بخشی از مقاله
چکیده
قابلیت اطمینان یکی از ابعاد مهم بهره برداری در سیستمهای قدرت میباشد. از آنجا که توان راکتیو نقش مهمی در برقراری پایداری ولتاژ سیستم های قدرت دارد، تأثیر به سزایی نی ز روی قابلیت اطمینان سیستم های قدرت خواهد داشت. روش های محاسبه قابلیت اطمینان با در نظر گرفتن کمبود توان اکتیو به خوبی توسعه یافتهاند اما توجه کمتری به توان راکتیو در محاسبات سنتی قابلیت اطمینان شده است. مسائل توان راکتیو در تولیدات پراکنده که از منابع انرژی تجدید پذیر استفاده میکنند، اهمیت بیشتری می یابند. در این مقاله به بررسی مطالعات قابلیت اطمینان با در نظر گرفتن توان راکتیو در حضور انرژی باد در سیستم قدرت پرداخته میشود.
برا ی محاسبه شاخص های قابلیت اطمینان الگوریتمی با در نظر گرفتن توان راکتیو استفاده شده است. روش پیشنهادی در سیستم 14 شینه IEEE شبیه سازی شده است. نتایج حاکی از آن است که شاخص قابلیت اطمینان با در نظر گرفتن توان راکتیو شبکه نسبت به حالت عدم وارد نمودن توان راکتیو افزایش می یابد. هر چقدر که ضریب توان کمتر و یا به عبارتی دیگر توان راکتیو بیشتر باشد، تأثیر کمبود توان راکتیو در شاخص قابلیت اطمینان افزایش می یابد. در نتیجه در نظر گرفتن محدودیت های توان راکتیو به نزدیک شدن به حالت واقعی محاسبات قابلیت اطمینان سیستم قدرت کمک شایانی میکند.
واژه های کلیدی:قابلیت اطمینان- توان راکتیو- مزرعه باد
مقدمه
یکی از مهم ترین ابعاد سیستم قدرت تأمین انرژی مصرف کنندگان به صورت اقتصادی، قابل اطمینان و با کیفیت است. در سال ها ی اخیر تقاضا و مصرف انرژی الکتریکی افزایش یافته و همچنان در حال افزایش است .[1] خرابی سیستم قدرت آثار اجتماعی-اقتصادی عمده ای بر روی مصرف کنندگان دارد. با وجود تاکید فراوان بر روی قابلیت اطمینان منابع تأمین کنندهی مکان های مهم همچون بیمارستان ها، شبکه های مخابراتی و...، خرابی در سیستم قدرت به صورت تصادفی است و در بعضی مواقع خارج از کنترل نیز میباشد. شبکه سیستم های قدرت بسیار پیچیده است؛ یک خرابی ممکن است موجب قطع برق تعداد زیادی از مشترکین شود و یا در بعضی مواقع به خاموشی سراسری بیانجامد.
تأثیر خرابی تنها به از دست رفتن سود شرکتهای برق و قطع بار مشترکین ختم نمیشود بلکه میتواند به صورت غیر مستقیم جامعه را نیز تحت تأثیر قرار دهد. به طور مثال، قطعی سراسری که در آگوست سال 2003 در ایالات متحده آمریکا اتفاق افتاد منجر به قطع برق 50 میلیون نفر و هزینه ای بالغ بر10 میلیارد دلار انجامید .[2] بنابراین طراحی و بهره برداری قابل اطمینان سیستم های قدرت از اهمیت بالایی برخوردار است.تکنیک های آنالیز قابلیت اطمینان بسیار خوب توسعه یافته و به سیستم های قدرت سنتی اعمال گردیده اند. روش های آنالیز قابلیت اطمینان برای ژنراتورهای سنکرون توسعه یافته اند.
با گسترش روز افزون استفاده از منابع تجدید پذیر از قبیل انرژی باد و سلول های خورشیدی روش های سنتی قابلیت اطمینان برای در نظر گرفتن طبیعت متغیر با زمان این منابع اصلاح شده اند .[3]در این مقاله جنبه های قابلیت اطمینان منابع انرژی باد مورد مطالعه قرار میگیرد. نیروگاه های بادی یکی از بزرگ ترین منابع انرژی تجدید پذیر هستند که در بسیاری از کشورها جایگزین تولیدات متداول سنتی شدهاند و میزان انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش دادهاند. استفاده از انرژی باد در حال افزایش است. در حال حاضر پنج کشور آلمان، امریکا، دانمارک، هند و اسپانیا بیش از %83 ظرفیت انرژی باد جهان را در اختیار دارند.
