دانشگاه 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 گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
چکیده:
امروزه به علت های زیست محیطی و اقتصادی طریقه بهره گیری از انرژی­های تجدیدپذیر به ویژه توربین­های بادی به مقصود تولید برق در کشورهای مختلف دنیا افزایش یافته می باشد. از طرف دیگر توان تولیدی توربین­های بادی وابسته به سرعت باد بوده و با در نظر داشتن عدم قطعیت سرعت باد، توان خروجی این نیروگاه­ها متغیر می­باشد. این امر بر مسائل مختلف سیستم قدرت مانند قابلیت اطمینان تأثیر می­گذارد. به مقصود مطالعه 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 می­گردد. با در نظر داشتن اینکه تنوع توان­های خروجی مربوط به توربین بادی بسیار زیاد می­باشد لازم می باشد به کمک تکنیک خوشه­بندی تعداد حالت­های مربوط به مدل قابلیت اطمینان این توربین­ها کاهش یابد. در این مقاله به مقصود تعیین تعداد حالات مناسب برای مدل قابلیت اطمینان مزرعه بادی روش­های خوشه ­بندی مختلف مورد بهره گیری قرار گرفته و نتیجه می­گردد که بر اساس معیار متوسط انرژی تعیین نشده روش فازی میانگین مناسب­ترین روش می­باشد.
پیشگفتار:
در سال­های اخیر بهره گیری از منابع انرژی تجدیدپذیر به خصوص انرژی باد به مقصود تولید برق در سراسر جهان رشد زیادی داشته می باشد. پاک بودن و نداشتن معضلات زیست محیطی، ارزان بودن و نداشتن نگرانی از پایان یافتن منابع این انرژی­ها از علت های این امر بوده می باشد. 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 زیرا سرعت باد تغییر می­کند توان تولیدی نیز متغیر خواهد بود. این امر بر مسائل مختلف سیستم قدرت شامل این نیروگاه­ها مانند قابلیت اطمینان تأثیر می­گذارد. بر همین اساس لازم می باشد 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 پژوهش 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 می باشد مدل بدست آمده دارای تعداد زیادی حالت خواهد بود که برای انجام مطالعات قابلیت اطمینان به هیچ وجه مناسب نیست. بر همین اساس لازم می باشد به کمک تکنیکی مناسب، تعداد حالت­های بهینه و همچنین توان این حالت­ها تعیین گردد و یک مدل قابلیت اطمینان مناسب چند حالته برای نیروگاه­های بادی تعیین گردد.
مدل تحلیلی بدست آمده می­تواند در مطالعات مختلف سیستم قدرت به مانند برنامه­ریزی بهره گیری گردد و همچنین  تعداد و ظرفیت نیروگاه­هایی که لازم می باشد در آینده به مقصود 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 بهره گیری شده و مناسبترین تکنیک که می­تواند بهینه­ترین مدل را از نقطه نظر قابلیت اطمینان بدست دهد تعیین می­گردد. این تکنیک از مقایسه نتایج مربوط به روش­های مختلف خوشه­بندی حاصل می­گردد.
در مطالعات قابلیت اطمینان روش­های تحلیلی (مدل چند حالته با احتمال رخداد مربوط حالت­ها) و غیر تحلیلی (مبتنی بر روش شبیه سازی مونت کارلو) هست. در این پژوهش از روش تحلیلی بهره گیری شده و یک مدل قابلیت اطمینان چند حالته برای نیروگاه­های بادی بدست می­آید و پس مدل بدست آمده معضلات ناشی از روش شبیه سازی به مانند نیاز به حجم حافظه بالا، صرف کردن 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 بهره گیری از منابع انرژی تجدیدپذیر[2] به مانند توربین­های بادی، انرژی برقآبی و سیستم­های فتوولتاییک[3] شده می باشد.  این امر با پیشرفت تکنولوژی ساخت سیستم­های فتوولتاییک و توربین­های بادی و کاهش قیمت تمام ­شده برق تولیدی آن­ها سرعت گرفته می باشد. در شکل 1-1 طریقه افزایش بهره گیری از انرژی باد در تولید برق نشان داده شده می باشد]1[. همان­گونه که در این شکل مشخص می باشد ظرفیت توربین­های بادی نصب شده در جهان از 6100 مگاوات در سال 1996 به 318137 مگاوات در سال 2013 رسیده می باشد. امروزه با پیشرفت تکنولوژی توربین­های بادی با قطر بزرگتر از 120 متر و ظرفیت بیش از 5 مگاوات ساخته شده می باشد که با نصب گسترده آن­ها در مزارع بادی امکان تولید توان­های زیاد و قابل وصل به شبکه انتقال میسر شده می باشد. به عنوان نمونه در جدول 1-1 تعدادی از مزارع بادی نصب شده با ظرفیت­های زیاد آورده شده می باشد]1[.
