بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدل سازي احتمالاتي و فازي شارژ و دشارژ خودروهاي برقي براي برنامه ريزي واحدهاي توليدي در حضور عدم قطعيت ها
حضور خودروهاي الکتريکي در شبکه قدرت ، داراي تأثيرات گوناگوني است . مهم ترين ويژگي حضور خودروهاي الکتريکي در سيستم قدرت ، افزايش بار ناشي از شارژ و يا تزريق توان به شبکه در هنگام دشارژ است . در اين مقاله برنامه ريزي مشارکت واحدها در حضور خودروهاي الکتريکي انجام شده است . همچنين با توجه به اينکه توان گرفته شده از شبکه و يا تزريقي به آن توسط خودروهاي الکتريکي، وابسته به عواملي مانند قيمت برق ، قيمت سوخت ، نرخ شارژ و دشارژ و همچنين رفتار کلي صاحبان خودرو است ، براي پوشش عدم قطعيت هاي مربوطه ، از مدل سازي احتمالاتي و مجموعه هاي فازي استفاده شده است . در مدل سازي احتمالاتي توان مصرفي و توليدي پارکينگ هاي خودروهاي الکتريکي، در هر ساعت با توجه به فراواني، نرخ شارژ و دشارژ، ميزان استفاده صاحبان خودرو از آن ها و زمان شارژ و دشارژ به صورت احتمالاتي بيان شده است . همچنين با توجه به امکان عدم دسترسي به داده هاي مناسب و دقيق ، توان توليدي و مصرفي پارکينگ ها به صورت يک عدد فازي در هر ساعت بيان شده و در حل مسئله مشارکت واحدها استفاده شده و با مدل احتمالاتي مقايسه شده
است . همچنين براي بهبود حل مسئله بهينه سازي از ترکيب الگوريتم هاي ژنتيک و رقابت استعماري استفاده شده و درنهايت ، مدل ارائه شده ، در سيستم ١٠ واحد آزمايش شده و نتايج به دست آمده حاکي از مدل سازي واقعيتر مسئله مشارکت واحدها در حضور خودروهاي الکتريکي است .
واژه هاي کليدي برنامه ريزي توليد، خودروهاي الکتريکي، مدل سازي احتمالاتي، مدل سازي فازي، مشارکت واحدها.
١- مقدمه
در سال هاي اخير با توجه به تغييرات صورت گرفته در سيستم توليد و مصرف انرژي در جهان و توجه ويژه به خودروهاي برقي و تعيين راهبردهايي جهت افزايش نفوذ خودروهاي برقي بـه دليـل مزاياي فني، اقتصادي و اجتماعي همچنـين تغييـرات بـه وجـود آمـده در سيسـتم قـدرت کـه بـه صـورت عمـده شـامل تجديـد ساختار،گسترش شبکه هاي هوشـمند و توجـه بيشـتر بـه منـابع جديد تأمين انرژي الکتريکـي اسـت ، خودروهـاي برقـي به عنوان ذخيره ساز متحرک انرژي الکتريکي ميتواننـد در بهبـود قابليت اطمينان شبکه ، افزايش ضريب بار، کـاهش تلفـات نقـش داشته باشند ١،٢ . همچنين خودروهاي برقي نياز به واحـدهاي کوچک توليدي در ساعات اوج مصرف را کاهش ميدهنـد ٣،٤. خودروهاي برقي مـيتواننـد هزينـه هـاي زيسـت محيطـي توليـد واحدهايي که از سوخت هاي فسيلي استفاده ميکننـد را کـاهش ٥ و در بازارهاي ذخيره و تنظيم فرکانس شرکت کنند ٦. دهنددر سال هاي اخير تحقيقاتي براي برنامـه ريـزي توليـد در حضـور خودروهاي برقي صورت گرفته است . در٧ برنامه ريزي توليـد در حضور خودروهاي برقي متصل به شـبکه باهـدف کمينـه کردن هزينه هاي بهره برداري وزيست محيطي موردمطالعـ قـرا - گرفته است . در ٨ برنامه ريزي توليد در حضور خودروهاي برقي باهدف کمينه کردن هزينه هاي بهره بـرداري و خودروهـاي برقـي بررسيشده است . همچنين شارژ خودروهاي برقي به عنوان بار بـه قيود مسئله اضافه شده است . در اين مقاله برنامه ريـزي واحـدهاي توليدي در حضور خودروهاي برقي باهدف کمينه کـردن هزينـه - هاي بهره برداري و خودروهاي برقي با مـدل سـازي احتمـالاتي و فازي شارژ و دشارژ خودروها باهدف رسيدن به مدل دقيـق تـر و واقعيتر از مسئله انجام گرفته است . در ادامـه بـه ترتيـب مسـئله مشارکت واحدها در حضور خودروهاي برقي مـدل - سازي احتمالاتي بارو توليد خودروهاي برقي، مدل سازي فازي بار و توليــد خودروهــاي برقــي، الگــوريتم ترکيبــي ژنتيــک -رقابــت استعماري و شبيه سازي و ارائه نتايج آمده است .
