مهندسی برق قدرت دانشگاه آزاد گناباد

ارزیابی قابلیت اطمینان با حضور نیروگاه های بادی کوچک

در یک ریزشبکه

چكيده:

امروزه حضور واحدهاي نيروگاه هاي بادي كوچك در شبكه فشار متوسط توزيع رو به افزايش مي باشد. اين واحدها به دليل وابستگي زياد به سرعت باد، توليد متغيري دارند كه شاخص هاي قابليت اطمينان را تحت تأثير قرار مي دهند. اين مسئله در ريز شبكه ها به دليلماهيت آنها از اهميت بيشتري برخوردار است. از اين رو در اين مقاله ضمن معرفي ويژگي هاي ريز شبكه ها، شاخص هاي قابليت اطمينان، يك ريز شبكه ي جزيره شده داراي واحد بادي با استفاده از نرم افزار neplan 3.5 مدل سازي شده و نتايجي به دست آمده است. نتايج حاصل از شبيه سازي نشان مي دهد كه در صورت كنترل صحيح مسائلي مثل كنترل سيستم زاويه پره ي نيروگاه هاي بادي، شاخص قابليت اطمينان بهبود يافته است.

مقدمه:

توليد پراكنده يا DG عبارتست از توليد برق در محل مصرف،اما گاهي به تكنولوژي هايي گفته مي شود كه از منابع تجديد پذير براي توليد برق استفاده مي كنند.IEEE توليد برق توسط وسايلي كه به اندازه كافي از نيروگاههاي مركزي كوچكتر باشد و قادر به نصب از محل مصرف هستند را به عنوان  DGتعريف مي نمايد.IEA واحدهاي توليد توان در محل مصرف هستند يا در داخل شبكه توزيع كه توان را مستقيما به شبكه توزيع محلي تزريق مي كند DG مي شناسد.درشبكه سراسري برق مرسوم كنوني،واحدهاي توليدي در نقاطي متمركز شده اند و از طريق خطوط انتقال به مشتركين و بخش توزيع ارائه مي گردد.در حضور شبكه ي هوشمند،واحد هاي توليدي متمركز،به صورت غير متمركز(پراكنده) در كل شبكه مستقر مي شوند. شكل 1 شبكه برق كنوني و آينده را از اين ديدگاه به خوبي مقايسه مي كند.

 

واحد هاي توليد پراكنده در حضور شبكه هوشمند بهينه مي شود، به صورتي كه   DGها با افزايش سطح توليد در آينده علاوه بر توليد محلي درگير حضور تقاضا، خدمات جانبي و...خواهند شد. ريز شبكه يك شبكه هوشمند در مقياس كوچكتر مي باشد كه تجميعي از بارها و توليد كننده ها است و مي توان به طور جزيره اي ويا متصل به شبكه كار كند. توليد كنندگان ريز شبكه عموما بخاطر بار كم و ماهيت ريز شبكه به صورت توليد كننده با منابع پراكنده هستند.ريز شبكه كه بخصوص در مناطق دور افتاده پتانسيل هاي خوبي براي توليد انرژي از باد،سلول هاي خورشيدي،ميكروتوربين ها،پيل هاي سوختي و ژنراتورهاي ديزلي را دارا مي باشد،به صورت به هم پيوسته به صورت يك سيستم ولتاژ پايين عمل مي كند.اين نوع از تجميع و يكجا سازي مزاياي مهمي به شرح زير دارد.

1.بهينه سازي بار در سيستم الكتريكي

2.كاهش هزينه براي مصرف كننده و صنعت و شركت برق

3.تجميع و ارتقا منابع تجديد پذير

4.بهبود پايابي سيستم هاي موجود

5.كاهش اثرات زيست محيطي به دليل افزايش بار

6.بهره برداري بهتر از منابع

7.افزايش سطح قابل اطمينان سيستم

8.افزايش قابليت انعطاف سيستم

9.صرفه هاي اقتصادي در بلند مدت

با مزاياي فوق ريز شبكه ها سهم مهمي در آينده شبكه برق دارند.شكل 2 رشد سهم ريز شبكه ها را در جهان نشان مي دهد.به طوري كه مشاهده مي شود از سال 2010 تا 2015 اين سهم براي امريكاي شمالي تقريبا سه چهار برابر خواهد شد(3).

