وبلاگ

با توسعه سیستم­های قدرت، ملاحظات زیست محیطی و اقتصادی از یک طرف و مساله امنیت و تداوم کار مطمئن سیستم از سویی دیگر چالش­هایی را پیش­روی برنامه­ ریزان، طراحان و بهره­برداران سیستم قرار داده است. این مسائل باعث شده تا در دهه­های اخیر محققان به تحقیق راجع به حل این چالش­ها در صنعت برق بپردازند.
در گذشته سیستم­های قدرت دارای ساختار عمودی[1] بودند، به این معنی که تولید انرژی الکتریکی، انتقال و توزیع آن در یک منطقه، توسط یک واحد کنترل انجام می­شد. مصرف­­کنندگان کوچک و بزرگ انرژی مورد نیازشان را از دولت خریداری می­کردند و سیستم بازار برق، تک قطبی[2] (انحصاری) بود. در واقع دولت­ها با احداث نیروگاه­های کوچک و بزرگ در نقاط مختلف کشور یا منطقه و انتقال آن به محل­های مصرف و توزیع، بازار برق را اداره می­کردند و بر کل سیستم توسط مرکزی واحد نظارت داشتند. با گسترش روز افزون سیستم­های انرژی الکتریکی و استفاده بهینه از منابع و رقابت­های اقتصادی و محدودیت­های زیست محیطی، گرایش به بازار چند قطبی(رقابتی)

 توسعه یافت و نیاز به آن باعث شد تا دولت­ها به تشویق شرکت­ها و بنگاه­های اقتصادی جهت سرمایه ­گذاری و مشارکت در صنعت برق روی آورند. این تغییر قوانین و اعمال تشویق­های اقتصادی دولت­ها جهت کنترل رشد فزاینده صنعت برق، تحت عنوان مقررات­زدایی[3] مطرح شد.

این امر که خصوصی­سازی صنعت برق را در بخش­های تولید و فروش در پی دارد، در سال 1982 میلادی در شیلی، 1992 در آرژانتین و سپس در کشور­های بولیوی، پرو، گواتمالا، کلمبیا، السالوادور، پاناما، برزیل، مکزیک، اسکاتلند، ایرلند شمالی، نروژ، انگلستان، اسپانیا، هلند و بخش­هایی از ایالات متحده آمریکا به شیوه ­های مختلفی اجرا شده است[1].
در سیستم بازار برق چند قطبی، خریداران می­توانند عرضه­کننده انرژی را انتخاب کنند. با تامین سرویس بهتر و انرژی ارزانتر، خریداران بیشتری جذب می­شوند که این کار سود بیشتری عاید عرضه­کننده می­نماید و از طرفی خریداران نیز منافع بیشتری می­برند. عرضه­کنندگان یا تامین­کنندگان انرژی کارگزارانی[4] هستند که انرژی را به مشتری می­فروشند. هرچند که ممکن است آنها تولید­کننده نباشند، اما می­توانند سهم تولید نیروگاه­ها را بخرند. این ساختار جدید سیستم قدرت، مفاهیم گذشته را به چالش می­کشد. در گذشته تمرکز تحقیقات روی فرمول­سازی برخی محدودیت­های عملی از قبیل دامنه ولتاژ شین­ها، محدودیت­های تولید، ظرفیت خطوط انتقال، محدودیت­های احتمالی، ملاحظات محیطی و مسائلی از این قبیل بود.
جهت تضمین دسترسی آزاد[5] عرضه­کنندگان و خریداران به سیستم انتقال، بهره ­برداری از سیستم انتقال مستلزم مستقل بودن از سهام[6] بازار است. بهره­برداران مستقل سیستم[7] نقش هماهنگ­ساز مرکزی را ایفا           می­ کنند، و با فراهم کردن امنیت و قابلیت اطمینان سیستم مسئولیت مهم خود را به انجام می­رسانند. همچنین ISO درجه کیفیت و امنیت سیستم را تضمین می­نماید.
محیط­های انتقال و توزیع در سیستم­های رقابتی با دسترسی باز بوده و مسائل مرتبط با آنها، اهمیت انکارناپذیری دارد. در ساختارهای مدیریتی شبکه، خواه به صورت ترکیب بهره­بردار سیستم[8] و بهره­بردار بازار[9] و خواه به صورت بهره­بردار مستقل سیستم، سیستم­های انتقال به عنوان بزرگراه­های انتقال انرژی نقش ویژه­ای را به خود اختصاص داده­اند. در سیستم SO+MO اداره بازار رقابتی و تمام موارد مرتبط با قراردادهای خرید و فروش، از بهره­بردار شبکه جداست، اما در ساختار ISO هر دو مورد مذکور توسط بهره­بردار مستقل شبکه انجام می­ شود. ساختارهای مدیریتی شبکه در شکل (1-1) نشان داده شده است[8].

