توسعه شبکه انتقال با نیروگاه بادی و خورشیدی

برنامه ریزی شبکه انتقال مهمترین بخش برنامه ریزی شبکه انتقال است، مأموریت آن تعیین زمان و مکان برای سرمایه گذاری نوع خط، تعداد حلقه ها در پیش بینی بار و برنامه ریزی در چرخه برنامه ریزی براساس دستیابی به حداقل هزینه در شرایط انتقال با توجه به ظرفیت و مشخصات فنی است

در توسعه بازار برق و افزایش تقاضا از منبع تغذیه، قابلیت اطمینان، امنیت و قابلیت اطمینان منبع قدرت بیشتر جلب توجه می کند، و در جهت به حداکثر رساندن تمام مزایای اجتماعی حرکت می کند. برنامه ریزی چند هدفه انتقال اقتصاد، امنیت و قابلیت اطمینان را با هم در نظر می گیرد، و می تواند منعکس کننده خطر بهره برداری از سیستم قدرت، در حال برآوردن نیازهای عملی شبکه برق برنامه ریزی شده باشد.

سیستم انتقال نه تنها باید پاسخگوی تقاضای بار و انواع معاملات باشد، بلکه باید پاسخگوی کیفیت توان و استانداردهای ایمنی باشد. بنابراین، برنامه ریزان انتقال مورد نیاز برای برآوردن تعداد زیادی از محدودیت ها، مانند محدودیت های برابری، محدودیت های نابرابری عبارتند از کران بالا و پایین خروجی ژنراتور، محدودیت اضافه جریان شاخه، محدودیت های ایمنی ولتاژ و فرکانس، پویا و محدودیت های امنیتی استاتیک، محدودیت کریدر و خط و .. باشد.

کار پژوهشی در برنامه ریزی انتقال و تولید انرژی بادی و خورشیدی در مقیاس های بزرگ و اتصال به شبکه ممکن است در جنبه های زیر طبقه بندی شود :

در مرجع  عدم قطعیت در نظر گرفته شده از هر دو قسمت تولید و بارهای قدرت، بهبود توسعه مدل برنامه ریزی انتقال سنتی که در آن به نظر می رسد بارها و همچنین نیروی باد در تولید در نظر گرفته شده، از احتمال عدم تجمع بیش ازحد برای تعیین کمیت ریسک شبکه با ادغام نیروگاه های بادی در مقیاس های بزرگ استفاده شده است.

مدل برنامه ریزی انتقال چند هدفه براساس روش مقرون به صرفه، یعنی هزینه امنیت واحد امنیت سیستم، برای کنترل خطر ناشی از عدم اطمینان از یکپارچه سازی توربین بادی  ارائه شده است. شاخص خطر امنیتی توسط ادغام محدودیت احتمال جریان برق سیستم را نقض نمی کند و حاشیه امنیت شاخه قدرت در کل سیستم را می یابد.

مرجع دیگری پیشنهادی راجع به انرژی باد با توجه به شاخص بهره برداری و شاخصهای صرفه جویی در انرژی و بررسی مدل برنامه ریزی با توجه به سیاست صرفه جویی انرژی و کاهش انتشار و ترویج انرژی های تجدیدپذیر ارائه داده است.

ایجاد مدل برنامه ریزی چند هدفه بهینه سازی، که در آن به اهداف به حداقل رساندن هزینه های ساخت و ساز، زیان شبکه برق، به حداکثر رساندن حاشیه پایداری استاتیک ولتاژ در مرجع ]۶[ ارائه شده است. در تمام تحقیقات فوق، شاخص های پیشنهادی یا اهداف، ثبات سیستم های قدرت پویا با نیروی باد در مقیاس بزرگ در نظر گرفته شده است.

مرجع دیگری از منظر هزینه کل اجتماعی، ایجاد یک چهارچوب کلی برنامه ریزی سیستم قدرت با مزارع بادی در مقیاس بزرگ را مورد ارزیابی قرار می دهد. توسط شبیه سازی سیستم عامل، سوخت ساعتی، محیط زیست و هزینه از دست دادن شبکه در سال برنامه ریزی داده شده جایگزین می تواند محاسبه شود، این هزینه همراه با هزینه ظرفیت تولید، هزینه شبکه برق و هزینه های قابلیت اطمینان، جایگزین هزینه های اجتماعی کل می شود. در فرآیند شبیه سازی، روزهای گذشته (هفته گذشته) مدل تعهد، پایداری و امنیت دینامیکی براساس مدل اقتصادی و چاره سازی برای کنترل مدل است.