 

يكي از ضروريات هوشمند سازي شبكه،توسعه ي انرژي هاي پاك از جمله توربين هاي بادي و پنل هاي خورشيدي (PV) مي باشد. با اتصال DG ها به شبكه و مصرف كنندگان بايد پارامترهاي متعددي همواره كنترل شوند تا اطمينان براي عملكرد صحيح شبكه قدرت حاصل شود در اين بحث سعي شده است تا با شبيه سازي شبكه نمونه 21 باسه شامل واحد پراكنده بادي،شاخص هاي مربوط به قابليت اطمينان مورد ارزيابي قرار گيرد. بنابراين در ابتدا ضمن بيان اهميت حضور نيروگاه هاي بادي و ريز شبكه ها در سيستم قدرت،به معرفي شاخص هاي قابليت اطمينان پرداخته شده ودر نهايت شبيه سازي صورت گرفته ونتايج حاصل از آن بيان شده است.

2.حضور واحدهاي بادي در سيستم قدرت

با توجه به مشكلات زيست محيطي ناشي از فعاليت نيروگاه هايي كه از سوخت هاي فسيلي و اتمي استفاده ميكنند،امروزه استفاده از انرژي هاي تجديد پذير اهميت ويژه اي يافته است.در اين ميان،انرژي باد از مقبوليت بيشتري برخوردار است كه اين امر به علت هزينه پايين تر توليد برق از انرژي باد نسبت به ساير انرژي هاي تجديد پذير ونيز ظرفيت هاي بالاي توليد برق در مزارع بادي مي باشد.با افزايش ظرفيت مزارع بادي اين امكان فراهم شده است كه اين مزارع به شبكه هاي فوق توزيع و انتقال متصل شوند.به طوري كه معمولا نيرو گاه هاي بادي با ظرفيت 50 مگاوات به بالا به شبكه ي انتقال و نيروگاه هاي بادي با ظرفيت بين 100 كيلووات تا 50 مگاوات به شبكه هاي توزيع و فوق توزيع متصل مي شوند.

امروزه درصد كمي از الكتريسيته جهان توسط انرژي باد توليد مي شود و اين ميزان در برخي كشورها به حدود 20% و يا بيشتر مي رسد.بيش از 83% توان انرژي باد هم اكنون در فقط 5 كشور آلمان،امريكا،چين،هند و دانمارك توليد مي شود.استراتژي انجمن جهاني انرژي باد بر اين مبنا است كه تا سال 2020 حدود 10% از انرژي مصرفي جهان را از انرژي باد تامين كند.شكل 3 توسعه ي واحدهاي بادي از سال 1985 به بعد را به خوبي نشان مي دهد.

 

مهم ترين مشخصه ي خروجي توان واحدهاي بادي نوساني بودن آنهاست.شبكه هوشمند مي تواند با يك سيستم كنترلي تجهيز شود تا توان خروجي مزارع بادي را كنترل كرده و تاثير نوسانات توان بادي روي پايداري و فركانس شبكه را تعديل نمايد.اگرچه حضور واحد هاي بادي به عنوان منابع اصلي توليد در شبكه هوشمند،پارامتر هاي كيفيت توان،كنترل پخش توان و...را دچارپيچيدگي و مشكلاتي مي نمايد،اما فوايد بسياري از جمله عدم نياز به احداث خطوط انتقال جديد،كاهش تلفات خط انتقال و شركت در كنترل فركانس و ولتاژ و... را دارند.حضور منابع پراكنده به علت توليد كم و بحث نوساني بودن برخي از آنها اگر در قالب مجزايي در شبكه حضور يابند نه تنها مزيتي ندارند بلكه مشكلاتي را منجر مي شوند،بنابراين اين منابع بايد در قالب مجموعه اي توليدي بكار روند تا بتوانند علاوه بر مزاياي حضورشان در شبكه پارامتر هاي سيستم را نيز مختل ننمايند.

