برای وقوع خطا در دیگر سکشن های فیدر نیز وضعیت به طریق مشابه شبیه سازی خواهد شد . به طور کلی می توان گفت در هر مد خطا، نقاط مصرف در یکی از پنج دسته ی زیر جای خواهند گرفت:
۱- نقاط باری که به علت عملکرد اودات حفاظتی (مانند کت اوت فیوز یا کلید قدرت )تحت تأثیر خطا قرار نگرفته وزمان خاموشی آنها برابر صفر خواهد بود.
۲- نقاط بار موجود در ناحیه ای که خطا در آن رخ داده است و می بایست تا پایان تعمیرات بی برق باقی بمانند . زمان خاموشی این دسته از نقاط بار برابر متوسط زما ن مکان یابی خطا TFL)) بعلاو ه ی متوسط زمان لازم برای انجام تعمیرات (TRP ) خواهد بود-(TFL+TRP)
۳- نقاط باری که پس از مکان یابی خطا امکان تغذ یه ی آنها از طریق نقاط مانور یا منبع اصلی فیدر وجود دارد . زمان خاموشی این گروه از نقاط مصرف برابر متوسط زمان مکان یابی خطا و انجام عملیات مانور و کلیدزنی TSW)) خواهد بود (TFL+TSW)
۴- نقاط باری که پس از مکان یابی خطا امکان تغذیه ی آنها از طریق واحد تولید پراکنده وجود دارد که زمان خاموشی آنهابرابر متوسط زمان مکان یابی خطا بعلاوه ی زمان راه اندازی واحد تولید پراکنده TDG)) خواهد بود (TFL+TDG)
۵- نقاط مصرفی که با وجود عدم قرارگیری در ناحیه ی آسیب دیده، به علت ساختار فیدر یا محدودیت هاتی بهره برداری از تجهیزات، امکان برقراری تغذ یه ی آنها از طریق منابع دیگر وجود ندارد . زمان خاموشی این دسته از نقاط بار نیز همانند گروه دوم خواهد بود (TFL+TRP) پس از بررسی هر یک از مدهای خطا و شبیه سازی تأثیر ساختار شبکه و وجود امکان تغذ یه ی نقاط بار خاموش از طریق منبع اصلی، نقاط مانور و یا واحدهای تولید پراکنده ، شاخص های قابلیت اطمینان مربوط به هریک از نقاط مصرف به راحتی از روابط (۱) الی(۴) قابل محاسبه می باشد سپس از مجموعه ی این شاخص ها، اندیس های قابلیت اطمینان مربوط به کل سیستم با بهره گرفتن از روابط(۵) الی(۸) تعیین می گردند.
۶-۱ درنظر گرفتن امکان عدم دسترسی به واحدهای تولید پراکنده
هیچ سیستمی را نمی توان کاملاً قابل اعتماد دانست .واحدهای تولید پراکنده نیز از این قانون مستثنی نخواهند بود .در صورتی که در عملکرد واحدهای تولید پراکنده مشکلی به وجود آید، دیگر امکان بهره گیری از این واحدها جهت تغذیه ی بارهای خاموش وجود نخواهد داشت . به عبارت دیگر نقاط بار گروه چهارم به گروه پنجم منتقل خواهند شد. اثر احتمال عدم دسترسی به واحدهای تولید پراکنده را می توان با بهره گرفتن از احتمال شرطی مدل سازی نمود . مطابق با اصول احتمال شرطی می توان گفت در هر مد خطا اگر این واحدها در دسترس باشند، زمان خامو شی نقاط باری که امکان تغذیه ی از این واحدها را دارند برابر TFL+TDG و اگر واحدهای تولیدی مذکور در دسترس نباشند این زمان برابر TFL+TRP خواهد بود . به عبارتی در مورد زمان خاموشی نقاط بار مزبور داریم:
بنابراین اگرPDG احتمال عدم دسترسی به واحدهای تولید پراکنده باشد، در مورد نقاط بار فوق الذکر در یک مد خطای خاص می توان گفت:
که در آن ، r(F,L) زمان خاموشی نقطه ی بارLدر مد خطای F می باشد.
