د هیبرید وینډ-سولر پاور سیسټم بهرنیز: د ګرید له لارې کارولو لپاره د جامع ډیزاین حل

1. مقدمه و زمینه

۱.۱ چالش‌های سیستم‌های تولید برق یک منبعه

سیستم‌های تولید برق فتوولتائیک (PV) یا بادی معمولی دارای معایب ذاتی هستند. تولید برق فتوولتائیک تحت تأثیر چرخه‌های روزانه و شرایط آب و هوایی قرار دارد، در حالی که تولید برق بادی به منابع باد ناپایدار متکی است که منجر به نوسانات قابل توجه در خروجی برق می‌شود. برای اطمینان از تأمین پیوسته برق، نیاز به بانک‌های باتری با ظرفیت بالا برای ذخیره‌سازی و تعادل انرژی است. با این حال، باتری‌ها که تحت شرایط عملکردی سخت می‌گذرانند، در طول دوره‌های طولانی در حالت کم‌شارژ باقی می‌مانند که منجر به عمر عملی کوتاه‌تر از مقدار نظری می‌شود. بحرانی‌تر از این، هزینه بالای باتری‌ها باعث می‌شود که هزینه کلی چرخه عمر آنها ممکن است به هزینه ماژول‌های PV یا توربین‌های بادی نزدیک یا حتی بیشتر شود. بنابراین، تمدید عمر باتری و کاهش هزینه‌های سیستم به چالش‌های اصلی در بهینه‌سازی سیستم‌های مستقل تبدیل شده‌اند.

۱.۲ مزایای قابل توجه تولید هیبریدی باد-خورشیدی

فناوری تولید برق هیبریدی باد-خورشیدی با ترکیب آلی PV و بادی، دو منبع انرژی تجدیدپذیر، به طور مؤثر مشکلات ناپیوستگی منابع انرژی تک‌منبع را غلبه می‌کند. انرژی باد و خورشیدی در زمان (روز/شب، فصول) تکمیل طبیعی دارند: نور خورشید قوی در روز غالباً با بادهای قوی‌تر در شب همزمان است؛ تابش خورشید خوب در تابستان ممکن است با منابع بادی فراوان در زمستان همزمان باشد. این تکمیل امکان می‌دهد:

• تمدید قابل توجه زمان شارژ موثر باتری‌ها، کاهش زمانی که آنها در حالت کم‌شارژ می‌مانند، بنابراین عمر عملی باتری‌ها به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.

• کاهش ظرفیت لازم باتری. احتمال عدم دسترسی همزمان باد و خورشید کم است، بنابراین سیستم می‌تواند بار را به طور مستقیم تغذیه کند، که اجازه می‌دهد از بانک باتری با ظرفیت کمتر استفاده شود.

• تحقیقات داخلی و خارجی تأیید می‌کنند که سیستم‌های هیبریدی باد-خورشیدی در موثقیت تأمین برق و اقتصادی چرخه عمر از سیستم‌های تولید برق یک منبعه پیشی گرفته‌اند.

۱.۳ معایب روش‌های طراحی موجود و راه‌حل پیشنهادی

طراحی سیستم فعلی با چالش‌هایی مواجه است. نرم‌افزارهای شبیه‌سازی حرفه‌ای خارجی گران هستند و مدل‌های اصلی آنها معمولاً محرمانه هستند که مانع انتشار گسترده آنها می‌شود. در عین حال، بیشتر روش‌های طراحی ساده‌شده ناکافی هستند - یا آنها به طور بیش از حد به میانگین‌های هواشناسی تکیه می‌کنند بدون توجه به جزئیات، یا از مدل‌های خطی ساده‌شده استفاده می‌کنند که منجر به دقت محدود و کاربرد ضعیف می‌شود.

این راه‌حل هدف دارد یک مجموعه از روش‌های طراحی کامپیوتری دقیق و عملی را برای حل مسائل فوق پیشنهاد کند.

