بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
جايابي بهينه منابع CHP در شبکه توزيع با استفاده از الگوريتم MOPSO
چکيده — در اين مقاله روشي بهينه براي جايابي منابع توليد همزمان برق و حرارت براي مجموعهاي از مصرفکنندگان حرارتي در اطراف يک باس ارائه شده است . الگوريتم بهينه سازي مورد استفاده در اين مقاله MOPSO است . اين الگوريتم قادر به بهينه سازي چند تابع هدف به طور همزمان است . توابع هدف شامل کاهش تلفات ، بهبود پروفيل ولتاژ و بهبود اعوجاج هارمونيکي (THD) هستند. روش پيشنهادي جهت جايابي CHP به شبکه ١٨ باسه استاندارد IEEE اعمال شده است و نتايج شبيه - سازي توانايي روش پيشنهادي را در بهبود مقادير توابع هدف و ارضاء محدوديتها نشان ميدهد.
واژه هاي کليدي — الگوريتمهاي تکاملي ، بهينه سازي ، جايابي CHP، منابع توليد پراکنده
١. مقدمه
با افزايش ميزان تقاضا براي انرژي الکتريکي ، تجديد ساختار در صنعت برق و نيز افزايش راندمان واحدهاي توليدي کوچک ، شرکتهاي برق تمايل بيشتري براي بهرهبرداري از اين واحدها در سيستم توزيع و در نزديکي مصرفکنندهها پيدا کردهاند. به اين واحدهاي کوچک که به سيستم توزيع متصل ميشوند، توليد توزيع شده يا توليد پراکنده ( DG) گفته ميشود.
خصوصيسازي صنعت برق و توسعه روشهاي توليد الکتريسيته از انرژي هاي تجديدپذير از مهمترين عوامل گسترش اين نوع از توليد برق مي باشند.
استفاده از واحدهاي توليد پراکنده تاثير قابل توجهي بر مسائل فني و اقتصادي سيستمهاي قدرت ميگذارد. يکي از انواع اين مولدها، واحدهاي توليد همزمان برق و حرارت CHP است که با توجه به دسترس بودن سوخت گاز در کشور ميتوان به خوبي از بازده بالا اين مولدها بهرهبرداري نمود. مزيت عمده آنها امکان استفاده از حرارت اضافي خروجي جهت تامين گرمايش يا سرمايش مورد نياز مصرفکنندهها است که باعث افزايش راندمان آنها تا ٧٠% ميشود.
يکي از مسائلي که در استفاده از اين مولدها مدنظر است ، يافتن مصرف کننده حرارتي و برودتي مناسب است که بتواند کارکرد CHP را مقرون به صرفه کند. به عبارتي واحد CHP با حداکثر توان خود هم الکتريسيته و هم حرارت را براي مصرفکننده توليد کند. کشورهاي نظير فنلاند، استراليا و سوئد تمام ظرفيت توليد نيروگاه هاي حرارتي خود را با روش توليد همزمان برق و حرارت استفاده مينمايند.
همچنين کشورهاي دانمارک ، هلند، آلمان ، روسيه ، اتريش ، ژاپن ، انگلستان و آمريکا حداکثر ظرفيت توليد برق حرارتي خود را به استفاده از روش مذکور اختصاص دادهاند و کشورهاي کانادا، هندوستان ، آفريقاي جنوبي ، ايرلند، کره جنوبي ، مکزيک و يونان نيز به ميزان قابل توجهي به اين روش روي آورده اند.
همان طور که اشاره شد، در حال حاضر در بسياري از نقاط جهان از سيستمهاي توليد همزمان اسفاده ميکنند. جدول ( ١) ليست ١٠ کشور جهان و درصد تامين حرارت بوسيله سيستمهاي توليد همزمان به نسبت کل حرارت مصرفي در اين کشورها را نشان مي دهد[١].
