تکنیکی برای ارزیابی بهبود قابلیت اطمینان حاصل از سیستم‌های ذخیره انرژی
A Technique for Evaluating the Reliability Improvement due to Energy Storage Systems
چکیده- از سیستم‌های ذخیره انرژی (ESS) می‌توان برای بهبود قابلیت اطمینان منبع توان در اماکن روستائی ایزوله، که توسط شبکه‌های شعاعی طولانی تغذیه می‌شوند، استفاده کرد. این مطالعه بیانگر روش مبتنی بر شبیه‌سازی مونته کارلو برای ارزیابی توانائی بهبود قابلیت اطمینان توسط یک چنین سیستم ذخیره انرژی است. از روش ارائه شده در اینجا می‌توان برای ایجاد توان نامی و مدت ذخیره‌سازی مناسب بهره گرفت تا به یک هدف قابلیت اطمینان مشخصی دست یافت. این مقاله یک مورد مطالعه برای یک ناحیه روتاسئی در مانیتوبا را بررسی کرده و بین مقادیر مورد انتظار از شاخص های قابلیت اطمینان و مدت ذخیره انرژی، رابطه‌ای بنا می‌کند. نتایج شبیه‌سای نشان می‌دهد که با افزودن یک سیستم ذخیره انرژی واقع در پست دوردست، شاهد بهبود قابلیت اطمینان منبع توان هستیم. با این حال، با توجه به هزینه‌های زیادی که این کار در بر می‌گیرد و در نوشتجات به آن اشاره شده است، این گزینه شاید از لحاظ اقتصادی هنوز به صرفه نباشد.
کلمات کلیدی- سیستم ذخیره انرژی؛ قابلیت اطمینان منبع.
- مقدمه
برخی مصرفکنندگان نواحی روستائی در مانیتوبا که توسط خطوط انتقال شعاعی بلند تغذیه می‌شوند در مقایسه با دیگر مصرفکنندگان واقع در بخش‌های دیگر شبکه سراسری، فرکانس بالاتر و مدت زمان وقفه طولانی‌تری را تجربه می‌کنند. وقفه‌های الکتریسیته (برق) ناشی از قطعی خطوط توزیع بلندی هستند که پست‌های ایزوله روستائی را تغذیه می‌کنند. برخی از این خطوط توزیع از نواحی‌ای عبور می‌کنند که دسترسی به آنها تنها از طریق جاده‌های هوائی یا فصلی امکانپذیر است، و لذا عمل تعمیر آنها دشوار و زمانبر است. بهبود قابلیت اطمینان منبع توان در این نواحی دوردست با تقویت شبکه توزیع، برای مثال با ساخت خطوط جایگزین، پرهزینه بوده و به دلیل نگرانی‌های زیست محیطی اغلب با مخالفت همراه است. تولید توان پشتیبان مبتنی بر دیزل شاید گزینه جذاب و مناسبی باشد چون حتی علیرغم مسائل مربوط به انتقال سوخت و تعمیر و نگهداری دارای هزینه سرمایه کمتری است (5/3 میلیون دلار برای 10 مگاوات). جایگزینی برای این می‌تواند معرفی سیستم‌های ذخیره انرژی (ESS ها) در مراکز بار دوردست باشند.
فناوری برای ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی به سرعت در حال رشد و ترقی است. چندین فناوری ذخیره انرژی مثل سیستم‌های ذخیره انرژی در باتری[1] (BESS) و سیستم‌های ذخیره انرژی در چرخ طیار[2] (FESS) اکنون به صورت تجاری موجودند. همچنین تعدادی از سیستم‌های ذخیره انرژی مقیاس وسیع نیز به صورت عملی اجرا شده‌اند [1]. علاوه بر بهبود قابلیت اطمینان، سیستم‌های ذخیره انرژی می‌توانند به بهبود پایداری دینامیکی، پایداری گذرا، پایداری ولتاژ، تنظیم فرکانس و کیفیت توان نیز کمک کنند [2]، [3].
