سوخت، بخار، ژنراتور، دیگ، تکاملی، توربین

نیست.
در [2]،Papageorgiou از روش برنامهریزی غیرخطی در حل مسئله ED استفاده کرده است. تابع هزینه سوخت به صورت یک تابع درجه دوم مدل شده است. محدودیتهای نواحی ممنوعه که منجر به ناپیوستگی تابع هزینه سوخت میشود نیز در این مقاله در نظر گرفته شده است. برای فایق آمدن بر این محدودیت نویسنده از تکنیک تبدیل به نقاط صحیح و پیوسته استفاده کرده است.
در [1]،Adhinarayanan از الگوریتم تکرار لامبدا استفاده کرده است. برای حل مشکل نواحی ممنوعه از روش میانگین گیری در بازههای جداسازی استفاده نموده است.
دسته دوم: روشهای برنامهپذیر
روش برنامهپذیر پویا الگوریتم منظمی میباشد که تمامی حالات ممکن برای مسئله را از روی یک اسلوب معین ارزیابی میکند.
این روش از این حیث که نیازی به مشتقگیری ندارد مناسب میباشد ولی با افزایش تعداد واحدهای نیروگاهی، زمان و حافظه مورد نیاز برای حل مسئله به طور قابل توجهی افزایش مییابد. در [4] ED تابع هزینه سوخت با در نظر گرفتن قید شیر بخار به کمک روش برنامهپذیر پویا حل شده است.
دسته سوم: استفاده از الگوریتمهای تکاملی
الگوریتم تکاملی با ایجاد یک جمعیت اولیه که، هر عضو کاندیدایی از پاسخ مسئله میباشد، آغاز میگردد. با تغییر تصادفی اما هدفمند جمعیت اولیه، در هر تکرار، جمعیت جدیدی خلق میشود. مقدار تابع هدف به ازای هر عضو از جمعیت، معیار سنجش آن عضو میباشد. نهایتاً با اتخاذ یک روش انتخاب، پاسخها از متوسط به پایین، دور ریخته میشوند. مراحل مذکور با انتخاب پاسخهای بهتر در هر مرحله، تا زمانی که پاسخ بهتری در مسئله کشف نگردد، تکرار میشوند. از آنجایی که الگوریتمهای تکاملی برخلاف روشهای ریاضی به شرایط اولیه، پیوستگی توابع هدف و همچنین عملگرهایی همچون مشتق و انتگرال وابستگی ندارند، بیشتر مورد توجه قرار گرفتهاند. همچنین زمان و ابعاد حل مسئله تقریباً به صورت خطی با تعداد واحدها افزایش مییابد که با وجود کامپیوترهای امروزی، انتخابی صحیح برای حل مسائل عملی توزیع قتصادی بار به نظر میرسند.
برای مثال میتوان از الگوریتمهای اجتماع ذرات(PSO) [7-5]، الگوریتم مورچگان(ACO) [8]، الگوریتم تفاضل تکاملی(DE) [10و9]، روش تاگوچی[11]، الگوریتم جستجو ممنوعه(TS) [12] و الگوریتم ژنتیک(GA) [13] در حل مسائل ED عملی نامبرد.
اگرچه این الگوریتمهای تکاملی همیشه تضمین رسیدن به جوابهای بهینه کلی را نمیدهند اما در زمان معین و محدود، آنها اغلب با سرعت بیشتر به حلهای نزدیک و یا زیر نقطه بهینه کلی میرسند. اما این روشها از مشکلاتی از قبیل همگرایی سریع و یکنواختی جمعیت بعد از چند تکرار رنج میبرند. برای حل این مشکلات در سالهای اخیر از تکنیکهای مختلفی به منظور تغییر در ماهیت استاندارد این الگوریتمها استفاده میشود. یکی از این تکنیکها، ترکیب کردن این الگوریتمها با همدیگر و یا ترکیب با روشهای ریاضی میباشد.
برای مثال الگوریتم تکاملی ژنتیک با الگوریتم اجتماع ذرات و الگوریتم تفاضل تکاملی به منظور رسیدن به جوابهای بهینه کلی ترکیب شدهاند. هدف از این ترکیبها استفاده از پتانسیلهای هر دو الگوریتم در حل مسائل ED میباشد.
و نیزSomasundaram از ترکیب یک الگوریتم برنامهپذیر تکاملی با روش برنامهپذیر خطی در حل مسئله ED استفاده کرده است. الگوریتم EP در آغاز سرعت همگرایی بالایی دارد ولی بعد به شدت این سرعت کاهش مییابد. برای حل این مشکل جوابهای به دست آمده از EP بعد از چند تکرار به LP داده میشود.
