پایان­ نامه برنامه ­ریزی احتمالاتی و قابلیت اطمینان نیروگاه­ بادی تلمبه ­ذخیره ­ای و عدم­ قطعیت­

 

  پایان­ نامه برنامه ­ریزی احتمالاتی و قابلیت اطمینان در نیروگاه­ های بادی و تلمبه ­ذخیره ­ای  بادر نظر گرفتن عدم­ قطعیت­ ها با فرمت word+pdf،(نیروگاه­ بادی تلمبه ­ذخیره ) از این مقاله میتوانید در سمینار، مقالات و پایان نامه خود استفاده نمایید. 

مقدمه

بعد از تجدید ساختار در سیستم­های قدرت، جنبه­ های اقتصادی سیستم­های قدرت موضوع بسیاری از تحقیقات در زمینه مهندسی قدرت بوده است؛ زیرا تغییرات مختلف و سریع در ساختار اجتماعی- اقتصادی این سیستم­ها منجر به تحولات شگفت­ انگیزی در جنبه­ های بهره­ برداری، کنترل و مدیریت آن­ها شده است. راهبردهای گوناگونی برای حداقل کردن هزینه واحدهای تولید انرژی الکتریکی پیشنهاد شده است که برنامه­ ریزی مشارکت واحدها و پخش­ بار اقتصادی جزء بهترین راه­ها برای تأمین برق با کیفیت، برای مشتری در یک حالت اقتصادی و ایمن می­باشد.

امروزه در اکثر کشورهای پیشرفته جهان مبادلات توان الکتریکی از طریق بازار برق صورت می­ گیرد و بهره ­بردار سیستم موظف به حفظ سطح قابل قبولی از امنیت و قابلیت­ اطمینان در این سیستم­ها می­باشد. در عین حال عملکرد اقتصادی سیستم­های قدرت موضوعی است که شدیداً مدنظر بهره­بردار قرار می­گیرد. لازم است انواع منابع ذخیره بالارونده و پایین­رونده در سمت تولید و احتمالاً در سمت مصرف در نظر گرفته شود تا از به خطر افتادن سیستم در صورت خروج واحدها و سایر تجهیزات جلوگیری شود. قیمت برق در سیستم­های سنتی بر مبنای هزینه­های تولید برق بود و در بسیاری از موارد با توجه به این­که نیروگاه­ها در این سیستم متعلق به دولت بودند، قیمت برق از سیاست­های دولت تأثیر می­پذیرفت. در سیستم­های سنتی رقابت تولیدکنندگان برق در بهبود خدمات و بهینه­سازی امور در سطح پایینی قرار داشت و نیروگاه­ها با توجه به برنامه­ریزی­ صورت گرفته قبلی، موظف به تولید مقدار پیش­بینی شده توان برای ساعت خاصی می­شدند.

صاحبان سیستم قدرت انتظار دارند با تعمیم خصوصی­سازی به سیستم­های قدرت، کندی موجود در سرعت پیشرفت و نوآوری در فناوری ساخت نیروگاه­ها و خطوط انتقال مرتفع شود. در کشورهای توسعه یافته و حتی جهان سوم نیز تجدید ساختار با استقبال مواجه شده است، چرا که این امر معمولاً سبب می­شود که سرمایه­گذارهای خصوصی اقدام به ساخت، نصب و راه­اندازی نیروگاه­ها به هزینه خود نمایند و هزینه سنگین احداث آن­ها از دوش دولت برداشته شود. در سیستم تجدید ساختارشده صنعت برق، بهره­برداری ایمن از سیستم قدرت یکی از مسائل چالش­برانگیز بهره­بردار مستقل سیستمIndependent System Operator (ISO)] می­باشد. بهره­بردار مستقل سیستم با موضوعات سخت و پیچیده­ای در ارتباط با تأمین امنیت و قابلیت­اطمینان سیستم مواجه است.

به­ دلیل نگرانی از کاهش منابع سوخت فسیلی و همچنین گرانی روز افزون این منابع، متخصصین صنعت برق به فکر استفاده از منابع تجدید پذیر و رایگان موجود در طبیعت افتادند. از طرف دیگر بحران­های زیست­محیطی فکر استفاده از انرژی­های نو را گسترش داده است. از میان منابع پاک جایگزین سوخت­های فسیلی، انرژی باد دارای بیشترین پتانسیل برای تولید الکتریسیته می­باشد. لذا کشورهای صنعتی به فکر گسترش تولید الکتریسیته از طریق ایجاد مزارع بادی افتاده­اند. یکی از مشکلات بهره­برداری در هنگام استفاده از انرژی باد که موجب نگرانی می­شود، عدم­قطعیت تولید ژنراتورهای بادی می­باشد. این امر از ماهیت احتمالی وزش باد ناشی می­شود.

میزان تولید یک ژنراتور بادی کاملاً به شرایط باد در همان زمان وابسته است. اگرچه با اعمال برنامه­های پیش­بینی تولید نیروگاه­های بادی می­توان میزان تولید ژنراتورهای بادی را برای روز بعد تقریب زد؛ اما این پیش­بینی­ها با استفاده از بهترین روش­ها هم، بسته به افق زمانی مورد مطالعه می­تواند تا 50 درصد با خطا همراه باشد. همان­طور که بیان شد گسترش بهره­گیری از انرژی باد برای تولید الکتریسیته در شبکه قدرت، عدم ­قطعیت تولید سیستم را بالا برده و در نتیجه خطرپذیری سیستم افزایش یافته و قابلیت ­اطمینان آن کاهش می­یابد .