برنامه‌ریزی فنی یک سیستم ذخیره انرژی شامل انتخال توان نامی بهینه و مدت ذخیره‌سازی است تا بتوان به یک هدف قابلیت اطمینان داده شده دست یافت. این فرایند اغلب نیازمند روشی برای سنجش میزان بهبود قابلیت اطمینان ناشی از یک سیستم ذخیره انرژی است. این مطالعه روشی مبتنی بر شبیه‌سازی مونته کارلو را برای ارزیابی توانایی بهبود قابلیت اطمینان یک سیستم ذخیره انرژی بیان می‌کند که این سیستم در انتهای یک خط توزیع واقع است. بخش‌های مختلف این مقاله روش مطرح شده را از طریق یک مورد مطالعه بیان می‌کنند. نتایج شبیه‌سازی و مراجع [1]، [3] و [4] به کار رفتند تا فناوریهای مناسب ذخیره انرژی برای این کاربرد شناسائی شوند. در این مقاله تنها به روشی برای یافتن اندازه سیستم ذخیره انرژی پرداخته می‌شود. اعتبار استفاده از سیستم ذخیره انرژی برای کاربردهای بهبود قابلیت اطمینان سرانجام توسط هزینه مربوطه آن تعیین می‌شود، که دراین مقاله این موضوع بحث نمی‌شود.
- روش‌شناسی ارزیابی قابلیت اطمینان
روش به کار رفته در این مقاله شامل چهار گام است. اولین گام بررسی ثبت‌های تاریخی عملکرد خط جهت استخراج توابع توزیع تجمعی (CDFها) مربوط به "فاصله زمانی بین وقفه‌ها" (TbO) و "زمان تعمیرات" (RT) است. این توابع توزیع تجمعی به منظور ایجاد یک مدل ساده گذر حالت دو وضعیتی برای در دسترس بودن[3] خط به کار می‌روند. گام بعدی تحلیل ثبت‌های تاریخی تقاضای بار و پیش‌بینی رشد بار آینده در طی دوره برنامه‌ریزی است. گام سوم در نظر گرفتن مقادیر مختلف سیستم ذخیره انرژی است. گام آخر نیز اجرای ساعت به ساعت شبیه‌سازی مونته کارلو روی یک دوره برنامه‌ریزی و محاسبه شاخص‌های قابلیت اطمینان است.
در این مقاله، شاخص میانگین دفعات قطع سیستم (SAIFI) و شاخص میانگین مدت قطع سیستم (SAIDI) به منظور سنجش قابلیت اطمینان به کار می‌روند. این‌ها شاخص هایی هستند که توسط Manitoba Hydro، شبکه خدمات‌رسانی به ناحیه مورد مطالعه، به کار رفته‌اند. در حال حاضر Manitoba Hydro در تلاش است تا شاخص SAIDI را زیر 92 دقیقه/مصرف‌کننده/سال و SAIFI را زیر 3/1 حادثه/ مصرف‌کننده/سال حفظ کند [5]. با اینکه عبارتِ "سیستم" در شاخص‌های SAIFI و SAIDI اشاره به کل مصرفکنندگان شبکه دارد، همین شاخص‌ها را می‌توان برای بیان قابلیت اطمینان یک فیدر یا زیرسیستمِ داده شده هم به کار برد [6].
- پست[4] دوردست
پست در نظر گرفته شده در این مطالعه دارای ظرفیت 9 MVA است و توسط یک سیستم توزیع شعاعی 275 کیلومتری، 66 کیلوولت تغذیه می‌ود. خطوط هوایی از میان جنگل‌های انبوه، زمین‌های پرآب، رودخانه‌ها و دریاچه‌ها عبور می‌کند. دلیل اصلی قطعی‌های خط عبارتندز از افتادن درخت‌ها، صاعقه و عایق‌‌های معیوب.
الف. تحلیل قطعی خط
اطلاعات جمع‌آوری شده از گزارش عملکردهای بریکر (مدارشکن) برای خطوط توزیع در طی نه سال گذشته (1997 تا 2005) بررسی شد تا توابع توزیع تجمعی، فاصله زمانی بین وقفه‌ها و زمان تعمیرات مربوط به سیستم تحت مطالعه استخراج شوند. شکل1 نشان دهنده توزیع حوادث قطعی طی ماه‌های مختلف سال است. دو فصل متمایز برحسب تعداد قطعی‌ها به وضوح قابل رویت‌اند: دوره بین ماه مِی تا سپتامبر (دوره تابستان) که تعداد زیادی از قطعی‌ها در این دوره رخ داده است و دوره بین ماه اکتبر تا آوریل (دوره زمستان) که تعداد قطعی‌ها در آن کم است. از آنجا که این اختلافات قابل توجه است، توابع توزیع تجمعی گوناگونی برای فصل‌های تابستان و زمستان مورد مطالعه قرار گرفته است.