امروزه به دلایل زیست محیطی و اقتصادی روند استفاده از انرژی­های تجدیدپذیر به ویژه توربین­های بادی به منظور تولید برق در کشورهای مختلف دنیا افزایش یافته است. از طرف دیگر توان تولیدی توربین­های بادی وابسته به سرعت باد بوده و با توجه به عدم قطعیت سرعت باد، توان خروجی این نیروگاه­ها متغیر می­باشد. این امر بر مسائل مختلف سیستم قدرت از جمله قابلیت اطمینان تأثیر می­گذارد. به منظور بررسی تأثیر مزارع بادی بر مطالعات قابلیت اطمینان سیستم قدرت نیاز به یک مدل تحلیلی قابلیت اطمینان می­باشد که در این مدل هم خرابی اجزا و هم عدم قطعیت سرعت باد در نظر گرفته می­ شود. با توجه به اینکه تنوع توان­های خروجی مربوط به توربین بادی بسیار زیاد می­باشد لازم است به کمک تکنیک خوشه­بندی تعداد حالت­های مربوط به مدل قابلیت اطمینان این توربین­ها کاهش یابد. در این مقاله به منظور تعیین تعداد حالات مناسب برای مدل قابلیت اطمینان مزرعه بادی روش­های خوشه­بندی مختلف مورد استفاده قرار گرفته و نتیجه می­ شود که بر اساس معیار متوسط انرژی تعیین نشده روش فازی میانگین مناسب­ترین روش می­باشد.
پیشگفتار

در سال­های اخیر استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر به خصوص انرژی باد به منظور تولید برق در سراسر جهان رشد زیادی داشته است. پاک بودن و نداشتن مشکلات زیست محیطی، ارزان بودن و نداشتن نگرانی از پایان یافتن منابع این انرژی­ها از دلایل این امر بوده است. از طرف دیگر توان تولیدی این نیروگاه­ها بدلیل وابستگی به منابع تجدیدپذیر در طول زمان متغیر بوده و نمی­توان توان ثابتی از این نیروگاه­ها انتظار داشت. به عنوان نمونه توان تولیدی نیروگاه­های بادی به سرعت باد وابسته بوده و چون سرعت باد تغییر می­ کند توان تولیدی نیز متغیر خواهد بود. این امر بر مسائل مختلف سیستم قدرت شامل این نیروگاه­ها از جمله قابلیت اطمینان تأثیر می­گذارد. بر همین اساس لازم است در سیستم­های قدرت امروزی که درصد قابل توجهی از توان را نیروگاه­های بادی تولید می­ کنند مطالعه دقیق­تری در زمینه قابلیت اطمینان صورت پذیرد. در این تحقیق با در دست داشتن داده ­های ساعت به ساعت سرعت باد و منحنی توان توربین نیروگاه­های بادی توان خروجی واحدهای بادی بدست می­آید. از آن­جا که سرعت باد از تنوع بسیار زیادی برخوردار است مدل بدست آمده دارای تعداد زیادی حالت خواهد بود که برای انجام مطالعات قابلیت اطمینان به هیچ وجه مناسب نیست. بر همین اساس لازم است به کمک تکنیکی مناسب، تعداد حالت­های بهینه و همچنین توان این حالت­ها تعیین شود و یک مدل قابلیت اطمینان مناسب چند حالته برای نیروگاه­های بادی تعیین شود.
مدل تحلیلی بدست آمده می ­تواند در مطالعات مختلف سیستم قدرت به مانند برنامه ­ریزی استفاده شود و همچنین تعداد و ظرفیت نیروگاه­هایی که لازم است در آینده به منظور تأمین بار پیش ­بینی شده نصب گردند، با این مدل بدست می­آید. در تعیین مدل مناسب قابلیت اطمینان (تعداد حالت­ها و ظرفیت مربوط به هر حالت) از روش­های مختلف خوشه­بندی استفاده شده و مناسبترین تکنیک که می ­تواند بهینه­ترین مدل را از نقطه نظر قابلیت اطمینان بدست دهد تعیین می­ شود. این تکنیک از مقایسه نتایج مربوط به روش­های مختلف خوشه­بندی حاصل می­ شود.
در مطالعات قابلیت اطمینان روش­های تحلیلی (مدل چند حالته با احتمال رخداد مربوط حالت­ها) و غیر تحلیلی (مبتنی بر روش شبیه سازی مونت کارلو) وجود دارد. در این تحقیق از روش تحلیلی استفاده شده و یک مدل قابلیت اطمینان چند حالته برای نیروگاه­های بادی بدست می ­آید و لذا مدل بدست آمده مشکلات ناشی از روش شبیه سازی به مانند نیاز به حجم حافظه بالا، صرف نمودن زمان طولانی در شبیه سازی و … را به همراه ندارد.