II. ترکیب سیستم و مدل‌های فنی اصلی

۲.۱ معماری سیستم

سیستم تولید برق هیبریدی باد-خورشیدی که در این راه‌حل طراحی شده‌است یک سیستم کاملاً مستقل از شبکه است، بدون منابع برق پشتیبان مانند ژنراتورهای دیزل. اجزای اصلی شامل:

• واحد تولید برق: ژنراتورهای توربین بادی، آرایه PV.

• واحد ذخیره‌سازی و مدیریت انرژی: بانک باتری، کنترل‌کننده شارژ (برای مدیریت شارژ و دیشارژ).

• واحد محافظت و تبدیل: بار تغییرمسیر (جلوگیری از بیش‌شارژ باتری، محافظت از مبدل)، مبدل (تبدیل DC به AC برای برآورده کردن نیازهای بیشتر بار).

• واحد مصرف برق: بار.

۲.۲ مدل‌های دقیق محاسبه تولید برق

برای دستیابی به طراحی بهینه، مدل‌های دقیق محاسبه تولید برق ساعتی برقرار کرده‌ایم.

• مدل آرایه PV:

1. انتقال تابش خورشید: از یک مدل پخش نامتقارن پیشرفته برای انتقال دقیق داده‌های تابش خورشید افقی اندازه‌گیری شده توسط ایستگاه‌های هواشناسی به تابش روی سطح مایل ماژول‌های PV استفاده می‌کند، با در نظر گرفتن تابش مستقیم، پخشی آسمانی و بازتاب زمینی.

2. شبیه‌سازی مشخصات ماژول: از یک مدل فیزیکی دقیق برای مشخص کردن ویژگی‌های غیرخطی خروجی ماژول‌های PV استفاده می‌کند، با در نظر گرفتن تأثیر تابش و دمای محیط بر ولتاژ و جریان خروجی ماژول، که دقت محاسبات تولید برق را تضمین می‌کند.

• مدل توربین بادی:

1. اصلاح سرعت باد: سرعت باد مرجع از داده‌های هواشناسی را به سرعت باد واقعی مرکز توربین بر اساس قانون نمایی تغییر سرعت باد با ارتفاع اصلاح می‌کند.

2. برازش منحنی توان: از یک تابع قطعه‌ای (معادلات دوجمله‌ای مختلف برای بازه‌های سرعت باد مختلف) برای برازش با دقت بالا منحنی توان واقعی توربین استفاده می‌کند، که امکان محاسبه دقیق انرژی ساعتی بر اساس داده‌های سرعت باد را فراهم می‌کند.

۲.۳ مدل ویژگی‌های پویای باتری

باتری عنصر اصلی ذخیره‌سازی انرژی است که حالت‌های پویایی دارد. مدل اصلی بر:

• محاسبه وضعیت شارژ (SOC): فرآیندهای شارژ و دیشارژ باتری را بر اساس رابطه بین تولید برق و مصرف بار در هر گام زمانی به طور پویا شبیه‌سازی می‌کند، ظرفیت باقی‌مانده را به طور دقیق محاسبه می‌کند، در حالی که عوامل عملی مانند نرخ خود-دیشارژ، کارایی شارژ و کارایی مبدل را در نظر می‌گیرد.

• مدیریت شارژ-دیشارژ: برای تمدید عمر باتری، یک محدوده عملیاتی SOC منطقی تعریف می‌شود (مثلاً محدود کردن حداکثر عمق دیشارژ به ۵۰٪)، و یک مدل که ولتاژ شارژ شناور را با SOC و دمای محیط مرتبط می‌کند برای تعیین دقیق شرایط شارژ ایجاد می‌شود.

III. روش بهینه‌سازی و اندازه‌گیری سیستم

۳.۱ شاخص‌های موثقیت تأمین برق

طراحی اولویت می‌دهد به برآورده کردن نیازهای مشخص شده موثقیت تأمین برق کاربر. شاخص‌های کلیدی شامل:

• احتمال از دست دادن تأمین برق (LPSP): نسبت زمان خرابی سیستم به زمان کل ارزیابی، که به طور مستقیم پیوستگی تأمین را نشان می‌دهد.