مزاياي توليد همزمان برق و حرارت در محل مصرف عبارتند از:
- افزايش بازده سوخت دريافتي به برق تحويلي
- افزايش امکان حضور طيف گسترده بخش خصوصي
- حذف تلفات توان پيک ٣٠ درصدي و تلفات انرژي ١٨ درصدي
- کاهش تراکم شبکه
- تملک کمتر زمين براي توسعه شبکه
- افزايش پايداري و امينت فني سيستم قدرت
بهينه سازي شبکه هاي توزيع و ارتقاء آن به منظور ارائه خدمات با قابليت اطمينان بيشتر و اقتصاديتر همواره يکي از چالشهاي پيش روي صنعت برق بوده است . امروزه پيشرفت تکنولوژي گستره وسيعي از انواع واحدهاي توليد پراکنده (DG) و به خصوص واحدهاي توليد همزمان ( CHP) ايجاد کرده است که مي توانند در کاهش هزينه ها به رقابت بپردازند.
در جايابي توليد پراکنده ، معمولا تابع هدف شامل کاهش تلفات ، بهبود پروفايل ولتاژ و پايداري ولتاژ است که توسط روش هاي بهينه سازي همچون GA،PSO و غيره ، محل و ظرفيت بهينه DG تعيين ميشود [٢و٣].
در جايابي و تعيين ظرفيت CHP ، علاوه بر اهداف فني مد نظر در جايابي DG اهداف اقتصادي جهت فروش بهينه حرارت و آب گرم نيز مورد توجه قرار مي گيرد [٤و٥]. در نتيجه نقاطي همچون بيمارستان ها و مراکز دانشگاهي که داراي مصرف حرارت و آب گرم دائمي هستند، نقاطي مساعد جهت نصب CHP هستند.
مسئله اضافه کردن واحدهاي CHP به شبکه توزيع با اهداف گوناگوني مطرح و با روش هاي مختلفي حل شده است . در [٦] روشي براي طراحي يک سيستم توليد سه گانه برق ، حرارت و سرما و تعيين قيمت برق ، حرارت و سرماي توليد شده توسط اين سيستم ارائه شده است . در اين مرجع تابع هدف سود حاصل از واحد توليد سه گانه در مدت زمان کارکرد آن در نظر گرفته شده است . در [٧] روشي براي تعيين نوع و تعداد ميکروتوربين هاي گازي براي تامين بار حرارتي و الکتريکي مشخص در طول يک سال ارائه شده است . در [٨] روشي براي تعيين بهينه پارامترهاي CHP براي مصرف کنندگان صنعتي ارائه شده است . در [٩] مسئله تعيين پارامترهاي CHP از ديد يک کارخانه دار با هدف کاهش دوره بازگشت سرمايه تحليل شده است .
در اين مقاله جايابي CHP در شبکه استاندارد ١٨ باسه IEEE انجام شده است . لازم به ذکر است که توابع هدف شامل کاهش تلفات ، بهبود پروفيل ولتاژ و بهبود اعوجاج هارمونيکي ( THD) مي باشد و از مفاهيم بهينه پارتو و الگوريتم MOPSO جهت بهينه سازي استفاده شده است .
همچنين منابع CHP در سمت برقي آن به عنوان يک منبع توليد هارمونيک در نظر گرفته شده است . علاوه بر اين فرض شده است که منبع CHP قادر به توليد توان اکتيو و راکتيو ميباشد. در اين مقاله محدوديت هايي مد نظر قرار گرفته که در پايان اين محدوديت ها بايد ارضاء شوند.
٢. معرفي الگوريتم تکاملي چند هدفه MOPSO
مسائل بهينه سازي چند هدفه همانند رابطه زير شامل چندين تابع هدف ناسازگار، قيود تساوي و نامساوي بوده که بطور همزمان بايد بهينه شوند:
فضايي که تابع هدف در آن تعريف ميشود، فضاي هدف ناميده مي شود. در بهينه سازي چند هدفه هر دو حل نسبت به همديگر ميتوانند دو حالت داشته باشند. يکي بر ديگري چيره شود و اينکه هيچ يک نتوانند بر ديگري چيره شوند. حل بر حل چيره خواهد شد، اگرحل X1 برازندگي حداقل يک تابع هدف را نسبت به حل X2بهتر کرده و برازندگي ساير توابع را نسبت به X2 بدتر نسازد.
بردار تصميم يک جواب بهينه پارتو است اگر هيچ وجود نداشته باشد که بتواند بر X1چيره شود. به مجموعه جوابهاي بهينه ي پارتو يک دسته جواب بهينه پارتو گفته مي شود.