مقایسه قابلیت اطمینان بین دو محیط سنتی و تجدید ساختار شده ۱-۷
در سیستم سنتی(ادغام شده ی عمودی)[۳]،بخش قابل توجهی از ریسکهای موجود در سیستم به مرجع اصلی متولی سیستم مربوط می شود در حالیکه در سیستم تجدید ساختار شده، مراجع متعدد و مختلفی در ایجاد ریسک نقش دارند.لذا از لحاظ قابلیت اطمینان تفاوت هایی بین دو محیط وجود دارد که در ذیل چند مورد آن بطور خلاصه بیان می گردد[۱۱] .
۱- در سیستم سنتی،هدف گذاری سیستم به صورت هماهنگ توسط یک مرجع اصلی متمرکز انجام می گیرد در حالی که در سیستم تجدید ساختار شده، مراجع مختلف به دنبال اهداف اقتصادی خود هستند که لزوما با هدف کلی حالت قبل تطابق ندارد.
۲-درسیستم سنتی،نیروگاهها بر اساس اولویت اقتصادی به تامین برق شبکه می پردازند ،در حالیکه در سیستم تجدید ساختار شده آمادگی نیروگاهها برای تولید برق به و ضع قیمتها بستگی دارد.این موضوع موجب افزایش عدم قطعیت در بهره برداری روزانه از سیستم می شود.علاوه بر این در سیستم رقابتی، سود جویی بازیگران می تواند موجب افزایش ریسک سیستم شود. ارزیابی این ریسک معمولا به عهده بهره بردار مستقل سیستم[۴] است.در سیستم تجدید ساختار شده مسئولیت مراجع مختلف در قبال ریسک موجود در سیستم باید در قالب قراردادها و توافقهای دو جانبه یا چند جانبه به روشنی تعریف گردد.
۳-در سیستم تجدید ساختار شده، حتی در صورت وجود ذخیره تولید کافی توانایی سیستم انتقال برای ارائه این ظرفیت ذخیره با چالشهای جدی مواجه است.از این رو مرجع متولی مدیریت قابلیت اطمینان(مثلا بهره بردار مستقل سیستم)، باید از یک سو به ایجاد و مدیریت بازارهای ذخیره توجه کند و از سوی دیگر مدیریت پرشدگی خطوط را نیز به عهده گیرد.
۴-ارزیابی قابلیت اطمینان سیستمهای بزرگ و پیچیده مثل سیستمهای قدرت نیازمند گردآوری اطلاعات و داده های بسیار است.تفکیک سیستم به چند حوزه عملیاتی موجب می شود که داده های مورد نیاز برای این کار افزایش قابل توجهی یابد.این در حالی است که در یک محیط رقابتی، گردآوری اطلاعات قابل قبول دشوارتر می شود زیرا ممکن است شرکتهای رقیب اطلاعات را به عنوان بخشی از مزیت رقابتی خود مخفی کنند.در چنین شرایطی استفاده از آخرین دستاوردهای فناوری اطلاعات برای گردآوری اطلاعات برای ارزیابی قابلیت اطمینان اهمیت می یابد.
۵- در یک محیط رقابتی نا مطمئن این امکان وجود دارد که تامین کنندگان شبکه انتقال سرمایه گذاری قابل توجهی برای توسعه و تقویت شبکه های خود انجام ندهند.بنابراین اختصاص نهادی که خارج از تجارت برق و کسب سود باشد برای حفظ امنیت در شبکه و سرمایه گذاری جهت توسعه الزامی به نظر می رسد.
۶-گرایش به واحدهای تولیدی کوچک(تولید پراکنده یا توزیع شده)در محیط تجدید ساختار شده می تواند به کاهش سرمایه گذاری مورد نیاز برای توسعه شبکه انتقال منجر شود.(چون این گونه مراکز تولید معمولا در نزدیکی مصرف کنندگان ایجاد می شوند).
فصـل دوم
مفاهیـم و ساختـار توربیـن های بـادی
در سال های اخیر به علت بحران انرژی و رو به اتمام بودن انرژی فسیلی، استفاده از انرژیهای نو از جمله نیروی باد برای تولید انرژی الکتریکی مورد توجه بسیاری از محققین و دانشمندان قرار گرفته است. نیروگاههای بادی از محسنات زیادی نسبت به نیروگاههای معمول، برخوردار می باشد، که از آن جمله رایگان، تمام نشدنی و تجدیدپذیر بودن انرژی باد، عدم آلودگی محیط زیست، ارزان تر بودن آن نسبت به نیروگاههای اتمی و دیزلی خالی از خطر بودن آن را می توان ذکر کرد]۱۲[.
