انشگاه آزاد اسلامی

واحد علوم و تحقیقات یزد 

پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق(M. Sc.)

گرایش قدرت

عنوان:

تعیین تعداد حالت بهینه در مدل تحلیلی قابلیت اطمینان نیروگاه بادی

استاد راهنما:

دکتر علی اکبر دامکی علی آباد

استاد مشاور:

دکتر علی امام حسینی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده:

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 می­شود. 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 خوشه ­بندی مختلف مورد استفاده قرار گرفته و نتیجه می­شود 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 می­کند 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 می­کنند مطالعه دقیق­تری در زمینه قابلیت اطمینان صورت پذیرد. در این تحقیق با در دست داشتن داده­های 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 می­تواند در مطالعات مختلف سیستم قدرت به مانند برنامه­ریزی استفاده شود و همچنین  تعداد و ظرفیت نیروگاه­هایی که لازم است در آینده به منظور تأمین بار پیش­بینی 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 می­تواند بهینه­ترین مدل را از نقطه نظر قابلیت اطمینان بدست دهد تعیین می­شود. این تکنیک از مقایسه نتایج مربوط به روش­های مختلف خوشه­بندی حاصل می­شود.

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 می­آید 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.

فصل اول: مقدمه

4-1- اهمیت موضوع

 افزایش تدریجی قیمت سوخت­های فسیلی، رو به پایان نهادن این منابع، مسائل زیست محیطی ناشی از مصرف این­گونه سوخت­ها و تولید گازهای گلخانه­ای[1] نظیر CO₂, SO₂, NO₂ که منجر به تخریب لایه ازن می­گردد، سبب رشد روزافزون استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر[2] به مانند توربین­های بادی، انرژی برقآبی و سیستم­های فتوولتاییک[3] شده است.  این امر با پیشرفت تکنولوژی ساخت سیستم­های فتوولتاییک و توربین­های بادی و کاهش قیمت تمام ­شده برق تولیدی آن­ها سرعت گرفته است. در شکل 1-1 روند افزایش استفاده از انرژی باد در تولید برق نشان داده شده است]1[. همان­گونه که در این شکل مشخص است ظرفیت توربین­های بادی نصب شده در جهان از 6100 مگاوات در سال 1996 به 318137 مگاوات در سال 2013 رسیده است. امروزه با پیشرفت تکنولوژی توربین­های بادی با قطر بزرگتر از 120 متر و ظرفیت بیش از 5 مگاوات ساخته شده است که با نصب گسترده آن­ها در مزارع بادی امکان تولید توان­های زیاد و قابل وصل به شبکه انتقال میسر شده است. به عنوان نمونه در جدول 1-1 تعدادی از مزارع بادی نصب شده با ظرفیت­های زیاد آورده شده است]1[.

انتظار می­رود در سال 2035 ظرفیت نصب­شده منابع انرژی­ تجدیدپذیر شامل باد، فتوولتاییک و برقآبی در کشور آمریکا 107 گیگاوات شود که بتوانند 23 درصد از کل بار  مورد نیاز این کشور را تأمین نمایند]2[. همچنین بسیاری از کشورها در برنامه­ریزی­های خود از [1]RPS تبعیت می­کنند. به این معنا که خود را ملزم ساخته­اند تا یک تاریخ مشخص، درصد مشخصی از بار مصرفی خود را از انرژی­های تجدیدپذیر تأمین نمایند.

نیروگاه­های بادی یکی از بزرگترین منابع انرژی تجدیدپذیر بوده که در بسیاری از کشورها جایگزین تولیدات متداول سنتی شده و سبب کاهش میزان انتشار گازهای گلخانه­ای گردیده­اند. همان­گونه که گفته شد استفاده از انرژی باد در حال افزایش است. بر اساس گزارش شورای انرژی جهانی باد (GWEC) میزان میزان رشد ظرفیت نیروگاه های بادی بین سال­های 2006 تا 2013 بیش از 330 درصد بوده است که در نمودار و جدول شکل1-2 ، 10 کشور برتر دنیا در زمینه تولیدات بادی به همراه سهم آن­ها در تأمین برق بادی آورده شده است. این گزارش نشان از گسترش استفاده از انرژی باد در تولید برق در آینده دارد. اما طبیعت موسمی و متغیر تولیدات بادی ممکن است مشخصات سیستم قدرت نظیر ولتاژ، فرکانس و کفایت سیستم را تحت تأثیر قرار داده و آسیب­پذیری سیستم قدرت را افزایش دهد. منظور از موسمی بودن باد عدم دسترسی به آن در یک پریود زمانی مشخص و منظور از متغیر بودن باد، تغییرات ساعت به ساعت و کوچک در مشخصه موسمی آن است.