:
شبکه­ های توزیع دارای بارهای متنوعی­اند که این بارها مقادیر متفاوتی از توان راکتیو را مصرف می­ کنند. با در نظر گرفتن تاثیر نوع بار روی محل و اندازه­ بانک­های خازنی در سیستم­های توزیع، در این پایان نامه ، یک روش بدیع جهت مدل­سازی بارهای مختلف شبکه به منظور بهبود پروفیل ولتاژ و کاهش تلفات توان در حضور خازن شنت انجام می­گیرد. برای این منظور، دو مدل ارائه می­ شود: الف) تجاری- خانگی- کشاورزی-عمومی- صنعتی و ب) امپدانس ثابت – جریان ثابت – توان ثابت. در واقع برتری اصلی این پایان نامه نزدیک کردن مطالعه به دنیای واقعیست، چرا که تقریبا تمامی مطالعات انجام شده در زمینه جایابی بهینه­ خازن اساسا از تاثیر نوع بار بر محل و ظرفیت بهینه خازن نصب شده اغماض کرده ­اند، حال آنکه این پایان نامه اثبات خواهد کرد که در نظرگیری مدل بار متفاوت روی محل/ ظرفیت خازن تاثیرگذار خواهد بود. قابلیت دیگر این پایان نامه ، فرمول­بندی تابع هدف به صورت یک مساله­­ی چند هدفه است. برای این منظور، انحراف ولتاژ به تابع تک­هدفه افزوده شده است. مساله فوق با بهره گرفتن از الگوریتم بهینه­سازی اجتماع ذرات (PSO) حل خواهد شد. جهت اثبات تاثیر مدل­سازی پیشنهادی بار روی پاسخ­های مساله جایابی بهینه­ خازن، سناریوهای زیر بکار می­رود: مدل­سازی بار و بدون آن با حضور خازن و بدون حضور آن.
 دیباچه
تحلیل شبکه­ های توزیع یکی از دغدغه­های اصلی بهره­برداران شبکه است. یک مهندس سیستم بایستی اطلاعاتی درباره تعداد، اندازه، محل و نوع المان­های شبکه، به منظور تحلیل شبکه­ توزیع، بداند. از آنجائی­که اکثریت سیستم­های توزیع عملا شعاعی­اند، جهت مدل­سازی و تحلیل شبکه بایستی به چالش­های مختلفی غلبه کرد، که عبارتند از [1]:

• سیستم

شبکه­ توزیعی دارای تنوع وسیعی از اجزاست که دارای پیچیدگی و ابعاد بزرگی­اند. به عنوان مثال، اغلب بارهای متصل شده، تنها از یکی از سه فاز تغذیه می­ کنند.

