بخشی از مقاله
چکیده - در شبکهای هوشمند، مفهوم تأمین انرژی صرفاً به معنای تأمین انرژی الکتریکی محدود نمی شود. در چنین سیستمهایی منابع تولیدکننده انرژی میتوانند علاوه بر انرژی الکتریکی، گرمایش و سرمایش مورد نیاز در هاب انرژی را نیز فراهم نمایند. تعیین سایز بهینه و اقتصادی این مجموعه که شامل واحدهای تولید همزمان برق و حرارت، بویلرهای کمکی، سیستم های تهویه مطبوع - HVAC - و ذخیرهسازهای انرژی که عمدتاً از نوع باتری هستند، به عنوان یک چالش در برنامهریزی بلندمدت محسوب می گردد.
این مقاله به دنبال یافتن ظرفیت بهینه این تجهیزات و خرید اشتراک - دیماند - متناسب با ظرفیت هاب انرژی است. به منظور شبیهسازی روش پیشنهادی، از یک برنامه بهینهسازی دوسطحی استفاده شده است که در سطح نخست سایز بهینه تجهیزات و در سطح دوم، بهرهبرداری بهینه از آنها در افق کوتاهمدت مورد توجه است. در سطح نخست از الگوریتم ژنتیک و در سطح دوم، از برنامه GAMS بهره گرفته شده است.
-1 مقدمه
مفهوم هاب انرژی، به معنای یک سیستم متشکل از کلیه حاملهای انرژی و مبدلهای آن میباشد و عمدتاً شامل سیستم های تولید انرژی، تبدیل انرژی و ذخیره ساز انرژی است .[1] در شبکه های هوشمند انرژی الکتریکی، در آخرین زنجیره یعنی بخش مصرف، تمرکز تولید و تبدیل انرژی به شکل الکتریکی، گرمایش و سرمایش می تواند از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد .[2] ضمن آنکه به دلیل تلفات در بخش گرمایش و سرمایش که به شکل غیرمحلی تأمین شده باشد بسیار زیاد و تقریباً غیر اقتصادی است.
مفهوم تولید انرژی عمدتاً به تولید انرژی الکتریکی اشاره دارد و شامل واحدهای تولید پراکنده و مقیاس کوچک که می تواند از نوع بادی، خورشیدی، میکروتوربین های گازی و ... باشد. عبارت تبدیل انرژی، به تغییر شکلی از انرژی به شکل دیگر اشاره دارد و منظور بیشتر تبدیل انرژی الکتریکی به گرمایش و سرمایش، تبدیل انرژی شیمیایی سوخت های فسیلی به انرژی الکتریکی، گرمایی است. به عنوان مثال، واحدهای تولید همزمان انرژی الکتریکی و حرارتی - CHP - و بویلر نمونههایی از این قبیل هستند که سوخت فسیلی، عمدتاً گاز طبیعی را به حرارت و یا ترکیب حرارت و برق تبدیل مینمایند. در مورد هیترهای برقی نیز به شکل مشابه، اما با تغییر ماهیت انرژی الکتریکی به حرارتی این موضوع صادق است. سیستم های ذخیره ساز انرژی نیز در هر سه شکل الکتریکی، گرمایش و سرمایش قابل توصیف و پیاده سازی است اما شکل الکتریکی آن در قالب باتری برای ذخیره سازی انرژی الکتریکی در مقیاس اقتصادی در دسترس است .
[3] مجموعه پژوهش های صورت گرفته در این زمینه را می توان در سه دسته بندی کلی تقسیم بندی نمود: روشهای ارزیابی و راهکارهای مرتبط با آن، استراتژی های بهره برداری بهینه از تجهیزات و در نهایت موضوع برنامه ریزی بهینه و تعیین ظرفیت تجهیزات مورد نیاز .[4] در دسته نخست، یعنی روشهای ارزیابی æ راهکارهای مرتبط با آن، می توان به ارزیابی اقتصادی طرح ها، موضوع قابلیت اطمینان، بحث انتشار گازهای آلاینده و مسائل مربوط به بهره وری و بازدهی تجهیزات اشاره نمود. شکل - 1 - مدل مفهومی هاب انرژی در یک شبکه توزیع هوشمند را نشان می دهد که ورودی های آن حامل های انرژی فسیلی - گاز طبیعی - æ انرژی الکتریکی و خروجی آن، انرژی الکتریکی، سرمایش و گرمایش مورد نیاز برای مصارف خانگی یا مجتمع های تجاری میباشد.