روش­های مختلفی برای کاهش اثر نوسانات نیروگاه بادی برروی قابلیت­ اطمینان سیستم معرفی شده است. از جمله آن می­توان به بهره ­برداری هم­زمان منابع ذخیره ­ساز انرژی و مزرعه بادی اشاره کرد. البته استفاده از هر کدام از این منابع ذخیره­ساز انرژی، مزایا و معایب خود را دارد و شاید بتوان گفت که بهترین منبع ذخیره­ساز انرژی برای بهره­برداری به صورت هم­زمان با نیروگاه بادی، نیروگاه آبی تلمبه­ذخیره­ای باشد. به همین جهت در سال­های اخیر توجه اکثر مطالعات به هماهنگی بین این دو نیروگاه معطوف گشته است. اما این که هماهنگی این دو نیروگاه در کنار هم چه تأثیری برروی قابلیت­اطمینان سیستم دارد، موضوع تحقیق بعضی مراجع بوده است. به­طوری که، در اکثر این مراجع نگاهی از دید بهره­بردار سیستم به مسئله داشته­اند و اکثراً مطالعات برای یک دوره میان­مدت، به­طور مثال یک ساله صورت پذیرفته است. اما موضوع مهمی که مطرح می­شود، این است که، در فضای تجدیدساختار­شده، مسئله قابلیت­اطمینان و دسترس­پذیری واحدها چه تأثیری برروی رفتار مالکان نیروگاه دارد.

به هر حال در چنین فضایی، قابلیت ­اطمینان کل سیستم شاید موضوع نگرانی مالکان بخش خصوصی نیروگاه­ها نباشد و شاید بتوان گفت که دغدغه اصلی این مالکان نیروگاه در چنین فضایی حداکثر سازی سود خود و یا به نوعی حداقل­ سازی هزینه ­های بهره­برداری و عدم ­تعادل در تولید واقعی و پیشنهادهای پذیرفته شده از سوی بازار می­باشد. بنابراین در چنین فضایی مالک نیروگاه اگر بخواهد نگاهی به قابلیت­اطمینان داشته باشد، نگاهی سیستمی یا همان از دید بهره ­بردار سیستم نخواهد بود، بلکه بیشتر به این نکته باید توجه کند که، دسترس­پذیری واحدها چه تأثیری برروی پیشنهاد تولید ارائه شده به بازار خواهد گذاشت و به طبع آن چه تأثیری برروی سود مورد انتظار این مالک نیروگاه خواهد گذاشت.

وجود عدم ­قطعیت در تولید باد و همچنین قیمت انرژی الکتریکی در بازارهای انرژی مشکلات فراوانی را برای تولیدکنندگان بادی به وجود می­آورد. به خصوص زمانی که پیش­بینی این دو پارامتر غیرقطعی به صورت دقیق صورت نگیرد، هزینه­های بسیار زیادی را بر مالکان نیروگاه­ها تحمیل می­کند و یا حداقل سود قابل دستیابی را بسیار کاهش می­دهد. علاوه بر پارامترهای غیرقطعی گفته شده، دسترس­ناپذیری خود واحدهای نیروگاه نیز تهدیدی برای دست­نیافتن به سود مورد انتظار می­باشد که مشکلات مالک نیروگاه را دو چندان می­کند. وجود این نامعینی­ها تهدیدی برای سود مورد انتظار مالک نیروگاه می­باشد. با توجه به این در سال­های اخیر توجه بسیاری از مطالعات به­سوی یافتن راه­کاری برای کاهش تهدیدهای مالی مالکان  این نیروگاه معطوف گشته است.

موضوع خطرپذیری سیستم، در حضور نیروگاه بادی موضوع بسیاری از مقالات بوده است و روش­های گوناگونی برای در نظر گرفتن آن ارائه شده است. اما شاید بتوان به جرأت گفت که هیچ یک این مراجع نتوانسته­اند موضوع خطرپذیری بهره­برداری هم­زمان نیروگاه بادی و تلمبه­ذخیره­ای را بررسی کنند. به­طوری که حتی مراجعی که خطرپذیری بهره­برداری نیروگاه بادی را بررسی کرده­اند، نتوانسته­اند این موضوع را به­طور کامل و جامع پوشش دهند.

ابتدای این فصل در ابتدا  لزوم توجه به نوسانات توان بادی و نحوه کاهش اثر این نوسانات بر روی سیستم قدرت بررسی شده و سپس مروری بر منابع و مراجع میشود. در ابتدا مفاهیم کلی قابلیت­اطمینان و روش­هایی برای تولید سناریوهای دسترس­پذیری واحدهای آبی و بادی تشریح شده است. همچنین ادامه به مروری بر منابع و مراجع در زمینه خطرپذیری و نحوه مدل­سازی آن پرداخته شده و مفاهیم خطرپذیری و دو شاخص قدرتمند جهت مدل­سازی آن، ارائه شده است. سپس نحوه محاسبه و مدل­سازی دو شاخص خطرپذیری پر کاربرد یعنی [Value at Risk (VaR)]VaR و CVaR[Conditional Value at Risk (CVaR)] به طور کامل تشریح شده است. قابل ذکر است که خواص، مزایا و معایب هر یک از این شاخص­های مدل­سازی خطرپذیری نیز تشریح شده است. در تشریح نحوه مدل­سازی خطرپذیری، حتی نوع تابع هدف از نظر سود یا زیان نیز در نظر گرفته شده است. در نهایت الگوریتم سناریو- محور برای محاسبه CVaR به عنوان شاخص اصلی محاسبه اثر خطرپذیری معرفی شده است.