انتظار می­رود در سال 2035 ظرفیت نصب­شده منابع انرژی­ تجدیدپذیر شامل باد، فتوولتاییک و برقآبی در کشور آمریکا 107 گیگاوات گردد 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 اندازه انتشار گازهای گلخانه­ای گردیده­اند. همان­گونه که گفته گردید بهره گیری از انرژی باد در حال افزایش می باشد. بر اساس گزارش شورای انرژی جهانی باد (GWEC) اندازه اندازه رشد ظرفیت نیروگاه های بادی بین سال­های 2006 تا 2013 بیش از 330 درصد بوده می باشد 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 می باشد. این گزارش نشان از گسترش بهره گیری از انرژی باد در تولید برق در آینده دارد. اما طبیعت موسمی و متغیر تولیدات بادی ممکن می باشد مشخصات سیستم قدرت نظیر ولتاژ، فرکانس و کفایت سیستم را تحت تأثیر قرار داده و آسیب­پذیری سیستم قدرت را افزایش دهد. مقصود از موسمی بودن باد عدم دسترسی به آن در یک پریود زمانی مشخص و مقصود از متغیر بودن باد، تغییرات ساعت به ساعت و کوچک در مشخصه موسمی آن می باشد.
تولید باد تجمعی به مانند چند مزرعه بادی در یک سیستم قدرت ممکن می باشد موسمی نباشد اما توان خروجی یک مزرعه تنها می­تواند در پریود 24 ساعته به صورت منقطع و موسمی باشد. تکنیک­های مختلفی به مقصود پیش­بینی اندازه تولیدات بادی منقطع هست. پیش­بینی باد توسط شبیه­سازی، روش­های آماری و ترکیبی از این دو مانند 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 بالتبع پیش­بینی نمونه بادهای محلی با بهره گیری از روش­های تحلیلی صورت می­گیرد. روش آماری از NWP شروع شده و بالتبع از روش­های آماری، شبکه­های عصبی و یا روش­های منطق فازی به جای روش­های تحلیلی برای محاسبه مقدار ساعت به ساعت تولیدات بادی منقطع بهره گیری 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 مقصود دیسپاچینگ واحدها پیش­بینی شوند. پس 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 ­گردد.
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 می باشد.
در بعضی 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 می باشد. اپراتورهای اتاق کنترل و اپراتورهای مستقل سیستم (ISO) در بازارهای برق رقابتی از روش­های بهینه­سازی مختلفی به مقصود مدیریت امنیت سیستم با بهره بردن اقتصادی از تولیدات بادی بهره گیری می­کنند.
پس یکی از معضلات واحدهای بادی، خورشیدی و آبی متناوب بودن[1] منابع انرژی آن­هاست که سبب شده می باشد تولید برق آن­ها همراه با عدم­قطعیت[2] باشد. پس برای تأمین پیوسته بار نمی­توانند به تنهایی بهره گیری شوند.
با زیاد شدن سهم انرژی­های نو در تأمین بار، مطالعه تأثیر آن­ها بر مسائل مختلف موجود در سیستم قدرت نظیر بهره­برداری، کیفیت توان و قابلیت اطمینان اهمیت پیدا کرده می باشد. به دلیل اینکه توان تولیدی نیروگاه­های بادی به سرعت وزش باد وابسته می باشد و سرعت باد نیز در طول سال بسیار متغیر می باشد توان تولیدی این نیروگاه­ها ثابت نبوده و از این لحاظ مزارع و نیروگاه­های بادی با نیروگاه­های متداول متفاوت می باشد.
