بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله جایابی و تعیین ظرفیت بهینه واحدهای تولید پراکنده به منظور کاهش تلفات توان و بهبود پروفیل ولتاژ در شبکه های توزیع با استفاده از الگوریتم ژنتیک ارائه شده است. روش پیشنهادی نسبت به سایر الگوریتم ها ، از دقت و سرعت همگرایی بالاتری برخوردار و جواب های دقیقتری را بدست می دهد. برای نشان دادن قابلیت روش پیشنهادی، شبکه 33 باسه استاندارد شعاعی بعنوان شبکه نمونه و برای آنالیز وضعیت شبکه در هر مرحله، برنامه پخش بار پسرو- پیشرو که از سرعت و دقت همگرایی قابل قبولی برخوردار است بکار گرفته شده است. تابع هدف مسئله شامل دو بخش کاهش تلفات توان و بهبود پروفیل ولتاژ که با استفاده روش پیشنهادی بهینه می گردد.
مقدمه
تقسیم ژنراتورهای DG در سیستم قدرت به طور آهسته در سالهای اخیر افزایش یافته است. مبتنی بر گزارش CIGRE، [4] در نتیجه آزادسازی بازار برق در اروپا، استفاده از DG به ترتیب در دانمارک و هلند به 37% و 40% رسیده است
اعداد ممکن است در تعریف آژانسهای مختلف از DG در روشهای مختلف، متفاوت باشند، گرچه با پروتکل Kyoto و اجرا شدن آن در یک بازار مطلوب برای DG که از تکنولوژیهای سبز آمدهاند، سهم DG افزایش یافته و هیچ نشانهای از کاهش در آینده نزدیک نخواهد بود. علاوه بر این، ابتکارات قانون در ارتقای DG در سراسر جهان نیز نشان میدهد که تعداد به سرعت رشد میکند. همزمان با اینکه نفوذ DG در سیستم توزیع افزایش یافت، این بهترین بهره را برای تمامی بازیگران سهیم در تخصیص DG در روش بهینهای که تلفات سیستم را کاسته و در نتیجه پروفایل ولتاژ را بهبود میبخشد.
مطالعات نشان میدهد که انتخاب نامناسب مکان و اندازه DG، ممکن است به تلفات بیشتر سیستم نسبت به تلفات بدون DG منجر شود. شرکتها قبلاً با مشکل تلفات بالای توانی و پروفایل ضعیف ولتاژ روبرو شدهاند، مخصوصاً در کشورهای توسعهیافته، نمیتوانند هر افزایش در تلفاتی را متحمل شوند. با تخصیص بهینه، شرکتها مزایایی همچون کاهش تلفات در سیستم، بهبود تنظیم ولتاژ و ارتقای قابلیت اطمینان تغذیه بهره میبرند
این همچنین ظرفیت را از سیستم انتقال و توزیع برمیدارد و نیز سرمایهگذاریهای جدید را به تاخیر انداخته که دارای زمان انجام کار طولانی میباشد.DG را میتوان به عنوان یکی از گزینههای بادوام برای برطرف کردن مشکلاتی - نظیر تلفات بالا، قابلیت اطمینان پایین، کیفیت توان ضعیف، تراکم در سیستم انتقال - که سیستمهای قدرت با آنها مواجه هستند، میباشد که جدا از برآورده کردن تقاضای انرژی حتی بارهای در حال رشد است. علاوه بر این، اندازه قیاسی و کوچک DG کار طراح را در نصب آن در چارچوب زمانی کمتر نسبت به راهحلهای سنتی، راحت میکند.
این برای نصب DG در تنظیمات فعلی تاسیسات مفیدتر است، که به سمت محیط غیر متمرکز حرکت میکنند جایی که یک عدم قطعیت بالاتری در تغذیه و تقاضا وجود دارد. گرچه با معلوم بودن گزینهها، آنها نیاز به قرار گرفتن در مکانهای مناسب با اندازههای مناسب دارند. بنابراین، ابزاری برای توسعه مورد نیاز است تا موقعیتها و اندازهدهی نصب DG را تست کنند. تخصیص بهینه DG میتواند همانند جبران توان اکتیو رفتار میکند، که شبیه تخصیص خازن در جبران توان راکتیو میباشد. مطالعات تخصیص DG برخلاف تخصیص خازن نسبتاً نوین میباشد.
در مرجع [16, 11] الگوریتم بخش بار برای یافتن اندازه بهینه DG در هر باس بار ارائه گردیده است که فرض شده است که هر باس بار میتواند منبع DG داشته باشد. گرچه چنین روشهایی به دلیل حجم وسیهی از محاسبات ناکارآمد هستند. الگوریتم ژنتیک مبتنی بر این روش برای تعیین سایز و موقعیت در مرجع [12, 6] استفاده شده است.
در مرجع [20] روش تحلیلی برای مکانیابی DG در سیستمهای شعاعی همانند سیستمهای حلقوی برای مینمم کردن تلفات توان در سیستم ارائه شده است. در این روش عبارتهایی را برای سیستم شعاعی و شبکه استخراج شده است و یک رویه پیچیده مبتنی بر جریان فازوری برای حل مسائل موقعیت ارائه شده است. گرچه، این روش تنها موقعیت را بهینه میکنند و اندازه DG را ثابت در نظر میگیرد.
