بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
روشي نو در حل مساله چند هدفه جايابي ادوات چند نوعي FACTS با الگوريتم جستجوي هارموني
١-چکيده
امروزه افزايش انتقال توان در دسترس ATC از شاخص هاي مهـم در طراحي و بهره برداري از سيستم هاي قـدرت مـي باشـد. در ايـن مقاله روش جديدي براي افـزايش ATC همـراه بـا کـاهش نسـبي ميزان تراکم و تلفات خطوط انتقال و بهبود پروفيل ولتاژ بـا در نظـر گرفتن کمترين ظرفيت منصوبه ادوات ارائه شـده اسـت ، ايـن مسـاله چند هدفه با حضور ادوات چند نوعي انعطـاف پـذير سيسـتم انتقـال FACTS در بهترين مکان و کمترين ظرفيت منصـوبه انجـام شـده اسـت . بـراي حـل ايـن مسـاله چنـد هدفـه ، از الگـور يـتم هوشـمند جستجوي هارموني HSA که از موثرترين روش هـاي تکـاملي بـوده استفاده گرديده است . نتـايج ارزشـمند حاصـل از شـبيه سـازي روي شبکه استاندارد ٣٠ شينه IEEE، بر بهبود شاخص هاي مورد نظـر و توانمندي الگوريتم پيشنهادي تاکيد دارد.
٢-مقدمه
در سالهاي اخير بزرگتر شدن شبکه هاي قدرت با ايجاد مسـير هـاي طولاني خط انتقال ، فاصله گـرفتن مراکـز توليـد از مراکـز مصـرف ، تجمع منابع انرژي در مکان هاي خاص و پراکنـدگي گسـترده مراکـز مصرف لزوم استفاده از ادوات چند نوعي انعطاف پذير سيستم انتقـال نظر FACTS و HVDC-VSC مــورد توجــه طراحــان و بهــره برداران شبکه هاي انتقال انرژي الکتريکي مي باشـد. ايـن ادوات مـي توانند با ايجاد سطح ولتاژ مطلوب ، ضمن کنترل شارش توان بر روي خطوط از حداکثر ظرفيـت آنهـا در سـطح مجـاز بـراي انتقـال تـوان استفاده کنند. از طـرف ديگـر، ايـن ادوات مـي تواننـد باعـث بهبـود محدوده پايداري گذرا و سيگنال کوچک و همچنـين کـاهش تلفـات سيستم قدرت گردند. اين تجهيزات مي توانند به صورت همزمـان بـه کنترل توان اکتيو و راکتيو پرداخته ، دامنه ولتاژ را کنترل نمـوده و بـا ايجاد سطح ولتاژ مطلوب ، شارش توان را بر روي خطـوطي کـه داراي اضافه بار هستند، کاهش دهد و باعث کاهش تلفـات سيسـتم قـدرت نيز مي گردند [٣-١].
تــاثير ادوات FACTS بــر روي امنيــت سيســتم قــدرت و قابليــت اطمينان در مراجع [١٠-٤] مورد مطالعه قرار گرفته شده است . يکـي از کاربردهاي مشخصات ادوات FACTS غلبه برناپايـداري ولتـاژ در سيستم قدرت مي باشد. ادوات FACTS مي تواننـد باعـث افـزايش حد بارپذيري ، قابليت انتقال و قابليت اطمينان و بهبود تراکم خطـوط سيستم گردنـد[١٤-١١]. سيسـتم هـاي HVDC-VSC بـا تغييـر پارامترهاي يکسو ساز و اينورتر امکان کنترل تـوان عبـوري را فـراهم مي کنند و مي توان ازاين تجهيزات بعنوان تجهيـزات انعطـاف پـذير در خطوط انتقال استفاده نمود. [١٧-١٥].
در اين مقاله روش جديدي براي بهبود شرايط بهره برداري از سيستم قدرت با طـرح مسـاله و تـابع چنـد هدفـه ارائـه شـده ، همچنـين از الگوريتم هوشمند جستجوي هارموني HSA کـه از مـوثرترين روش هاي تکاملي بوده استفاده گرديده است . پيشنهاد شده اسـت . در ايـن روش که در مقالات اخير کمتر مورد توجه قرار گرفته اسـت ، افـزايش قابليت انتقال در دسترس ATC در کنار کاهش نسبي ميزان تراکم خطوط ، کاهش نسبي تلفات توان در خطوط انتقال و بهبود پروفيـل ولتاژ به عنوان مولفه هاي تابع هدف لحاظ شده اسـت . عـلاوه بـر آن کمينه شدن ظرفيت منصوبه ادوات ، که کاهش هزينه سرمايه گـذاري ادوات نصب شده را در پي خواهد داشت نيز در نظر گرفته شده است .
با حل مساله چند هدفه ، بهترين مکان ها با کمتـرين ظرفيـت ادوات چند نوعي FACTS بدست آمده است .اين روش با شبيه سازي بـر روي شبکه استاندارد ٣٠ شينه IEEE اجرا و نتـايج ارزشـمندي بـه دست آمده است . بهبود شاخص هاي سيسـتم قـدرت ، بـر توانمنـدي روش پيشنهادي تاکيد دارد.
توانايي انتقال تـوان توسـط محـدوديت هـاي فيزيکـي يـا الکتريکـي سيستم محدودمي گردد، بنابراين قابليت کل انتقال توان TTC در سيستم قدرت با رابطه (١) بدست مي آيد.
قابليت انتقال در دسترس (ATC) به مقدار ظرفيت باقيمانده خطوط انتقال که به منظور فعاليـت هـاي اقتصـادي بيشـتر مـي تـوان از آن استفاده کرد، گفته مي شود. بنابراين ATC را مي توان از رابطه (٢) بدست آورد[٣-١].
در اين رابطه ، حاشيه اطمينان انتقال (TRM) حاشيه مفيد ظرفيـت (CBM). ظرفيـت انتقـال موجـود ETC مـي باشـد[٣]. تلفـات در سيستم هاي انتقال امري غيرقابل اجتناب بوده که باعث محدودشدن توان انتقالي در خطوط مي شود .خطوط انتقال براي تـامين افـزايش توان مصرفي ، اغلب به صورت نزديک يـا دورتـر از محـدوده حرارتـي مورد استفاده قرار مي گيرند و نسبت به افـزايش تـوان غيـر منتظـره واکنش نشان مي دهند. اگراين تغييرات توان کنترل نشود، بعضـي از خطوط در مسيرهاي خاص ، ممکن است دچار اضافه بـار شـوند، ايـن پديده تراکم ناميده مي شود.
٣-مروري بر الگوريتم جستجوي هارموني HSA
بهينه سازي به معني پيدا کردن بهترين جواب در حضـور محـدوديت هاي حاکم بر يک مسئله مي باشد. بطور کلي روش هاي بهينه سـازي را مي توان بـه سـه دسـته روش هـاي رياضـي ، ابتکـاري و تصـادفي تقسيم بندي نمود. مشکلات محاسباتي موجود در مسائل بهينه سازي مهندسي ، محققين را وادار به استفاده از الگوريتم هـاي فـرا ابتکـاري مبتني بر شبيه سازي جهت حل مسائل بهينه سـازي نمود.الگـوريتم فرا ابتکاري جستجوي هارموني ١ توسط جيم و همکـارانش در سـال ٢٠٠١ ميلادي ارائه شده است که براي حل مسـائل بهينـه سـازي از پديده موسيقي الهام گرفته شده اسـت [١٨]. در الگـوريتم جسـتجوي هارموني جوابي که بـراي مسـئله بهينـه سـازي بدسـت مـي آيـد، "
هارموني " ناميده مي شود . به عبارت ديگر هر هارموني برداري اسـت که مولفه هاي آن مقادير اختصـاص داده متغيـر داشـته N شـده بـه متغيرهاي مسئله است .اگر مسئله Nمتغير داشته باشـد هـارموني يـا بردار جواب نيز N مولفه خواهد داشت کـه از دامنـه ي متغيرهـاي مربوطه انتخاب شده انـد . بـراي پيـاده سـازي الگـوريتم جسـتجوي هارموني بر اساس پديده موسيقي بايد تناظري بين اجزاي آنها برقـرار باشد. تناظر پديده نواختن موسيقي باا الگوريتم جسـتجوي هـارموني به صورتي است که : آلات موسيقي با متغير هاي مساله بهينه سازي ، دامنه نت ها با دامنه متغير ها، هارموني با بردار جواب ، استاندارد زيبا شناسي با تابع هدف ، تمرين با تکرار و تجربه با مـاتريس بـا حافظـه هورموني متناظر شده اند.
