دشارژ میباشد. لذا باید سیستم ذخیرهساز با سرعت شارژ و دشارژ مناسب انتخاب شود.
نکته دیگر که در انتخاب نوع ذخیرهساز باید به آن توجه نمود، محل قرارگیری سیستم ذخیرهساز میباشد. سیستم ذخیرهساز انرژی میتواند در سراسر بخشهای سیستم انرژی شامل تولید، انتقال و توزیع استفاده شود. بهترین محل برای استقرار فناوری ذخیرهسازی به قابلیتی که از آن سیستم انتظار میرود، بستگی دارد. فناوری تلمبهای ذخیرهای سیستمی مناسب برای بخش تولید میباشد. در بخش انتقال فناوریهای مناسب عبارتند از باطری، CAES و چرخ طیار. در بخش توزیع نیز بیشتر از انواع باطریها استفاده میشود. بسته به اینکه مطالعه در کدام بخش از سیستم قدرت صورت میپذیرد و متناسب با اهداف، ذخیرهساز مورد نظر انتخاب میگردد.
در این مقاله از فناوری ذخیرهسازی CAES استفاده شده است که دلیل آن مزایایی همچون، زمان شارژ و دشارژ متناسب با هدف تعیین شده، هزینه سرمایهگذاری مناسب و کاهش هزینه-های شبکه است. از مزایای دیگر این سیستم در زمینه خدمات مدیریت شبکه میتوان به توانایی در تغییر حالت سریع از تولید به حالت ذخیرهسازی و بالعکس اشاره کرد. نکته بسیار مهم دیگر این است که نیروگاههای CAES قادر به پاسخگویی به بارهای متغیر در شبکه هستند؛ چرا که در مقابل تغییرات مداوم روشن و خاموش مقاوم میباشند. توان تولیدی توسط این نیروگاهها معمولاً بین 50 تا 300 مگاوات است که در محدوده توان مناسب برای هدف این مقاله میباشد. این مقدار توان از تمامی روشهای ذخیرهسازی به جز روش تلمبهای ذخیرهای بیشتر است . [13 ]
-3 روش پیشنهادی
در این مقاله روش جدیدی برای بدست آوردن مکان و اندازه بهینه سیستمهای ذخیرهساز انرژی ارائه شده که در این روش علاوه بر در نظر گرفتن هزینههای تولیدی، از شاخصهای قابلیت اطمینان نیز استفاده شده و حضور بارهای پاسخگو نیز در سیستم قدرت مدل شده است. پاسخگویی بار الکتریکی به تغییر استفاده الکتریکی بوسیله تمام مشترکین از الگوی اسمی در پاسخ به تغییر قیمت برق در هر زمان میباشد. بدون استفاده از بار پاسخگو حتی با وجود سیستمهای ذخیرهساز انرژی و با توجه به هزینههای بالای آن، در مواردی از جمله در پیک بار، شبکه با مشکل کمبود تولید مواجه میشود و لذا حذف بار اجباری امری ضروری است و از آنجا که همه تلاش اپراتورهای سیستم قدرت در تامین برق بدون قطع میباشد، این حذف بار سبب خاموشی و در ادامه عدم رضایت مشتریان میشود، اما بار پاسخگو با توجه به این که با تعامل با مشتریان صورت میگیرد، نهتنها باعث نارضایتی مشتریان نمیشود بلکه رضایت آنها را نیز در پی دارد.
در این مقاله برنامه پاسخگویی بار بدین صورت انجام میپذیرد که مقداری از بار در ساعات پیک و در ساعاتی که شبکه در حالت بحرانی قرار دارد و ذخیره ما کم است، از بارهای مستقیما قابل کنترل و بارهای وقفه پذیر کاهش مییابد. در این طرح مشتریان مزایای پاسخگویی بار را به عینه مشاهده میکنند که به وسیله پرداختهای تشویقی محقق میشود. این هزینه در تابع هدف دیده شده است. استفاده از بار پاسخگو در ساعات پیک، نیاز به استفاده از یک ذخیرهساز بزرگ، فقط برای ساعات محدود را کاهش می-دهد. بدین صورت بر اندازه ذخیرهساز و هزینه بهرهبرداری تاثیر میگذارد و همچنین سبب کاهش خاموشی و افزایش قابلیت اطمینان میشود. بدست آوردن مکان واندازه ذخیرهساز در قالب یک مساله بهینه سازی بصورت زیر تعریف میشود.
