بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تعیین مکان و ظرفیت بهینه سیستم هاي فتوولتائیک با در نظر گرفتن قابلیت اینورتر این سیستم ها براي تامین توان راکتیو
چکیده: در مسائل مکانیابی که تاکنون براي سیستم فتوولتائیک انجام شده است، این سیستم به عنوان منبع تولید توان اکتیو در نظر گرفتهآنجاشده است. اما از که در تمام ساعات روز و در فصول مختلف از حداکثر ظرفیت سیستم (با توجه به تغییرات تابش) استفاده نمی شود و همچنین در طول ساعات شب توان اکتیو تولیدي سیستم صفر می باشد، می توان با طراحی کنترلر مناسب براي اینورتر سیستم، از مابقی ظرفیت آن در طول ساعات روز و همچنین از تمام ظرفیت در ساعات شب براي تزریق توان راکتیو بهره برد. هدف این مقاله تعیین مکان و ظرفیت بهینه سیستمهاي فتوولتائیک با در نظر گرفتن قابلیت اینورتر این سیستمها براي تامین توان راکتیو و با هدف کاهش تلفات و بهبود پروفیل ولتاژ می باشد. شبیه سازيها با بهره گیري از الگوریتم مورچگان و با در نظر گرفتن تغییرات بار و تابش سالیانه انجام شده است. نتایج حاصله از شبیه سازي هاي صورت پذیرفته بر روي شبکه توزیع 33 شینه استاندارد IEEE نشان می دهد که ظرفیت تولید توان راکتیو سیستم-هاي PV، داراي تاثیر قابل ملاحظه اي در انتخاب مکان و ظرفیت بهینه این سیستمها می باشد که نتیجه آن کاهش تلفات و بهبود بیشتر پروفیل ولتاژ شبکه است.
واژه هاي کلیدي: سیستمهاي فتوولتائیک، کاهش تلفات، مکان یابی، الگوریتم مورچگان
-1 مقدمه
افزایش سریع قیمت نفت خام، مسائل زیست محیطی و کمبود سوخت هاي فسیلی حوزه تولید برق را در آینده نزدیک با مشکلات جدي روبرو می کند چرا که سوخت هاي فسیلی نقش عمده اي در روش هاي سنتی تولید برق ایفا می کنند. از اینرو بهره برداري از منابع تولید پراکنده انرژي (DG) متصل به شبکه، خصوصا منابع مبتنی بر انرژي هاي تجدید پذیر در حال افزایش است. از جمله اثرات مثبت فعالیت DG ها در شبکه می توان به مواردي چون کاهش تلفات، بهبود پروفیل ولتاژ، بهبود کیفیت توان و افزایش بازده کل انرژي اشاره کرد .[1] سیستم هاي فتوولتائیک به عنوان یکی از منابع تولید پراکنده، علیرغم تکنولوژي پیچیده، بدلیل عدم نیاز به سوخت و طبیعت پاکیزه مورد توجه بسیاري قرار گرفته است. بدیهی است که براي حضور این سیستم ها در شبکه قدرت فاکتورهاي متعددي در برنامه ریزي سیستم قدرت مد نظر قرار می گیرد که از آن جمله می توان به بهترین مکان، تعداد و ظرفیت بهینه واحد ها اشاره نمود.
مطالعات زیادي در زمینه مکان یابی واحد هاي تولید پراکنده از جمله سیستم هاي فتوولتائیک و بررسی تاثیرات آنها بر پارامتر هاي شبکه و به دنبال آن کاهش اثرات منفی و تقویت نتایج مثبت به کارگیري DG ها در شبکه قدرت انجام گرفته است .[2] در مرجع [3] اثرات سیستم هاي فتوولتائیک در شبکه هاي توزیع مورد بررسی قرار گرفته مرجع است. [4] مسئله مکان یابی و تعیین ظرفیت یک نیروگاه فتوولتائیک را با هدف کمینه کردن تلفات انجام داده مرجع است. در [5] سه مکان کاندید و بیست و پنج ضریب
نفوذ جهت استقرار یک سیستم PV مورد بررسی قرار گرفتهاند و بهترین جواب با ارزیابی پروفیل هاي ولتاژ و میزان کاهش تلفات انتخاب شده است.
یکی از مسائلی که در رابطه با سیستم هاي فتوولتائیک مطرح می باشد، تاثیر پذیري خروجی آن از شرایط جوي خصوصا شدت تابش خورشید می باشد. با توجه به اینکه میزان تابش در ساعات مختلف روز تغییر میکند بنابراین میزان توان اکتیو تولیدي سیستمهاي فتوولتائیک نیز تغییر میکند. از اینرو اگر از PV فقط به منظور تولید توان اکتیو استفاده کنیم، بخشی از ظرفیت اینورتر آن در طول ساعات شبانه روز بدون استفاده باقی می ماند. مرجع [6] مفهومی جدید براي استفاده بهینه از سیستم PV به عنوان STATCOM و به منظور کنترل ولتاژ و اصلاح ضریب توان در طول ساعات شبانه روز ارائه می دهد که می توان با تکیه بر این مفهوم، از سیستم هاي PV به صورت بهینه تري بهره برداري نمود. همچنین در تکمیل این کاربرد در مرجع [7] یک کنترل کننده مناسب براي این منظور پیشنهاد شده است. بر پایه این کاربرد جدید می توان از باقی مانده ظرفیت اینورتر در طول روز و مضاف بر آن، از تمام ظرفیت اینورتر در ساعات شب، براي تولید توان راکتیو استفاده نمود. از اینرو مکان یابی و تعیین ظرفیت بهینه سیستم هاي PV تاثیر بیشتري بر کاهش تلفات و بهبود پروفیل ولتاژ شبکه خواهد داشت.