شکل‌های 2 و 3 توزیع‌های تجمعی تعداد نسبی بدست آمده برای زمان تعمیرات و فاصله زمانی بین وقفه‌ها را نشان می‌دهند. معادلات چندجمله‌ای سازگار شده با این منحنی‌ها برای نمایش توابع توزیع تجمعی در شبیه‌سازی‌های مونته کارلو به کار می‌روند.
ب. پیش‌بینی بار
برای پیش‌بینی پیم بار سالیانه و تقاضای بار ساعتی طی دوره برنامه‌ریزی 20 ساله از داده‌های تاریخی بار از سال 2000 تا 2005 استفاده شد. پیش‌بینی بار یک رشد بار خطی را فرض کرده است چون این حالت سازگارترین وضعیت برای برای داده‌های تاریخی است. شکل4 پیش‌بینی بار پیک و شکل5 تغییر منحنی بار روزانه را برای ماه ژانویه نشان می‌دهد. پیش‌بینی‌های مشابهی برای همه ماه‌های دیگر انجام گرفت.
- سیستم ذخیره انرژی
الف. توان نامی سیستم ذخیره انرژی
سیستم ذخیره انرژی در این کاربرد وظیفه پشتیبانی از کل بار تغذیه شده با پست را وقتی بر عهده دارد که توان شبکه از دست رفته باشد. لذا توان نامی آن باید همواره بزرگتر از پیک بار پیش‌بینی‌شده باشد. بیشتر سیستم‌های ذخیره انرژی به شکل ماژول (تکه تکه) موجودند و بنابراین ظرفیت سیستم را می‌توان با رشد بار به صورت تدریجی افزایش داد. همانطور که در شکل4 تشریح شده است ظرفیت سیستم ذخیره انرژی را می‌توان پله به پله افزایش داد. فواصل زمانی‌ای که در ظرفیت افزایش داده می‌شود را می‌توان بر اساس نوع فناوری ذخیره‌سازی انرژی تصمیم‌گیری کرد. برای مثال، اگر از ذخیره انرژی با باتری استفاده شود، افزایش ظرفیت می‌توان با جایگزینی باتری‌های موجود همزمان شود. چون فناوریهای مختلف ذخیره انرژی دارای طول عمرهای مختلفی نیز هستند، چندین طرح افزایش ظرفیت در نظر گرفته شده است. شکل6 چهار نوع طرح را نشان می‌دهد.
با توجه به پیش‌بینی‌بار، ظرفیت موردنیاز برای سیستم ذخیره انرژی در انتهای دوره 20 ساله برابر 10 مگاولت‌آمپر است. طرح توسعه A نشان می‌دهد که اندازه اولیه سیستم ذخیره انرژی موردنیاز برایر 6 مگاولت‌آمپر است. پس از پنج سال، 2 مگاولت‌آمپر دیگر افزوده خواهد شد. به طور مشابه، در سال‌های 10 ام و 15 ام، توان نامی سیستم ذخیره انرژی به اندازه 1 مگاولت‌آمپر بیشتر خواهد شد. به همین ترتیب، در طرح توسعه B، توان نامی اولیه سیستم ذخیره انرژی برابر 8 مگاولت‌آمپر است. پس از ده سال، توان نامی آن 2 مگاولت‌آمپر دیگر افزایش خواهد یافت. در طرح توسعه C، سیستم ذخیره انرژی با توان نامی 9 مگاولت‌آمپر کار خود را آغاز می‌کند و در سال 15 ام 1 مگاولت‌آمپر دیگر به آن افزاوده خواهد شد. طرح توسعه D حالتی را نشان می‌دهد که در آن کل ظرفیت سیستم ذخیره انرژی به یکباره تعویض می‌شود و از طرحی ماژولی خبری نیست.