ريز شبكه ها در دو حالت اتصال به شبكه و مجزا(ايزوله) عملكرد دارند. در زمان بروز اغتشاش در شبكه به حالت ايزوله خواهند رفت و همچنين در مواقعي كه پارامتر هاي سيستم(همچون كيفيت توان) از حد استاندارد كمتر شود به حالت جزيره اي مي روند. واحد هاي پراكنده از جمله توربين بادي با حضور در يك ريز شبكه كه با يك سوئيچ به شبكه سراسري متصل است،افزايش قابليت اطمينان را منجر مي شود.به اين صورت كه در حالت عملكرد عادي شبكه،ريز شبكه مازاد توليد خود رابه سيستم تزريق مي نمايد ودر حالت غير عادي با جدا شدن از شبكه علاوه بر بهبود قابليت اطمينان،در كنترل فركانس شبكه سراسري موثر خواهد بود.شكل 4 نمونه يك ريز شبكه 34 باسه استاندارد IEEE است كه شامل واحدهاي توليد پراكنده بادي و فتوولتاييك مي باشد و مي تواند از باس 822 توسط يك سوئيچ به شبكه وصل يا جدا گردد.

 

3.بررسي قابليت اطمينان شبكه

امروزه مشتركين صنعتي نسبت به قطع بارهاي خود كه نقش مهمي در توليد دارند بسيار حساس هستند.قابليت اطمينان را مي توان به طرق زير تعريف نمود:

1.نسبت زمان برق دار بودن تجهيز به كل زمان بهره برداري در يك دوره زماني

2.درصد زماني خاموشي مشتري نسبت به كل زمان بهره برداري

هدف اصلي در طراحي و برنامه ريزي شبكه ي توزيع حداكثر كردن كيفيت برق و تداوم برق رساني (قابليت اطمينان) ونيز حداقل كردن هزينه ي سرمايه گذاري و بهره برداري است.اگرچه بالا بردن قابليت اطمينان هزينه بر است،اما در نهايت و با گذشت زمان هزينه بهره برداري به سود بهره برداران خواهد بود.وقتي يك خطا در شبكه رخ دهد ممكن است يك يا چندين بار قطع شود.با رفع خطا و يا تغيير آرايش شبكه،برق تمام بارها تامين مي گردد.در همه موارد تغيير آرايش به دليل محدوديت شبكه قابل انجام نيست.در نتيجه بار مربوطه بي برق ميشود.

فرآيند مكان يابي خطا و رفع آن در مدت زمان طولاني رخ داده و در نتيجه بار مدت زيادي بي برق خواهد بود.استفاده از اتوماسيون و سيستم هاي كنترل هوشمند براي مكان يابي هوشمند خطا(كاهش زمان قطعي)، رفع هوشمند خطا، تغيير آرايش هوشمند خطا(حذف بسياري از قطعي ها)،كنترل هوشمند بارهاي قابل كنترل خانگي بوسيله ي روش هايي مانند DSM و بالاخره اندازه گيري هوشمند مي توانند راه هايي جهت كاهش خطا و بالا بردن قابليت اطمينان باشد(6).راه حل هاي فوق تنها در قالب شبكه هوشمند محقق خواهد شد.

1-3-شاخص هاي قابليت اطمينان

شاخص هاي قابليت اطمينان با استفاده از داده هاي گذشته سيستم بدست مي آيد كه تعدادي از آنها عبارتند از(2):

·         نرخ خرابي  (λ) :ميانگين تعداد خرابي يك المان سيستم در زمان معين

·         شاخص ميانگين تعداد خاموشي سيستم(SAIFI) : ميانگين تعداد خاموشي هر مشترك در طول سال

·         شاخص ميانگين تعداد خاموشي هاي هر مشترك قطع شده در سال(CAIFI)

·         شاخص مدت زمان متوسط خاموشي سيستم(SAIDI) : ميانگين مدت زمان خاموشي هاي هر مشترك در طول سال

·         شاخص مدت زمان متوسط خاموشي هاي مشترك(CAIDI) : ميانگين مدت زمان خاموشي هاي هر مشترك قطع شده در طول سال

·         شاخص مدت قابليت دسترسي يا آمادگي سيستم(ASAI) :

·         شاخص مدت عدم قابليت دسترسي(ASUI) :

