بخشی از مقاله
چکیده -در این مقاله طراحی بهینه یک سیستم هایبرید شامل توربینهای بادی، آرایههای خورشیدی و باتری جهت تامین تقاضای بار ارائه شده است. هدف از طراحی، مینیممسازی هزینههای تولید انرژی توسط سیستم هایبرید با در نظر گرفتن بهبود قابلیت اطمینان تامین بار میباشد. هزینههای سیستم شامل هزینه های سرمایهگذاری اولیه، بهرهبرداری و نگهداری، تعویض و جایگزینی و همچنین هزینه از دست رفتن بار میباشد. در این مقاله برای حل این مساله بهینه سازی از روش جدید الگوریتم بهینهسازی سالپ - SSA - استفاده شده است.
در این مساله بهینهسازی طراحی سیستم هایبرید هدف تعیین ظرفیت و تعداد بهینه تجهیزات توربین بادی، پنلهای خورشیدی، باتریها و اینورتر میباشد. نتایج بدست آمده نشان داده است که روش بهینه سازی SSA همانند روشهای بهینهسازی تکاملی نتایج مطلوبی را بدست آورده است. در روش SSA ، مقدار هزینههای تولید سیستم کمی افزایش یافته است ولی در مقابل قابلیت اطمینان تامین بار بهبود بیشتری یافته است. بنابراین در روش پیشنهادی علاوه بر در نظر گرفتن جنبه اقتصادی طراحی ، توجه زیادی به جنبه فنی طراحی بعبارتی سطح قابلیت اطمینان سیستم شده است.
-1 مقدمه
با توجه به روند رو به اتمام سوخت های فسیلی و از طرفی رشد روزافزون جمعیت و تقاضای انرژی، هزینه بالای احداث نیروگاه و هزینه های انتقال و توزیع ، هزینه بالا و از طرفی آلودگی زیست محیطی نیروگاه های سنتی ناشی از سوزاندن سوخت های فسیلی، منابع تولید توان کوچک بعنوان منابع تولید پراکنده - Distributed Generation - - DG - مطرح شده اند. منابع تولید پراکنده در پایینترین سطح شبکه و در نزدیکی مراکز بار نصب می شوند.
هزینه های راه اندازی این نوع منابع پایین بوده و آلودگی زیست محیطی کمی داشته حتی برخی از این نوع منابع هیچ آلودگی زیست محیطی ندارند. از انواع مرسوم منابع تولید پراکنده از نوع منابع تجدیدپذیر، توربینهای بادی و آرایه های خورشیدی بوده که به ترتیب از انرژی باد و تابش خورشید برای تولید توان بهره میبرند.[1] از سیستمهای هایبرید متشکل از آرایههای خورشیدی و توربین بادی استفاده میشود تا بتوان بطور وسیع و مناسب، نیاز تقاضای بار یا شبکه را تأمین کرد. همچنین از سیستم های ذخیره برای جبران نوسانات توان تولیدی آرایه های خورشیدی و توربین های بادی استفاده می شود. استفاده از باتری ها یک روش حل کوتاه مدت است .[2]
در زمینه طراحی سیستمهای هایبرید مقالات و روشهای مختلفی ارائه شده است. در مرجع [4] بهینه سازی فنی-اقتصادی سیستم هایبرید بادی-خورشیدی-دیزل در یک سیستم قدرت جدا از شبکه با هدف کمینه سازی هزینه های ارزش فعلی و انرژی سیستم انجام شده است. طراحی بهینه چندهدفه سیستم هایبرید انرژی بادی-خورشیدی-دیزل با هدف کمینه سازی هزینه های سالیانه سیستم و در نظر گرفتن قیود قابلیت اطمینان و انتشار سوخت با استفاده از الگوریتم شبه تکاملی صورت گرفته است .[5] در مرجع [6] استراتژی توزیع انرژی برای یک سیستم هایبرید بادی-خورشیدی-دیزل-باتری ارائه شده است.
روش کنترل پیش بین برای کنترل و مدیریت انرژی سیستم هایبرید استفاده شده است. در مرجع [7] طراحی سیستم تولید توان هایبرید متصل به شبکه مورد ارزیابی قرار گرفته و فاکتورهای مهمی نظیر هزینه و انتشار سوخت در نظر گرفته شده است. در مرجع [8] مدل بهینه سازی تعیین سایز بهینه سیستم خورشیدی-بادی با بگارکیری باتری ارائه شده است. بهینه سازی سیستم بر اساس دو شاخص قابلیت اطمینان و هزینه صورت گرفته است. ظرفیت بهینه تجهیزات سیستم در این مطالعه ارائه شده است.