تولید باد تجمعی به مانند چند مزرعه بادی در یک سیستم قدرت ممکن است موسمی نباشد اما توان خروجی یک مزرعه تنها می­تواند در پریود 24 ساعته به صورت منقطع و موسمی باشد. تکنیک­های مختلفی به منظور پیش­بینی میزان تولیدات بادی منقطع وجود دارد. پیش­بینی باد توسط شبیه­سازی، روش­های آماری و ترکیبی از این دو از جمله این تکنیک­ها می­باشند. روش شبیه­سازی مبتنی بر در نظر گرفتن تعداد زیادی سناریو برای واحدهای بادی می­باشد که با پیش­بینی آب و هوا به صورت عددی (NWP) شروع شده و به دنبال آن پیش­بینی نمونه بادهای محلی با استفاده از روش­های تحلیلی صورت می­گیرد. روش آماری از NWP شروع شده و به دنبال آن از روش­های آماری، شبکه­های عصبی و یا روش­های منطق فازی به جای روش­های تحلیلی برای محاسبه مقدار ساعت به ساعت تولیدات بادی منقطع استفاده شده که در این روش­ها اطلاعات زیادی مورد نیاز می­باشد. اگر چه تولیدات بادی تا حدی قابل پیش­بینی هستند اما نمی­توانند با دقت 100 درصد به منظور دیسپاچینگ واحدها پیش­بینی شوند. بنابراین امکان دارد که مقدار تولید باد واقعی با مقدار پیش­بینی شده متفاوت باشد. که این عدم قطعیت موجود می­تواند به صورت در نظر گرفتن سناریوهای مختلف مدل ­شود.

پیش­بینی تولیدات بادی و دقت این پیش­بینی در تحلیل و ارزیابی تأثیر تولیدات بادی بر مسائل برنامه­ریزی و بهره­برداری سیستم قدرت اهمیت دارد. همچنین مدلسازی خطای پیش­بینی بار (پروفیل بار) و عدم قطعیت­های دیگر نظیر مدلسازی خروجی­های تولید و خطوط انتقال نیز در این­گونه مطالعات مهم می­باشد. مزرعه­های بادی توسط شرکت­های برق مدیریت شده و برنامه روشن و خاموش شدن واحدهای دیگر به رفتار ساعت به ساعت باد در این­گونه مزارع و دسترس­پذیری تولیدات بادی منقطع وابسته است.

در برخی از قسمت­های آمریکا منقطع بودن باد می­تواند تولیدات بادی را حتی تا چند صد مگاوات در ساعات مختلف تغییر دهد. این متغیر بودن تولیدات بادی تأثیر زیادی بر بهره­برداری سیستم قدرت دارد و در بازار برق مشکلاتی را ایجاد کرده است. اپراتورهای اتاق کنترل و اپراتورهای مستقل سیستم (ISO) در بازارهای برق رقابتی از روش­های بهینه­سازی مختلفی به منظور مدیریت امنیت سیستم با بهره بردن اقتصادی از تولیدات بادی استفاده می­کنند.

بنابراین یکی از مشکلات واحدهای بادی، خورشیدی و آبی متناوب بودن[1] منابع انرژی آن­هاست که سبب شده است تولید برق آن­ها همراه با عدم­قطعیت[2] باشد. بنابراین برای تأمین پیوسته بار نمی­توانند به تنهایی استفاده شوند.

با زیاد شدن سهم انرژی­های نو در تأمین بار، بررسی تأثیر آن­ها بر مسائل مختلف موجود در سیستم قدرت نظیر بهره­برداری، کیفیت توان و قابلیت اطمینان اهمیت پیدا کرده است. به دلیل اینکه توان تولیدی نیروگاه­های بادی به سرعت وزش باد وابسته است و سرعت باد نیز در طول سال بسیار متغیر است توان تولیدی این نیروگاه­ها ثابت نبوده و از این لحاظ مزارع و نیروگاه­های بادی با نیروگاه­های متداول متفاوت است.

از نقطه نظر قابلیت اطمینان، مدل نیروگاه­های متعارف به دلیل اینکه دو وضعیت برای نیروگاه قابل تصور است به صورت مدل مارکوف دو حالته شامل حالت سالم و حالت خراب می­باشد. از آن­جا که توان نیروگاه­های بادی بسیار متفاوت می­باشد بنابراین مدل قابلیت اطمینان این نیروگاه­ها دارای تعداد بسیار زیادی حالت می­باشد و باید بتوان به کمک یک الگوریتم مناسب تعداد این حالت­ها را کاهش داد؛ به گونه­ای که مدل بدست آمده در عین کم نمودن پیچیدگی از دقت مناسبی نیز برخوردار باشد. در این پایان­نامه هدف این است که یک روش مناسب ارائه شود تا بتوان بر اساس آن تعداد حالت­های مناسب مدل قابلیت اطمینان مزارع بادی را به دست آورد و سپس تأثیر افزایش تولیدات مربوط به منابع تجدیدپذیر باد را بر مطالعات قابلیت سیستم قدرت بررسی و یک روش بهینه را جهت قابلیت اطمینان نیروگاه های بادی انتخاب نمود.

5-1- مرور مقالات و کارهای صورت گرفته

به منظور بدست آوردن تأثیر نیروگاه­های بادی بر مطالعات قابلیت اطمینان کارهای زیادی انجام شده است. در مراجع ]4-3[ برای مزارع بادی یک مدل قابلیت اطمینان ارائه شده و کفایت سیستم قدرت در سطح اول با استفاده از معیارهای احتمالاتی و سلامت سیستم در حضور نیروی باد بررسی شده است. برای این­که حالت واقعی­تر سیستم قدرت در نظر گرفته شود مطالعات سیستم مرکب تولید و انتقال نیز انجام شده و بر این اساس اولویت در تعیین مکان و ظرفیت نصب نیروگاه­های بادی به دست آمده است. مدلی که برای واحد بادی به دست آورده شده است تنها عدم قطعیت موجود در سرعت وزش باد را در نظر گرفته و المان­های موجود در سیستم تبدیل انرژی را مورد توجه قرار نداده است.

برای دانلود پایان نامه اینجا را کلیک کنید.

لینک بالا اشتباه است

برای دانلود متن کامل اینجا کلیک کنید

       

:: بازدید از این مطلب : 567