در شبيه سازي انجام شده كه در قسمت بعد تشريح مي شود با اين هدف بررسي صورت مي گيرد تا در يك ناحيه اي از سيستم قدرت كه به صورت  آيلند شده از شبكه سراسري است(منبع يا منابع توليد پراكنده در آن به چشم مي خورد) برخي از پارامتر هاي قابليت اطمينان تحليل و مقايسه شود. به طور كلي ارزيابي قابليت اطمينان يك شبكه ي سيستم قدرت يا قسمت هايي ازشبكه،در واقع ارزيابي توانايي آن شبكه براي تامين برق كليه مصرف كنندگان متصل به آن و البته با كيفيت كافي مي باشد.سه تابع زير براي ارزيابي قابليت اطمينان از قبل ايجاد شده اند كه عبارتند از:

:Contingency Analysisتخمين غير آماري از ميزان حداكثر يا حداقل بارگيري و ولتاژ ها براي تركيب خاصي از قطعه هاي اجزا شبكه

Generation Reliability Assessment:ارزيابي توانايي منبع ژنراتور براي پوشش كل تقاضاي بار سيستم

Network Reliability Assessment:ارزيابي آماري داده هاي قطعي براي بارها و باس بارهاي اختصاصي شبكه

سيستم قدرت در سه سطح كه در شكل 5 نشان داده شده است مورد ارزيابي قابليت اطمينان قرار مي گيرد كه پر واضح است ارزيابي پارامتر هاي سطح HLIII پيچيده تر است چرا كه اطلاعات كل المان هاي سيستم مورد نياز مي باشد(1).

 

 4.شبيه سازي سيستم مورد مطالعه

جهت شبيه سازي سيستم مورد نظر  از نرم افزار  Neplan 5.3 استفاده شده است. اين نرم افزار كه محصول مجموعه BCP است،مرجع قدرتمندي در طراحي و بهينه سازي سيستم قدرت مي باشد. شبكه 21 باسه مورد مطالعه،سيستم استاندارد قابليت اطمينان نرم افزار Neplan مي باشد.در اين بحث اين سيستم به عنوان يك ناحيه جزيره شده فرض مي شود و اثر حضور واحد بادي مورد بررسي قرار مي گيرد.بنابراين در ابتدا، شاخص هاي قابليت اطمينان شبكه مورد نظر، بدون حضور واحد بادي مورد بررسي قرار مي گيرد و در نهايت با مدل سازي واحد بادي در محيط نرم افزار،سيستم ثانويه مورد بررسي قرار خواهد گرفت.

4-1-مدل سازي توربين بادي

براي مدل سازي واحد بادي روش هاي متعددي وجود دارد در اين بحث ابتدا ماشين آسنكرون به باس مورد نظر متصل مي شود سپس با اضافه نمودن

 

 بلوك توربين بادي در محيط نرم افزار و فعال ساختن ارتباط ماشين آسنكرون به توربين،پارامترهاي بلوك هاي زير تنظيم مي شود(7).

1.كنترل ولتاژ

2.كنترل زاويه پره

3.كنترل سرعت

4.كنترل Crow-bar
قابليت مدل سازي كنترلي كميات بالا براي واحدهاي بادي از قابليت هاي سودمند اين نرم افزار است.نوع ژنراتور توربين بادي جهت شبيه سازي ، از نوعDFIG  انتخاب شده است.

 

4-2- تحليل ريز شبكه بدون حضور واحد بادي

در اين قسمت سيستم شكل 6 را پياده سازي كرده، نتايج زير از شاخص هاي قابليت اطمينان حاصل شده اند.

 

4-3-تحليل ريز شبكه با حضور واحد بادي

در اين قسمت با تزريق مدل شبيه سازي شده ي نيروگاه بادي قسمت 4-1،دو واحد توليدي(يكي از آنها واحد بادي است)وجود دارد،كه مجموعا همان مقدار توان اكتيو(سيستم اوليه) را به شبكه تزريق مي كنند، سيستم ثانويه در محيط نرم افزار به صورت زير شبيه سازي مي گردد.

