بخشی از مقاله
چکیده
مسئلهی طراحی و بهرهبرداری از مخازن برقابی همراه با کنترل سطوح اعتمادپذیری تولید انرژی مطمئن میتواند در قالب مدلهای بهینه سازی فرمولبندی گردد. در این بین تبدیل قیود احتمالاتی صریح به قیود احتمالاتی ضمنی بهمنظور کنترل سطوح اعتمادپذیری و تعیین حالتهای شکست و موفقیت در تأمین انرژی مطمئن سیستم، مستلزم اضافه کردن متغیرهای دومقداره میباشد. این امر فرمولبندی مسئله بهینهسازی را به یک برنامه غیرخطی عدد صحیح - MINLP - دشوار برای حل تبدیل خواهد کرد.
در این مطالعه، یک الگوریتم ترکیبی بهینهسازی ازدحام ذرات گسسته- برنامهریزی غیرخطی - BPSO-NLP - برای حل مسئلهی بهینه سازی طراحی و بهرهبرداری از سی ستم برقابی پیاپی کارون-2 کارون3 پی شنهاد شده است. در این سی ستم، سد و نیروگاه کارون3 در حال بهرهبرداری بوده و هدف بهگزینی پارامترهای طراحی سد و نیروگاه کارون2 به همراه بهینهسازی بهرهبرداری از این سیستم برقابی میباشد. نتایج حاصل از کاربرد الگوریتم پیشنهادی و مقایسه نتایج آن با نتایج حاصل از الگوریتمهای کلاسیک در افقهای زمانی بهرهبرداری مختلف، بیانگر قابلیت این الگوریتم در حل مسئله تحت بررسی بوده است.
-1 مقدمه
صنعتی شدن روزافزون جوامع و افزایش م صارف، تخریب و آلودگی محیطزی ست در حد قابلتوجهی افزایش یافته و به همین دلیل تمامی فعالیتهای ان سان میبای ست در جهتی با شد که ضمن حفاظت و آ سیب نزدن به محیط اطراف خود، بتواند نیازهای خود را برآورده سازد. استفاده از سدها و سقوط آب حاصل از آنها بهمنظور تولید انرژی برقابی خود میتواند راهکاری مناسب در جهت حفاظت از محیطزیست از لحاظ تولید انرژی تجدیدپذیر بدون استفاده از سوختهای فسیلی قلمداد گردد.
در این راستا طراحی و بهرهبرداری سدها و نیروگاههای برقابی بهعنوان یکی از مهمترین مسائل تحلیل سیستمی منابع آب میتوانند در قالب مدلهای ریاضی نظیر مدلهای بهینهسازی با هدف بهگزینی پارامترهای مخزن و نیروگاه و همچنین برنامهریزی بهینه بهرهبرداری فرمولبندی گردند. در همین زمینه میتوان به مطالعات Grygier and Stedinger در استفاده از مدلهای SLP برای بهینهسازی بهرهبرداری از سیستمهای برقابی اشاره کرد
Diaz and Fontane با استفاده از تکنیک SQP، مدل بهینه سازی با هدف حداکثر سازی منافع اقتصادی حاصل از فروش انرژی را در سیستمهای چندمخزنه برقابی مورد بررسی قرار دادندBecker and Yeh .[2] با توسعه الگوریتم برنامهریزی پویا-برنامهریزی خطی - DP-LP - ، به بهینه سازی بهرهبرداری از سی ستمهای چندمخزنه برقابی پرداختند
همچنین Barros [4] et al.، [5] Tejada-Guilbert et al.و [6] Heiw نیز مدلهای بهینهسازی غیرخطی با اهداف تأمین انرژی برقابی را مورد مطالعه قرار دادند.
فرمولبندی مدلهای بهینهسازی طراحی و بهرهبرداری از مخازن برقابی به دلیل ماهیت غیرخطی معادلات تولید انرژی و همچنین سایر قیود، در قالب مدلهای غیرخطی قابل نمایش ا ست. چنانچه برای کنترل سطوح اعتمادپذیری تولید انرژی، متغیرهای تصمیم صفر و یک برای تبدیل قیود احتمالاتی صریح به قیود احتمالاتی ضمنی و تعیین حالتهای شکست و موفقیت در تأمین انرژی مطمئن سیستم به مدل اضافه گردد، مدل بهینهسازی مسئله به برنامهریزی غیرخطی عدد صحیح که در ردهی مدلهای دشوار برای حل - NP-hard - قرار میگیرد، تبدیل خواهد شد.
از آن جا که روشهای بهینهسازی گرادیان- پایه قادر به حل اینگونه از مسائل در ابعاد بزرگ و تعداد متغیرهای تصمیم بالا نیستند، استفاده از الگوریتمهای فراابتکاری در حل آنها راهگشا خواهد بود. از طرف دیگر و با توجه به کندی این الگوریتمها، میتوان با ترکیب آنها با روشهای بهینهسازی گرادیان پایه و توسعهی الگوریتمهای بهینهسازی ترکیبی، روند حل را سرعت بخشید. الگوریتم بهینهسازی انبوه ذرات - PSO - و نسخهی آن در فضای باینری [7] - BPSO - نمونهای از این روشهای بهینه سازی است که از توانایی مناسبی در جستوجوی فضای موجه مسئله و بهبود تابع هدف مدل برخوردار میباشد.