با ترکيب مفاهيم بهينه سازي پارتو با اصول اساسي الگوريتم PSO روش بهينه سازي چندهدفهي ازدحام ذرات (MOPSO) به وجود ميآيد که از آن ميتوان به منظور حل مسائل بهينه سازي چند هدفه استفاده نمود.
در الگوريتم MOPSO از يک آرشيو استفاده ميشود. منظور از آرشيو يک حافظهي خارجي بوده که در اين آرشيو حلهاي چيره نشده ذخيره مي شود. اين الگوريتم ابتدا با استفاده از يکسري ذرات تصادفي شروع به کار ميکند و در طول يک پروسه تکراري کليهي ذرات جمعيت با يکديگر مقايسه شده و مکان (موقعيت ) ذرات چيره نشده در آرشيو ذخيره ميشوند.
سرعت و موقعيت جديد ذره iام ، در بعد dام و تکرار 1+t با استفاده از روابط زير بروز ميشوند.
چرخهاي که در الگوريتم MOPSO تکرار ميشود، مطابق شکل ( ١) است .
٣. معرفي توابع هدف
٣.١. تلفات شبکه
همان طور که ميدانيم يکي از اهداف در جايابي منابع توليد پراکنده ، مينيمم کردن تلفات حقيقي توان است . مي توان با استفاده از رابطه ي ( ٤) تلفات حقيقي توان را به دست آورد[١٠]:
که در آن :
n: تعداد کل شينهها، : اندازه ولتاژ هارمونيک hام در شينه jام ، : فاز ولتاژ هارمونيک hام در شينه jام ، اندازه ادميتانس خط متناظر با هارمونيک hام بين شينههاي j و m و : زاويه ادميتانس خط متناظر با هارمونيک hام بين شينههاي j و m است .
٣.٢. پروفيل ولتاژ
با جايابي بهينه منابع توليد پراکنده ميتوان پروفيل ولتاژ را بهبود بخشيد.
در حقيقت ميتوان بيان نمود که منظور از بهبود پروفيل ولتاژ يعني اينکه ولتاژ تمام باسها به مقدار يک پريونيت نزديک باشد. پروفيل ولتاژ را مي توان به صورت زير فرمولبندي کرد:
که درآن :
Vi : ولتاژ باس i ام و : مقدار ولتاژ مطلوب ميباشد که معمولا يک پريونيت در نظر گرفته مي شود.
براي هر باس يک مقدار VI به دست ميآيد که هدف مينيمم کردن ماکزيمم مقدار VI است ، به عبارت ديگر هدف اين است که عبارت زير حداقل شود:
٣.٣. اعوجاج هارمونيکي کلي ولتاژ ( THDv)
شبکه مورد نظر داراي بارهاي غير خطي است ، همچنين منبع توليد پراکنده در نظر گرفته شده توليد هارمونيک ميکند. لذا در اين حالت ، با جايابي منابع توليد پراکنده ، THD ولتاژ شبکه مي تواند از حد مجاز آن که حدود ٥% است ، بالاتر رود. بنابراين يکي از پارامترهايي که بايد مينيمم شود، THD ولتاژ است که به صورت رابطهي (٧) تعريف ميشود:
که در آن ، i شماره باس ، h مرتبه هارمونيک ، ولتاژ هارمونيک مرتبه hام مربوط به باس i و مولفه اصلي ولتاژ باس iام است .
٣.٤. تابع هزينه مرتبط با نصب و بهره برداري از CHP
هزينهي سرمايه گذاري CHP شامل خريد واحد CHP، هزينه هاي مربوط به تحقيقات اوليه ، تعبيه مکان براي نصب CHP، ساختمان و ادوات مونيتورينگ است . اين هزينهها ميتواند به صورت معادله ( ٨) بيان شود:
که در آن هزينه سرمايه گذاري منابع ,CHP ،NCHP تعداد واحد CHP نصب شده در شبکه و KCHP ظرفيت CHP از 200kW تا 5MW است .
هزينه نگهداري و تعميرات CHP شامل هزينه تعمير قطعات و سرويس ساليانهي مکانيکي و الکتريکي است . اين هزينه به همراه ارزش فعلي آن ميتواند به صورت معادلهي زير فرمول بندي شود:
