بخشی از مقاله
چکیده -
این مقاله یک روش جدید تجزیه کننده در حل پخش بار سیستمهای چند حاملی انرژی در کنار منابع تجدید پذیر ارائه می دهد. در این مقاله، سیستم چند حاملی انرژی می تواند شامل زیر شبکه های الکتریکی، گازی و حراراتی باشد. روش حاضر توانایی مدل کردن دقیق تمامی زیر شبکه های انرژی را دارد. همچنین قابلیت در نظر گرفتن تمامی اجزای ارتباط دهنده بین زیر شبکه ها را دارد. در این روش مسئله پخش بار کل سیستم چند حاملی با یک تکنیک مجزا کننده بدون کاهش قابلیت و دقت پخش بار سیستم به مسایل پخش بار زیر شبکه ها تبدیل می شود. روش ارائه شده بر روی یک سیستم چند حاملی متشکل از انرژیهای تجدیدپذیر تست شده است.
کلید واژه- سیستمهای چند حاملی انرژی، شبکه های گازی و حرارتی، منابع تجدیدپذیر، هاب انرژی.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر توجهات فراوانی به راه حلهای جدیدی که توانایی استفاده پایدار و بهره برداری بهینه از انرژی های مختلف را دارند، شده است. در این زمینه روشهایی که بهبود دهنده افزایش راندمان و قابلیت اطمینان استفاده از انرژیهای مختلف که سبب بهره برداری ایمن و اقتصادی از انرژی می شوند نقش بسزاتری داشته اند. یکی از مهترین روشهای افزایش بهره وری و صرفه اقتصادی، استفاده از سیستمهای چند حاملی انرژی می باشد. سیستمهای چند حاملی در حال حاظر یکی از سیستمهای چالش بر انگیز می باشد. سیستمهای چند حاملی می تواند شامل زیر شبکه های الکتریکی، گازی و گرمایی باشد. در گذشته چنین شبکه هایی را به صورت مجزا بهره برداری می کردند .[1]-[2] اما با استفاده روز افزان از تجهیزات میان شبکه ای مانند بویلرهای گازسوز و تولیدات همزمان گرما و الکتریکی - CHP - - Combined Heat & Power - ، تحلیل مجزای این شبکه ها کار بیهوده ای می باشد. یکی از مسایل مهم در تحلیل شبکه های چند حاملی، مسئله پخش بار در این شبکه ها می باشد. مسئله پخش بار این شبکه ها مهمترین مسئله و اساس دیگر مطالعات این شبکه ها می باشد.
تحلیل پخش بار یک شبکه به معنای تعیین میزان تولید واحدهای تولید کننده، تلفات کل مجموعه و میزان فلوی عبوری از مسیرهای موجود جهت توازن توان در کل شبکه می باشد. شبکه های الکتریکی، گاز طبیعی و حرارتی نیز از این موضوع تبعیت می کنند. در هر یک از این شبکه ها با معلوم بودن میزان بارها و تلفات، کل توان تولیدی محاسبه می شود. با داشتن مشخصات فیزیکی شبکه، مقدار فلوی عبوری از مسیرهای مختلف قابل محاسبه می باشند. پخش توان گازی در سال 2007 با معرفی معادلات حاکم بر پخش توان گازی با روش نیوتن رافسون مطرح گردیده است .[3] با ظهور بحران فرانسه و آلمان در حوزه سیستمهای انرژی در سال 2013 مسئولین درصدد بررسی وابستگی سیستمهای انرژی الکتریکی و گاز طبیعی برآمدند.[4] در سال 2015 یک روش پخش بار مبتنی بر روش نیوتن رافسون اما با ارائه یک ماتریس ژاکوبین کلی و به هم پیوسته برای تحلیل پخش بار همزمان سیستمهای چند حاملی معرفی گردید.[5] اما این روش با توجه به بزرگی ماتریس ژاکوبین به کار رفته در آن قابلیت حل سریع مسایل سیستمهای چند حاملی با ابعاد بالا را دارا نمی باشد.
در این مقاله با توجه به جایگاه ویژه شبکههای الکتریکی، گاز طبیعی و گسترش چشمگیر شبکههای حرارتی، ابتدا مدل دقیق این شبکه ها با جزییات معرفی میشود و در ادامه پخش بار یک سیستم چند حاملی همراه با تحلیل تجهیزات میان شبکه ای در کنار منابع تجدید پذیر انجام میشود. از جمله منابع تجدید پذیر در این مقاله انرژیهای بادی و خورشیدی می باشند. ورود منابع تجدیدپذیر دید واقعی تری از این سیستمها را بوجود می آورد. در تحلیل پخش بار سیستم از یک روش مجزا کننده استفاده شده است. در این روش مسئله پخش بار کل سیستم چند حاملی با یک تکنیک مجزا کننده بدون کاهش قابلیت و دقت پخش بار سیستم به مسایل پخش بار زیر شبکه ها تبدیل می شود. روش ارائه شده بر روی یک سیستم چند حاملی متشکل از انرژیهای تجدیدپذیر تست شده است. این روش قادر به تحلیل دقیق شبکه های الکتریکی، گازی و حرارتی می باشد.