براساس چند سناریو روش احتمالات، عوامل نامشخص از جمله قدرت خروجی مزرعه بادی، تغییر بار و اقتصاد آن تجزیه و تحلیل سناریو و محاسبه احتمال آن در مرجع دیگر شرح داده شده است. هدف از تابع جمع موارد آیتم های چند سناریو :

هزینه ساخت و ساز ورودی، حالت پایدار و شرایط تصادف، N-1 یک خط و جریمه اضافه بار تمام خطوط است.

مجموع حداقل هزینه خطوط جدید، هزینه جبران خسارت توان راکتیو جدید و هزینه های بهبود سناریو که می تواند به عنوان هدف امنیت قرار گیرد در مرجع دیگر ارائه و مورد بررسی قرار گرفته است. سناریو به معنی هر عامل تحت داده های زمان ساعتی قدرت باد و بار، و یا مربوط به محدوده امنیتی و دوباره برنامه ریزی است. این روش بیشتر برای مقابله با عدم قطعیت در شرایط ساخت مزارع باد است و توسط آن می توان آمار دقیق را بدست آورد.

مرجع بعدی ایجاد یک مدل برنامه ریزی انتقال مبتنی بر عدم قطعیت نیروی باد از مجموعه تولید و پاسخ به سمت تقاضا را ارائه داده است. این مدل منجر به پاسخ جزئی تابع هدف هزینه سمت تقاضا می شود. مکانیزم پاسخ سمت تقاضا برای تغییر رفتار مصرف کننده گان به تأمین شرایط مصرف برق به زمان واقعی قدرت است، و نیز می تواند شیوه ای مؤثر برای مقابله با عدم قطعیت تولید نیروی باد در شبکه باشد.

یک مدل برنامه ریزی هماهنگ بین نیروگاه های برق و شبکه از جمله نیروگاه های بادی و خورشیدی در مرجع ]۱۱[ ارائه شده که تابع هدف در اینجا شامل هزینه های تولید و انتقال است. که یک طرح مطلوب با حداقل هزینه اجتماعی را می توان بدست آورد. در بخشی از هزینه برنامه ریزی انتقال، عوامل محدودیت های خطرناک استفاده شده، و هزینه ریسک خطر ارزیابی شده است، عامل ریسک تعیین میزان ریسک را درک کرده، پس از آن قادر به مقابله با عدم قطعیت خروجی باد و بارها خواهیم بود. ارزیابی هزینه ریسک نشان دهنده انتقال ریسک برنامه ریزی به عنوان یک شاخص اقتصادی است، که قابل مقایسه با هزینه های سرمایه گذاری شبکه است.

در مرجع دیگر تأثیر یکپارچه سازی انرژی باد در حجم سیستم و تجزیه و تحلیل قابلیت اطمینان مورد بررسی قرار گرفته است. روش شبیه سازی ترتیبی مونث کارلو به عنوان یک روش مدلسازی سری در تسهیل ارائه سرعت باد و ارزیابی دقیق فرکانس و مدت زمان، مورد استفاده قرار گرفته است. روش ارائه شده محدود نمی باشد و می تواند در سیستم های با مقیاس بزرگ استفاده شود. آنالیز تجزیه و تحلیل قابلیت اطمینان در مزارع بادی بزرگ در این مقاله نشان داده شده می تواند به برنامه ریزان سیستم برای ایجاد طرح های بالقوه در تسهیل انتقال WECS های بزرگ اضافه شده را فراهم کند. مطالعات انجام گرفته در مورد انرژی باد سیاست ادغام با TEP، با پرداختن به چالشهای چشمگیر در مرجع دیگر بررسی شده است. در اینجا تحولات نظری پیشنهاد شده خطر برداشت انرژی تجدیدپذیر در مطالعات تقویت شبکه انتقال در نظر گرفته شده است، علاوه بر این، این روش قادر خواهد بود به خوبی الزامات سیستم های قدرت تجدید ساختار شده را برآورد کند.