انتهای این مبحث به موضوع اعمال عدم­قطعیت­های برنامه­ریزی از طریق بهینه­سازی مقاوم پرداخته شده است. به­طوری که انواع روش­های مدل­سازی بهینه­سازی مقاوم که اخیراً بیشتر مورد توجه قرار گرفته است، این بخش از فصل دوم گنجانده شده است. فصل سوم به مدل­سازی مسئله برنامه­ریزی تصادفی و نحوه مدل­سازی پارامترهای غیرقطعی این پایان­نامه پرداخته است. همچنین قسمت نحوه تولید سناریوهای پارامترهای همراه با عدم­قطعیت شامل توان بادی، قیمت انرژی الکتریکی در بازار لحظه­ای و دسترس­پذیری واحدهای بادی و آبی تلمبه­ذخیره­ای تشریح شده است. در ادامه همین فصل نحوه مدل­سازی خطرپذیری و قابلیت­ اطمینان در مدل سناریو- محور برنامه­ریزی احتمالاتی واحدهای بادی و تلمبه ­ذخیره­ای به­طور کامل بیان شده است.

این مدل­سازی شامل هر دو حالت بهر­ه­برداری دو نیروگاه، چه به صورت هم­زمان و چه به صورت مستقل از هم می­باشد. در انتهای این فصل نیز نحوه مدل­سازی برنامه­ریزی واحدهای بادی و تلمبه­ذخیره­ای با در نظر گرفتن اثر عدم­قطعیت­ها با رویکرد مبتنی بر بهینه­سازی مقاوم به طور کامل تشریح شده است.

منابع مختلفی به مطالعه بهره­برداری بهینه نیروگاه­های بادی در حضور نیروگاه­های تلمبه­ذخیره­ای پرداخته شده است، به­طوری که بدترین سناریوهای تولید واحد بادی در نظر گرفته شود. در این مرجع مسئله در مدار قرار گرفتن واحدها و توزیع اقتصادی بار به صورت یک مسئله بهینه­سازی دو مرحله­ای تعریف شده است. از آن جا که حل مسائل بهینه­سازی دو مرحله­ای با استفاده از حل­کننده­های[1] موجود امکان پذیر نمی­باشد. این مرجع از روش تجزیه بندرز[2] و قضیه دوگانی برای حل مسئله استفاده شده است. مرجع [4] به مطالعه هماهنگی بین نیروگاه­های بادی و تلمبه­ذخیره­ای در بازار انرژی الکتریکی پرداخته شده است؛ و همچنین تعیین اندازه بهینه نیروگاه تلمبه­ ذخیره­ ای برای حداقل ­سازی اثر نوسان توان نیروگاه بادی بر روی سیستم قدرت به عنوان مطالعات موردی در این مرجع آورده شده است.

  ارزیابی قابلیت­ اطمینان نیروگاه بادی در هماهنگی با نیروگاه تلمبه­ذخیره­ای در سیستم قدرت پرداخته شده است. این مرجع برای ایجاد هماهنگی بین مزرعه بادی و نیروگاه تلمبه­ذخیره­ای از روش شبیه­سازی مونت- کارلو استفاده شده است. در مرجع – به مدل­سازی مناسب نیروگاه بادی برای ارزیابی قابلیت اطمینان پرداخته شده است. این نسخه از شبیه ­ساز مونت- کارلوی ترتیبی و روش نمایش چندحالته مزرعه بادی استفاده شده است. همچنین شش مرحله مدل­سازی سرعت باد که برای مناطق جفرافیایی چندگانه و ارزیابی قابلیت­اطمینان مناسب باشد ارائه شده است. و مرجع-به شبی ه­سازی و تخمین قابلیت اطمینان مزارع بادی با در نظر گرفتن اثر ویک[Wake effect] پرداخته شده است. در این مرجع سه مدل برای اثر ویک در نظر گرفته شده است و همچنین اثر برش و جهت باد نیز در نظر گرفته شده است. پس از مدل­سازی اثر ویک، از شبیه­ سازمونت- کارلو برای محاسبه شاخص­های قابلیت­اطمینان استفاده شده است.

در مرجع – به تحلیل قابلیت­اطمینان سیستم­های قدرت شامل نیروگاه­های آبی ذخیره­ای بزرگ در بازارهای برق تجدیدساختار یافته پرداخته شده است. روش پیشنهاد شده در این مرجع دو هدف اصلی را دنبال می­کند . هدف اول بهینه­سازی فروش انرژی واحد تلمبه ذخیره­ای در بازار با توجه به معیارهای توزیع اقتصادی می­باشد و هدف دوم بررسی اثر قوانین جدید بازار برروی قابلیت­اطمینان سیستم الکتریکی با حضور واحدهای تلمبه­ذخیره­ای می­باشد. در مرجع  به ارزیابی خطرپذیری واحدهای تولیدی در یک سیستم قدرت تجدیدساختار یافته پرداخته شده است. به­ طوری که تابع هدف مسئله حداکثر سازی سود و حداقل سازی خطرپذیری پیشنهادهای تولید واحدها در سیستم قدرت تجدیدساختار یافته می­باشد. اساس مقاله بر این مبنا می­باشد که قیمت­دهی واحدهای تولیدی در بازار انرژی الکتریکی همراه با عدم­قطعیت می­باشد.