انرژی باد در خیلی از کشورهای اروپایی به شدت در حال گسترش میباشد تا جایی که در اروپا تا سال 2009 میزان ظرفیت نصب شده توربینهای بادی 74767 مگاوات میباشد که برابر %4/8 کل بار الکتریکی اروپا بوده و باعث کاهش صد و دوازده میلیون تن دیاکسید کربن گشته است. در ایران نیز به علت موقعیت جغرافیایی این کشور، توانایی بالایی از لحاظ احداث مزارع بادی وجود دارد تا آنجا که ایران از لحاظ میزان ظرفیت نصب شده توربینهای بادی در مقام 38 جهان 91 - مگاوات ظرفیت نصب شده تا آخر سال - 2009 قرار گرفته است. در جدول 1 بیشترین میزان ظرفیت نصب شده توربینهای بادی در 7 کشور به اضافه ایران نشان داده شده است .[4]
مسائلی که تا به امروز در مورد تأثیر اتصال مزارع بادی به سیستم قدرت مورد بررسی قرار گرفته است، شامل بررسی تأثیر انرژی باد بر روی دینامیک [5] و [6]، قابلیت اطمینان [7] و [8]، کیفیت توان [9]، مسائل بهرهبرداری و مسائل اقتصادی سیستم قدرت بوده است.از آنجا که اغلب منابع انرژی باد، تولید کننده توان راکتیو نیستند، یکی از موضوعات مهم کمبود توان راکتیو و نقض قیود ولتاژ شبکه در هنگام گرفتگی است. در این مقاله ابعاد مختلف کمبود توان راکتیو روی قابلیت اطمینان یک سیستم قدرت با حضور انرژی باد بررسی میشود. هم چنین شاخص های قابلیت اطمینان جدیدی در راستای اندازه گیری تأثیر توان راکتیو و نقض قیود ولتاژ شبکه در مطالعات قابلیت اطمینان سیستم های قدرت در حضور انرژی باد محاسبه میگردد.
مدل احتمالاتی تغییرات توان تولیدی نیروگاههای بادی
با توجه به اینکه نفوذ نیروگاه های بادی بزرگ در سیستم های قدرت رو به افزایش است، برای مطالعات سیستم قدرت با در نظر گرفتن نیروگاه بادی میبایست این نیروگاه ها همانند نیروگاه های فسیلی مرسوم، در نظر گرفته شوند . یکی از مشکلات اصلی و در نتیجه یکی از بزرگ ترین موانع استفاده بهینه از انرژی باد، متناوب بودن و عدم قطعیت توان خروجی مزارع بادی میباشد که باعث شده است از روش های مرسوم برای بررسی تأثیرات این انرژی بر روی سیستم قدرت نتوان استفاده نمود. برای مشخص کردن فواید ذاتی باد به عنوان یک منبع تولید انرژی الکتریکی بر روی سیستم قدرت و مشخص کردن میزان نفوذ مطلوب باد بر روی تولید سیستم انرژی الکتریکی، بدست آوردن یک مدل مناسب ظرفیت برای باد در مطالعات ضروری میباشد.
برای رسیدن به این هدف به علت تغییرات سریع توان تولیدی یک توربین بادی با تغییرات سرعت باد لازم است یک مدل مناسب برای سرعت باد بدست آورد.معمولاً سرعت باد با ارتفاع نصب توربین ارتباط لگاریتمی دارد که در فرمول 1 نشان داده شده است .[10]که در آن Vi سرعت باد در ارتفاع - Ziمعمولاً ده متر - ، Vz سرعت باد در ارتفاع z میباشد و نیز ضریب هیلمن است که بستگی به محیط دارد.با افزایش ارتفاع از سطح زمین اثر کشش سطحی دریا کاهش یافته و در نتیجه باعث کاهش ویسکوزیته هوا خواهد شد. این موضوع منجر به افزایش سرعت باد میگردد. این داده ها میبایست طبق رابطه 1 به ارتفاع مناسب که ارتفاع هاب توربین بادی میباشد تبدیل شوند.
چرا که هدف تبدیل سرعت باد مورد نظر به توان خروجی توربین بادی است.سرعت باد و توان تولیدی یک توربین بادی رابطه غیر خطی دارد. توان خروجی یک توربین وقتی باد با سرعت V متر بر ثانیه و چگالی فلوی کیلوگرم بر متر مکعب به سطح مقطع A برخورد میکند، در رابطه 2 بدست میآید.با برخورد هوا به پرههای توربین بادی، سرعت باد کند شده و هوا در اطراف توربین پخش میشود. آلبرت بتز، فیزیکدان آلمانی، در سال 1919 ثابت کرد که یک توربین بادی حداکثر از %59 انرژی باد میتواند استفاده نماید. این موضوع در مقدار پارامتر C که حداکثر مقدار 0/59 میتواند داشته باشد خود را نشان میدهد.
با در نظر گیری ملاحظات کنترلی توربینهای بادی، برای اینکه به اجزای توربین صدمه نرسد و با توجه به آن اگر سرعت باد از یک مقدار مشخص بیشتر گردد سیستم کنترلی توربین اجازه بیشتر شدن سرعت پرههای توربین را نمیدهد و آن را از مدار قطع مینماید یک حد بالا برای سرعت وزش باد در نظر میگیرند که به این سرعت، سرعت قطع بالا اطلاق میگردد که توسط سازنده توربین محاسبه میگردد. علاوه بر این یک سرعت قطع پایین نیز برای توربین در نظر میگیرند که نشان دهنده حداقل سرعت لازم برای تولید توان توسط توربین میباشد. طراحی توربین به گونهای انجام میپذیرد که در یک سرعت خاص که سرعت نامی توربین نامیده میشود، حداکثر توان توربین در آن سرعت تولید گردد.