پديــده موســيقي الگــوريتم جســتجوي هــارموني آلات موســيقي متغيرهاي مسئله بهينه سازي دامنـه نتهـا دامنـه متغيرهـا هـارموني بردار جواب استانداردهاي زيبا شناسي تابع هدف تمرين تکرار تجربـه ماتريس حافظه هارموني الگوريتم جسـتجوي هـارموني بـراي بهينـه سازي مسـئله مـورد نظـر، رونـد پـنج مرحلـه اي : مقـداردهي اوليـه پارامترهــاي مســئله و الگــوريتم (HM)، مقــداردهي اوليــه حافظــه هارموني ، ايجاد يک هارموني جديد از حافظه هـارموني مرحلـه ، بـروز رساني حافظه هارموني و بررسي شرط توقف را طي مي نمايد[١٩].
پارامترهاي الگوريتم جستجوي هارموني که در هر مسـئله ميتواننـد مقادير متفاوتي داشته باشند که با توجه به شـرايط هـر مسـاله قابـل تنظيم مي باشند.
٤-فرمول بندي مساله
تعيين تابع هدف مساله بـا توجـه بـه انتظـارات طـراح و بهـره بـردار سيستم و همچنين متغير هاي کنترلي در دسترس صورت مي گيـرد.
هدف از طراحي اين مساله بهينه سازي ، جايابي بهينه ادوات TCSC SVC, و HVDC-VSC در جهت افزايش ATC ، کاهش تلفـات ، مديريت تراکم در محدوده امنيت سيستم قدرت بـا حصـول پروفيـل ولتاژ مسطح و حـداقل ظرفيـت عمليـاتي ادوات مـي باشـد. در روش پيشنهاد شده سعي بر اين است که با انتخاب بهينه مکـان و ظرفيـت عملياتي ميزان به اهداف تعيين شده دست يـابيم . همچنـين از روش وزن دهي بر اساس ميزان اهميت اهداف و انتخاب يـک نقطـه بهينـه مطلوب براي حل مساله بهينه سازي چند هدفه استفاده شده است .
فرمول بندي توابع هدف مساله بهينـه سـازي بـه ترتيـب اولويـت بـه صورت رابطه (٣) متشکل از تابع براي افزايش ATC و تابع براي کاهش تلفات توان مي باشد و تابع هدف براي کاهش تراکم خطوط تعيين شده است . ضـرايب وزنـي بر اساس ميزان اهميت تابع به صورت تجربي بدست آمده است .
در اين مقاله کميت هـاي بـا بـالانويس بـراي حالـت بـار پايـه و بالانويس براي حالت مقدار حداکثر توان انتقالي سيستم به کار رفته است . تابع هدف افزايش ATC با توجـه بـه روابـط (٤) بـا افـزايش ضريب در ناحیه مصرف و تولید با روش محاسباتی پخش بار تکراری محدود به قیود مسئله بدست می آید. در این روش برای محاسبه قابليت انتقال توان بين دو ناحيه توليد و مصـرف ، مقـدار بـار ناحيه مصرف را با ضريب توان ثابت ، مکـررًا افـزايش داده و معـادلات پخش توان متوالياً حل مي شوند. افزايش بار تا جايي ادامه پيدا مـي کند که محدوديت هاي سيستم نقض نگردند. [٣]:
: توان توليدي پايه در شين i ناحيه توليد
: توان اکتيو و راکتيو بار پايه در شين i ناحيه مصرف
: توان اکتيو و راکتيو توليدي در شين i
: توان اکتيو و راکتيو مصرفي در شين i
: ضريب افزايش بار يا توليد در شين i
: ثابت هايي هستند که به عنوان نرخ تغييـر در توليـد يا مصرف جهت تغيير استفاده مي شوند.