در مرجع [9] یک روش بهبود یافته تعیین ظرفیت بهینه سیستم ترکیبی متصل به شبکه خورشیدی-بادی-باتری با هدف حداقل سازی هزینه های سیستم و قابلیت اطمینان بالای تامین بار ارائه شده است. در مرجع [10] بهینه سازی فنی و اقتصادی سیستم ترکیبی خورشیدی-بادی-دیزل-باتری مستقل از شبکه با هدف بهینه سازی ظرفیت تجهیزات سیستم و حداقل سازی کمبود توان سیستم و هزینه های تولید توان ارائه شده است. در مرجع [11] یک روش تعیین سایز تجهیزات سیستم خورشیدی-بادی به همراه ذخیره ساز باتری پیشنهاد شده است.
بهینه سازی بر اساس دو شاخص قابلیت اطمینان و هزینه صورت گرفته است. در این مطالعه از الگوریتم ژنتیک برای حل مساله بهینه سازی استفاده شده است. نتایج حاصل نشان داده است که با افزایش قابلیت اطمینان سیستم میزان هزینه تولید انرژی سیستم افزایش می یابد. در مرجع [12] هدف مطالعه تعیین سایز بهینه ظرفیت تجهیزات سیستم تحت حداقل هزینه و قابلیت اطمینان مطلوب بار می باشد. در این مطالعه یک روش بهینه سازی جدید برای تعیین ظرفیت بهینه تجهیزات ارائه شده است.
در مرجع [13] تاثیر برخی از پارامترهای تعیین سایز نظیر ضریب سایزینگ که بیانگر نسبت انرژی تولیدی توسط سیستم به انرژی مورد تقاضا می باشد در یک سیستم خورشیدی-بادی با ذخیره ساز باتری تحلیل شده است. در این مطالعه به ازای ترکیبات مختلف سیستم ظرفیت تجهیزات، مقدار ضریب سایزینگ و هزینه تولید انرژی سیستم بدست آمده است. هدف مرجع [14] تحلیل اتفاقی پارامترها شامل ظرفیت ژنراتورهای خورشیدی می باشد. با توجه به عدم قطعیت تابش خورشید، تحلیل اتفاقی از ذخیره انرژی صورت گرفته است.
در این مطالعه نتایج حاصله با نتایج بدست آمده از روش های قطعی مقایسه شده که در نظرگرفتن تحلیل اتفاقی سیستم نتایج مطمئن تر و واقعی تری را ارائه داده است. در مرجع [15] مدلسازی، شبیه سازی، کنترل و مدیریت انرژی یک سیستم تولید توان بادی-جزر و مد-میکروتوربین با ذخیره ساز باطری ارائه شده است. در این مطالعه سایز بهینه تجهیزات سیستم با استفاده از الگوریتم ژنتیک و بر اساس شاخص های هزینه و شاخص قابلیت اطمینان تامین بار سیستم پیشنهاد شده است. تعیین سایز یک سیستم خورشیدی-بادی توسط روش های مرسوم و همچنین با در نظر گرفتن قیود طراحی در مرجع [16] مورد بررسی قرار گرفته است.
در این مقاله جهت تامین پیوسته بار سیستم در طول شبانه روز یک سیستم خورشیدی - بادی با ذخیره ساز باتری در نظرگرفته شده است. بدین معنا که سیستم خورشیدی و بادی بعنوان منابع اصلی تامین کننده بار سیستم می باشند. بدلیل تغییرات تابش خورشید و سرعت باد و در نتیجه تغییرات توان این نوع منابع از باتری بعنوان منبع پشتیبان برای بهبود قابلیت اطمینان تامین بار استفاده می شود. تامین تقاضای بار سیستم با درنظر گرفتن شاخص های قابلیت طمینان تامین بار تحت عنوان احتمال عدم تامین بار loss of power supply - - LPSP - [2] - probability و هزینه های سیستم انجام میگیرد. در بهینه سازی سیستمهای هایبرید با هدف تامین بار سیستم، شاخص های فنی و اقتصادی مورد ارزیابی قرار می گیرند. شاخص های فنی به میزان توانایی سیستم در تامین بار می پردازد و شاخص های فنی بیانگر هزینه های سیستم در قبال تولید انرژی می باشد.