• توزیع بار

• 

•  

توزیع بار در فیدرها و شاخه­ها نوعا یکسان نبوده و از این رو سیستم توزیع نامتعادل است. سیستم­های نامتعادل، نامناسب­اند.

• داده

کل سیستم توزیع با حداقل نظارت و کنترل عمل می­ کند. بنابراین، داده ­های واقعی موجود سیستم
برای مدل­سازی و تحلیل آنها بسیار محدود است.
طراحان نیازمند اطلاعات دقیق برای مدل­سازی و طراحی جایگزین برای سیستم­های پیچیده، به
منظور غلبه بر مشکلات مختلف همراه با طراحی، بهره ­برداری و کنترل سیستم­های توزیع، هستند.
پاسخ برخی از انواع مشکلات مانند انتخاب هادی، تنظیم ولتاژ، جایابی خازن نیازمند مدل­­ها و
تکنیک­های دقیق است.
مطالعات تحلیلی و طراحی برای شرکت­ها به منظور اطمینان از تامین کیفیت توان انجام شده است.
برخی از دلایل پیچیدگی جنبه­ های طراحی سیستم توزیع در ادامه ارائه شده است.

• جنبه­ های تجاری سیستم­های توزیع

بدلیل اتصال داخلی تجهیزات مختلف شبکه­ توزیع، یک جزء روی عملکرد فنی و اقتصادی سایر اجزاء در سیستم تاثیر می­گذارد، که این موجب می­ شود ارزیابی راه­ حل فنی- اقتصادی یک فرایند پیچیده­ای باشد.

• اندازه

تعداد زیادی اجزاء یک سیستم توزیع را تشکیل می­دهند. این بدان معناست که شناسائی و تحلیل جایگزین­ها بسیار مشکل است. ارزیابی تمامی جایگزین­های محتمل بسیار مشکل و گاهی نیز ناممکن است.

• عدم قطعیت

در برنامه ­ریزی بلند مدت، پیش ­بینی ارتقاء در آینده امری ضروری است. هر عدم ­قطعیتی روی طراحی شبکه­ توزیع تاثیر می­گذارد. گاهی اوقات، بهترین پیش­بینی­های طراحی، بار و اقتصادی، عدم قطعیت در مورد بارگذاری آینده سیستم برای طراحی نامناسب شبکه توزیع را در بر نمی­گیرد. بنابراین، طراحی سیستم توزیع به منظور ارضاء تقاضای آینده با اجتناب از عدم قطعیت در پیش ­بینی بار و سایر موارد شبکه­ های توزیع ضروریست.

• سایر جنبه­ های ایمنی

در فرایند طراحی، طراحان سیستم قدرت بایستی جنبه­ های دیگر از ایمنی شامل مراجع قانونی، گروه­های اجتماعی، مداخله رهبران کسب و کار و سایر خدمات را در محاسبات در نظر بگیرند.