با وجود محسنات فوق، استفاده از نیروی باد در مقیاس وسیع برای تولید انرژی الکتریکی در همه کشورها عمومیت پیدا نکرده است. دو دلیل عمده این امر عبارتند از:
الف- پایین بودن قیمت نفت و سوخت های فسیلی در کشور های نفت خیز و کمتر بودن هزینه اولیه نیروگاههای معمول بخاری و گازی نسبت به هزینه اولیه نیروگاههای بادی.
ب- بهره برداری مشکل و قابلیت اطمینان پایین نیروگاههای بادی]۱۲[.
با وجود این به علت مزایای استفاده از انرژی باد، استفاده از این انرژی در خیلی از کشورها به عنوان یک روش مناسب برای تولید الکتریسیته شناخته شده و درصد قابل توجهی از انرژی الکتریکی را به خود اختصاص داده و این روند رو به گسترش است. تحقیقاتی که در زمینه کاهش هزینه نیروگاههای بادی و بهره برداری مطمئن از این نیروگاهها صورت میگیرد به طور کلی به دو دسته عمده تقسیم می شود که ارتباط تنگاتنگی با یکدیگر دارند.
الف- تحقیق در زمینه طراحی وساخت توربینهای بادی، در جهت کاهش هزینه این نیروگاهها و استفاده بهینه از نیروی باد.
ب- تحقیق در زمینه کنترل و بهره برداری مطمئن نیروگاههای بادی برای افزایش قابلیت اعتماد،بالا بردن عمر مفید سیستم، مهار بیشترین مقدار انرژی باد و بهبود مشخصههای انرژی الکتریکی تولیدی توسط این نیروگاهها.
۱-۲ کلیات و مفاهیم انرژی باد
۱-۱-۲ منشا انرژی باد
انرژی باد از زمان های بسیار دور توسط بشر به شیوه های مختلف به کار برده می شد. انرژی باد، انرژی حاصل از هوای متحرک است.اگر تابش خورشید به طور نامساوی به سطح ناهموار زمین برسد سبب ایجاد تغییرات دما و فشار می گردد و در اثر این تغییرات باد به وجود می آید. در ضمن به دلیل حرکت وضعی زمین، اتمسفر کره زمین، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می دهد که این موضوع هم باعث بوجود آمدن باد می شود. جریان اقیانوسی نیز به صورت مشابه عمل کرده و عامل ٣٠ انتقال حرارت کل در جهان است. بیشترین حرکت باد را میتوان در سطوح بالای جو پیدا کرد جایی که سرعت مداوم باد به بیش از ۱۶۰ کیلو متر در ساعت می رسد وسرانجام باد انرژی خود را در اثر اصطکاک با سطح زمین وجو از دست می دهد.
با این وجود سهم انرژی باد در اقتصاد انرژی کشورهای مختلف متفاوت است. پس از آزمایشات عملی فراوان، مهندسان به این نتیجه رسیده اند که میانگین سرعت باد برای به صرفه بودن تبدیل انرژی باد به برق حدود ٢٣ کیلومتر در ساعت است. میانگین سرعت باد در برخی از کشورها ١۶ کیلومتر در ساعت است. به علت دسترسی آسان به باد با دوام و همیشگی، برخی شرکت ها نصب دستگاه بادی را در مناطق دور از ساحل مد نظر دارند.
براساس یک قانون طبیعی سرعت باد در نواحی پهناور با عرض جغرافیایی افزایش می یابد بنابراین مکان های مناسب برای دستگاه های بادی بالای تپه های گرد و صاف، دشت یا سواحل باز و فواصل کوهی که مثل قیف عمل می کنند هستند . از انرژی باد می توان توسط توربین های بادی، برق تولید کرد]۱۳[.
۲-۱-۲ پیش بینی پذیری
با توجه به تغییرات باد ، قابلیت پیش بینی محدودی ) ساعتی با روزانه ( برای خروجی نیروگاه های بادی وجود دارد . مانند دیگر منابع انرژی تولید باد نیز باید از قابلیت برنامه ریزی برخوردار باشد اما طبیعت باد این پدیده را ذاتاً متغیر می کند . گر چه از روش هایی برای پیش بینی تولید توان این نیروگاه ها استفاده می شود اما در کل قابلیت پیش بینی پذیری این نیروگاه ها پایین است . عیب این گونه نیروگاه ها معمولاً با بهره گرفتن از روش های ذخیره سازی انرژی مانند استفاده از نیروگاه های آب تلمبه ای تا حدودی برطرف می شود]۱۳[.