بنابراین هدف از بهینه سازی سیستم در حالت کلی، تعیین ظرفیت بهینه تجهیزات بعبارتی تعیین تعداد بهینه پنل های خورشیدی، آرایه های خورشیدی و تعداد باتری ها با هدف کمینه سازی هزینه های تولید انرژی سیستم و در نظر قید LPSP می باشد. در این مطالعه برای حل مساله بهینه سازی از الگوریتم جدید سالپ Salp Swarm - - SSA - [17] - Algorithm استفاده شده است. روش SSA توسط آقای میرجلیلی معرفی شده و الگوریتم فرااکتشافی جدید برای حل مسائل بهینهسازی پیوسته است.
همچون سایر الگوریتمهای الهام گرفته از طبیعت، الگوریتم پیشنهادی با استفاده از مدلهای ریاضی و تقلید رفتار سالپها در ایجاد زنجیره و تغذیه در طبیعت برای حل مسائل بهینهسازی استفاده کرده است. نتایج شبیه سازیها نشان میدهد که الگوریتم SSA قادر به ارائه نتایج دقیق و بهتر میباشد. همچنین این الگوریتم دارای سرعت همگرایی بالایی نسبت به سایر الگوریتمها در رسیدن به جواب بهینه دارد. در این مقاله همچنین اثر تغییرات شاخص LPSP به عنوان قید قابلیت اطمینان بر روی پارامترهایی نظیر منحنی توان تولیدی پنل های خورشیدی و توربین های بادی، انرژی باتری و هزینه سالیانه سیستم مورد بررسی قرار گرفته شده است.
-2 مدلسازی سیستم مورد مطالعه
در این مقاله از یک سیستم هایبرید شامل آرایه های خورشیدی، توربین های بادی و پیل سوختی [19-18] برای تامین یک بار دور افتاده از شبکه استفاده شده است. مهمترین مساله در طراحی سیستم هایبرید خورشیدی-بادی جدا از شبکه برق، تغییرات شرایط آب و هوایی نظیر کاهش تابش خورشید و سرعت وزش باد می باشد. در این مطالعه برای تامین پیوسته تقاضای بار و افزایش قابلیت اطمینان تامین از سیستم باتری استفاده شده است. سیستم مورد مطالعه در شکل 1 نشان داده شده است. تجهیزات اصلی شامل آرایه های خورشیدی، توربین های بادی، باتری و اینورتر می باشد.
نحوه بهرهبرداری از سیستم بصورت زیر است:
مجموع انرژی تولیدی توسط منابع تجدیدپذیر برابر تقاضای بار است. در این صورت تمامی توان تولیدی توسط منابع تجدیدپذیر، از طریق مبدل به بار تزریق میگردد. مجموع انرژی تولیدی توسط منابع تجدیدپذیر بزرگتر از تقاضای بار است. در این وضعیت مازاد توان تولیدی توسط واحدهای بادی و خورشیدی به سمت باتری هدایت شده تا در آن ذخیره گردد. در صورت تجاوز کردن توان تزریق شده باتری، در یک مقاومت تلف می شود.
نحوه بهرهبرداری از سیستم بصورت زیر است:
مجموع انرژی تولیدی توسط منابع تجدیدپذیر برابر تقاضای بار است. در این صورت تمامی توان تولیدی توسط منابع تجدیدپذیر، از طریق مبدل به بار تزریق میگردد. مجموع انرژی تولیدی توسط منابع تجدیدپذیر بزرگتر از تقاضای بار است. در این وضعیت مازاد توان تولیدی توسط واحدهای بادی و خورشیدی به سمت باتری هدایت شده تا در آن ذخیره گردد. در صورت تجاوز کردن توان تزریق شده باتری، در یک مقاومت تلف می شود. مجموع انرژی تولیدی توسط منابع تجدیدپذیر کمتر از تقاضای بار است. تحت این شرایط کمبود تقاضای بار توسط باتری تامین خواهد شد. اگر این کمبود از ظرفیت نامی باتری بیشتر باشد، بخشی از بار باید قطع گردد که این مساله موجب از دست رفتن بار میشود. در ادامه به مدلسازی ریاضی هر یک از تجهیزات سیستم هایبرید خورشیدی-بادی-باتری پرداخته شده است.