شکل - : - 1 مدل مفهومی هاب انرژی [5]
در دسته سوم مطالعات، موضوع برنامهریزی و تعیین ظرفیت بهینه تجهیزات مورد توجه پژوهشگران قرار دارد .[6] در پژوهشی که توسط Zhang و Karady صورت گرفته است [7]، موضوع تعیین ظرفیت بهینه تجهیزات بر اساس شاخص های بازدهی، مشخصه و ناحیه عملکرد، هزینه اولیه و از آن مهمتر شرایط بار سیستم مورد بررسی و ارزیابی دقیق قرار گرفته است.[7] در عمل، مسئله برنامه ریزی برای تعیین ظرفیت های بهینه تجهیزات در شبکه هوشمند مورد مطالعه، یک مسئله بهینه سازی هیبرید شامل متغیرهای تصمیم گسسته و پیوسته فرانو است که معمولاً توسط روش های بهینه سازی هوشمند و ابتکاری تحلیل میگردند.
یک مدل کارا و موثر برای تحلیل سیستمی شامل مولدهای تولید همزمان انرژی الکتریکی، سرما و گرما موسوم به CCHP در یک شبکه هوشمند، با تعداد زیادی از این قبیل واحدها در کنار سیستم های ذخیر ه ساز انرژی منجر به تبدیل مسئله بهینه سازی مورد نظر به یک مسئله بهینه سازی غیرخطی مختلط با عدد صحیح - MINLP - خواهد شد. در این مسئله بهینه سازی شامل سه بخش خواهد بود:
- تحلیل مسئله ترکیب
- تحلیل مسئله طراحی
- تحلیل مسئله بهرهبرداری
در مسئله تعیین ترکیب بهینه، نوع و کلاس تجهیزات مورد نیاز برای تأمین بارهای الکتریکی، سرمایشی و گرمایشی تعیین می گردد. با توجه به تعدد واحدهایی که خروجی مشابه دارند، باید در این مرحله مشخص شود که چه تجهیزاتی برای این منظور انتخاب گردند. در مرحله دوم، که موسوم به مرحله طراحی است، باید ظرفیت این تجهیزات و تعداد آن ها به گونه ای انتخاب گردد که متناسب با بار متغیر شبکه در طول ماهها و روزهای مختلف سال، با کمترین هزینه و ریسک امکان بهره برداری فراهم باشد.
در بخش نهایی، یعنی مسئله بهره برداری با توجه به واحدهای در دسترس در هر دوره زمانی و متناسب با تقاضای بار، باید به گونه ای برنامه ریزی صورت پذیرد که با کمترین هزینه ممکن، بار تأمین گردد. در برخی موارد موضوع بهینهسازی صرفاً به کمینه سازی هزینه معطوف نبوده و توابع هدف متعددی نظیر کمینهسازی انتشار گازهای آلاینده، قابلیت اطمینان، ریسک و ... نیز به عنوان توابع هدف مورد توجه قرار میگیرند [4] و .[8]در این مقاله، موضوع برنامه ریزی بلندمدت برای انتخاب نوع تجهیزات و تعداد و ظرفیت آنها با رویکرد بهینه سازی هزینه بهره برداری از آن ها در افق کوتاه مدت مورد مطالعه قرار گرفته است.
مدل مسئله بهینه سازی مورد نظر به گونه ای طراحی شده است که بتوان مسئله مورد نظر را با روش های هیبرید و ترکیبی بهینه سازی حل نمود. روش بهینه سازی مورد نظر در این مقاله یک روش بهینه سازی دو سطحی است که در سطح نخست از الگوریتم ژنتیک برای تحلیل مسئله ترکیب و طراحی بهره گرفته شده است. در سطح دوم آن، تحلیل مسئله بهرهبرداری مورد مطالعه قرار خواهد گرفت که با توجه به طرح پیشنهادی از سطح نخست، بهره برداری بهینه از تجهیزات در دسترس به انجام خواهد رسید. در این بخش از مسئله بهینهسازی، از روش برنامه ریزی غیرخطی تحت نرم افزار GAMS بهره گرفته شده است.