افزایش قیمت سوخت های فسیلی و نگرانی در مورد آلودگی محیط زیست، و افزایش بهای سوخت های فسیلی در چند سال اخیر و کاهش این منابع در سطح جهان از سوی دیگر، سبب افزایش استفاده از انرژی های تجدیدپذیر به ویژه انرژی باد در سیستم های قدرت گردیده است. انرژی های باد و خورشید، امروزه به عنوان یکی از اصلی ترین منابع انرژی الکتریکی در خیلی از کشورها جایگزین نیروگاه های موسوم سوخت فسیلی شده است و در نتیجه نفوذ انرژی های باد و خورشید در بخش تولید انرژی الکتریکی به شدت افزایش یافته است. با افزایش میزان نفوذ انرژی های باد و خورشید در شبکه های قدرت، لزوم لحاظ نمودن اثرات آن، به ویژه نیروگاه های بادی و خورشیدی بزرگ، در مطالعات برنامه ریزی گسترش خطوط انتقال امری اجتناب ناپذیر می باشد.

در خیلی از کشورها انرژی باد و خورشید سهم قابل توجهی از کل انرژی الکتریکی را برعهده دارد و در کشورهایی که این انرژی نتوانسته است جایگاه خود را در صنعت برق پیدا کند، با ایجاد سیاست های تشویقی سعی شده که از ظرفیت این انرژی به عنوان یکی از منابع انرژی الکتریکی استفاده نمایند.

امروزه در بسیاری از کشورها، انرژی های بادی و خورشیدی به عنوان منابع انرژی الکتریکی امیدوار کننده و محبوب جایگزین منابع انرژی فسیلی در نظر گرفته شده است، انتظار می رود انرژی باد و خورشید بخش قابل قبول توجهی در کل تولید انرژی الکتریکی در سالهای آینده را داشته باشد. متغییر بودن و کنترل ناپذیری تولید نیروگاه های بادی و خورشیدی و دور بودن از مراکز تقاضا می تواند به عنوان بزرگترین موانع استفاده از انرژی باد و خورشیدی باشد. علاوه بر این نمی توان از روشهای مرسوم برای تجزیه و تحلیل اثرت این انرژی در سیستم قدرت استفاده کرد.

با توجه به افزایش سهم تولید مزرعه باد و خورشیدی به کل تولید انرژی الکتریکی در آینده، برای بهره برداری بهینه از مزارع بادی و خورشیدی لازم است به منظور توسعه، مدل استراتژی های مناسب در مورد اثرات لحاظ نمودن انرژی باد و خورشیدی در مطالعات برنامه ریزی توسعه خطوط انتقال (TEP) راه حل مناسب پیشنهاد شود. اثرات تولیدات نیروگاه های بادی و خورشیدی در تراکم خطوط انتقال، از اهمیت زیادی برخوردار است.

برنامه ریزی توسعه شبکه انتقال باید رقابت در بازار را بهبود بخشد. علاوه بر این، تمرکز زدایی در سیستم قدرت از چالش های جدید، نیاز به تجزیه و تحلیل استفاده از روشهای مختلف از معیارهای جدید در مطالعات شبکه است. از این رو هدف متعارف TEP یک رویکرد مؤثر است.

برنامه ریزی سیستم قدرت باید بتواند بهترین گزینه با توجه به نیازهای عملی و محدودیت منابع اقتصادی را انتخاب کند. علاوه بر این، روشهای سنتی براساس قطعیت داده ها، تنها بدترین حالت در شبکه را، صرفنظر از احتمال وقوع آنها لحاظ می کنند. در نتیجه این روش قادر به در نظر گرفتن تجربیات گذشته، انتظارات آینده و عدم قطعیت نمی باشد.

در مقایسه با منابع انرژی متعارف، مانند حرارتی، برق آبی و انرژی هسته ای، توربین بادی و پنل های خورشیدی دارای بسیاری از ویژگی های متفاوت است. نیروی باد و خورشید، به ویژه در مقیاس های بزرگ در ادغام با شبکه قدرت بسیاری مسائل و چالش های جدید را سبب شده است. به طور عمده برنامه ریزان انتقال در زمینه های زیر کار می کنند:

• کنترل توربین بادی ضعیف می باشد.
• نیروی باد تصادفی و متفاوت است و تأثیر منفی بر روی تنظیم فرکانس و پیک بار دارد.
• سیستم ممکن است دچار ناپایداری گذرای ولتاژ شود، و همچنین کیفیت نیروی باد مزارع بادی در مقیاس های بزرگ متصل به شبکه باید مشخص گردد. در برنامه ریزی انتقال سنتی به طور کلی پایداری گذرا و محدودیت های پایداری ولتاژ در نظر گرفته می شود، در حالیکه هنگام استفاده از انرژی باد در مقیاس های بزرگ، لازم است پایداری گذرا و پایداری ولتاژ به عنوان مسائل اساسی لحاظ شوند.
• توسعه انرژی باد در مقیاس های بزرگ در نسبت تولید و توزیع تغییر ایجاد می کند.
• استفاده مؤثر، از انرژی اهمیت آنرا افزایش می دهد. این موضوع از لحاظ پر مصرف بودن و محیط زیست اهمیت زیادی در فرآیند برنامه ریزی شبکه قدرت دارد.