۳-۱-۲ استفاده از زمین
توربین های بادی باید ۱۰ برابر قطرشان در راستای باد قالب و ۵ برابر قطرشان در راستای عمودی از هم فاصله داشته باشند تا کمترین تلفات حاصل شود . در نتیجه توربین های بادی تقریباً به ۰٫۱کیلومتر مربع مکان به ازای هر مگاوات توان نامی یا تولیدی نیازمند هستند .
معمولاً برای نصب این توربین ها نیازی به پاک سازی در درختان منطقه نیست . کشاورزان می توانند برای ساخت این توربین ها زمین های خود را به شرکت های سازنده اجاره دهند . در ایالات متحده کشاورزان حدود ۲ تا ۵ هزار دلار به ازای هر توربین در هر سال دریافت می کنند . زمینهای مورد استفاده قرار گرفته برای توربین های بادی همچنان می توانند برای کشاورزی و چرای دام مورد استفاده قرار بگیرند. چرا که تنها یک درصد از زمین برای ساخت پی توربین و راه دسترسی مورد استفاده قرار می گیرد و به عبارتی دیگر ۹۹ % زمین هنوز قابل استفاده است . توربین های بادی عموماً در مناطق شهری نصب نمی شوند چرا که ساختمانها جلوی وزش باد را سد می کنند و قیمت زمین نیز معمولاً زیاد است ]۱۳[.
۴-۱-۲ توزیع سرعت باد
میزان باد دائماً تغییر می کند میزان متوسط مشخص شده برای یک منطقه خاص صرفاً نمی تواند تولید توربین بادی نصب شده در آن منطقه را مشخص کند . برای مشخص کردن فراوانی سرعت باد در یک منطقه معمولاً از یک ضریب توزیع در اطلاعات جمع آوری شده مربوط به منطقه استفاده می کنند ، مناطق مختلف دارای ضریب توزیع سرعت متفاوتی هستند . مدل رایلی[۵] توزیع سرعت در بسیاری از مناطق را منعکس می کند .از آنجاییکه بیشتر توان تولیدی در سرعت بالای باد تولید می شود ، بیشتر انرژی در بازه های زمانی کوتاه تولید می شود . بر طبق الگوی لی نیمی از انرژی تولیدی تنها در ۱۵ % از زمان کارکرد توربین تولید می شود و در نتیجه نیروگاه های بادی مانند نیروگاه های سوختی دارای تولید انرژی پایداری نیستند ، تأسیساتی که از برق بادی استفاده می کنند باید از ژنراتورهای پشتیبانی برای مدتی که تولید انرژی در توربین بادی پایین است استفاده کنند ]۱۳[.
۵-۱-۲ ضریب ظرفیت
تا زمانی که سرعت باد ثابت نباشد تولید سالیانه انرژی الکتریکی توسط نیروگاه بادی هرگز برابر حاصل ضرب توان تولیدی نامی در مجموع ساعت کار آن در یک سال نخواهد شد . نسبت میزان توان حقیقی تولید شده توسط نیروگاه و ماکزیمم ظرفیت تولیدی نیروگاه را ضریب ظرفیت می نامند . یک نیروگاه بادی نصب شده در یک محل مناسب در ساحل ضریب ظرفیتی سالیانه ای در حدود ۳۵ % دارد .
برعکس نیروگاه های سوختی ، ضریب ظرفیت در یک نیروگاه بادی به شدت به خصوصیات ذاتی باد وابسته است ضریب ظرفیت در انواع دیگر نیروگاه ها معمولاً به بهای سوخت و زمان مورد نیاز برای انجام عملیات تعمیر بستگی دارد . از آنجایی که نیروگاه های هسته ای دارای هزینه سوخت نسبتاً پایینی هستند بنابراین محدودیت های مربوط به تأمین سوخت این نیروگاه ها نسبتاً پایین است که این خود ضریب ظرفیت این نیروگاه ها را به حدود ۹۰ % می رساند . نیروگاه هایی که از توربین های گاز طبیعی برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می کنند . به علت پرهزینه بودن تأمین سوخت معمولاً تنها در زمان اوج مصرف به تولید می پردازند. به همین دلیل ظرفیت این توربین ها پایین بوده و معمولاً بین۵ -۲۵% می باشد ]۱۳[.