و یا الگوریتم تفاضل تکاملی با روش برنامهپذیر پویا ترکیب شده است. الگوریتم DE، یک الگوریتم جستجوی تصادفی است و ساختار سادهای دارد اما این الگوریتم ممکن است خیلی سریع به نقاط محلی همگرا شود.
در [14] الگوریتم تفاضل تکاملی با مولد تکنیک برنامهپذیری درجه دو ترتیبی و رشتهای ترکیب شده تا پاسخهای مسئله توزیع اقتصادی بار را بهینه کند.
تکنیک رایج دیگر، استفاده از روشهای مختلفی جهت بهبود در عملکرد الگوریتمهای تکاملی میباشد.
در [15] یک الگوریتم ژنتیک به کمک روش به روزرسانی افزایشی برای حل مسئله توزیع اقتصادی بار با در نظر گرفتن کلیه قیود استفاده شده است. در [16] و [17] انواع مختلفی از الگوریتم ژنتیک بهبود یافته برای حل مسئله ED به کار برده شده است. در مرجع [11] یک الگوریتم جدید بهبود یافته، همراه با روش تاگوچی به کار رفته که این روش شامل کاربرد آرایه های متعامد برای تخمین گرادیان تابع هزینه میباشد.
به خاطر مفهوم ساده، پیادهسازی آسان، پارامترهای قابل تنظیم و همگرایی سریع، الگوریتم اجتماع ذرات (PSO) برای حل مسائل مختلف بهینهسازی مورد توجه زیادی قرار گرفته است. با این وجود عملکرد الگوریتم PSO استاندارد مشابه الگوریتمهای دیگر تکاملی نقاط ضعفی نیز دارد که میتوان از وابستگی شدید به پارامترهای آن و افتادن در نقطه بهینه محلی نامبرد. همچنین بعد از چند تکرار، الگوریتم دیگر قادر به یافتن نقطه بهینه کلی نمیباشد و دچار همگرایی دائمی در نقطه بهینه محلی میشود.
1-3 ساختار پایاننامه
با در نظر گرفتن موارد فوق، هدف اصلی این پایاننامه بررسی عملکرد روش بهینهسازی اجتماع ذرات (PSO) برای حل مسئله توزیع اقتصادی بار واحدهای حرارتی میباشد. این کار با منحنی محدب و ساده هزینه با ویژگیهای واحدهای حرارتی، با توجه به محدودیت توازن توان اکتیو، محدودیت ظرفیت تولید ژنراتور و محدودیتهای نرخ سطح شیبدار و نواحی ممنوعه انجام شده است. در این مورد سیستم 6 ژنراتوری در نظر گرفته شده است.
سپس به حداقلرساندن هزینه سوخت با توجه به تابع هزینه نامحدب با اثر شیر بخار و محدودیت توازن توان اکتیو، محدودیت ظرفیت تولید ژنراتور و محدودیتهای نرخ سطح شیبدار و نواحی ممنوعه انجام شده است. در این مورد نیز سیستم 6 ژنراتوری در نظر گرفته شده است. سپس نتایج به دست آمده از حالات مختلف با هم مقایسه شدهاند و در آخر مقایسه بین نتایج الگوریتم پیشنهادی با الگوریتم ژنتیک انجام شده است.
فصل دوم
مسئله توزیع اقتصادی بار
2-1 معرفی توزیع اقتصادی بار
مشکل توزیع اقتصادی بار (ELD) یکی از مشکلات مهم بهینهسازی در سیستم قدرت است. هدف از تولید توان الکتریکی در مشکل توزیع اقتصادی بار (ELD) تنظیم برنامه خروجی واحدهای تولید متعهد است به طوری که برای تأمین تقاضای بار مورد نیاز با حداقل هزینه عملیاتی همه محدودیتهای واحد و برابری و نابرابری سیستم برآورده شود. مشکل ELD در مقیاس بزرگ کاملاًً غیرخطی باعث میشود که مشکل بهینهسازی محدود شود. بهبود در برنامهریزی واحدهای خروجی میتواند منجربه صرفهجویی قابلتوجهی در هزینهها شود. بنابراین، تلاشهای بسیاری در طول سالها برای حل مشکلات انجام شده است.
2-2 مشخصه واحد بخار (حرارتی)
توربین بخار
سیستم واحد حرارتی به طور کلی از دیگ بخار، توربین بخار و ژنراتور تشکیل شده است. شکل (2-1) نمونه یک واحد دیگ بخار- توربین- ژنراتور را نشان میدهد. ورودی به سوخت دیگ بخار است و خروجی حجم بخار است.
T
ورودی سوخت دیگ بخار
توان خالص
توان ناخالص
شبکه برق محلی نیروگاه
A/P
G
B
ژنراتور