مقــدار متنــاظر بــا حالــت پايــه و مقــدار متناظر با بیشترین توان انتقالی می باشد . تابع هدف کاهش نسبت تلفات سیستم بـر مقـدار ATC از رابطـه (٧و٨) بدست مي آيد.
: اندازه و زاويه اختلاف فازوهدايت الکتريکي خط ij تابع هدف کاهش تراکم خطوط به صورت روابط (٩) و تراکم خط iام به صورت (١٠) مي باشد.
که به ترتيب توان عبوري و بيشترين توان قابل عبـور از خط i ام مي باشند. همچنين مجموع انحرافات ولتاژ از رابطه (١١) بدست آمده است .
در اين مقاله مقدارانحراف مجاز ولتاژ در نظـر گرفتـه شده است . قيود مساوي و نامساوي طبق روابط (١٧-١١) مي باشد.
در معادلات فوق کمينه و بيشينه اندازه ولتاژ مجاز باس هاي سيستم ، قسمت هاي حقيقـي و موهـومي درايـه ماتريس ادميتانس توان ظاهري خط واصـل دوشـين به ترتيب تعداد شين ، واحد توليد و خطوط انتقال مي باشند.
٥-مدل سازي
در اين مقاله ادوات SVC,TCSC, HVDC-VSC به کار برده شده اند که نحوه مدل سازي رياضي آنها در برنامه شـبيه سـازي بـه شرح زير آورده شده است . عنصـر SVC ايـن قابليـت را دارد تـا بـا عملکرد در حالت هاي سلفي و خازني ، جبران سازي توان راکتيو را بـه صورت پيوسته ايجاد نمايد. در اين مقاله SVC به صورت يک منبـع توان راکتيو ايده آل تزريقي به باس i مدل شده اسـت . مـدل SVC و ساختار آن در شکل (١) مشخص شده است [٢٢-٢٠].
TCSC مي تواند راکتانس خطوط را تغيير دهد. ايـن عنصـر بـا در نظر گرفتن راکتانس خط انتقال مي تواند به صورت جبرانگر خازني يا سلفی مورد استفاده قرار گیرد تغییر در راکتانس خط انتقال باعث تغییر در توان عبوری از خط میگردد. در این مقاله به وسيله تغيير در راکتانس خطوط مدل گرديده است که در زير نشـان داده شده است [١٩-١٧]:
در روابط بالا X Line راکتانس خط انتقال و rTCSC ضريب جبرانسازي TCSC بر حسب درصد بـوده و مـدل و سـاختار آن در شکل (٢) مشخص شده است .
شکل (٢) TCSC مورد استفاده (الف ) مدل TCSC (ب ) ساختار پايه
مــدل HVDC-VSC شــامل دو VSC بــوده کــه يکــي بعنــوان يکسوساز و ديگري بعنوان اينورتر عمل مي کند دو مبـدل بصـورت متوالي متصل شده اند[٢٣-٢١].
شکل (٣) سيستم HVDC-VSC
از نظر شبکه AC يکسوساز معادل يک بار و اينورتر به عنوان يک ژنراتور تلقي مي شود. از نظر توان راکتيو هر دو مبدل مانند بار عمل کرده و توان راکتيو را از باس هايي که در آن قرار دارند جذب مي کنند. سيستم HVDC-VSC بطور مناسب با دو منبع ولتاژ همراه يک معادله که شرط توان اکتيو را بيان مي کند مدل ميشود..
[٢٠] اين منابع HVDC-VSC بصورت معادلات (٢١) نمايش داده مي شوند. متغير کنترلي در اين مساله توان اکتيو عبوري از لينک DC مي باشد.
معادلات (١٧) به ترتيب معادله منبع ولتاژ شماره ١ ، معادلـه منبـع ولتاژ شماره ٢ و معادله توازن توان اکتيـو بـين دو مبـدل بـا در نظـر گـــــــرفتن تلفـــــــات لينـــــــک DC مـــــــي باشـــــــد.
شکل (٤) مدل HVDC-VSC با دو منبع ولتاژ