ب. انرژی نامی سیستم ذخیره انرژی
انرژی نامی سیستم ذخیره انرژی (مدت ذخیره‌سازی) عامل اصلی در مساله بهبود قابلیت اطمینان می‌باشد. راهبرد به کار رفته در اینجا این است که قابلیت اطمینان موردانتظار (برحسب شاخص‌های قابلیت‌اطمینان) برای مدت‌‌های مختلف ذخیره‌سازی ارزیابی شوند و مناسب‌ترین مدت ذخیره‌سازی براساس رابطه قابلیت‌اطمینان و مدت ذخیره‌سازی انتخاب شود. قابلیت اطمینان پست دوردست با این فرض محاسبه شد که تنها وقفه‌های مصرفکنندگان تغذیه شده با آن پست در نظر گرفته شده باشند. در این مطالعه، تنها وقفه‌های ناشی از خرابی در سمت اولیه سیستم توزیع در نظر گرفته شده است. به منظور بررسی تاثیر مدت ذخیره‌سازی انرژی، τ (برحب ساعت)، دو شاخص SAIFI و DAIDI برای مصرفکنندگان پست دوردست و برای مقادیر مختلف τ ارزیابی می‌شوند. ارزیابی مقادیر موردانتظار شاخص‌ها به کمک شبیه‌سازی مونته کارلو انجام می‌شود. به محض اینکه رابطه بین شاخص‌های قابلیت اطمینان و مدت ذخیره‌سازی بنا شد، می‌توان انرژی نامی مناسبی را برای سیستم ذخیره انرژی انتخاب کرد تا به یک سطح قابلیت اطمینانی دست یافت که توسط عوامل اقتصادی تعیین می‌شود.
- شبیه‌سازی مونته کارلو
یک الگوریتم رایانه‌ای در نرم‌افزار MATLAB توسعه یافت تا شبیه‌سازی‌های مونته کارلو صورت گرفته و بهبود قابلیت اطمینان ناشی از نصب سیستم ذخیره انرژی در پست دوردست ارزیابی شود. پست فرض می‌شود که در دو حالت ممکن قرار داشته باشد: (1) شبکه، بار را تغذیه می‌کند (و نیز سیستم انرژی نیز بار را تغذیه می‌کند)، (2) شبکه خارج شده است و تنها سیستم ذخیره انرژی تامین‌کننده بار است. تعداد قطعی‌ها و مدت زمان آنها در شبیه‌سازی توسط تابع توزیع تجمعی مربوط به "زمان بین وقفه ها" و "زمان تعمیرات" هدایت می‌شود.
شبیه‌سازی در حالتی شروع می‌شود که شبکه در حال کار بوده و سیستم ذخیره انرژی کامل شارژ شده است. زمان تا اولین قطعی با تولید یک عدد تصادفی بین 0 و 1 تعیین می‌شود، و سپس زمان متناظر از از تابع توزیع تجمعی فاصله زمانی بین وقفه‌ها بدست می‌آید. شبیه‌سازی براساس ساعتی پیش می‌رود. برای یک روز داده شده، تقاضای مگاولت‌آمپر بار برای هر ساعت به کمک معادلات پیش‌بینی بار که در بخش3 ب توسعه یافت، محاسبه می‌شود. اگر در آن روز هیچ قعطی رخ ندهد، کل بار توسط شبکه تامین می‌شود. ار طرف دیگر اگر در آن روز قطعی رخ دهد، مدت زمان قطعی به کمک تابع توزیع تجمعی زمان تعمیرات تعیین می‌شود. فرض می‌شود که در طی قطعی شبکه، سیستم ذخیره انرژی کل بار را تا جائی که برای آن امکانپذیر است تامین کند. وضعیت ذخیره‌سازی (یعنی باقی ماندن انرژی در بخش ذخیره) در هر ساعت محاسبه می‌شود، و اگر انرژی ذخیره شده در سیستم ذخیره انرژی به کمتر از یک حد کمینه مشخص برسد، بار قطع می‌شود. در انتهای روز، متغیرهای ذخیره کننده اطلاعات مهم بروزرسانی می‌شوند. اطلاعات ثبت شده شامل کمیت‌هایی چون تعداد کل قطعی‌ها تا به اکنون، کل مدت زمان عملکرد سیستم ذخیره انرژی، کل مدتی که بار قطع بوده است، کل انرژی تامین شده از طریق شبکه، کل انرژی تامین شده از طریق سیستم ذخیره انرژی و غیره می‌باشد. شبیه‌سازی ساعت به ساعت برای دوره برنامه‌ریزی 20 ساله اجرا می‌شود. در انتهای شبیه‌سازی، اطلاعات ثبت‌شده را می‌توان برای تعیین شاخص‌های قابلیت اطمینان و بدست آوردن اطلاعات مفید در رابطه با عملکرد سیستم ذخیره انرژی به کار گرفت.