 

پر واضح است كه در سيستم ثانويه بهبود شاخص هاي قابليت اطمينان حاصل شده است. در سيستم ثانويه سهم تامين توان اكتيو مجموعه ي بارهاي سيستم توسط واحد بادي 32.1% مي باشد.

حال در حالت سوم مدلي ارزيابي مي شود كه با همان 32.1% درصد توليد واحد بادي در سيستم ثانويه، به جاي يك واحد بادي از دو واحد بادي استفاده مي شود. لازم بذكر است كه واحدهاي بادي از نظر قابليت اطمينان ايده آل فرض شده اند.نتايج زير مربوط به حالت سوم مي باشد.

در اين حالت شاخص مدت زمان متوسط خاموشي هاي مشترك(CAIDI) بهبود بهتري يافته است.

5.نتيجه

در اين مبحث پس از معرفي شاخص هاي قابليت اطمينان و بحث شبكه هوشمند و ريز شبكه ها و منابع تجديذير،يك ناحيه جزيره شده ي سيستم قدرت در قالب ريز شبكه،با كمك شبيه سازي نيروگاه بادي در محيط نرم افزار Neplan از لحاظ پارامترهاي قابليت اطمينان مورد مطالعه قرار گرفت. با توجه به نفوذ بيشتر نيروگاه هاي بادي در شبكه و هم چنين ويژگي هاي اين واحدها از جمله نوساني بودن توان توليدي به واسطه تغييرات باد،لزوم بررسي قابليت اطمينان سيستم قدرت پر اهميت به نظر مي رسد. اگر چه به ظاهر جايگزيني نيروگاه هاي بادي به واسطه ماهيت آنها، اختلالاتي در سيستم قدرت را منجر مي شوند، اما در اين مبحث با تنظيم صحيح پارامترهاي كنترلي مانند كنترل ولتاژ و زاويه پره، بهبود سيستم به خصوص از لحاظ قابليت اطمينان به وضوح مشاهده مي شود.لذا در سيستم دوم با جايگزيني نيروگاه بادي به جاي واحدهاي توليدي مرسوم  و تنظيم صحيح پارامترهاي كنترلي تشريح شده، شاخص هاي  SAIDIوSAIFIوCAIDI  هريك به ترتيب به مقدار 12%،59%و40% بهبود را نشان مي دهند.

مراجع:

[1]طاهر خانی، فتوحی، محمود " اتصال بهینه مزرعه بادی به شبکه سیستان و اثرات آن بر شاخصهای قابلیت اطمینان " بیست و ششمین کنفرانس بین المللی برق ، 2011.

[2]نظری، محمد اسماعیل، قابلیت اطمینان در شبکه های هوشمند، مدیریت هوشمند شبکه توزیع، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، خرداد 1391

[3]امانی بنی، صادق " بهینه سازی هزینه بهره برداری از ریزشبکه های هوشمند با وجود برنامه های پاسخگویی بار " دومین کنفرانس شبکه های الکتریکی هوشمند، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، خرداد 1391.

[4] M.M Mojarrad, S.M Sajjadi, H.T Zavareh., "A wind farm’s reliability and effects of the wind farm on a distribution grid’s reliability indices"  Second  Iranian  Conference on

Smart Grid, 2012

[5] Q. Fu, A. Solanki, L. F. Montoya, A. Nasiri, V. Bhavaraju, D.  Yu., " Generation Capacity Design for a Microgrid for Measurable Power Quality Indexes " Innovative Smart Grid Technologies, IEEE PES, 2011

[6] Sita Agarwal, Parmar Divyesh., "Performance Evaluation of Microgrid  in  Islanding Mode Using  D.F.I.G"  National Conference  on  Recent  Trends  in  Engineering  and

Technology, 2011

[7]  Tomas  Winter.,  Reliability and economic  analysis of offshore wind power systems - A comparison of internal grid Topologies, M.Sc.  thesis,  Chalmers  University of Technology, 2011

[8]  O.J.O.,  Modeling the  Reliability  of  Wind Turbine Generators, Major Project Report of TERI University, June 2011

[9]  BCP Group. Dynamic Wind Power Plant Simulation with NEPLAN, Zurich, Switzerland, 2011, http://www.neplan.ch