در این مقاله، یک عبارت تحلیلی برای محاسبه اندازه بهینه DG ارائه شده است و یک روش موثر برای شناسایی موقعیت بهینه برای جایابی DG ارائه گردیده است. روش ارائه شده از لحاظ محاسباتی سبکتر است. DG برای قرار گرفتن در سیستم توزیع شعاعی در نظر گرفته میشود و هدف از جایابی DG کاهش تلفات و بهبود پروفیل ولتاژ است. هزینه DG و دیگر مزایای مرتبط در نظر گرفته میشود تا زمانی که حل مساله موقعیت و اندازه صورت گیرد. روش ارائه شده برای تخصیص DG در یک شبکه توزیع مشخص، مناسب است.
تولیدات پراکنده
تولید پراکنده، یک منبع توانی است که مستقماًی به شبکه توزیع یا سمت مصرف متصل میشود. [9] ممکن است برحسب عباراتی ساده همچون تولید برق در مقیاس کوچک درک شده باشد. تعریف تولید پراکنده شکلهای مختلفی در بازارها و کشورهای مختلف به خود میگیرد و به طور متفاوتی توسط آژانسهای مختلف تعریف میشود. IEA تولید پراکنده را به صورت ذیل تعریف میکند که نیروگاه تولیدی که مصرفکننده را در سایت سرویسدهی کرده و یا پشتیبانی را برای یک شبکه توزیع متصل به شبکه در ولتاژهای سطح توزیع را تامین میکندCIGRE . [9] ، DG را بدین صورت تعریف میکند که تولیدی که ویژگیهای زیر را داشته باشد:
- 1 به صورت متمرکز طراحی نمیشود؛ در حال حاضر به صورت متمرکز دیسپچ نمیشود؛معمولاً به شبکه توزیع متصل میشود؛ کمتر از -50 MW100 است. دیگر سازمانها نظیر EPRI بدین صوت تعریف میکند که تولیدی است که از چندکیلووات تا MW50 میباشد.
به صورت کلی DG به معنی تولید در مقیاس کوچک است. تعدادی تکنولوژی DG در بازار امروز در دسترس میباشد و تعدادی هنوز در مرحله بررسی و توسعه میباشند . برخی از تکنولوژیهای موجود موتورهای حرکت رفت و برگشتی، توربینهای میکرو، توربینهای گازی احتراقی، سلولهای سوختی فوتوولتائیک و توربینهای بادی هستند. هر یک از این تکنولوژیها دارای مزیت و ویژگیهای مختص به خود میباشند. در میان تمامی DGها، موتورهای رفت و برگشتی گازی یا دیزل و توربینهای گازی تاکنون بیشترین ظرفیت نصب شده را به خود اختصاص دادهاند.
به طور همزمان، تکنولوژی DG جدید مثل توربین میکرو معرفی شده و تکنولوژی قدیمی نظیر موتور رفت و برگشتی ارتقا یافته است. سلولهای سوختی تکنولوژی آینده هستند. گرچه، برخی از پروژههای آزمایشگاهی نیز در دست بررسی میباشد.
هزینههای سیستمهای فوتوولتائیک انتظار میرود که به طور مداوم در طی دهه بعدی کاهش پیدا کند. این به این تاکید میکند که آینده تولید توان، DG است. تغذیه توان پیک برای کاهش هزینه برق، کاهش انتشارات زیست محیطی از طریق تکنولوژیهای پاک و تجدیدپذیر، ترکیب توان و حرارات - CHP - ، سطح بالای قابلیت اطمینان و کیفیت توان تغذیه و انتقال پرداختهای نقدی از گذشته به دوره یِآت مربوط به سرمایهگذاری خطوط انتقال و توزیع از طریق بهبود ظرفیت بار، کاربردهای اصلی DG میباشند.
به غیر از این کاربردها، کاربرد اصلیِ DG در فضای تجدید ساختاریافته در شکل خدمات جانبی میباشد. این خدمات جانبی شامل رزروهای چرخان و غیرچرخان، تغذیه توان راکتیو و کنترل ولتاژ و غیره میباشد
DG همچنین مزایای مختلفی نظیر کاهش هزینه انرژی از طریق تولید ترکیبی توان حرارتی، اجتناب از هزینههای انتقال برق، و کمتر در معرض قرار گرفتن تغییرات قیمت میباشد. گرچه DG به عنوان یک راهحل بادوام برای اکثر مسائل در نظر گرفته میشود که تاسیسات امروزی با آنها روبرو هستند، بسیاری از مشکلات - مثل اتصال DG به شبکه، قیمتگذاری، تغییر در طرح حفاظت و مزاحمت تریپ کردن و غیره - وجود دارند که باید آدرسدهی شوند. علاوه بر ایننوعِ تکنولوژی DG اتخاذ شده، نقش عظیمی در روش حل دارد. در این مطالعه، DGs ها قادر به تغذیه توان اکتیو تنها در نظر گرفته شدهاند.