با افزایش روز افزون جمعیت جهان و محدود بودن منابع انرژی، کلیه کشورها با مشکل انرژی روبرو هستند. انرژی برای همه مردم مسأله­ای اساسی است. انرژی در تمام شئون جامعه انسانی رسوخ کرده و جنبه­ های مختلف آن از زندگی روزانه خانوادگی گرفته؛ تاسیسات جهانی و بین ­المللی و طرح­های توسعه ملی را تحت تأثیر قرار داده است. نگاهی گذرا به آمارهای تولید و مصرف انرژی الکتریکی در ایران بیانگر نیازمندی به افزایش سالانه ظرفیت 5000 مگاوات در بخش تولید جهت تأمین تقاضای بار می­باشد. بر اساس برنامه ­ریزی­های انجام شده انتظار می­رود ظرفیت نصب شده نیروگاه­های کشور تا پایان سال 1392 به رقمی معادل 72550 مگاوات بالغ گردد. از سوی دیگر محدود بودن منابع فسیلی تأمین انرژی، و تأثیرات نامطلوب زیست محیطی  ناشی ازسوختهای فسیلی، بخش قابل توجهی از تحقیقات و فعالیت­های پژوهشی در حوزه ی انرژی را به  موضوع انرژی های نو و تجدید پذیر معطوف نموده است (Phillipson and Willis 1999, 123-156; Griffin et al 2000, 9; Zareipour, Bhattacharya and Canizares 2000, 9-10; Barker and De Mello 2000, 1645-1656 ). یکی از راهکارهای اساسی به منظور حل مشکلات مطرح شده استفاده از میکروگریدها است. میکروگرید شبکه ای با مقیاس کوچک درسطح ولتاژ توزیع است که از پیوستن  تولیدات کوچک، مدولار و ذخیره انرژی  در سیستم­های ولتاژپایین یا متوسط شکل می­گیرد در واقع یک شبکه­ میکروگرید با ترکیبی از انرژی­های تجدیدپذیر همراه با سوختهای فسیلی به تولید توان در سطح ولتاژ توزیع می ­پردازد، که ازطریق یک نقطه­ی ­کوپلنگ مشترک به شبکه توزیع متصل می­ شود (Hatziargyriou et al 2004, 12; Lasseter 2010, 225-234). منابع تولید پراکنده مورد استفاده در میکروگریدها بر خلاف نیروگاه­های مرسوم در شبکه قدرت از نوع منابع  [1]DER می باشند که به کمک ادوات الکترونیک قدرت انعطاف لازم را به منظور تنظیم ولتاژ، فرکانس و توان در هنگام اتصال به شبکه داشته باشند.
تفاوت بین منابع مورد استفاده در میکروگریدها و نیروگاه های مرسوم در صنعت برق شامل موارد زیر می­باشد:
1)  منابع مورد استفاده در میکروگریدها دارای ظرفیت کمتری نسبت ژنراتورهای مرسوم در نیروگاه­های بزرگ برق  می­باشند.
2)     تولید انرژی الکتریکی در منابع میکروگرید بر خلاف ژنراتورهای مرسوم در شبکه ی برق، در سطح ولتاژ توزیع اتفاق می­افتد.
3)  منابع مورد استفاده در میکروگرید بر خلاف نیروگاه­های بزرگ در نزدیکی مصرف کننده­ها نصب می شوند تا بارها را با فرکانس و ولتاژ مناسب تامین نموده و باعث کاهش تلفات در خطوط انتقال شوند (Katiraei and Iravani 2006, 167).
از طرفی دیگر، ایران از لحاظ وضعیت جغرافیایی در شمار کشورهایی است که بهره ­برداری از منابع انرژی­های نو در آن ممکن می­باشد. یکی

 از اهداف بلند مدت صنعت برق کشور بکارگیری بیش از پیش انرژی­های نو و منابع تجدیدپذیر انرژی برای کاهش انتشار آلاینده­های زیست محیطی و کاهش مصرف سوخت­های فسیلی می­باشد. در طول یک دهه گذشته توسعه منابع تولید پراکنده به طور وسیعی رشد یافته است. در طی این فرایند شبکه توزیع به یک نگرانی بزرگ برای افراد تبدیل شده است. دلیل اصلی آن این است که این منابع تولید پراکنده در سطح ولتاژهای متوسط و بالا به شبکه توزیع متصل می­شوند، و طوری طراحی شده ­اند که بارها به صورت غیرفعال هستند و شارش توان فقط از پست­ها به سمت بار می­باشد و نه برعکس­. به همین دلیل مطالعات بسیاری برای اتصال میکرو گریدها به شبکه توزیع انجام شده است، از بحث های کنترلی گرفته تا حفاظت، پایداری ولتاژ، کیفیت توان و خیلی موارد دیگر. واحدهای تولید توان کوچک، که معمولاً در نزدیک بار قرار دارند، به عنوان یک گزینه برای تامین نیاز افزایشی به انرژی الکتریکی مشترکان، با تاکید بر قابلیت اطمینان و کیفیت توان و سایر ملاحظات مربوط به مسائل اقتصادی، زیست­محیطی ومزایای فنی، در نظر گرفته خواهند شد (Piagi and Lasseter 2006, 8).