٢- نمادهاي علمي استفاده شده
٣- مشارکت واحدها در حضور خودروهاي برقي
٣-١- تابع هدف
تابع هدف در برنامه ريزي مشارکت واحدها، کمينه کردن مجموع هزينه هاي مربوط به روشن و خاموش کردن واحدها، بهره برداري واحدهاي توليدي و هزينه انرژي مربوط به توليد خودروهاي برقي است . روابط (١-٣) تابع هدف مسئله را بيان ميکنند:
٣-٢- قيود
قيودي که بايد در حل مسئله مشـارکت واحـدها در حضـور خودروهاي برقي بايد رعايت شوند شامل : تعادل توليد و مصـرف ، محدوده مجاز توليد براي هر واحد، تأمين ذخيره چرخان ، حداقل زمان روشن و خاموش بودن هر واحد، نرخ افـزايش و يـا کـاهش توليد در بازه زماني مشخص ، محدوديت تعداد خودروهـا، دفعـات شارژ و دشارژ روزانه و حد کمينـه مجـاز بـراي شـارژ بـاتري هـر خودرو است . روابط (٥-١١) به ترتيب قيود تعادل توليد و مصرف ، تأمين ذخيره چرخان ، محدوده مجاز توليـد هـر واحـد، محـدوده مجاز توليد براي هر واحد در ساعات مختلف با توجه به قيد نـرخ افزايش و کاهش توان و حداقل زمان روشـن و خـاموش بـودن را بيان مي کنند. رابطه (١٢) تضمين ميکنند که همه خودروهـا در بازه زماني برنامه ريزي حضورداشته اند و براي سادگي فرض شـده است که هر خودرو در هر شبانه روز يک بار شارژ و دشارژ ميشود.
4- مدل سازي احتمالاتي خودروهاي برقي
همـان گونه که در قسمت هـاي قبل گفتـه شــد، عــدم قطعيت هايي نظير رفتار صاحبان خودروهـاي برقـي، قيمـت سوخت هاي فسيلي، قيمت برق و نرخ شـارژ و دشـارژ انـواع خودروها با توجه به فناوري ساخت آن هـا، در ميـزان تـواني که به عنوان بار از شبکه دريافت ميکنند و يـا ميـزان تـواني که به عنوان توليدکننده به شـبکه تزريـق مـيکننـد، وجـود دارد[٩]. همچنين با توجه به عدم قطعيت هاي فـوق ، زمـان موردنياز براي شارژ و دشارژ خودروهـا داراي عـدم قطعيـت ميباشد. بنابراين با توجه به اينکه يکي از وروديهاي مسئله مشارکت واحدها، بار پيش بيني شده بازه زماني موردمطالعـه و ميزان دسترس پذيري و مقـدار تـوان توليـدي واحدهــاي توليـدي است ، مدل سازي شـارژ و دشـارژ خودروهاي برقـي باهدف رسيدن به جواب واقعيتر، ضروري است ، که در ادامه نحوه مدل سازي شرح داده شده است .
اولين شاخصي که در مـدل سـازي بايـد تعيـين شـود، مقدار استفاده از هر خودرو براي رانندگي در هـر شـبانه روز توسط صاحبان خودروها است . براي اين منظور تـابع توزيـع Lognormal اســتفاده شــده اســت [١٠]. رابطــه (١٣) ايــن شاخص را بيان ميکند. همچنين براي توليد عـدد تصـادفي N که در رابطه (١٤) آمـده اسـت و داراي ميـانگين صـفر و انحراف معيار يک است ، از روش Box-Muller استفاده شـده است [١٠].
که آن U١ و U٢ اعداد تصادفي با توزيـع يکنواخـت مـيباشند.
همچنين براي توليد اعداد تصـادفي از رابطـه (١٥) استفاده شده است ، که در آن بـه ترتيـب ميانگين و انحراف معيار، ميباشد.