در این مقاله سیستم هاي فتوولتائیک به عنوان یکی از پرکاربردترین تکنولوژي هاي DG مورد مطالعه واقع می شوند و ظرفیت و مکان بهینه آنها در شبکه توزیع، با در نظر گرفتن قابلیت اینورتر این سیستم ها براي تامین توان راکتیو و با هدف کاهش تلفات و بهبود پروفیل ولتاژ انتخاب می گردد. در این راه تغییرات بار و تابش در ساعات شبانه روز و بصورت سالیانه در نظر گرفته شده است. براي انجام شبیه سازي ها سه سناریو براي شبکه توزیع مد نظر قرار گرفته است: -1 شبکه بدون سیستم PV، -2 شبکه با حضور PV و تولید توان اکتیو و -3 شبکه با حضور PV و تولید توان اکتیو و راکتیو. شبیه سازي ها با بهره گیري از الگوریتم مورچگان و با اعمال بر شبکه 33 شینه استاندارد IEEE انجام شده است که نتایج نشان دهنده تاثیر قابل توجه ظرفیت تولید توان راکتیو سیستم هاي PV، در انتخاب مکان و ظرفیت بهینه این سیستم ها می باشد.
-2 قابلیت اینورتر سیستم PV براي تامین توان راکتیو
اینورتر سیستم هاي فتوولتائیک متصل به شبکه، قابلیت تبدیل همزمان توان DC ذخیره شده در باطري و توان DC تولیدي توسط آرایه هاي PV را به توان AC دارا می باشد. شکل (1) توپولوژي یک سیستم PV متصل به شبکه را نشان می دهد.
شکل :(1) توپولوژي یک سیستم PV متصل به شبکه
توان اکتیو و راکتیو خروجی یک سیستم PV با اینورتر منبع ولتاژ (VSI)* می تواند به طور مستقل با زاویه توان و ضریب مدولاسیون کنترل شود .[8] محدوده توان راکتیو سیستم PV با اینورتر VSI همانطور که در شکل (2) نشان داده شده، معمولا وابسته به توان نامی اینورتر و توان اکتیو خروجی آرایه هاي PV می باشد .[9] حدود بالا و پایین توان راکتیو که بواسطه جریان اینورتر محدود شده از طریق رابطه زیر قابل محاسبه است.
مرجع [10] با در نظر گرفتن تابش خورشید برای یک موقعیت مکانی در کشور آلمان نشان می دهد که یک اینورتر با ظرفیت kVA ۱۰۰ که به یک سیستم PV با قدرت حداکثر kWp ۱۱۰ متصل می باشد، قادر به تامین توان راکتیو به میزان ۴۰kVAT برای بیش از ٪۹۹/۹ سال می باشد. بررسی اجمالی نتایج این تحقیق که در جدول (۱) آورده شده، نشان می دهد که قابلیت سیستم PV برای تامین توان راکتیو وابستگی قابل توجهی به ظرفیت اینورتر آن دارد. بطوریکه تنها با افزایش ظرفیت به میزان ۱۰kVA، ۲۰kVAT اضافی نیز در بیش از ٪۹۹/۹ سال در دسترس می باشد.
۳- ارزیابی اقتصادی تامین توان راکتیو توسط PV
دسبیستم های به منظور ارزیابی مزایای ظرفیت اینورتر PV برای تامین توان راکتیو، در ادامه مقایسه این قابلیت با بانک های خازنی ارائه می گردد. اگر اینورتر PV هزینه های کمتری را برای تامین توان راکتیو داشته باشد، می تواند جایگزین مناسبی برای روش های متداول دیگر باشد.
بانک خازنی یک جزء استاندارد شبکه قدرت برای جبران توان راکتیو می باشد که اغلب با نصب در تاسیسات صنعتی و مکان های معیں در شبکه، مورد استفاده قرار می گیرد. با توجه به ماهیت القایی بار در بیشتر وضعیت های شبکه که بدلیل وجود ترانسفورماتورها و ژنراتورهای القایی است، کاربرد خازن کافی به نظر می رسد. در شکل (۳) تجزیه و تحلیل هزینه های خازن برای تجهیزات صنعتی نشان داده شده است. تغییر هزینه ها به صورت غیر خطی بوده و به ساعات بار کامل مورد استفاده وابسته می باشد. هزینه ها با در نظر گرفتن مفروضاتی چون طول عمر ۲۰ سال، ٪۵ نرخ تنزیل و تلفات ۱/۵W/kVAT محاسبه شده اند. مطابق با شکل هزینه ها با افزایش ساعات بار کامل، کاهش می یابد.