با این حال، با توجه به نفوذ بیش از پیش منابع تولید پراکنده، شبکه توزیع فشار ضعیف را دیگر نمی­توان به عنوان یک عنصر غیرفعال متصل به شبکه انتقال در نظر گرفت که تنها شارش توان یک­طرفه به سمت آنها برقرار باشد. همچنین تاثیر منابع تولید کوچک در شبکه فشار ضعیف بر روی تعادل توان و کنترل فرکانس بسیار مهم­تر خواهد شد.
در پروژه­ های تحقیقاتی که تاکنون انجام شده است، میکروگرید این چنین تعریف می­ شود: تجمیع منابع تولید توان کوچک در شبکه فشار ضعیف در سطح وسیع.
یک تعریف کامل از میکروگرید به شکل زیر ارائه شده است:
میکروگرید شامل سیستم توزیع فشار ضعیف با منابع تولید پراکنده (میکروتوربین، سلول سوختی، فتوولتائیک و. . . ) به همراه ادوات ذخیره­ساز (فلایویل، خازن­های انرژی و باتری­ها) است. چنین سیستمی می ­تواند به طور غیر مستقل زمانی که به شبکه متصل است و به طور مستقل زمانی که از شبکه جدا شده است، عمل کند. بهره ­برداری از منابع کوچک توان در شبکه در صورتی که به طور مناسب مدیریت و هماهنگی شود، می ­تواند مزایای زیادی را برای کل سیستم داشته باشد، 3 نکته مهم در این تعریف وجود دارد:
1- میکروگرید جایگاهی برای تجمیع منابع سمت تغذیه (منابع تولید کوچک) و منابع سمت مصرف (ذخیره کننده­ها و بارهای کنترل­پذیر) می­باشد که در یک شبکه توزیع محلی قرار گرفته است.
2- یک میکروگرید باید قادر باشد که هم در شرایط عادی (متصل به شبکه) و هم حالت اضطراری (جدا از شبکه) به کار خود ادامه دهد.
3- تفاوت بین یک میکروگرید و یک شبکه غیرفعال که در آن ریزمنابع وجود دارند، به طور عمده در شیوه مدیریت و هماهنگی منابع موجود تولید توان می­باشد.
یک میکروگرید می ­تواند در اندازه­ های متفاوتی باشد. مثالی از یک میکروگرید به عنوان یک شبکه فشار ضعیف، در شکل 1-1 نشان داده شده است. هرچقدر که سایز میکروگرید بیشتر باشد باید با خازن­های متعادل­کننده و تجهیزات تولیدی بیشتر از توقف در سمت تولید و سمت مصرف جلوگیری شود، اما در حالت کلی، ماکزیمم ظرفیت میکروگرید (در حالت پیک بار مورد تقاضا) به چند MW محدود می­ شود. بیشتر از این مقدار ظرفیت به عنوان مفهوم میکروگرید چندگانه[2] تلقی می­ شود که با جدا کردن منابع به عنوان میکروگرید­های جدا از هم، بررسی می­ شود (Katiraei et al 2008, 54-65; Lasseter 2002, 305-308  ).
از لحاظ فنی میکروگرید از اتصال منابع تولید کوچک به شبکه فشار ضعیف  به وجود می­آید. که معمولاً به وسیله ادوات کنترلی مدرن و خصوصا واحدهای الکترونیک قدرت این منابع به شبکه توزیع متصل            می­شوند. بنابراین یک گروه کنترل شده از منابع انرژی متصل به شبکه فشار ضعیف، اما در عین حال قابل کار کردن به صورت مستقل از شبکه (جزیره­ای) می ­تواند به عنوان یک تعریف از میکروگرید باشد.
بهره ­برداری هماهنگ و کنترل ریزمنابع با یکدیگر و با منابع ذخیره­ساز مانند فلایویل، خازن­های انرژی، باتری­ها و بارهای کنترل­پذیر مانند آب­گرمکن و تهویه هوا، در قلب مفهوم میکروگرید جای دارد. از نقطه نظر شبکه یک میکروگرید می ­تواند به عنوان یک نهاد کنترل شده درون سیستم قدرت در نظر گرفته شود، که می ­تواند به عنوان یک بار تجمیع شده مستقل عمل کند.