دومــين عامــل مــؤثر در مــدل ســازي توليــد و مصــرف خودروهاي برقي، مصـرف انـرژي الکتريکـي در يـک فاصـله معين ميباشد، که در اين مطالعه به صورت ثابت براي انـواع خودروهاي برقي در نظر گرفته شده اسـت . بـراي بـه دسـت آوردن بيشترين فاصله اي که يک خودروي برقـي مـيتوانـد باانرژي الکتريکي طي کند، از رابطه (١٦) استفاده شده است .
سومين عامل مؤثر در مدل سـازي، زمـان ورود و خـروج خودروهاي برقي به پارکينگ جهت شارژ يا دشارژ است کـه براي اين هدف نيـز از توليـد اعـداد تصـادفي بـا ميـانگين و انحراف معيار مشخص استفاده شـده و در رابطـه (١٧) آمـده است .
درنهايت بـا مـد سـازي مـوارد فـوق ، مصـرف و توليـد خودروهاي برقي تجميع شده ، حاصل جمع توليد و مصـرف هر يک از خودروها است کـه در رابطـه (١٨) و (١٩) آمـده است ، مي باشد.
شايان ذکر است که در اين مطالعه نرخ شارژ و دشـارژ بـه دو صورت کند و سريع و چهار نوع خودرو با فراوانيهاي مختلـف در نظر گرفته شده است . همچنين هر خـودروي برقـي در شـبانه روز يک بار شارژ و يک بار دشارژ ميشود ١١.
٥- مدل سازي فازي خودروهاي برقي
در قسمت قبـل نحـوه مـدل سـازي عـدم قطعيـت هـاي موجود در شارژ و دشارژ خودروهاي برقي و درنتيجـه تـوان مصرفي و توليدي پارکينگ هاي خودروهاي برقي شـرح داده شد. در مدل سازي احتمالاتي بايد جامعه آمـاري و تحليـل - هاي آماري مربوط بـه آن بايـد موجـود باشـد، درحـاليکـه ممکن است اساساً اين داده ها موجود نباشد و يا با توجه بـه رفتـارهـاي گونـاگون جوامـع آمـاري مختلـف ، ايـن داده هـا قابل تعميم به همه آن ها نباشـد و يـا حتـي باگذشـت زمـان رفتار جامعه آماري تغييـر کـرده و نتـايج گذشـته در مـورد آن ها صادق نباشد، بنابراين بـراي پوشـش محـدوديت هـاي بيان شده از تئوري مجموعه هاي فازي استفاده شده است .
در اين مدل سازي براي توليد و مصرف پارکينگ خودروهـاي برقي، يک تابع عضويت فازي مثلثي به صورت شکل (١) به عنوان يک عدد فازي، در هر ساعت در نظر گرفته شده اسـت . بـراي بـه دست آوردن متغيرهاي عدد فازي، ٤٢ سناريوي توليد و مصـرف براي پارکينگ خودروهاي برقي اجراشده و براي متغيرهاي اعداد فـــازي بـــه ترتيـــب کمتـــرين (min )، ميـــانگين (mean ) و بيشترين (max ) توليـد و يـا مصـرف در هـر سـاعت بـراي همـه سناريوها در نظر گرفته شده است . در ١٢،١٣ نحوه مـدل سـازي فازي عدم قطعيت يک متغير آمده است .
يکي از جديدترين الگوريتم هاي بهينه سازي هوشـمند اسـت
٦- الگوريتم رقابت استعماري
که در حوزه هوش محاسباتي و محاسـبات تکـاملي معرفـي شـده استعمار است . به همان صورت که الگوريتم ژنتيک تکامل زيستي است . جان مايه اصلي اين الگوريتم ، شبيه سـازي فرآينـد سياسـي را شبيه سازي مي کند، در الگوريتم رقابـت اسـتعماري، از تکامـل سياســي اســتفاده شــده اســت . ايــن الگــوريتم در ســال ٢٠٠٧ معرفي شده است و تـاکنون در کاربردهـاي فـراوان و زمينـه هـاي تحقيقـاتي متنـوعي، بـه عنـوان ابـزار بهينـه سـازي مورداسـتفاده قرارگرفته است ١٣ . قدرت بالاي اين الگـوريتم ، بـه خصـوص در برخورد با مسائل پيوسته ، باعث شده اسـت کـه الگـوريتم رقابـت استعماري به عنوان يکي از ابزارهاي مهم درزمينه بهينـه سـازي به حساب بيايد تاکنون براي حل مسئله مشارکت واحدها، الگوري