شکل (2-1): دیگ بخار- توربین – ژنراتور واحد
خروجی الکتریکی از این مجموعه نه تنها به سیستم توان الکتریکی، بلکه به سیستم قدرت محلی در نیروگاه متصل شده است.
برای واحد حرارتی، ما مشخصه وروری- خروجی واحد تولید را تابع مصرف سوخت یا تابع هزینه عملیاتی در نظر میگیریم. واحد تابع مصرف سوخت ژنراتور Btu می باشد. نرخ حرارت ورودی به واحد (Rs/h یا $/h یا MBtu/h) میباشد. خروجی واحد تولید با Pg مگاوات خالص شبکه توان خروجی تعیین خواهد شد.
2-3 منحنی محدب هزینههای عملیاتی یک واحد حرارتی
مشخصه ورودی- خروجی کل سیستم واحد تولید را میتوان با ترکیب مستقیم مشخصه ورودی- خروجی از دیگ بخار و مشخصه ورودی- خروجی از واحد توربین ژنراتور به دست آورد. این یک منحنی محدب و هموار است که در شکل (2-2) نشان داده شده است.
(Rs/h یا $/h یا MBtu/h) ورودی
PmaxPmin (MW) خروجی خالص
C

شکل (2-2): مشخصه ورودی- خروجی واحد تولید
این دادهها ممکن است از محاسبات طراحی و یا از نرخ حرارت به دست آمده باشد. هنگامی که از دادههای آزمون میزان حرارت استفاده میشود، آنها معمولاً از نقاط داده شده در یک منحنی محدب قرار نمیگیرند. در واحد تولید توربین بخار چندین عامل مهم محدودیت وجود دارند. حداقل توان خروجی با شرایط فنی و یا عوامل دیگر از دیگ بخار یا توربین تعیین میشود. به طور کلی، حداقل باری که در آن یک واحد میتواند تحت تاثیر بیشتری با ژنراتور و چرخه احیاکننده توسط توربین عمل کند. تنها پارامترهای مهم برای پوسته توربین و روتور اختلاف درجه حرارت اگزوز هود و روتور هستند. حداقل محدودیت بار از دیگ بخار معمولاً توسط ثبات احتراق سوخت ایجاد میشود، و مقدارها، که با انواع مختلف دیگ بخار و سوخت متفاوت خواهد شد، حدود 70-25 درصد از ظرفیت طراحی است. حداقل محدودیت بار از واحد توربین ژنراتور توسط محدودیتهای ذاتی ناشی از طراحی مولد بخار است. حداکثر توان خروجی واحد تولید توسط ظرفیت طراحی و یا نرخ ظرفیت دیگ بخار، توربین یا ژنراتور تعیین میشود.
به طور کلی، مشخصه ورودی- خروجی واحد تولید غیرخطی است. به طور گسترده برای مشخصه ورودی- خروجی یک واحد تولیدی از یک تابع درجه دوم استفاده میشود.
F=aPg2+bPg+c
a,b,c ضرایب هزینه مشخصه ورودی- خروجی هستند. ثابت c معادل مصرف سوخت از بهرهبرداری واحد تولیدی، بدون توان خروجی است، که در شکل(2-2) نشان داده شده است.
2-4 منحنی هزینه سوخت افزایشی
میتوان منحنی هزینه سوخت افزایشی (IFC) را از منحنیهای ورودی-خروجی واحد تولیدی به دست آورد. که از نسبت یک تغییر کوچک در ورودی(هزینه سوخت) به تغییر کوچک مربوطه در خروجی (Pg) تعریف میکنند.
IFC=∆F∆PPgmaxPgmin ∆Pg∆F(MW) خروجی Pg
(Rs/MWhr) هزینه سوخت

شکل (2-3): منحنی هزینه افزایشی
2-5 منحنی نرخ حرارت
منحنی مشخصه نرخ حرارت به دست آمده از طرح نرخ حرارت خالص Btu/MWhr یا MWhr/ kCalدر مقابل توان خروجی MW است که در شکل (2-4) نشان داده شده است.
(MWhr/ kCal) نرخ حرارت
شکل (2-4): منحنی نرخ حرارت
(MW) توان خروجی