مسائل موقعیت و اندازه دهی
شکل 1 یک تصویر سهبعدی از تلفات توان نمونه در برابر اندازه DG در هر باس در سیستم توزیع را نشان میدهد. از شکل واضح است که برای یک باس مشخص، همچنانکه اندازه افزایش مییابد، تلفات به یک مقدار مینیمم کاهش یافته و تحت یک مقدار از اندازه DG در آن موقعیت - یعنی اندازه بهینه - DG افزایش مییابد. اگر اندازه DG بیشتر افزایش یابد، تلفات شروع به زیاد شدن کرده و شبیه این خواهد بود که ممکن است تلفات از نمونه اصلی اضافه جهش کند. همچنین توجه داشته باشید که موقعیت DG نقش مهمی در مینیمم کردن تلفات دارد
نتیجهگیری مهم که میتوان از شکل 1 گرفته شود آن است که در یک مشخصه سیستم توزیع، توصیه نمیشود که در شبکه DG زیاد نصب نگردد. اندازه در بیشتر موارد به طوری باشد که در محدوده پست توزیع قابل مصرف باشد. هر تلاشی برای نصب ظرفیت بالای DG با هدف فرستادن توان به بیرون پست - جهت عکس توان از پست توزیع - به تلفات بسیار بالایی منجر خواهد شد.
بنابراین، اندازه سیستم توزیع برحسب بار نقش مهمی در انتخاب اندازه DG دارد. دلیل بالاتر بودن تلفات و ظرفیت بالای DG میتواند با این واقعیت توصیف شود که سیستم توزیع در ابتدا طوری طراحی شده است که جهت توان از انتهای فرستنده - پست منبع - به بار میباشد و اندازههای هادیمعمولاً از پست تا نقطه مصرف کاهش مییابد. بنابراین بدون تقویت سیستم، استفاده از ظرفیت بالای DG به جریان توانی بیش از حد در هادیهای کوچک شده و در نتیجه به تلفات بالاتر منجر میشود.
شکل:1 اثر سایز و موقعیت DG بر تلفات سیستم.
تابع هدف مسئله
در این مقاله به منظور کاهش تلفات توان و بهبود پروفیل ولتاژ, یک تابع چند هدفه را به منظور تعیین پارامترهای بهینه سازی در نظر میگیریم.
کاهش تلفات توان
یکی از مهمترین دلایل استفاده از تولید پراکنده در شبکه, نزدیک تر شدن محل تولید به محل مصرف و در نتیجه کاهش تلفات می باشد. در نتیجه به دلیل امکان تولید در محل مصرف, از توان انتقالی پست و شین های ابتدایی فیدر کاسته شده که این مسئله با توجه به انتخاب تجهیزات , از نظر اقتصادی نیز دارای اهمیت می باشد. تابع هدفی که برای کاهش تلفات توان در این مقاله بکار رفته است, بصورت زیر می باشد.[21]
بهبود پروفیل ولتاژ
در شبکه های توزیع که معمولا دارای ساختاری شعاعی هستند, بیشترین افت ولتاژ در انتهای شبکه - دورترین نقطه - اتفاق می افتد. لازم به ذکر است که هرچه افت ولتاژ در خطوط افزایش یابد, تلفات ولتاژ نیز افزایش می یابد. پروفیل ولتاژ در شبکه های توزیع شعاعی که در آنها تولید پراکنده وجود ندارد کاهشی است. یعنی ولتاژ در نزدیکی منبع نزدیک به یک پریونیت بوده و هر چه از منبع دور می شویم, اندازه ولتاژ کاهش می یابد که می تواند تاثیرات منفی را برای مصرف کننده ها داشته باشد. تابع هدفی که برای مکان یابی و تعیین اندازه بهینه منابع تولید پراکنده برای بهبود پروفیل ولتاژ در این مقاله بکار رفته است به صورت زیر می باشد:
:Vi ولتاژ باس -iام
:Vi,ref ولتاژ مطلوب که برابر یک پریونیت در نظر می گیریم محدوده ولتاژ باس -iام
نرخ خرابی، دردسترس نبودن و زمان تعمیرات در سیستم سری به ترتیب با روابط 9 ,8 و 10 تعریف می گردد
هدف از مسئله حداقل کردن تلفات توان می باشد قیود حاکم بر مسئله به صورت زیر می باشد.[21 ]
قید توازن:
محدوده تولید توان اکتیو و راکتیو توسط محدوده تلفات شبکه
:PL تلفات کل توان :Piتوان اکتیو در یاسiام :Qiتوان راکتیو در باسiام
انتخاب موقعیت
شکل2 مجموع تلفات توانی تقریبی را برای سیستم توزیع تست 33 باس با اندازههای بهینه به دست آمده در گرههای مختلف در سیستم متناظر نشان میدهد.همچنانکه از این شکلها میتوان الگوی تلفاتی از حل تقریبی که به حدکافی برای شناسایی موقعیتی که به کمترین مجموع تلفات توانی منجر میشود، را به دست آورد.
شکل -2 اندازه بهینه DG در گرههای مختلف برای سیستم تست توزیع 33 باس.