این عدم­قطعیت در قیمت نهایی بازار، خطرپذیری را برای این واحدها در بر دارد. در این مقاله از روش CVaR برای ارزیابی و تخمین خطرپذیری این واحدهای تولیدی استفاده شده است. مرجع دیگری به تولید راهبرد بهینه. شرکت­های تولید با در نظر گرفتن عدم­قطیت قیمت بازار، خطرپذیری و سود و ایجاد تعادل بین این پارامترها بر اساس مدل تابع چند هدفه پرداخته شده است. در این مرجع  چارچوب نوینی برای برنامه­ریزی مقید به قیود امنیت با در نظر گرفتن قیود خط در حالت پایدار و بعد از ایجاد تراکم برای تولید راهبرد بهینه تولید شرکت­ها ارائه شده است.

 قابلیت­ اطمینان

هدف اولیه سیستم قدرت الکتریکی تغذیه مشترکان خود با انرژی الکتریکی بود، به­طوری که تا جایی که ممکن است اقتصادی و از نظر کیفیت و تداوم در درجه معقولی قرار داشته باشد . در بسیاری از سیستم­های قدرت پیشرفته جهان، تجدیدساختار صورت گرفته است و یا در حال تغییر مقررات­ هستند که موجب تغییرات بنیادین در ساختار بهره­برداری و مقررات آن­ها می­شود. در چنین ساختاری مالکان نیروگاه، مالکان سیستم انتقال، بهره­برداران، قانون گذاران و مشترکان نهایی در یک سیستم پیچیده با هم تعامل دارند. توسعه جامعه مدرن به­طور قابل ملاحظه­ای وابسته به دسترس­پذیری به انرژی الکتریکی دارد. مردم در جوامع مدرن درک عمیقی نسبت به ممکن نبودن زندگی بدون برق دارند. بنابراین انتظار برای عرضه انرژی الکتریکی با کیفیت بالا و متداوم در حال افزایش است.

قابلیت ­اطمینان یک سیستم قدرت، قابلیت آن سیستم در تأمین نیاز مشترکان خود به انرژی الکتریکی را نشان می­دهد. قابلیت­اطمینان سیستم قدرت را می­توان به دو دسته کفایت سیستم و امنیت سیستم تقسیم کرد. این امر در شکل نشان داده شده است. از آنجا که سیستم­های قدرت مدرن امروزی تقریباً به­طور کامل یکپارچه، بسیار بزرگ و خیلی پیچیده شده­اند، حتی کامپیوترهای پیشرفته امروزی در  مدل­سازی کل آن با مشکل روبه­رو هستند. مطالعات قابلیت­اطمینان سیستم قدرت در سه بخش که اصطلاحاّ سطوح سلسله مراتبی [Hierarchical Levels (HL)] نامیده می­شوند، صورت می­گیرد. این سطوح شامل تولید، انتقال و توزیع می­شود. قابلیت­اطمینان تولید (HL-I)، توانایی ظرفیت تولید[Generation capacity] در تغذیه بار سیستم می­باشد، در این سطح فقط تأسیسات تولید در مطالعه قابلیت­اطمینان در نظر گرفته می­شود. برآورد قابلیت­اطمینان در این سطح معمولاً به عنوان کفایت ظرفیت تولید تعریف می­شود.

در حالی که سطح دوم سلسله مراتبی (HL-II) مطالعه قابلیت­اطمینان سیستم، شامل سیستم انتقال و تولید و توانایی آن در تحویل و عرضه انرژی می­باشد. سطح سوم (HL-III) شامل کل سیستم و توانایی آن در تغذیه مصرف کننده­ های نهایی می­باشد .

سطح اول قابلیت­ اطمینان

تعادل بین بار و تولید در بهره­برداری از سیستم قدرت بسیار مهم است. در هر لحظه از زمان تولید و بار باید باهم برابر باشند. این تعادل اساس امر کنترل فرکانس در سیستم­های قدرت به­هم پیوسته می­باشد. همچنین در ارزیابی قابلیت­اطمینان سیستم از این تعادل بین بار و تولید البته با روشی که کمی متفاوت­تر است، استفاده می­شود. در این روش بار با ظرفیت تولید مقایسه می­شود.

ظرفیت تولید مجموع توانایی کل واحدهای در دسترس سیستم که قابلیت تولید انرژی الکتریکی را دارند. این واحدها لزوماً در حال بهره­برداری نیستند ولی باید قابلیت بهره­برداری داشته باشند. واحدهای تولید ممکن است به دلیل خرابی در دسترس نباشند، که این دسترس­ناپذیری اجباری[Forced unavailability] نامیده می­شود، یا ممکن است در اثر تعمیرات پیشگیرانه باشد، که دسترس­ناپذیری برنامه­ریزی شده[Planned unavailability] نامیده می­شود. هر دو نوع دسترس­ناپذیری ممکن است به صورت تصادفی رخ دهند، اما دسترس­ناپذیری برنامه­ریزی شده اغلب به صورت قطعی و از پیش تعیین شده رخ می­دهد. عدم­قطعیت در ظرفیت تولید پس فقط ناشی از خرابی[Failure] (قطعی[Outage]) واحدهای تولید می­ باشد.