۶-۱-۲ محدودیت های ادواری و نفوذ
میزان انرژی الکتریکی تولیدی توسط نیروگاه های بادی می تواند به شدت به چهار مقیاس زمانی ساعت به ساعت ، روزانه و فصلی وابسته باشد . این میزان به تحولات آب و هوایی سالیانه نیز وابسته است. از آنجایی که برای ایجاد ثبات در شبکه ، میزان انرژی الکتریکی تأمین شده و میزان مصرف باید در تعادل باشند از این جهت تغییرات دائم در میزان تولید این ضرورت را به وجود می آورد که از تعداد بیشتری نیروگاه بادی برای تولیدی متعادل تر در شبکه استفاده شود . از طرفی ادواری بودن طبیعی تولید انرژی باد موجب افزایش هزینه های تنظیم و را ه اندازی می شود و در سطح بالا ممکن است نیازمند اصول مدیریت تقاضایی انرژی یا ذخیره سازی انرژی باشد .
از ذخیره سازی با بهره گرفتن از نیروگاه های آب تلمبه ای یا دیگر روش ها ذخیره سازی برق در شبکه می تواند برای به وجود آوردن تعادل در میزان تولید نیروگا های بادی استفاده کرد اما در مقابل استفاده از این روش ها موجب افزایش ۲۵ % هزینه های دائم اجرای چنین طرح هایی می شود ]۱۳[.
۷-۱-۲ آثار زیست محیطی
توربینهای بادی برای راه اندازی و بهره برداری نیاز به هیچ گونه سوختی ندارد و بنابراین در قبال انرژی الکتریکی ، آلودگی مستقیمی ایجاد نمی کنند . بهره برداری از این توربین ها دی اکسید کربن ، جیوه ، دی اکسیدگو گرد ، ذرات معلق یا هیچ گونه عامل آلوده کننده هوا تولید نمی کند . اما توربین ها بادی در مراحل ساخت از منابع مختلفی استفاده می کنند در طول ساخت نیروگاه های بادی باید از موادی مانند فولاد، بتن، آلومینیم و غیره استفاده کرد که تولید و انتقال آنها نیازمند مصرف انواع سوخت هاست . دی اکسید کربن تولید شده در این مراحل پس از حدود ۹ ماه کارکردن نیروگاه جبران خواهد شد .
نیروگاه های سوخت فسیلی که برای تنظیم برق تولیدی در نیروگاه های بادی مورد استفاده قرار می گیرند موجب ایجاد آلودگی خواهند شد، بعضی اوقات به این نکته اشاره می شودکه نیروگاه های بادی نمی توانند میزان دی اکسید کربن تولیدی را کاهش دهند چرا که برق تولیدی از طریق نیروگاه بادی به دلیل نامنظم بودن، همیشه باید بوسیله یک نیروگاه سوخت فسیلی پشتیبانی شود . نیروگاه های بادی نمی توانند بطور کامل جایگزین نیروگاه های سوخت فسیلی شوند اما با تولید انرژی الکتریکی مبنای تولید نیروگاه های حرارتی را کاهش داده و از تولید آنها می کاهند که به این ترتیب میزان انتشار دی اکسید کربن کاهش می یابد]۱۳[.
۸-۱-۲ جاگذاری توربین
انتخاب مکان مناسب برای نصب نیرو گاه بادی وجهت نصب توربین ها در محل از نکات حیاتی برای توسعه اقتصادی این گونه نیروگاه هاست .گذشته از دسترسی باد مناسب در محل مورد بحث عوامل مهم دیگری مانند دسترسی به خطوط انتقال ، قیمت زمین مورد استفاده ، ملاحضات استفاده ومسائل زیست محیطی ساخت و بهره برداری نیز در انتخاب یک محل برای نصب نیروگاه ها موثر است. از این رو استفاده نیروگاه های بادی در مناطق دور از ساحل ممکن است هزینه های مربوط به ساخت یا ضریب ظرفیت را با بهره گرفتن از کاهش هزینه های تولید برق جبران کنند.