از نقطه نظر قابلیت اطمینان، مدل نیروگاه­های متعارف به دلیل اینکه دو وضعیت برای نیروگاه قابل تصور می باشد به صورت مدل مارکوف دو حالته شامل حالت سالم و حالت خراب می­باشد. از آن­جا که توان نیروگاه­های بادی بسیار متفاوت می­باشد پس مدل قابلیت اطمینان این نیروگاه­ها دارای تعداد بسیار زیادی حالت می­باشد و بایستی بتوان به کمک یک الگوریتم مناسب تعداد این حالت­ها را کاهش داد؛ به گونه­ای که مدل بدست آمده در عین کم کردن پیچیدگی از دقت مناسبی نیز برخوردار باشد. در این پایان­نامه هدف این می باشد که یک روش مناسب ارائه گردد 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 مطالعه و یک روش بهینه را جهت قابلیت اطمینان نیروگاه های بادی انتخاب نمود.
5-1- مرور مقالات و کارهای صورت گرفته
به مقصود بدست آوردن تأثیر نیروگاه­های بادی بر مطالعات قابلیت اطمینان کارهای زیادی انجام شده می باشد. در مراجع ]4-3[ برای مزارع بادی یک مدل قابلیت اطمینان ارائه شده و کفایت سیستم قدرت در سطح اول با بهره گیری از معیارهای احتمالاتی و سلامت سیستم در حضور نیروی باد مطالعه شده می باشد. برای این­که حالت واقعی­تر سیستم قدرت در نظر گرفته گردد 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 می باشد. مدلی که برای واحد بادی به دست آورده شده می باشد تنها عدم قطعیت موجود در سرعت وزش باد را در نظر گرفته و المان­های موجود در سیستم تبدیل انرژی را مورد توجه قرار نداده می باشد.
در مراجع ]7-5[ یک مدل ساده برای سرعت باد تنها بر اساس متوسط و انحراف معیار سالانه آن در یک مکان جغرافیایی مشخص معرفی و یک توزیع احتمال برای سرعت باد به دست آمده می باشد. سپس با در نظر داشتن مشخصه توان خروجی توربین، واحد بادی با ظرفیت چندین حالته با احتمال­های مربوطه مدل شده و از این مدل در ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم قدرت شامل تولیدات بادی بهره گیری شده می باشد. در مرجع ]8[ از روش شبیه­سازی مونت­کارلوی غیرترتیبی و بر اساس مدل سلامت سیستم، ظرفیت معادلی برای یک واحد بادی تعیین و یک مدل دو حالته برای این واحد در نظر گرفته شده می باشد. در این مقاله بر اساس داده­های گذشته سرعت باد، یک توزیع وایبال به این داده­ها برازش شده می باشد. با تولید اعداد تصادفی با توزیع یکنواخت برای واحدهای متعارف، و توزیع وایبال برای واحدهای بادی، مدل تولید در هر ساعت مشخص می­گردد، سپس با بار آن ساعت مقایسه و در نتیجه انجام شبیه­سازی برای 1 سال شاخص­های ریسک و سلامت به دست می­آید. برای رسیدن به همگرایی بایستی شبیه­سازی به مدت چند هزار سال تکرار گردد. یکی از شاخص­هایی که محاسبه می­گردد تعداد ساعاتی می باشد که ظرفیت واحد بادی صفر می­باشد. برای مدل کردن واحد بادی به صورت دو حالته، نسبت تعداد ساعات ظرفیت صفر به کل ساعات شبیه­سازی شده، به صورت عدم دسترس­پذیری در نظر گرفته شده، آن­گاه ظرفیت معادل واحد بادی تغییر داده شده تا شاخص­های قابلیت اطمینان حاصل از این مدل با مقدار به دست آمده از شبیه ­سازی برابر گردد.
[1] Intermittency
[2] Uncertainty
[1] Renewable Portfolio Standard
[1] Greenhouse Gases
[2] Renewable Energy
[3] Photovoltaic Systems
تعداد صفحه : 103
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   دانلود پایان نامه ارشد رشته برق : بررسی روشهای کنترل پدیده سرج در کمپرسورها

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

دسته‌ها: مهندسی برق