روش­های ارزیابی قابلیت اطمینان

الف) جدول خروج ظرفیت تولید: یکی از رایج­ترین روش­های مورد استفاده در تعیین تولید مورد نیاز و محاسبات احتمال از دست دادن بار [Loss Of Load Expectancy (LOLE)]LOLE، جدول خروج ظرفیت تولید می­باشد. اگر تمام واحدهای سیستم همانند هم در نظر گرفته شوند، اما با احتمال بالایی این غیرممکن است، می­توان از روشی برمبنای توزیع دوجمله­ای استفاده کرد. جدول خروج ظرفیت تولید بر مبنای رفتار مستقل واحدهای مختلف تولید که هر واحد دسترس­ناپذیری مربوط به خود را دارد، می­باشد.

ب) روش فراوانی و تداوم: برمبنای تئوری مارکوف[Markov] می­باشد اما نسبت به جدول خروج ظرفیت تولید به اطلاعات بیشتری از سیستم نیاز دارد. این روش همچنین میانگین فراوانی و تداوم وقفه­ها را به عنوان شاخصی نشان می­دهد و به اطلاعات ورودی همانند نرخ خرابی و زمان تعمیر مؤلفه­ها نیاز دارد

ج) مدل مارکوف: نظریه مربوط به زنجیره مارکوف و فرایندهای مارکوف در بسیاری از مقالات –به­ خوبی تشریح شده است. مدل مارکوف گاهی برای محاسبه قابلیت­اطمینان سیستم قدرت به­کار می­رود، که این مدل به دو دسته مارکوف پیوسته و مارکوف گسسته تقسیم می­شود. از آنجا که این مبحث خارج از بحث می­باشد از تشریح بیشتر آن خودداری می­شود.

د) شبیه­ساز مونت کارلو[Monte-carlo simulation]: روش­های ارزیابی قابلیت­اطمینان به دو دسته اصلی تقسیم می­شوند: تحلیلی[Analytical] و شبیه­سازی[Simulation]. استفاده از روش ارزیابی تحلیلی نیازمند مدل­های ریاضی برای توصیف هر چیز است. برای یک سیستم پیچیده با درجه وابستگی زیاد بین مؤلفه­ها، ارزیابی سیستم از نظر تحلیلی غیرقابل حل است. با استفاده از روش شبیه­سازی، همانند روش مونت- کارلو، حتی سیستم­های پیچیده بزرگ­تر نیز قابل حل است. روش­های مونت- کارلو در مراجع [–] تشریح شده است. این روش کاملاً در حوزه کامپیوتری گسترش یافته است، البته یک­سری مزیت­های دیگر نیز دارد. مهم­ترین مزیت آن قابلیت به­کارگیری آن در هر دو روش قطعی و تصادفی و وابسته می­باشد. شبیه­سازی می­تواند شامل تقریباً هر چیزی همانند تغییرات آب و هوایی، خطاهای انسانی، خاموشی­های برنامه­ریزی شده و تراکنش بین سایر سیستم­ها باشد. تفاوت در مدل­ها ناشی از تفاوت در ضرایب خارجی است، که می­شود به سادگی آن­ها را محاسبه کرد. .

در زیر مثالی از وابستگی پیچیده بین مؤلفه­ های سیستم قدرت بیان شده است. خرابی یک مؤلفه (همانند ترانسفورماتورها) ممکن است باعث بارگذاری بیشتر برروی سایر سیستم­ها شود. اگر میزان بارگذاری برروی سایر تجهیزات خیلی بیشتر از حد نامی شود، این خود باعث افزایش نرخ خرابی تجهیزات دارای اضافه بار می­شود. بسیاری از خاموشی­های در مقیاس بزرگ ناشی از خرابی چند تجهیز وابسته به­هم می­باشد، که این مسئله خود اهمیت در نظر گرفتن وابستگی بین تجهیزات سیستم قدرت در مطالعات قابلیت­اطمینان را نشان می­دهد.

 مفاهیم کلی و روش­هایی برای ارزیابی کفایت سیستم قدرت

نگرانی اولیه در ارزیابی کفایت در سطح HL-I برآورد ظرفیت تأسیسات تولید برای تأمین کل بار سیستم می­باشد. شاخص­های محاسبه شده توانایی تأسیسات تولید در تأمین نیازهای بار سیستم را منعکس می­نماید. شکل زیر مفاهیم کلی مطالعه قابلیت­اطمینان در سطح HL-I را نمایش می­دهد، که در آن کل سیستم تولید و کل بار سیستم مستقیماً به هم وصل هستند.

مدل­سازی دسترس ­پذیری واحدهای تولید

یک واحد تولید در یک سیستم قدرت را می­توان با مدل دو حالته و یا چند حالته مارکوف نمایش داد. مدل دوحالته یک واحد تولید بیانگر این است که این واحد تولید می­تواند در یکی از دو حالت عملکرد با ظرفیت کامل و یا در حالت خارج از سرویس باشد. همان­طور که در شکل (2-4) نشان داده شده است  عملکرد واحد تولید می­تواند بین دو حالت انتقال پیدا کند، به طوری که نرخ تغییر از یک حالت به حالت دیگر برابر  و  می­باشد. میانگین زمان تا خرابی[Mean Time To Failure]MTTF میانگین زمانی است که واحد در حالت روشن سپری می­کند. نرخ خرابی  برابر مقدار عکس MTTF است و برای محاسبه آن می­توان از رابطه (–) استفاده کرد. میانگین زمان تعمیر MTTR[Mean Time To Repair] برابر میانگین زمانی است که طول می­کشد تا واحد تعمیر شود. نرخ تعمیر  معادل عکس مقدار MTTR می­باشد و برای محاسبه آن می­توان از رابطه  زیراستفاده کرد.