در این مطالعه هدف، ترکیب روشهای بهینهسازی گرادیان- پایه و فراکاوشی، بهمنظور حل مدل بهینهسازی مسئلهی طراحی و بهرهبرداری از یک سیستم دومخزنه برقابی پیاپی با کنترل سطوح اعتمادپذیری تولید انرژی مطمئن است. پس از ارائهی فرمولبندی مدل و توسعهی الگوریتم بهینهسازی ترکیبی BPSO-NLP، عملکرد آن بر روی سیستم برقابی کارون-2 کارون3 آزمایش میگردد. در این سیستم سد و نیروگاه کارون3 در حال بهرهبرداری است و هدف مسئله، بهینهسازی پارامترهای طراحی سد و نیروگاه کارون2 به همراه برنامهریزی بهرهبرداری بهینه از مجموعه سیستم میباشد. در ادامه ضمن تبیین فرمولبندی مدل بهینهسازی مسئله، جزئیات روش حل و نتایج حاصل از آن ارائه خواهد شد.
-2 مواد و روشها
با توجه به روابط فیزیکی مسئلهی ذخیره- بده انرژی- اعتمادپذیری، مدل بهینهسازی طراحی و بهرهبرداری از سیستم دومخزنه برقابی پیاپی در قالب معادلات و قیود زیر قابل ارائه هستند. در این راستا متذکر می شود که مدل موردنظر یک مدل معین - Deterministic - و قطعی شدهی یک مدل احتمالاتی با استفاده از یک سری زمانی آورد ورودی به مخزن در افق بلندمدت بهعنوان نمایندهای از فرآیند استوکستیک آورد رودخانه میباشد که در گام زمانی ماهانه تهیه شده است.
در این فرمولبندی، i شمارنده سد و همچنین t ن شاندهندهی شماره ماه از تعداد کل ماههای مورد برر سی - T - است. معادله - 2 - معرف بیلان حجمی آب در هریک از مخازن سیستم است که در آن - S i - t حجم مخزن i، - I i - t حجم ورودی به مخزن i، - Qi - t مقدار حجم عبوری از توربین نیروگاه i و - Spilli - t حجم سرریز شده از مخزن i در دورهی t و بر حسب میلیون مترمکعب میباشند. در این مدل برای تعیین تراز متناظر با حجم هریک از مخازن و تعیین تراز پایاب برا ساس دبی خروجی هریک از نیروگاهها در هر دوره، از برازش یک منحنی بر دادههای م شاهده شده ا ستفاده شده ا ست که توابع موجود f - و - g در معادلههای - 3 - و - 4 - بیانگر این موضوع ا ست. معادله - 5 - معادلهی تولید انرژی برقابی در هریک از نیروگاهها بوده که در آن - Ei - t مقدار انرژی تولیدشده در نیروگاه i در دوره t برحسب مگاوات ساعت، - t - hiمقدار تراز آب در مخزن i در دوره t و - t - htwi مقدار تراز پایاب نیروگاه i در دوره t برحسب متر میباشند.
همچنین در این معادله، hf i بیانگر میزان افت طولی و اصطکاکی در مسیر تونل آب بر نیروگاه i و ei معرف راندمان نیروگاه i است. نامعادله - 6 - بهمنظور تعریف حد بالای تولید انرژی، براساس ظرفیت تولید هریک از نیروگاهها تعریف می شود که در این قید نشاندهندهی ظرفیت تولید نیروگاه i برحسب مگاوات است که در مسئلهی مورد بررسی برای سیستم بالادست مقدار آن معلوم بوده و برای سیستم پاییندست بهعنوان متغیرتصمیم مطرح میگردد. همچنین در این قید nhours معرف تعداد کل ساعتهای هر دوره t میباشد.
تعریف انرژی مطمئن کل سیستم توسط نامعادلهی - 7 - انجام شده که در این قید، FE نشاندهندهی انرژی مطمئن قابل استحصال از کل سیستم برحسب مگاوات ساعت و - Z - t بیانگر متغیرهای صفر و یک بهمنظور تعریف و شناسایی حالتهای شکست و موفقیت در تأمین انرژی مطمئن کل سیستم در دوره t میباشند. همچنین نامعادلهی - 8 - برای کنترل اعتمادپذیری تولید انرژی مطمئن در سطح براساس متغیرهای صفر و یک بدست آمده از قید - 7 - تعریف میگردد.
محدودیتهای در نظرگرفتن حداقل و حداکثر مقدار حجم آب در مخزن و همچنین حجم آب عبوری از تونل
آب بر نیروگاه در قیود - 9 - و - 10 - تعریف شده اند. در این نامعادلات، S mini و S maxi بیانگر حداقل و حداکثر حجم ذخیره مخزن برحسب میلیون مترمکعب و Qmini و Qmaxi معرف حداقل و حداکثر حجم آب عبوری از تونل آب بر
نیروگاه i برحسب میلیون مترمکعب میباشند.