-2 مدلسازی شبکه های چند حاملی
-1-2 شبکه الکتریکی
شبکه الکتریکی یکی از مهمترین شبکه های حامل انرژی می باشد. معادلات حاکم بر شبکه الکتریکی را در هر شین از شبکه را میتوان به کمک روابط زیر بیان داشت: برای توان اکتیو گره ام می توان گفت: توان اکتیو تولیدی در شین i می باشد که می تواند هم از طریق واحدهای حرارتی و یا از طریق منابع تولیدات پراکنده و منابع تجدید پذیر و یا از طریق CHP تامین شود. همچنین برای توازن توان راکتیو در هر گره از شبکه نیز داریم: در رابطه فوق و ولتاژ مربوط به شینهای و و ادمیتانس متصل بین گرههای مذکور از این شبکه میباشد و است که و زاویه شینهای گفته شده می باشد. مولفههای و نیز قسمتهای حقیقی و موهومی ماتریس ادمیتانس را بیان میکند. این مقادیر بعد از وارون کردن المانهای واصل بین دو گره بهدست میآیند که به-ترتیب رسانایی و سوسپتانس خط انتقال نامگذاری میشوند.
-2-2 شبکه گاز طبیعی
شبکه گاز طبیعی یکی دیگر از شبکه های حاملهای انرژی می باشد. از جمله عناصر مهم در این شبکه منابع تولید گاز طبیعی و خطوط شبکه گازی و مصرف کننده گان گاز طبیعی می باشد. در این شبکه چون افت فشار در شبکه سبب کاسته شدن از سرعت انتقال گاز می شود، تجهیزات افزایش فشار گاز به نام کمپرسور در بعضی از خطوط تعبیه می شود. که انرژی مصرفی کمپرسورها می تواند هم از طریق شبکه گازی و هم از طریق شبکه الکتریکی تامین شود. همچنین این شبکه یکی از مهمترین شبکه های حامل انرژی می باشد که دیگر شبکه های حامل انرژی را به هم پیوند می دهد. این ارتباط توسط تجهیزات بین شبکه ای برقرار می شود. از جمله تجهیزات بین شبکه ای در این شبکه می توان به ژنراتورهای گاز سوز اشاره کرد که بین شبکه الکتریکی و گازی ارتباط برقرار می کند. همچنین از جمله این تجهیزات، CHP ها هستند که بین سه شبکه الکتریکی و گرمایی و گازی ارتباط برقرار می دهد. بویلرهای گاز سوز از دیگر تجهیزات میان شبکه ای می باشند که بین شبکه های گازی و حراراتی ارتباط برقرار می کند. برای تحلیل این شبکه نیاز به تحلیل پخش بار در این شبکه داریم. قوانین حاکم در پخش بار این شبکه همانند شبکه الکتریکی می باشد. لذا در هر گره از شبکه باید توازن توان برقرار باشد. پس می توان گفت:
چگالی گاز در برابر هوا و ضریب زبری مطلق لوله های انتقال شبکه گازی میباشد. ضریب زبری با ایجاد اصطکاک باعث ایجاد افت فشار در مسیر خط انتقال میشود. عبارت در این رابطه تابع علامت میباشد که جهت شارش فلوی گاز را تعیین میکند. برای بیان ارتباط بین ژنراتورهای گازی و شبکه گازی منحنیهای نرخ حرارتی ژنراتور با نسبت مقدار سوخت مصرفی به مقدار توان تولیدی استفاده می شود. بر اساس منحنی بازده و نرخ حرارتی یک ژنراتور، میتوان این فاکتور را با یک معادله درجه دو مدل کرد. بیان ریاضی این مسأله بهصورت زیر میباشد: که در آن ، و ضرایب منحنی نرخ حرارتی ژنراتور ام و توان تولیدی این ژنراتور است.
میزان توان حرارتی لازم برای تولید توان الکتریکی را بیان میکند. از این پارامتر میتوان برای میزان سوخت لازم برای تولید چنین توان حرارتی استفاده نمود. حال مقدار گاز طبیعی لازم برای تولید توان توسط این ژنراتور از رابطه زیر بهدست میآید که در آن مقدار حرارت ناخالص در واحد حجم گازطبیعی است: در رابطه بالا مختص سوخت گاز طبیعی است. چنانچه سوخت مصرفی ژنراتور از انواع دیگر باشد، باید مقدار آن متناسب با نوع سوخت استفاده شود. برای تحلیل توان حرارتی و الکتریکی تولیدی واحدهای CHP، توان حرارتی تولید شده در خروجی CHP مشخص و ثابت در نظر گرفته میشود. از اینرو برای محاسبه مقدار توان الکتریکی توسط این واحد میتوان از رابطه زیر استفاده کرد :[6]