احتمال آن که تجهیز در آینده در حالت خارج از سرویس باشد، معروف به دسترس­ ناپذیری U می­باشد. این جمله معمولاً معروف به نرخ خروج اجباری [Unavailability]FOR واحد تولید می­باشد و یکی از پارامترهای کلیدی در مطالعات قابلیت­اطمینان سیستم قدرت می­باشد . برای بدست آوردن دسترس­ناپذیری یا همان (FOR( Force Outage Rateاگر نرخ خرابی  و نرخ تعمیر  تجهیز معلوم باشد. می­توان از رابطه –استفاده نمود. به ­طور مشابه برای بدست آوردن دسترس­پذیری می­توان از رابطه (–) استفاده کرد. این روابط از مدل دوحالته مارکوف برای واحد تولید که در شکل زیر نشان داده شده است، حاصل شده است.

برای واحدهای تولید می­توان حالت­های مختلف دیگر همانند کارکرد با نصف ظرفیت تولید علاوه بر حالت­های گفته شده قبل در نظر گرفت و یک مدل چند حالته مارکوف برای واحد تولید در نظر گرفت. که خارج از بحث ما می­باشد.در کل دو روش اساسی برای محاسبه شاخص­های خطرپذیری در ارزیابی احتمالاتی استفاده می­شود. روش تحلیلی و روش شبیه ­سازی که معمولاً به شبیه­ ساز مونت کارلو معروف است . در روش­های تحلیلی از مدل­های آماری و ریاضی برای نمایش عناصر سیستم استفاده می­شود. شاخص­های قابلیت­ اطمینان سیستم با حل مدل­های ریاضی بدست می­ آید. شبیه ­ساز مونت کارلو، فرایند واقعی و رفتار تصادفی سیستم را شبیه­سازی می­کند. شاخص­های قابلیت­ اطمینان با مشاهده عملکرد شبیه­سازی شده سیستم در طول زمان حاصل می­شود.

هر دو روش دارای مزایا و معایبی می­باشند. انتخاب روش مناسب باید برمبنای نوع ارزیابی و به ویژه مسئله ­های سیستم باشد. در این پایان­نامه از روش شبیه ساز مونت کارلو استفاده شده است و به همین خاطر در ادامه تنها روش شبیه­ساز مونت کارلو مورد بررسی، تجزیه و تحلیل قرار می­گیرد و روش تحلیلی بررسی نخواهد شد؛ زیرا این روش بیشتر برای واحدهای تولید سنتی و مرسوم مورد استفاده قرار می­گیرد. علاقه ­مندان می­توانند به مراجع مربوطه رجوع نمایند.

 شبیه­ ساز مونت کارلو

روش­های شبیه­سازی تصادفی که در ارزیابی قابلیت­اطمینان سیستم قدرت مورد استفاده قرار می­گیرند معمولاً به شبیه­ساز مونت کارلو معروف می­باشند. این روش را می­توان در دو دسته طبقه­بندی کرد، که با روش­ نمونه­ برداری حالت[State Sampling] و روش ترتیبی[Sequential] نام­گذاری شده­اند .

الف) روش نمونه ­برداری حالت: روش نمونه­برداری حالت از انتخاب اتفاقی فاصله­های زمانی برای شبیه­سازی عملکرد سیستم استفاده می­کند. در هر بازه شبیه­سازی، حالت هر واحد تولید می­تواند با یک توزیع یکنواخت بین [1 , 0] توصیف شود. و دسترس­پذیری سیستم می­تواند با تجمیع هر یک از ظرفیت­ های منفرد در دسترس سیستم بدست آید. فرایند شبیه­سازی در روش نمونه­برداری حالت غیرترتیبی، به صورت ترتیبی جابجا نمی­شود و رفتار سیستم در هر بازه زمانی مستقل در نظر گرفته می­شود. انتخاب روش ترتیبی یا غیر ترتیبی بستگی به این دارد که آیا عملکرد سیستم در یک بازه بروی عملکرد سیستم . در بازه دیگر تأثیر دارد یا خیر و یا حتی بر روی قابلیت ­اطمینان سیستم تأثیر دارد یا خیر. توجه به ترتیبی بودن حوادث به هنگام ارزیابی سیستم قدرت شامل واحدهای تولید غیرمرسوم همانند نیروگاه بادی و تأسیسات ذخیره­ساز انرژی که وابسته به زمان و هم­بسته[Auto correlation] هستند، مهم است.

بنابراین، روش نمونه­ برداری حالت برای ارزیابی این نوع از سیستم­ها مفید نمی­باشد. روش شبیه­سازی ترتیبی که تسلسلی بودن حوادث در طول زمان را به احتساب می­آورد .در این پایان­نامه مورد استفاده قرار می­گیرد که در ادامه این روش تشریح خواهد شد.