شاخص‌های SAIFI و SAIDI که برای هر سال محاسبه می‌شوند، در طی دوره 20 ساله میانگینشان گرفته می‌شود تا به یک عدد خاص برای قابلیت اطمینان دست یافت. چون مقادیر SAIFI و SAIDI بدست آمده بستگی به توالی اعداد تصادفی به کار رفته دارند، شبیه‌سازی به کمک توالی مختلفی از اعداد تصادفی بارها تکرار می‌شود. شبیه‌سازی مونته کارلو وقتی همگرا است که مقادیر متوسط SAIFI و SAIDI پس از تکرار شبیه‌سازی‌ها پایدار مانده باشند.
- نتایج و بحث
شکل7 نشان دهنده تکامل مقدار متوسط 20 ساله میانگین SAIFI در طی یک شبیه‌سازی است. مقدار متوسط SAIFI پس از اجرای 3000 شبیه‌سازی همگرا می‌شود. همین اتفاق برای شاخص مدت زمان SAIDI می‌افتد.
به منظور دستیابی به رابطه‌ای بین قابلیت اطمینان و مدت ذخیره‌سازی، شبیه‌سازی‌های مونته کارلو برای مدت زمان‌های مختلف سیستم ذخیره انرژی اجرا شدند. برای هر کدام از طرح‌های توسعه، مدت ذخیره‌سازی، τ، بین 0 تا 4 ساعت متغیر است. فرض شده است که بیشترین عمق دشارژ (تخلیه) (DoD) مجاز 70% و براساس عمق تخلیه باتری باشد. شکل‌های 8 و 9 نشان دهنده تغییرات مقادیر SAIFI و SAIDI نسبت به τ است.
با توجه به شکل8، بدون وجود هیچ سیستم ذخیره انرژی‌ای، مقدار SAIFI حدود 6/6 حادثه/مصرف‌کننده/سال است. با افزایش مدت زمان سیستم ذخیره انرژی، مقادیر SAIFI برای همه طرح‌های توسعه کاهش می‌یابد. به منظور دستیابی به اهداف Manitoba Hyrdo، مدت زمان ذخیره بین 5/1 تا 2 ساعت لازم است که بستگی به طرح توسعه دارد.
رابطه بسیار مشابهی برای تغییر SAIDI برحسب مدت زمان ذخیره بدست آمد. همانطور که در شکل9 ملاحظه می‌شود، بدون هیچ سیستم ذخیره انرژی، SAIDI برای پست تقریبا برابر 1100 دقیقه/مصرف‌کننده/سال است. طرح توسعه‌ای که نزدیکترین مقدار را به مقدار هدف Manitoba Hydro داشت طرحی بود که ظرفیت کل ذخیره در ابتدای پروژه نصب شده باشد. یک سیستم ذخیره انرژی دو ساعته مقدار SAIDI را به 250-300 دقیقه/مصرف‌کننده/سال کاهش می‌دهد. با اینکه این مقدار همچنان بزرگتر از مقدار متوسط سیستم است، اما با در نظر گرفتن وضعیت دوردست محل موردنظر عددی قابل قبولی است.
الف. فناوری ذخیره انرژی
فناوری ذخیره انرژی بر اساس توان و انرژی نامی سیستم ذخیره انرژی انتخاب شده است. مقدار نامی سیستم ذخیره انرژی برای این محل در حدود 10- 6 مگاولت‌آمپر، 20- 12 مگاوات‌ساعت بود. سیستم ذخیره انرژی برای این محل نیازمند عملکرد یک منبع توان بدون وقفه (UPS) و همچنین فراهم کردن انرژی طولانی‌مدت است. با توجه به [3]، چنین کاربردی را می‌توان در زمره کاربردهای کیفیت توان بلند مدت (LPQ) دسته‌بندی کرد. مراجع [3] و [1] بیان کرده‌اند که سیستم‌های ذخیره انرژی نوع باتری از بهترین انواع سیستم‌های ذخیره انرژی از نظر سطح توان و زمان تخلیه (دشارژ) هستند.