بخشهای مختلف این مقاله به شرح زیر است: در بخش دوم، موضوع برنامه ریزی بلندمدت برای یک هاب انرژی مورد مطالعه قرار گرفته است. در بخش سوم، مدل ریاضی مسئله برنامهریزی و بهره برداری از هاب انرژی در افق بلندمدت و کوتاه مدت در قالب یک مدل یکپارچه ارائه شده است. بخش چهارم این مقاله به موضوع تکنیک بهینه سازی هیبرید پیشنهادی برای حل مسئله اختصاص یافته است. بخش پنجم به ارزیابی مورد مطالعاتی، شبیه سازی و تحلیل نتایج آن اختصاص یافته است. این مقاله در بخش ششم با نتیجهگیری نهایی به اتمام میرسد.
-2 برنامهریزی بلندمدت برای یک هاب انرژی
موضوع برنامه ریزی برای تعیین آرایش بهینه برای سایز و ظرفیت تجهیزات مورد نیاز هاب انرژی، یک موضوع بهینه سازی در افق بلندمدت است که به شرایط بار کوتاه مدت در سیستم تحت مطالعه به شدت وابسته است. تنوع میزان تقاضای بار کل در شکل حرارتی، گرمایش و سرمایش در ماه های مختلف سال، روزهای کاری و غیرکاری و ساعت به ساعت در شبکه های قدرت، بر انتخاب سایز بهینه تجهیزات مورد نیاز به شدت اثرگذار خواهد بود .
[9] به عبارت دیگر، شرایط بهره برداری در افق کوتاه مدت ارتباط مستقیمی با ظرفیت در دسترس آن ها دارد که باید برای یک افق بلندمدت برنامهریزی گردد [4] و.[5] در زمینه بهره برداری از تجهیزات موجود، می توان به تأمین بار در شکل الکتریکی و غیر الکتریکی - عمدتاً سرمایش و گرمایش - و تعیین نقطه کار بهینه بهره برداری اشاره نمود. موضوع مدیریت بارهای حرارتی [10] و تأمین آنها از طریق دنبال نمودن روند تقاضا برای بار الکتریکی و حرارتی در افق تحت مطالعه نیز نمونه هایی از این دسته مطالعات به شمار می روند .
[11] در این زمینه، اولویت بندی برای تأمین بار حرارتی و الکتریکی می تواند به دو شکل صورت پذیرد. در مدل نخست، تأمین بار حرارتی اولویت اول را خواهد داشت و مازاد نیاز به انرژی الکتریکی باید از طریق شبکه الکتریکی تأمین گردد. در مدل دوم، اولویت اصلی بر تأمین بار الکتریکی استوار شده است و مازاد نیاز حرارتی غیر قابل تأمین توسط واحدهای تولید همزمان، باید از طریق بویلرها تأمین گردد. در چنین مدل هایی اتلاف انرژی بیش از نیاز هاب، امری بدیهی به نظر میرسد.
-3 مدل ریاضی برنامهریزی در هاب انرژی
مسئله برنامه ریزی بلندمدت شامل تعیین نوع، ظرفیت و تعداد تجهیزات مورد نیاز برای خرید و نصب در یک هاب انرژی می باشد. این مسئله در سطح نخست، فقط شامل کمینه سازی هزینه های سرمایه گذاری و خرید و نصب تجهیزات مورد نیاز میباشد. بخش اول تابع هدف در شکل گسترده، بیانگر مجموع هزینههای سرمایه گذاری برای خرید تجهیزات هاب نظیر CHP، بویلرها، میکروتوربین ها، سیستم های تهویه مطبوع و هیترهای برقی می باشد. هزینه تجهیزات مورد نظر در صورتی در تابع هدف لحاظ می گردد که متغیر باینری I* برابر با “1” باشد. به عبارت دیگر، مسئله سطح نخست، یعنی مسئله ترکیب و طراحی، یک مدل متغیر با عدد صحیح بوده و دارای متغیرهای گسسته و باینری خواهد بود.
بخش دوم، شامل مجموعه هزینه های بهره برداری واحدهای CHP، بویلرها، میکروتوربینها، سیستمهای تهویه مطبوع، هیترهای برقی و هزینه های تبادلی با شبکه قدرت می باشد. بدیهی است که در صورت تزریق توان به شبکه سراسری، - Hub2Grid - درآمدی عاید هاب انرژی خواهد شد که میتواند بخشی از هزینههای سیستم را جبران نماید. هر یک از تجهیزات یاد شده دارای یک هزینه سرمایه گذاری و یک ظرفیت نامی هستند و باید در محدوده مجاز تعیین شده توسط کارخانه سازنده و متناسب با محل بهره برداری از تجهیزات از آنها بارگیری صورت پذیرد.