موثرترین واحد حرارتی در حداقل نرخ حرارت است، که مربوط به یک تولید خاص Pg است. منحنی نشان میدهد که افزایش در نرخ حرارت در محدوده توانهای زیاد، کم میباشد.
راندمان حرارتی واحد تحت تاثیر عوامل زیر قرار دارد: وضعیت بخار، چرخه بخار، مراحل دوباره حرارت، فشار کندانسور، و غیره.
2-6 منحنی نامحدب هزینههای عملیاتی در واحد حرارتی
امروزه انواع گوناگون مشخصات واحدهای بخاری وجود دارد. مشخصه ورودی- خروجی تولیدکنندههای بزرگ بخار، همیشه به همواری نشان داده شده در شکل (2-2) نیست. این گونه واحدها تعدادی شیر بخار ورودی دارند که به ترتیب، جهت بالا بردن توان خروجی باز میشوند. در شکل (2-5) مشخصه ورودی- خروجی و نیز نرخ افزایشی حرارتی برای واحدی با چهار شیر ورودی نشان داده شده است. زمانی که بار واحد زیاد شود، ورودی به واحد زیاد شده و مابین نقاط گشایش هر یک از دو شیرها، نرخ افزایشی حرارتی کاهش پیدا می کند. با وجود این، هنگامی که شیری در ابتدا باز میشود به علت زیاد شدن سریع تلفات دریچه بخار، نرخ افزایشی حرارتی به صورت جهشی زیاد میشود که منجر به ناپیوستگی در مشخصه نرخ افزایشی حرارتی مطابق با شکل (2-5) خواهد شد. این نوع مشخصهها به صورت غیرمحدب هستند و نمیتوانند به راحتی در روشهای بهینهسازی که نیاز به مشخصههای محدب دارند مورد استفاده قرار گیرند.
(MBtu/h) ورودی
4
3
2
1
PminPmax (MW) توان خروجی

(Btu/kwhr) نرخ حرارت افزایشی
(MW) توان خروجی
4
3
2
1
دریچه 4
دریچه 3
دریچه 2
دریچه 1

شکل (2-5): ویژگیهای یک ژنراتور توربین بخار با ورودی چهار دریچه بخار
2-7 توزیع اقتصادی بار در نیروگاه برق
سادهترین حالت مشکل توزیع اقتصادی، وقتی است که از تلفات خطوط انتقال صرفنظر شود، یعنی در مدل پیکربندی سیستم امپدانس خط را در نظر نمیگیرند. در این مدل فرض میشود که سیستم تنها دارای یک باس بوده و تمام ژنراتورها و بارها به آن متصل است که در شکل (2-6) نشان داده شده است.
تقاضای کل
ورودی سوخت ng
ورودی سوخت 2
ورودی سوخت 1

شکل(2-6): تولید واحد متصل به یک باس مشترک
شکل این سیستم متشکل از ‘ng’ واحد تولید حرارتی متصل به یک باس بار است که وظیفه آن دریافت بار الکتریکی Pd است. ورودی در هر واحد، به عنوان Fi میزان هزینه واحد iام در شکل (2-6) نشان داده شده است. خروجی هر واحد، Pgi توان الکتریکی تولید شده توسط یک واحد خاص است. بنابراین تابع هدف به صورت زیر تعریف میشود :
(2-1) Ft=mini=1ng(Fi(Pgi))=mini=1ngaiPgi2+biPgi+ciکه ai,bi,ci ضرایب هزینه موثر واحد iام هستند، Pgi توان اکتیو خروجی واحد تولید iام است.
2-8 توزیع اقتصادی بار در سیستم قدرت
پیکربندی شبکه انتقال
باس بار
ورودی سوخت ng
ورودی سوخت 2
ورودی سوخت 1

شکل (2-7): تعداد ng واحدهای حرارتی جهت تغذیه بار از طریق شبکه انتقال
شکل (2-7) مدل کامل سیستم تولید توان حرارتی وصل شده به باس بار معادل از طریق یک شبکه انتقال را نشان میدهد. تابع هدف Ft همان است که در معادله (2-1) تعریف شده است.
(2-2) Ft=mini=1ng(Fi(Pgi))=mini=1ngaiPgi2+biPgi+ci2-9 محدودیت برابری و نابرابری
تابع هدف (2-2) برای به حداقلرساندن محدودیتهای زیر است.
1- محدودیت برابری
محدودیت توازن توان اکتیو
(2-3) i=1ngPgi-Pd-PL=0که در آن ng تعداد ژنراتورها و Pgi توان خروجی ژنراتور iام است و Pd تقاضا کل برای سیستم قدرت است. مجموع تلفات انتقال PL تابعی از توان خروجی ژنراتور واحد است که میتوان با استفاده از ضرایب B آن را به صورت زیر عنوان کرد :
(2-4) PL=i=1ngi=1ngPgiBijPgi+i=1ngB0iPgi+B00 معادله (2-3) نشان دهنده محدودیت تقاضا است و بدان معنی است که کل تولید سیستم، باید همه تقاضای سیستم و تلفات را تامین کند.
2- محدودیتهای نابرابری
محدودیت ظرفیت ژنراتور
برا

Author:

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *