بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
در مدار قرار گرفتن نيروگاه ها با حضور خودروهاي الکتريکي و با اعمال انتشارآلايندگي نيروگاه ها
چکيده - خودروهاي الکتريکي مي توانند بعنوان نيروگاه هاي کوچک و سيار در شبکه هاي قدرت استفاده شوند تا قابليـت اطمينـان و امنيـت شبکه را بالا ببرند. استفاده از خودروهاي الکتريکي در چند سال اخيـر به شکل قابل توجهي افزايش يافته اند. اين خودروها مي توانند وابستگي شبکه قدرت را به نيروگاه هاي کوچک و گران کاهش دهند و در نتيجه باعث کاهش هزينه بهـره بـرداري شـوند و همچنـين مي تواننـد باعـث افزايش رزرو در سيستم قدرت شوند. در مدار قرار گرفتن نيروگاه هـا بـا حضور خودروهاي الکتريکي براي بهينه کردن هزينه بهره برداري هدف اصلي اين مقاله مي باشد. حضور خودروهاي الکتريکي در يـک سيسـتم قدرت باعث افزايش پيچيدگي مساله در مـدار قـرار گـرفتن نيروگاه هـا مي شود لذا فرمولاسيون ارائه شده بـراي مسـاله در مـدار قـرار گـرفتن نيروگاه ها با حضور خودروهاي الکتريکـي در نـرم افـزار GAMS مـورد شبيه سازي و بهينه سازي قرار گرفته شـده اسـت . فرمولاسـيون ارائـه شـده در دو حالـت بـدون حضـور خودروهـاي الکتريکـي و بـا حضـور خودروهاي الکتريکي شبيه سازي شده اند. نتايج به دست آمده کـارايي فرمولاسيون ارائه شده را در حل مساله در مدار قرار گرفتن نيروگاه ها با حضور خودروهاي الکتريکي نشان مي دهد، همچنين با توجه به نتـايج ، ديده مي شود هزينه کل بهره برداري با حضور خودروهاي الکتريکـي در مساله در مدار قرار گرفتن نيروگاه ها کاهش مي يابد.
واژه هاي کليدي - خودروهاي الکتريکي ، در مدار قرار گرفتن نيروگاه ها، انتشار آلايندگي .
١. مقدمه
مصارف بالاي سوخت توسط وسايل نقليه موتوري نظير اتومبيل ، موتور سيکيلت و ... در سطح جهان با توجه به کاهش منابع سوخت فسيلي و آلايندگي زياد محيط زيست توسط اين مصرف کنندگان ، موجب توجـه روز افزون به استفاده از تجهيزات استفاده کننده از ساير منـابع انـرژي گشته است . مطابق بررسي ها، چنانچه رونـد مصـرف انـرژي بـه شـکل موجود ادامه پيدا کند، ميزان دي اکسيد کربن موجود در محيط زيست تا سال ٢٠٥٠ به دو برابر ميزان آن در سال ٢٠٠٥ خواهد رسـيد[ ٢ ].
که از ديدگاه مسايل زيست محيطي قابل قبـول نخواهـد بـود. يکـي از مناسب ترين روش ها جهت دسـتيابي بـه کـاهش آلـودگي ، اسـتفاده از توليد پراکنده انرژي در محل مصرف و توليد همزمان بـرق و حـرارت و استفاده از وسـايل نقليـه موتـوري کـه نيـروي محرکـه آنهـا از انـرژي الکتريکي شبکه يا باتري تامين مي شود، است . در کشور ما، ارزان بودن حامل هاي انرژي از دلايل افزايش مصـرف بي رويه سوخت هاي فسيلي بوده است که با آغاز طرح هدفمندي يارانه اين مصرف بشکل مناسبي مديريت گرديده است ، با اين وجود آلودگي شديد هوا که بخشي از آن بـه دليـل مصـرف روزانـه ٦٠ ميليـون ليتـر بنزين در کشور است ، و محدوديت منابع نفتي و هزينه هاي زياد توليد بنزين در کنار کيفيت پايين خودرو و فرسودگي آنها با توجـه بـه عـدم خروج آنهـا از چرخـه حمـل و نقـل کشـور پـس از پايـان طـول عمـر استاندارد که موجب افزايش مصرف بنزين در آنها مي شود همگـي بـر لزوم همگاني با تلاش هاي جهاني در راسـتاي دسـتيابي بـه تکنولـوژي خودروهاي برقي تاکيد دارد. لذا با افزايش خودروهاي برقي و پيشرفت تکنولوژي خودروهاي برقي در سال هاي اخير و قابليت اتصـال آنهـا بـه شبکه قدرت ، مي تواند مزيت هـايي بـراي شـبکه داشـته باشـد. در ايـن خصوص شارژ و دشارژ شدن باتري هاي خودروهاي برقـي مي توانـد بـه نحو قابل توجهي تـاثير در پخـش بـار اقتصـادي نيروگـاه هـا و ميـزان آلاينـدگي کـه از سـوخت هاي فسـيلي خودروهـاي احتـراق داخلـي و نيروگاه ها بوجود مـي آيـد ، داشـته باشـد[٨]. خودروهـاي الکتريکـي مي توانند بطور قابل توجهي وابستگي هاي سيستم قدرت را به واحدهاي پرهزينـه کـاهش دهنـد و همچنـين خودروهـاي برقـي بطـور مـوثري مي تواند بارهاي متغيير و پيک بار را اداره و قابليت اطمينان سيسـتم را افزايش دهد [٤]. سيستم توليد شـبکه هايي ماننـد ايـران کـه تـا حـدود زيـادي بـه نيروگاه هاي گازي و حرارتـي وابسـته اسـت ، و سـوخت آنهـا از طريـق سوخت هاي فسيلي تامين مي شود، لذا همين امر باعـث ايجـاد هزينـه هاي زياد و آلايندگي محيطـي ميشـود. بنـابراين بهينـه سـازي منـابع توليدي براي تامين تقاضاي بار با کمترين هزينه هدف اصلي مي باشـد.
مشکل اصلي در سيستمهاي قدرت بـزرگ و بـا تعـداد زيـاد واحـدهاي توليدي ، زياد بودن تعداد متغيرهاي بهينه سازي و قيـود مسـاله اسـت .
تعداد اين متغييرها و قيود با افزايش انـدازه شـبکه بـه شـدت افـزايش مي يابد. بنابراين براي يافتن نقطه عملکرد سيستم جهـت بهره بـرداري ، هدف ، انجام يک بهينه سازي اسـت . حضـور خودروهـاي الکتريکـي در مساله در مدار قرار گرفتن نيروگاه ها ضمن هبود هزينه و مز ي ي د گر، با توجه به قيود محدوديتي موجود در خودروها، باعث پيچيدگي مساله UC مي شود. در اين مقاله هدف اين است که ضمن بررسـي سـاختار و فرمولاسـيون مسـاله در مـدار قـرار گـرفتن نيروگاه هـا ، تـاثير حضـور خودروهاي الکتريکي بر روي هزينه بهره برداري بررسي شود.
٢. مدل سازي مساله
٢-١- تابع هدف
٢-١-١-هزينه سوخت
هر واحد حرارتـي داراي منحنـي مشخصـه اي اسـت کـه معـرف تـوان خروجي و هزينه سوخت مي باشد. به منظور انجـام مـوثر محاسـبات از اين منحني مشخصه ها که عمدتا درجه دوم اسـت اسـتفاده شـده و بـا استفاده از نرخ گرماي واحدها و نيز اطلاعات مربوط به قيمت سـوخت ، هزينه ي سوخت مصرفي محاسبه مي شود. در اين مقالـه از رابطـه زيـر براي تابع هزينه سوخت استفاده شده است .
کــه در آن a و b و c ضــرايب مثبــت هزينــه ســوخت واحــد i مي باشند.
٢-١-٢-انتشار آلاينده
براي توليد برق سازگار با محيط ، بايـد اثـرات انتشـار آلاينـده در نظـر گرفته شود. همانند منحني هزينه سوخت ، منحني انتشار آلاينده ها نيز مي تواند به عنوان تابع چند جمله اي بيان شـود. در ايـن تحقيـق تـابع درجه دوم براي منحني انتشار به شرح زير در نظر گرفتـه شـده اسـت
کــه در اينجــا αi و βi و γi ضــرايب انتشــار آلاينــدگي واحــد i ام ميباشند.
٢-١-٣-هزينه راه اندازي و خاموش کردن واحدهاي حرارتي
همانطور که مي دانيم براي ورود يـک واحـد حرارتـي بـه مـدار، مقـدار مشخصي انرژي مصرف مي شود. زيـرا درجـه حـرارت و فشـار بايـد بـه آهستگي تغيير نمايـد تـا واحـد وارد محـدوده کـار نـامي خـود شـود، همچنين روشن و خاموش کردن يک واحد حرارتي يا حتـي افـزايش و کاهش توان خروجي آن به ميزاني اندک ، سبب تنش هاي مکانيکي زياد در سمت توربين مي شود. تنش هاي بيش از حد، سبب خرابي و کاهش عمر نيروگاه مي شود. اين انرژي صرف شده ، توليد انرژي مـوثري بـراي نيروگــاه نداشــته و هزينــه اي را در بــر دارد [٩و٥]. بنــابراين معمــولا محدوديتي براي اين تغييرات در نظر مي گيرند تا از اين تجهيزات گران قيمت حفاظت شود. اعمال اين قيود حفـاظتي ، سـبب ضـرر در کوتـاه مدت و منفعت بلند مدت مي شود. در ايـن تحقيـق هزينـه راه انـدازي بصورت يک عدد ثابت بـراي هـر نيروگـاه در نظـر گرفتـه شـده اسـت .