پس بدست آوردن سرعت باد در ارتفاع هاب توربین بادی مورد نظر، سرعت باد به توان خروجی توربین بادی تبدیل خواهد شد. رابطه 3 نشان دهنده رابطه غیرخطی بین سرعت باد و توان خروجی یک توربین بادی میباشد .[11]که در آن Pr توان نامی توربین ، Vci سرعت قطع پایین ، Vr سرعت نامی و Vco سرعت قطع بالا میباشد که به عنوان خصوصیات توربینباد، توسط سازنده اعلام میگردد. مقادیر ثابت A ، B وC از روابط 6-4 به دست میآیند .[11] با استفاده از رابطه 3 داده های سرعت باد به توان خروجی توربین بادی تبدیل میشود. بنابراین تعداد کثیری داده های تبدیل شده توان خروجی توربین بدست خواهد آمد. برای اینکه بتوان از این داده های به مدل ساده شدهی احتمالاتی چند حالته رسید، نیاز به خوشه بندی دادههای نزدیک به هم می باشد.
خوشه بندی تعداد حالات توان خروجی را به مقدار مطلوب که هم دقت و هم سادگی مدل ارضا شود، تبدیل میکند. در این مقاله از الگوریتم معرفی شده در [12] برای بدست آوردن مدل احتمالاتی توربین بادی استفاده شده است. این الگوریتم به صورت گام به گام برای یک نیروگاه بادی با ظرفیت 50 مگاوات در شهر منجیل پیاده سازی میشود. برای این منظور از توربین 2 مگاواتی شرکت سازنده Vestas مدل V90-2 MW برای نیروگاه منجیل استفاده شده است. ارتفاع هاب این توربین 105 متر میباشد .[13] ضریب از [10] برای منطقه منجیل 0/12 بدست میآید. بنابراین ابتدا سرعت باد در ارتفاع توربین 105 متر و ضریب0.12 ، از روی رابطه 3، به دست آورده میشود.
شکل 1منحنی تغییرات سرعت باد را در ارتفاع 105 متر در شهر منجیل را نشان میدهد.سرعت قطع پایین، سرعت نامی و سرعت قطع بالا برای توربین V90-2 MW به ترتیب 4، 12 و 25 متر بر ثانیه میباشد .[13] سرعت باد بدست آمده از رابطه 3 با مشخصات توربین V90-2 MW به توان خروجی آن تبدیل میشود. منحنی تغییرات توان یک توربین این مزرعه بادی با الگوی سرعت باد منجیل طبق الگوریتم استفاده شده در [12] در شکل 2 آمده است. در نهایت مدل احتمالاتی 10 حالته توان خروجی مزرعه بادی 150 مگاواتی منطقه منجیل بدست میآید که در جدول 2 نشان داده شده است.
محاسبات قابلیت اطمینان با در نظر گرفتن توان راکتیو
از آنجا که توان راکتیو نقش مهمی در برقراری پایداری ولتاژ سیستم های قدرت دارد، تأثیر به سزایی نیز روی قابلیت اطمینان سیستم های قدرت خواهد داشت. توان راکتیومعمولاً به صورت محلی تأمین میشود. چرا که انتقال کل توان راکتیو در مسافت های طولانی کافی نخواهد بود. در شرایط گرفتگی مانند خرابی ژنراتورهای سنکرون یا یک المان در سیستم قدرت که منجر به نقض قیود ولتاژ شبکه میشود توان راکتیو رزرو کافی برای نگه داشتن ولتاژ در یک محدوده مناسب نیاز خواهد بود. روشهای محاسبه قابلیت اطمینان با در نظر گرفتن کمبود توان اکتیو به خوبی توسعه یافتهاند اما توجه کمتری به توان راکتیو در محاسبات سنتی قابلیت اطمینان شده است.
برای مدل سازی بهتر سیستم های قدرت در مطالعات قابلیت اطمینان میبایست حداقل و حداکثر محدوده توان راکتیو ژنراتورهای سنکرون، همچنین کمبود توان راکتیو و نقض قیود ولتاژ در نظر گرفته شود.شاخص های قابلیت اطمینان سنتی توانایی در نظر گرفتن قطع بار اضافی ناشی از کمبود توان راکتیو را ندارند. بنابراین از شاخص های قابلیت اطمینان جدید که در [14] تعریف شدهاند، استفاده میشوند. برای محاسبه شاخص EENS توان بار قطع شده ناشی از توان اکتیو و راکتیو محاسبه میشود. در این حالت EENS دو مؤلفه خواهد داشت. شاخص های EENSP و EENSQ به صورت رابطه های 7 و 8 تعریف میشوند.