مقایسه بین هزینه هاي خازن و هزینه هاي اینـورترPV (مرجع ([10] براي تامین توان راکتیو نشـان مـی دهـد کـه خازن ها هزینه کمتري دارند. اگر تـوان راکتیـو فقـط بـراي چند صد سـاعت در سـال لازم باشـد، اینورترهـايPV مـی توانند با بانک هاي خازن رقابت کنند. این رقابت مـی توانـد در سال هاي آینده براي ساعات بیشـتر و بـا کـاهش هزینـه هاي توان راکتیو تولیدي سیستم هايPV جـدي تـر شـود. اینورترهايPV می توانند در آینده کوتاه مدت با تامین توان راکتیو در ساعات پیک و در بلند مدت براي خـدمات بیشـتر مورد استفاده قرار گیرند. یک ویژ گی مهم تامین توان راکتیو توســط اینورترهــايPV امکــان دنبــال کــردن یکنواخــت تقاضاست. این یک مزیت مهم در مقایسه با تغییرات گسسته بانک هاي خازنی است که نتیجه آن کاهش اختلالات ولتـاژ گذرا و جبران سازي بهینه می باشد.
-4 فرمول بندي مسئله
هدف اصلی روش پیشنهادي تعیین بهترین مکان و ظرفیـت سیستم هاي PV با کمینه کردن توابع هـدف مختلـف مـی باشد. این مطالعه به منظور کاهش تلفات و همچنـین بهبـود پروفیل ولتاژ سیستم انجام گرفته است که در این بخـش بـه آن اشاره می گردد.
-1-4 مدل کاهش تلفات توان
کاهش تلفات توان الکتریکی از مهم ترین اهداف جهت مکان- یابی تولیدات پراکنده در نظر گرفته می شود. تلفات کل در طول یک فیدر طی یک بازه زمانی بصورت زیر قابل محاسبه است :[11]
که تعـداد شـاخه هـا، Rn و In مقاومـت و جریـان شاخه n ام، Nd برابر با تعداد ماه هاي سال و ∆t گـام زمـان است که در این مطالعه برابر با یک ماه در نظر گرفتـه شـده است.
-2-4 مدل بهبود پروفیل ولتاژ باس ها
ولتاژ باس ها یکی از مهم ترین شاخص ها در امنیت و کیفیت توان سیستم هاي قدرت می باشد که بصورت زیر بیان می گردد :[11]
که تعداد کل باس هاي سیستم می باشـد و ولتـاژ Vn ولتاژ واقعی در باس n ام و نیز ولتاژ نامی معرفـیمی گردد که در این مطالعه 1 P. U منظور شده است.
-3-4 تابع هدف مسئله
تابع هدف مسئله ترکیبی از عبارت هاي بالا خواهد بود. اما از آنجا که مقدار کاهش تلفات از شاخص دیگر بسیار بزرگتر است، آنگاه بهبود شاخص تلفات سهم عمده جواب نهایی را به خود اختصاص میدهد. از اینرو با نرمالیزه کردن هر شاخص بر اساس مقدار اولیهاش، تابع هدف کلی به صورت زیر ارائه می گردد:
که در رابطه بالا:
: OF تابع هدف کلی مسئله
: F1norm تابع هدف نرمالیزه شده براي کاهش تلفات
: F2norm تابع هدف نرمالیزه شده براي بهبود پروفیل ولتاژ و پارامترهاي w1,w 2 ضرایب وزنی می باشند که نشـانگر اهمیت نسبی آنها می باشد.
-4-4 قیود مسئله
قیود حاکم بر مساله به صورت زیر می باشد: -1 قید توازن توان
که در آن Pnpv و PDn به ترتیب توان اکتیو تولیدي PV و توان اکتیو مصرفی در باس n ام و PL معرف تلفات توان اکتیو در شبکه مورد نظر می باشد.
-2 محدوده تولید توان اکتیو و راکتیو توسط PV
-3 محدوده ولتاژ باس ها (رنج قابل قبول براي ولتاژ باس ها 0/95 تا 1/05 پریونیت در نظر گرفته شده است)
-5 الگوریتم مورچگان
یکی از مزیت هاي مهم الگوریتم مورچگان نسبت به سایر الگوریتم ها، سرعت بالاي آن در حل مسائل با پارامترهاي گسسته و همگرا نشدن به جواب محلی می باشد .[12] از اینرو در این مقاله جایابی بهینه سیستم هاي فتوولتائیک جهت تعیین مکان و ظرفیت آنها به روش الگوریتم مورچگان انجام گرفته است. ظرفیت هر سیستم PV از صفر تا دو مگاولت آمپر در نظر گرفته شده است و براي گسسته سازي ظرفیت، این مقادیر را در پله هاي 5 کیلوولت آمپري تغییر دادهایم. در شکل (4) فلوچارت پیاده سازي الگوریتم مورچگان نشان داده شده است. مراحل پیاده سازي الگوریتم به صورت زیر می باشد.