• احتمال از دست دادن بار (LLP): نسبت نیاز برق بار که توسط سیستم برآورده نمی‌شود به کل تقاضا. این مهم‌ترین شاخص اصلی برای طراحی بهینه سیستم است.

۳.۲ فرآیند طراحی بهینه‌سازی مرحله‌ای

این راه‌حل از یک فرآیند بهینه‌سازی سیستماتیک استفاده می‌کند، با هدف کمینه کردن هزینه سرمایه‌گذاری اولیه تجهیزات برای یافتن بهترین ترکیب.

1. مرحله ۱: بهینه‌سازی ترکیب PV و باتری برای ظرفیت ثابت توربین بادی

• وظیفه اصلی: در شرایطی که مدل و تعداد توربین بادی ثابت است، ترکیب ظرفیت ماژول‌های PV و باتری را پیدا کنید که شاخص قابلیت اطمینان مشخص شده (LPSP) را برآورده کند و هزینه کل تجهیزات را کمینه کند.

• روش اجرا: از طریق محاسبات شبیه‌سازی، منحنی "تعادل" را که تمام ترکیبات PV و باتری که شرایط قابلیت اطمینان را برآورده می‌کنند را نشان می‌دهد رسم کنید. سپس با استفاده از روش خط مماس هزینه یا انتخاب برنامه کامپیوتری بر اساس قیمت واحد تجهیزات، ترکیب منحصر به فرد با کمترین هزینه را تعیین کنید.

2. مرحله ۲: بهینه‌سازی کلی با تغییر ظرفیت توربین بادی

• وظیفه اصلی: ظرفیت یا تعداد توربین بادی را تغییر دهید، فرآیند بهینه‌سازی مرحله ۱ را تکرار کنید و یک سری از ترکیبات بهینه و هزینه‌های متناظرشان برای ظرفیت‌های مختلف توربین بادی بدست آورید.

• تصمیم نهایی: هزینه‌های کلی همه راه‌حل‌های نامزد را مقایسه کنید و ترکیب باد-PV-باتری با کمترین هزینه کلی را به عنوان ترکیب سیستم بهینه نهایی انتخاب کنید.

۳.۳ شبیه‌سازی عملکرد سیستم و خروجی

پس از تعیین ترکیب بهینه، عملکرد سالانه سیستم را می‌توان ساعت به ساعت شبیه‌سازی کرد و گزارش‌های دقیق شامل:

• بعد زمانی: وضعیت شارژ باتری ساعتی، تعادل انرژی سیستم.

• بعد آماری: انرژی بار نامشخص روزانه/ماهانه/سالانه، شاخص‌های قابلیت اطمینان (LPSP, LLP)، سهم تولید برق بادی و خورشیدی، وضعیت اضافه و کمبود انرژی و غیره.

IV. نتیجه‌گیری

روش طراحی بهینه‌سازی سیستم‌های تولید برق هیبریدی باد-خورشیدی که در این راه‌حل پیشنهاد شده‌است، بر اساس مدل‌های ریاضی جامع و داده‌های هواشناسی دقیق محلی، می‌تواند به طور منحصر به فرد ترکیب سیستم را با کمترین هزینه سرمایه‌گذاری اولیه تجهیزات تعیین کند در حالی که نیازهای برق خاص کاربر و نیازهای قابلیت اطمینان تأمین برق را برآورده می‌کند. این روش به طور مؤثر مشکلات سیستم‌های تولید برق یک منبعه را حل می‌کند، محدودیت‌های روش‌های طراحی موجود را غلبه می‌کند و ابزار قدرتمندی برای طراحی علمی، کارآمد و اقتصادی سیستم‌های تولید برق هیبریدی باد-خورشیدی ارائه می‌دهد که ارزش قابل توجهی برای کاربردهای مهندسی دارد.