ادغام نیروی باد در مقیاس های بزرگ مشکلات و چالش های جدیدی را برای برنامه ریزان انتقال به ارمغان می آورد، بطوریکه مدل ها و روش های جدید برنامه ریزی جدیدی، مبتنی بر عدم قطعیتها را سبب شده است.

در سالهای اخیر به منظور مقابله با بحران انرژی در دنیا، استفاده از نیروگاه های بادی و خورشیدی برای تولید برق که انرژی های تجدید پذیر هستند، توسعه بیشتری یافته است. با این حال بر خلاف منابع معمولی، نیروی باد و خورشیدی قابلیت کنترل کمی با توجه به تغییرات زیاد و تناوبی دارد، بنابراین در عملیات برنامه ریزی سیستم قدرت بخش زیادی از عدم قطعیت در ارتباط با نیروگاه های بادی و خورشیدی وجود دارد، مزارع بادی و خورشیدی بزرگ، بطور کلی از مراکز  بارها دور هستند، و نقاط دسترسی به آنها ضعیف است، بنابراین نیاز به تجدید ساختار شبکه های انتقال وجود دارد، که هماهنگی تولید و انتقال را سبب شود. با جدایی تولید از انتقال، سرمایه گذاران متعدد به جای سرمایه گذاری اصلی مطرح می شوند. بنابراین لازم است تحقیقی در مورد برنامه ریزی هماهنگ تولید و انتقال در ارتباط با نیروگاه های بادی و خورشیدی بزرگ تحت عاملیت سرمایه گذاری سرمایه گذاران صورت گیرد.

اهمیت و ضرورت انجام تحقیق :

• خروجی مزارع بادی و خورشیدی به دلیل تصادفی بودن به سادگی توسط شرایط خاص خود و خواص آماری مدل نمی شود. خروجی مزارع بادی ارتباط قوی با بادهای مجاور آن دارد. بنابراین لازم است تا روی مدل خروجی براساس احتمال آماری از مزارع باد و یا گروهی از مزارع باد مطالعه صورت پذیرد.
• ایران به لحاظ دارا بودن مناطق آفتاب خیز از قابلیت بالایی جهت استفاده از انرژی خورشیدی برخوردار است. حدود یک چهارم مساحت کشور را صحرا و کویر با شدت تابش متوسطه (روزانه kwh/m² 5) تشکیل می دهد. چنانچه یک درصد این مساحت حیث احداث نیروگاه های خورشیدی مورد استفاده قرار گیرد و راندمان تبدیل انرژی خورشید به انرژی الکتریکی را ۱۰ درصد در نظر بگیریم پتانسیل برق این نیروگاه ها بیش از ۸ برابر میزان تولید ناخالص برق نیروگاه های کشور (معادل ۸۵ میلیون مگاوات ساعت ) برآورد می گردد.
• ادغام نیروی باد در مقیاس های بزرگ می تواند تنوع برنامه ریزی تولید را به وجود آورد. برای بر آوردن انرژی مصرفی به طور کامل از نیروی باد، منابع انرژی متعارف تعطیل و یا خروجی آنها کاهش می یابد، که به شدت عامل اصلی تولید تغییر کرده است. این تغییرات باید با در نظر گرفتن فرآیند مدلسازی و برنامه ریزی انتقال انجام شود.
• ادغام نیروی باد در مقیاس های بزرگ ممکن است به طور قابل توجهی احتمال وقوع اختلال را افزایش دهد، که ممکن است منجر به ناامنی و بی ثباتی سیستم قدرت شود، به طور کلی لازم است در فرآیند مدلسازی برنامه ریزی انتقال علاوه بر معیار N-1 محدودیت پایداری دینامیکی به حساب آید.
• ادغام نیروی باد در مقیاس بزرگ در مورد مجموعه ای از قابلیت های سیستم ذخیره، امنیت، ثبات، پیکربندی منبع، برنامه ریزی سیستم، محیط زیست و …. انجام می شود. شاخص های ارزیابی مختلف و روش های ارزیابی نیازهای فوری برنامه ریزان انتقال است.