از بین فناوریهای نوع باتری که از برای این کاربرد به صورت تجاری موجود است می‌توان به اسید سرب و سولفور سدیم اشاره کرد [3]، [4]. مرجع [3] مثال‌های مختلفی از نواحی گوناگون در ژاپن را نشان می‌دهد که در آن از باتری سولفور سدیم با ویژگی‌‌های مشابه با این کاربرد استفاده می‌شود. دیگر فناوری‌هایی که می‌توان از آنها بهره برد عبارتند از پیل‌های با عمل اکسایش و کاهش مثل برومین روی، وانادیوم، و بروماید پلی سولفید [3]، [4]. کَسِل ولِی، یوتا، موقعیتی مشابه همین مورد مطالعه در مانیتوبا است که از پیل‌های وانادیومی برای سیستم‌های ذخیره انرژی کوچکتر 250 کیلوواتی استفاده می‌کند.
مراجع [1]، [3] و [4] هزینه طول عمر انواع فناوریهای به کار رفته در این زمینه را بررسی می‌کنند. با توجه به تخمین‌های [1] و [3]، هزینه یک سیستم ذخیره انرژی مبتین بر فناوریهای ذکر شده بالا بین 21 میلیون دلار تا 40 میلیون دلار کانادا متغیر است. هزینه سیستم ذخیره انرژی عامل اساسی است که امکانپذیری روش ارائه شده برای بهبود قابلیت اطمینان در نواحی ایزوله (دور افتاده) را تحت تاثیر قرار می‌دهد. هزینه کل را می‌توان با کاهش مقادیر نامی سیستم ذخیره انرژی، کاهش داد. این کار امکانپذیر است، مثلا با معرفی طرحی برای حذف انواع خاصی از بارهای مثل آبگرمکن‌ها و هیترها در طی قطعی‌هایی که رخ می‌دهد. با حذف چنین بارهایی که دارای ظرفیت حرارتی بالائی هستند، بار پیک پست ممکن است تا 50% کاهش یابد بدون آنکه روی مصرفکنندگان اثر ناسازگاری داشته باشد. شبیه‌سازی مونته کارلو ارائه شده در این کار را می‌توان به راحتی توسعه داد تا چنین سناریوهایی را بررسی کرد.
- نتیجه‌گیری
این مقاله یک روش مبتنی بر شبیه‌سازی مونته کارلو را برای ارزیابی توانایی بهبود قابلیت اطمینان یک سیستم ذخیره انرژی بیان کرد که این سیستم در ناحیه انتهایی یک خط توزیع واقع است. این روش به کار گرفته شد تا عملکرد یک سیستم ذخیره انرژی واقع در یک پست تغذیه کننده یک ناحیه روستائی در مانیتوبا بررسی شود. بر اساس کار تحلیلی انجام شده، یک سیستم ذخیره انرژِ با مدت زمانی در حدود دو ساعت برای این ناحیه لازم است. با توجه به بررسی‌های EPRI و DOE [3] به نظر می‌رسد سیستم ذخیره انرژی نوع باتری مناسب‌ترین گزینه برای این نوع کاربرد است. با این حال، یک تحلیل هزینه هم باید صورت بگیرد تا امکان به کارگیری یک چنین سیستم‌های ذخیره انرژی از بُد اقتصادی هم تعیین شود. کار بر روی ارزیابی هزینه سیستم ذخیره انرژی همچنان ادامه دارد.
ترجمه شکل‌ها
شکل1. قطعی‌های بین سال‌های 1997 تا 2005.
شکل2. زمان تعمیرات (RT)
شکل3. زمان بین قطعی‌ها (TbO)
شکل4. پیش‌بینی پیک بار سالیانه
شکل5. پیش‌بینی پروفیل بار روزانه در ماه ژانویه
شکل6. طرح‌های توسعه مختلف برای سیستم ذخیره انرژی
شکل7. تعیین مقدار همگرایی SAIFI (یک ساعت)
شکل8. تغییرات SAIFI نسبت به مدت زمان سیستم ذخیره انرژی
شکل9. تغییرات SAIDI نسبت به مدت زمان سیستم ذخیره انرژی