ب) شبیه ­ساز مونت کارلوی ترتیبی: روش مونت کارلوی ترتیبی بازه­های زمانی را به صورت ترتیبی و متوالی مشابه­سازی می­کند، به­طوری که این حقیقت را آشکار می­کند که حالت سیستم در این بازه زمانی به حالت سیستم در بازه زمانی قبلی بستگی دارد. در این روش، مدل ظرفیت سیستم از ظرفیت تولید در دسترس در ترکیب با اطلاعات گذشته هر واحد بدست می­آید. عدد تصادقی تولید شده توسط یک تولیدکننده عدد تصادفی برای مشابه­سازی حالت­های عملکردی سیستم و زمان تداوم هر یک از این حالت­های واحد تولید در سیستم مورد استفاده قرار می­گیرد. پارامترهای اصلی برای ایجاد مشابه­سازی عملکردی هر واحد سیستم در طول بازه زمانی در نظر گرفته شده، MTTF و MTTR می­باشند .

از این پارامترها می­توان در ترکیب با عدد تصادفی تولید شده از بازه [1 , 0] استفاده کرد تا حالت هریک از واحدهای تولیدی و همچنین زمان استقرار واحد در هر یک از این حالت­ها تعیین شود. این زمان استقرار از توزیع­های احتمالاتی واحد در هر یک از حالت­های سیستم نمونه­برداری می­شود. در این پایان­نامه فرض شده است که توزیع­ها از نوع نمایی می­باشند و همچنین برای واحدها مدل دو حالته مارکوف در نظر گرفته شده است.  اگر زمان استقرای حالت به وسیله یک توزیع نمایی با متغیر تصادفی t توصیف شود، تابع چگالی احتمال متناظر آن به صورت زیر خواهد بود . در این رابطه  مقدار عکس میانگین توزیع می­باشد. تابع توزیع تجمعی آن نیز به صورت زیر می­باشد. که از روش تبدیل معکوس مرجع [–] استفاده شده است و متغیر تصادفی t را می­توان از رابطه زیر بدست آورد.که متغیر  یک عدد تصادفی با توزیع یکنواخت از بازه [1, 0] می­باشد. چون  همانند  یک توزیع یکنواخت در بازه [1, 0] دارد، بنابراین می­توان متغیر t را از رابطه زیر بدست آورد.متغیر  در رابطه (–) نرخ خرابی  واحد تولیدی وقتی آن واحد در حالت روشن قرار داشته باشد و نرخ تعمیر  وقتی آن واحد در حالت خاموش قرار دارد می­باشد. البته به شرطی که مدل دو حالته مارکوف برای آن واحد تولیدی در نظر گرفته شود. بنابراین مدت زمانی که واحد تولیدی در حالت عملکرد موفق می­باشد را می­توان با استفاده از رابطه (–) و مدت زمانی که واحد تولیدی در حالت تعمیر می­باشد را با استفاده از رابطه (–) بدست آورد.

توجه شود که  و  متغیرهای تصادفی می­باشند که برای مدل­سازی آن­ها از دو متغیر تصادفی  و  که دارای توزیع یکنواخت در بازه [1 , 0] میباشند، استفاده شده است. برای نمایش کلیه سناریوهای ممکن دسترس­پذیری کل واحدها در افق مطالعه در نظر گرفته شده، تعداد سناریوهایی که تولید می­شود باید به اندازه کافی بزرگ باشد. تعداد مناسب سناریوهای دسترس­پذیری وابسته به افق زمانی و پارامترهای MTTF و MTTR می­باشد. برای مثال، اگر افق زمانی یک ماه باشد و اگر MTTF یک هفته باشد، تعداد سناریوها لازم برای نمایش کلیه دسترس­پذیری­های ممکن واحد تولیدی بزرگ­تر از تعداد سناریوهای لازم در حالتی می­باشد که MTTF معادل یکسال باشد .

شکل (-) نحوه عملکرد یک واحد تولیدی را در افق زمان نشان می­دهد. با توجه به این شکل و خواص روش مشابه­سازی مونت کارلو ترتیبی، می­توان از این روش برای مدل­سازی دسترس­پذیری استفاده کرد. شکل (–) نشان می­دهد که عملکرد سیستم نیز روندی ترتیبی بین روشن و خاموش بودن دارد. باید توجه داشت که مدل دو حالته مارکوف برای آن واحد تولیدی در نظر گرفته شده بود.

شکل (–) بیانگر این نکته می­باشد که ظرفیت کل سیستم، از مجموع ظرفیت واحدها تشکیل شده است. بنابراین در روش مشابه­سازی مونت کارلوی ترتیبی پس از مشخص شدن وضعیت هر یک از واحدها، لازماست .که ظرفیت کل سیستم متناسب با شکل (–) با هم تجمیع شود. به­طور کلی روش مشابه­سازی ترتیبی برای تولید سناریوهای دسترس­پذیری واحد در شش گام زیر خلاصه نمود :گام اول: حالت اولیه هر یک از واحدهای تولیدی را تعیین نمایید، معمولاً فرض می­شود که واحدها در حالت روشن قرار دارند. شمارنده تعداد سناریوها مقدار دهی نمایید.

گام دوم: برای هر واحد تولیدی در افق برنامه­ریزی شده پیشینه عملکردی تولید نمایید. پیشینه عملکردی سیستم مجموعه از حالت­های روشن و خاموش ترتیبی و متوالی می­باشد. زمان تداوم هر یک از حالت­ها با استفاده از روابط (–) و (–) تعیین می­شود که این گام در شکل (-) تشریح شده است.

گام سوم: در این گام بررسی شود که آیا در این سناریو کل افق زمانی در نظر گرفته شده پوشش یافته است در این صورت به گام چهارم برو و در غیر این صورت به گام دوم برو.

گام چهارم: ظرفیت در دسترس سیستم از ترکیب سیکل­های عملکردی همه واحدهای تولیدی سیستم بدست آورید. شکل (–)این فرایند برای سیستم تولید نمونه با دو واحد تولیدی نشان می­دهد.

گام پنجم: در این گام بررسی شود که آیا تعداد سناریوی مورد نظر تولید شده، در این صورت به گام بعدی برو و در غیر این صورت به گام اول برو. گام ششم: سناریوهای هر واحد و ظرفیت سیستم چاپ شود.

– خطرپذیری[Risk]

 دارایی در خطر ([Value at Risk]VaR)

یکی از شاخص­های ارزیابی خطرپذیری می­باشد که میزان حداکثر زیان مورد انتظار یک دارایی را در یک دوره معین و در یک سطح اطمینان مشخص (β) اندازه­گیری می­کند.β– VaR: نشان می­دهد که با احتمال β (سطح اطمینان ) میزان زیان دارایی مورد نظر کمتر از –VaRβ خواهد بود؛ یا به عبارتی میزان زیان با احتمال (β-1) بیشتر از β– VaR خواهد بود.  تعریف  β–VaRاز دید ریاضی: به صورت اختلاف بین سود مورد انتظار و میزان سود کمتر در احتمال () تعریف می­شود.

این موضوع در شکل (2-7) برای یک تابع توزیع گوسی از جنس سود نشان داده شده است. همان­طور که در شکل (2-7) دیده می­شود،  –VaR به صورت اختلاف بین سود مورد انتظار و سودهای کمتر در سطح اطمینان  تعریف شده است [8]. در این جا β-RP بیانگر حداقل سود مورد انتظار در سطح اطمینان β می­باشد. یا می­توان این­طور تفسیر کرد که در بدترین شرایط، میزان سود با احتمال β از مقدار β-RP بزرگ­تر خواهد بود.

–  دارایی در خطر شرطی ([Conditional Value at Risk (CVaR)]CVaR)

یکی دیگر از شاخص­های ارزیابی خطرپذیری می­باشد که برای همان سطح اطمینان داده شده برای VaR، CVaR میانگین زیان بیشتر از مقدار VaR را مشخص می­کند. نام­گذاری این شاخص ارزیابی به این نام، به همین دلیل می­باشد .

CVaR از دید ریاضی: برای تابع توزیع سود داده شده. به صورت اختلاف سود مورد انتظار و مقدار سود مورد انتظار کمتر از مقدار سود در ( ) روی توزیع داده شده تعریف می­شود. این موضوع در شکل (2-8) نشان داده شده است. همان­طور که مشاهده می­کنید CVaR همواره مقداری بزرگ­تر یا مساوی VaR دارد؛ زیرا به صورت اختلاف بین سود مورد انتظار و میانگین سودهای کمتر از مقدار VaR تعریف می­شود. نکته دیگری که می­توان به آن اشاره کرد این است که CVaR میزان دارایی در خطر را به صورت یک عدد نشان می­دهد. و بیان می­کند که حداکثر زیان مورد انتظار در این سطح از اطمینان و این دوره معین برابر مقدار CVaR خواهد بود .در حالی که نتیجه VaR یک عدد نیست.

در توابع توزیع از جنس سود β-CRP به صورت میانگین سودهای کمتر از مقدار β-RP در سطح اطمینان β تعریف می­شود . یا به عبارتی در بدترین شرایط در سطح اطمینان β، میانگین سودهای کمتر از مقدار  β-RP برابر مقدار β-CRP خواهد بود. اگر λ همان متغیر همراه با عدم­قطعیت باشد، می­توان فرض کرد تابع چگالی احتمال آن به صورت  می­باشد. تابع  را به عنوان تابع سود در نظر بگیرید، آنگاه احتمال این که میزان سود از مقدار آستانه  کمتر نباشد برابر……

 متن ارایه شده در بالا به صورت خلاصه بوده و برای آشنایی شما میباشد. امید داریم تا اینجای مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد. جهت دریافت مطلب به صورت کامل  WORD + PDF  به لینک دریافت زیر مراجعه نمایید.

 

 برای دریافت pdf+word  کامل این مطلب بر روی کلیدزیر،کلیک نمایید . 

قیمت: 30000 تومان

جهت سفارش لطفا اطلاعات زير را تکميل نماييد :

30000 تومان خريد

 

نیروگاه­ بادی تلمبه ­ذخیره نیروگاه­ بادی تلمبه ­ذخیره نیروگاه­ بادی تلمبه ­ذخیره نیروگاه­ بادی تلمبه ­ذخیره نیروگاه­ بادی تلمبه ­ذخیره نیروگاه­ بادی تلمبه ­ذخیره نیروگاه­ بادی تلمبه ­ذخیره نیروگاه­ بادی تلمبه ­ذخیره نیروگاه­ بادی تلمبه ­ذخیره نیروگاه­ بادی تلمبه ­ذخیره نیروگاه­ بادی تلمبه ­ذخیره نیروگاه­ بادی تلمبه ­ذخیره