سیستم مدیریت انرژی بهینه هوشمند برای منابع توان هیبرید شامل منبع ذخیره ساز انرژی باتری و پیل سوختی

یک سیستم هیبریدی در کم هزینه ترین حالت شامل یکی از منابع کنترل پذیر مانند پیل سوختی می باشد که بتواند در هر لحظه با دریافت ورودی مورد نیاز (در این مورد هیدروژن) و در دمای مشخص توان بار را تامین کند ، در کنار این منبع می توان از منبع ذخیره ساز انرژی باتری به عنوان یک سیستم پشتیبان که در مواقع مورد نیاز توان را ذخیره و یا به صورت دشارژ وارد سیستم کند می باشد که این مسئله بوسیله متغیر SOC باتری انجام می پذیرد .

در یک پروژه پایان نامه تعریف شده ورودی پیل سوختی که هیدروژن ارسال شده از طریق تانک هیدروژنی می باشد مدیریت می شود در اینجا این کنترل بوسیله منطق فازی که از روش های هوشمند می باشد انجام می پذیرد و هدف آن ایجاد خروجی مورد نیاز از طریق پیل سوختی با همان ورودی لازم می باشد که جلوگیری از اتلاف توان را در دستور کار خود دارد .

در کنار این مسئله کنترل شارژ ولتاژ – جریان تطبیقی باتری دیگر هدف می باشد ، در انجام این پایان نامه از انتگرال خطای SOC باتری برای تخمین جریان مورد نیاز برای تنظیم ولتاژ بار خروجی استفاده می شود که مقداری پایدارتر نسبت به خود متغیر SOC باتری می باشد و این مسئله به صورت تطبیقی و با تخمین این جریان بدست می آید که در دینامیک باتری نیز موجود است .

شماتیک زیر روند ساختار کلی کار را نشان می دهد .

 

شماتیک سیستم هیبریدی مورد استفاده و کنترلی آن

هدف اساسی در این سیستم هیبرید که به صورت یک میکروگرید می باشد تثبیت ولتاژ خروجی در حین تغییرات بار می باشد به گونه ای که کمترین ریپل را در ولتاژ خروجی داشته باشیم و تغییرات حالت گذرا در کمترین زمان ممکن رخ دهد .

پس از مدل سازی اولیه برای سیستم پیل سوختی و تانک هیدروژنی که به صورت معادلات دینامیکی بیان می شود (به دلیل لزوم پیاده سازی روش تطبیقی) ، متغیر خروجی SOC باتری نوشته شده و انتگرال خطای SOC از مقدار 50 درصد تنظیم شده است و از این خطا به عنوان متغیر کلیدزنی برای مبدل باتری استفاده شده است . جدول منطق فازی برای سیستم تانک هیدروژنی نیز براساس طبیعت این سیستم و لزوم جلوگیری از اتلاف توان پیل سوختی بیان شده است .

در شبیه سازی این سیستم از نرم افزار متلب استفاده شده است و معادلات دینامیکی به صورت S-function بیان شده اند . برای پیاده سازی منطق فازی از GUI متناظر با آن در متلب استفاده شده است و بار به صورت بار تعریف شده در متلب با تغییر از طریق تابع جانبی عنوان شده است . برای بیان روش تطبیقی از جایگذاری معادلات آن در Matlab function به صورت گسسته در زمان استفاده شده است . 

تکنولوژیهای منابع تولید پراکنده

1.  مبتنی بر سوخت: همانند موتورهای احتراقی- میکرو توربین- پیل سوختی - دیزل و مواد زیستی.
2.  مبتنی بر انرژی تجدیدپذیر : که عبارتند از باد- آب- سلول خورشیدی- امواج و ...
3.  مبتنی بر ذخیره ساز‌های انرژی: که عبارتند از باطری، ابر خازنها و ...

در مقابل منابع متداول انرژی كه تجدیدناپذیر نام دارند، منابع انرژی تجدیدپذیر وجود دارند که می‌توانند به تولید انرژی بپردازند و توانسته‌اند، به علّت مزایایی همچون مجانی و در دسترس بودن و نیز در وفاق بودنشان با محیط زیست مورد اقبال فراوان، مخصوصاً در کشورهای توسعه یافته، قرار گیرند. از جمله­ی این منابع می‌توان به انرژی زمین گرمایشی، بیوماده، بادی، خورشیدی، آبی و ... اشاره نمود.

علاوه بر کاهش هزینه‌ها می‌توان به ماجولار بودن این منابع اشاره کرد، مثلاً مولدهای فتوولتائیک و پیل‌های سوختی ساختاری ماجولار دارند، یعنی این امکان فراهم می‌آيد که به محض نصب شروع به کار کنند و هر ماجول به‌طور مستقل از دیگری عمل کند و در صورت عدم کارایی یکی از ماجولها دیگری به کار خود ادامه دهد. قابلیت توسعه­ی آنها در ازای تقاضای بیشتر، از دیگر مزایای ماجول‌ها می‌باشد.

باد و خورشید از منابع انرژی تجدید پذیراند که اغلب و در همه جا بصورت مجانی و در وفاق با محیط زیست در دسترس‌اند. از آنجایی که حضور باد و خورشید بستگی به شرایط جوی و محیطی دارد، حضور پشتیبان (ذخیره سازهای انرژی) در سیستم‌های تولید توان متکی بر باد و خورشید ضروري است.

قابلیت اطمینان در سیستم های قدرت

در هر جامعه مدرن، مهندسان و مديران فني مسئول برنامه‌ريزي، طراحي، ساخت و بهره‌برداري از ساده‌ترين محصول تا پيچيده‌ترين سيستم‌ها هستند . از كار افتادن محصول‌ها و سيستم‌ها موجب وقوع اختلال در سطوح مختلفي مي‌شود و مي‌تواند حتي بعنوان تهديدي شديد براي جامعه و محيط زيست تلقي شود. از اين رو مصرف كنندگان و بطور كلي مردم جامعه انتظار دارند كه محصولها و سيستم‌ها پايا ، اطمينان بخش و ايمن باشند بعنوان يك پرسش اصلي چنين مطرح است كه قابليت اطمينان يك سيستم در طول عمر كاری آينده‌اش چه ميزاني است و ايمني آن چقدر است؟ اين پرسشي است كه بخش‌هايي از آن را مي‌توان با ارزيابي و كميت‌سنجي قابليت اطمينان پاسخ داد .

 شيوه‌هاي ارزيابي قابليت از نظر تاريخچه پيدايش ، بدواً در ارتباط با منابع هوا – فضا و كاربردهاي نظامي شكل گرفت ، ولي سريعاً توسط ساير صنابع مانند صنابع برق ، كه تحت فشار شديدي جهت تضمين ايمني و قابليت اطمينان سیستم‌هاي توليد و توزيع در تامين انرژي الكتريكي مي‌باشند و يا صنابع فرآيندهاي پيوسته مانند صنايع فولاد و صنايع شيميايي كه هر ساعت توقف از آنها بعلت وقوع معايب مي‌تواند موجب تحميل خسارت‌هاي بزرگ مالي و جاني و آلودگي محیط زيست شود مورد توجه و كاربرد قرار گرفت .

 اتفاقات رخ داده فشار زيادي بر لزوم توجه به ارزيابي قابليت اطمينان ، ايمني و احتمال خطر ايجاد كرده است. در اينجا اساساً دو بحث مطرح است يكي تحت عنوان خطر كه صرفاً ازنظر شدت قابل تقسيم‌بندي مي‌باشد و ديگري تحت عنوان احتمال خطر كه علاوه بر شدت خطر احتمال وقوع آنرا نيز مورد توجه قرار مي‌دهد . شيوه‌هاي ارزيابي قابليت اطمينان اصولاً برمحور ارزيابي احتمال خطر استوار است و لذا هر دو جنبه شامل شدت خطر و همچنين احتمال وقوع آن به حساب مي‌آيند.

در سیستم های قدرت نیز با توجه به متغیرهای فراوانی که در هر کدام از بخش های تولید ، توزیع و مصرف وجود دارد لزوم سنجش قابلیت اطمینان و بهبود آن در فواصل مناسب (تعمیر و نگهداری) امری ضروری است ، تعیین متغیرهای تغییر پذیر با زمان و روش های مطمئن به منظور محاسبه آنها در دوره های روزانه ، ماهانه و سالانه اهمیت دارد ، آنچنانکه متغیرهایی در تغییر کیفیت ادوات در فصول مختلف ، شرایط آب و هوایی مختلف و شرایط شبکه قدرت در آن تاثیر دارند ، همگی بایستی در محاسبات دخالت داده شوند .

از طرفی امروزه بحث قابلیت اطمینان با ورود منابع تولید هیبریدی پراکنده نظیر توربین بادی و سلول خورشیدی  و منابع پشتیبان نظیر پیل سوختی و باتری و لزوم سنجش امکان پذیری سیستم ، بیش از پیش ضروری می باشد . در این راستا تعریف اندیس های مختلف قابلیت اطمینان و دخالت دادن آن در نحوه کنترل شبکه ها از متدهای روز به حساب می آیند .

 

پایداری سیستم های قدرت و ریزشبکه ها :

پایداری سیستم­های قدرت مانند گذشته همچنان به عنوان موضوع اصلی در بهره ­برداری از سیستم­های قدرت مطرح است. زیرا موضوع پایداری، مولفه مهمی برای مدیریت انرژی و برنامه ­ریزی در هر سیستم قدرت می­باشد.

از طرف دیگر، تنوع منابع انرژی تجدیدپذیر و استفاده بهینه ­تر از منابع انرژی اصلی (با عمل تولید در نزدیک بار) منجر به افزایش واحدهای تولید پراکنده (DG) در شبکه توزیع فشار ضعیف و متوسط گشته است. کاربرد واحدهای DG در سیستم­های توزیع، نوع جدیدی از سیستم­های قدرت بنام میکروگرید را معرفی می­نماید. چنین سیستم­هایی می­توانند به شبکه قدرت اصلی متصل شده و یا بطور مستقل یعنی بصورت جزیره­ای مورد بهره ­برداری قرار بگیرند که در هر دو مد بهره ­برداری بایستی یک تغذیه پیوسته­ ای را برای مراکز بار یا مصرف­ کنندگان فراهم آورند. لذا این مفهوم منجر به تعریف جدیدی از بهره ­برداری واحدهای DG گشته که نیازمند طرح­های حفاظتی و کنترلی پیچیده­ ای در سیستم خواهد بود.

مساله پایداری سیستم­های میکروگرید تقریباً از سال 2006 میلادی (یعنی همان سال­های آغازین ظهور این مفهوم) بعنوان یکی از موضوعات چالش ­برانگیز بطور جدی مورد مطالعه قرار گرفته است. تکنیک­ها و استراتژی­های مختلفی توسط محققان و دانشمندان متعددی از سراسر جهان در منابع گوناگون می­توان یافت که به تعریف، طبقه ­بندی و بهبود پایداری در سیستم­های میکروگرید پرداخته ­اند. برخی از آن­ها تنها به بررسی یک یا تعداد اندکی از واحدهای DG خاص (بویژه مزرعه بادی، پیل سوختی و سیستم فتوولتاییک) پرداخته و برخی دیگر بصورت کلی و بدون محدودیت در نوع منابع DG، موضوع را بررسی نموده­اند. از میان مسایل پایداری، کنترل فرکانس و ولتاژ سیستم­های میکروگرید توجه و اهمیت بسیاری را از جانب محققان بخود جلب نموده­ اند. از اینرو طرح­های کنترلی مختلفی را برای پایداری ولتاژ و بخصوص پایداری فرکانس در منابع گوناگون می­توان یافت. این طرح­ها (که اغلب تنها از اطلاعات محلی سیستم استفاده می­نمایند) جهت بهبود عملکرد واحدهای DG بدون نقض قیود شبکه معرفی گردیده و شرایط مناسبی را جهت مشارکت موثر در سیستم قدرت و بازار برای آن­ها فراهم می ­آورند.