همچنين خاموش کردن واحدهاي حرارتي داراي هزينه اي است که اين هزينه براي هـر واحـد داراي ميزانـي مشـخص اسـت . در واقـع هزينـه خاموش کردن واحدهاي خارج شده از مدار ثابت است و معمـولا بـراي سيستمهاي استاندارد صفر در نظر گرفته مي شود[٣].
بنابراين تابع هدف بهينه سـازي هزينـه و انتشـار آلاينـدگي بـراي مساله در مدار قرار گرفتن نيروگاه ها با حضور خودروهاي الکتريکـي بـه شکل زير مي باشد.
پنالتي فاکتور انتشار آلايندگي ( ᴪ ) با استفاده از رابطه زیر به دست می اید .
٢-٢-قيدها و محدوديت هاي مساله
٢-٢-١-قيد توازن توان سيستم
مهمترين قيد اين مساله بهينه سازي ماننـد هـر مسـاله در مـدار قـرار گرفتن نيروگاه هاي ديگري قيد تعادل مصـرف شـبکه و مجمـوع توليـد واحدها در هر ساعت است . در هر بازه زماني مقدار توليـد کـل واحـدها بايد مساوي مجموع بار سيستم قدرت باشد.
٢-٢-٢-قيد تامين ذخيره گردان١ سيستم
ذخيره چرخان واژه اي است که به تفاوت بين کل ظرف ت ا قوه فعـال سيستم و مجموع بار و تلفات اطلاق مي شود. ذخيـره چرخـان بايـد در سيستم موجود باشد تا در صورت از دست رفتن يک يا چند واحد، افت شديدي در فرکانس سيستم ايجاد نشود. به عبارتي در صورت از دسـت رفتن يک واحد بايد ذخيره کافي در ساير واحدها وجود داشته باشد تـا در يک زمان مشخص کمبود را جبران نمايـد[١].نيروگاه هـاي حرارتـي کمتر مي توانند پاسخگويي بالا رفتن ناگهاني نياز براي تامين بار باشـند و اين منجر به ناپايداري در جريان ولتاژ مي شود، از طرفي با توجـه بـه واکنش سريع خودروهاي الکتريکي اين خودروهـا مي تواننـد در حالـت دشارژ در چنـد ثانيـه بـه تغييـر بـار پاسـخ دهنـد. لـذا بـا وارد شـدن خودروهاي الکتريکي به مدار اين خودروهاي در حالت دشارژ مي تواننـد نقش به سزايي در تامين ذخيره چرخان داشته باشند. از اينـرو معادلـه ذخيره چرخان به شکل زير مي باشد.
٢-٢-٣-محدوديت ظرفيت توليد توان واحدهاي حرارتي
هر واحد حرارتي داراي يک مقدار مينيمم براي توليد توان مي باشد که کمتر از آن مقدار را نيروگاه نمي تواند توليد کند و همچنين هر نيروگاه حرارتي داراي يک مقدار ماکزيمم مي باشد که توليد توان بيشـتر از آن مقدار براي نيروگاه مقدور نمي باشد. از اينرو محدوديت توان توليدي در مساله در مدار قرار گرفتن نيروگاه ها بصورت زير تعريف مي شود.
٢-٢-٤-حداقل زمان روشن بودن و خاموش بودن هر واحد
براي محدود کردن آسيب هاي ناشي از روشن و خاموش کـردن متعـدد واحدهاي حرارتي ، معمولا وقتي يک واحد حرارتي روشن مي شود، يـک زمان حداقل براي متصل ماندن آن به شبکه در نظر گرفته مي شود. بـه طور مشابه وقتي که يک واحـد خـاموش مي شـود يـک حـداقل زمـان خاموش ماندن براي آن در نظر گرفته مي شود. اين وقفه هاي زماني اين اطمينان را حاصل مي کنند که زمان کافي براي فروکش کـردن افـت و خيزهاي دما در توربين وجود داشته باشد[٦].
٢-٢-٥-محدوديت تعداد کل خودروهاي الکتريکي موجـود در شبکه
در اين تحقيق فرض مي شود تنها تعداد معين و از پيش تعريف شده اي از خودروها بـراي برنامـه ريـزي دشـارژ و شـارژ در ايـن مسـاله مـدل مي شوند و همه آنها يک بار در دوره زماني مورد نظر (٢٤ ساعت ) شارژ و دشارژ ميشوند. بنابراين مجموع خودروهاي دشـارژ در يـک دوره ٢٤ ساعته بايد برابر با کل خودروهاي الکتريکي موجـود در شـبکه باشـند. پس خواهيم داشت :
و همچنين خودروهايي که از طريق شبکه در طول دوره ٢٤ ساعته شارژ مي شوند نيز بايد برابر بـا کـل خودروهـاي الکتريکـي موجـود در شبکه باشند. بنابراين خواهيم داشت :
٢-٢-٦-محدوديت تعداد خودروهاي شارژ و دشارژ در زمان t
همه خودروهاي الکتريکي نمي توانند در يک ساعت مشـخص شـارژ يـا دشارژ شوند. براي بهره برداري قابل اطمينان و کنتـرل شـارژ و دشـارژ خودروها بايد محدوديتي را در نظر گرفت . بـراي ايـن کـار بهتـر اسـت تعداد خودروهاي شارژ و يا دشارژ شـده در يـک زمـان معـين محـدود باشند. در ايـن تحقيـق در هـر سـاعت تنهـا ١٠ درصـد از خودروهـاي الکتريکي قابليت شارژ و يا دشارژ را دارند. بنابراين معادلات آن بصورت زير در نظر گرفته مي شوند.
٣- نتايج
در برنامه نوشته شده توسـط نـرم افـزار GAMS بـراي مقايسـه تـوان توليدي توسط ژنراتورها در ساعات مختلـف بررسـي شـد و نتـايج زيـر بدست آمد:
اين برنامه يک سيستم ١٠ واحدي با دو حالت در نظر گرفته شـده است : الف ) حالت اول : بدون در نظر گـرفتن خودروهـاي الکتريکـي ب) حالــت دوم : بــا در نظــر گــرفتن ٥٠٠٠٠ خــودروي الکتريکــي . شــارژ خودروها از شبکه قدرت انجام مي گيرد. تقاضـاي رزرو چرخـان حـدود ١٠ درصد تقاضاي بار فرض شده است و تعداد کـل خودروهـا ٥٠٠٠٠ که فرکانس شارژ و دشارژ اين ٥٠٠٠٠ خودرو يـک بـار در روز و طـول مدت زمان برنامه ريزي ٢٤ ساعته مي باشد. حداکثر ظرفيت بـاتري ٢٥ کيلــو وات ســاعت و حــداقل ظرفيــت بــاتري ١٠ کيلــو وات ســاعت و ميانگين ظرفيت باتري ١٥ کيلو وات سـاعت (15KWh=PV). تعـداد خودروهاي شارژ و دشـارژ در هـر سـاعت ١٠ درصـد کـل خودروهـاي موجود در سيستم در نظر گرفته شده است بعبارتي ديگر:
داده هاي ١٠ واحد حرارتـي متشـکل از مولفـه هاي بيـان شـده در جدول (٣-١) و ضـرايب مربوطـه بـه تـابع درجـه دوم هزينـه آلـودگي واحدهاي حرارتي در جدول (٣-٢) بـه شـکل ذيـل در مسـاله در نظـر گرفته مي شود.
٣-١- نتايج و تحليل بحث در مدار قرارگرفتن نيروگاه ها بـدون حضور خودروهاي الکتريکي
در اين بخش مساله در مـدار قـرار گـرفتن نيروگاه هـا را بـدون حضـور خودروهاي الکتريکي مورد بررسي قرار مي گيـرد. در ايـن حالـت طبـق جدول (٣-٤) واحدهاي روشن و خاموش تعيين مي شود. بـا توجـه بـه اينکه مورد مطالعه متشکل از ١٠ واحـد توليـدي مي باشـد و بـا نتـايج بدست آمده در جـدول (٣-٤) واحـدهاي ٨ و ٩ و ١٠ جـزء واحـدهاي گران قيمت مي باشد که در طول مـدت برنامـه ريـزي (٢٤ سـاعته ) در زمان هاي پيک بار مورد استفاده قرار مي گيـرد. و نيروگاه هـاي ١ و ٢ و ٣ و ٤ و ٥ جز نيروگاه هايي هستند که در طول دوره برنامه ريزي بطور کامل روشن مي باشند.
