اندازه‌گیری و ارزیابی بهینه سیستم انرژی‌های تجدیدپذیر هیبریدی متصل به شبکه برای برق‌رسانی سایت روستایی

در سال‌های اخیر، مسائل مربوط به تغییرات آب و هوایی و افزایش تقاضای انرژی به دغدغه‌های اصلی برای کل جهان تبدیل شده است. گازهای گلخانه ای مانند دی اکسید کربن، متان، گازهای فلوئوردار، اکسید نیتروژن، مونوکسید کربن و غیره روز به روز در حال افزایش هستند. هند سومین تولید کننده گازهای گلخانه ای است و منبع اصلی آن سوخت های فسیلی است [1]. علاوه بر این، توسعه اجتماعی و اقتصادی هر کشور به طور مستقیم با تقاضای انرژی و مصرف سرانه آن در ارتباط است [2]. امروزه فراهم کردن دسترسی به برق برای همه در همه زمان ها حیاتی است [3]. انتقال سریع به انرژی پاک ضروری است تا بتوان به طور موثر به این مسائل پرداخت.

منابع تجدیدپذیر بهترین جایگزین برای مقابله با مسائل و چالش های مورد بحث است [4]. منابع تجدیدپذیر سازگار با محیط زیست، نامحدود، پایان ناپذیر و پایدار هستند [5]. این منابع پتانسیل بالایی برای جایگزینی منابع انرژی معمولی دارند. در حال حاضر تمام جهان مشتاق استفاده از این منابع به بهترین شکل ممکن برای تولید برق هستند. با این حال، برق رسانی به مناطق دورافتاده و روستایی هنوز یک چالش بزرگ است. عدم برق رسانی باعث رکود رشد مردم ساکن در این مناطق شده است.

در کشور در حال توسعه ای مانند هند، حدود 70 درصد از کل جمعیت در مناطق روستایی ساکن هستند [6]. بیشتر سایت‌های روستایی برق‌نگرفته یا دورافتاده هستند یا از نظر جغرافیایی غیرقابل دسترس هستند[7]. اتصال این سایت ها با شبکه مرکزی امری دشوار و همچنین پرهزینه است. همچنین، برق شبکه برای ساعات محدود در دسترس است. طبق گزارش دولت، امروزه هر روستا به برق دسترسی دارد [8]. یک روستا در بسیاری از مواقع «برق» شده است به معنای برق‌رسانی با حداقل 10 درصد پوشش تعداد کل خانوارهای حاضر است. [9]. حتی اگر منبع تغذیه برای خانوارها در دسترس باشد، قابلیت اطمینان منبع تغذیه می تواند مشکل ساز باشد [10]–[12].

برای دستیابی به هدف منبع تغذیه قابل اعتماد، منابع تجدیدپذیر می توانند نقش حیاتی ایفا کنند. بیشتر مناطق روستایی سرشار از منابع تجدیدپذیر هستند که شامل زیست توده، آبی، باد، تابش خورشیدی است.[13]–[15]. استفاده از این منابع همچنین با فروش تولید برق مازاد به شبکه، سود اقتصادی بیشتری را به همراه خواهد داشت. بیوگاز موجود را می توان برای پخت و پز و گرمایش به همراه تولید برق استفاده کرد. مقرون به صرفه بودن و قابلیت اطمینان نگرانی های کلیدی در توسعه مدل های ریاضی سیستم های مبتنی بر انرژی های تجدید پذیر است.

در یک سیستم هیبریدی، از یک یا چند منبع انرژی برای تبدیل آنها به برق استفاده می شود [10]. چنین سیستمی از منابع تجدیدپذیر با سوخت های فسیلی برای تولید برق استفاده می کند. این سیستم ها ممکن است به شبکه برق متصل باشند یا نباشند. هدف اصلی یک سیستم هیبریدی کاهش مصرف سوخت های فسیلی است [11]. هدف اصلی از این نوع مدل ها ارائه حداکثر مزیت به کاربران نهایی با قیمت مقرون به صرفه است.

برای برق رسانی روستایی، دو نوع اتصال می تواند وجود داشته باشد، یعنی مستقل و متصل به شبکه. سیستم انرژی تجدیدپذیر مستقل یا خارج از شبکه، سیستمی است که به طور مستقل عمل می کند و هیچ ارتباطی با شبکه برق ندارد. [16]، [17]. در حالی که سیستم متصل به شبکه یا سیستم On-شبکه از منابع انرژی تجدیدپذیر برای تولید برق تشکیل شده است و اتصال با شبکه تداوم جریان برق را در زمان کمبود یا تولید بیش از حد برق تضمین می کند. [18]. مناطقی که دارای اتصال برق ضعیف، قطع شده و غیرقابل اطمینان هستند، سیستم تجدیدپذیر متصل به شبکه می توانند به عنوان گزینه خوبی عمل کنند.

Ramseeebaluck و Chowdhury [19] یک مدل ترکیبی برای مکان‌های روستایی جنوب صحرای آفریقا (Neeru و Boipuso) با استفاده از HOMER ارائه کرد. شش پیکربندی منابع انرژی محلی در دسترس برای هر سایت برای تجزیه و تحلیل در نظر گرفته شده است. این پیکربندی ها شامل PV خورشیدی، توربین بادی، باتری برای ذخیره سازی و دیزل ژنراتور برای پشتیبان گیری است. پاتل و سینگال [20] یک رویکرد بسیار رایج را برای یک سیستم مستقل بر اساس پارامترهای قابلیت اطمینان مالی و توان تطبیق داده است. برای انتخاب مؤلفه بهینه، از الگوریتم گرادیان نزول (GDA) با رگرسیون خطی چند متغیره (MVLR) و برای مبادله بین پارامتر مالی و قابلیت اطمینان، از فرآیند تحلیل سلسله مراتبی (AHP) استفاده شد.

کاستلانوس و همکاران [21] الگویی برای مناطق روستایی بنگال غربی ایجاد کرد. آنها از دست دادن احتمال بار (LOLP)، هزینه انرژی (COE) و ارزش فعلی خالص (NPV) را در طول تجزیه و تحلیل در نظر گرفتند. نتایج نشان داد که سیستم طراحی شده نسبت به تغییرات مقدار LOLP بسیار حساس است. لوال و تفوا [[22] یک سیستم هیبریدی مبتنی بر انرژی آبی برای منطقه روستایی پیشنهاد و بهینه سازی آن با استفاده از HOMER انجام شد. در اینجا، سیستم آبی پیکو با یک سیستم فتوولتائیک خورشیدی برای تامین منبع ترکیب شد.

توممالا و همکاران [23] روی مسئله تغییر فرکانس کار کرد که می تواند به طور موثر با استفاده از کنترل کننده حالت لغزشی جدید در مقایسه با کنترل کننده های سنتی کنترل شود. این کنترلر برای سه سایت شبکه قدرت چند درایو در شرایط عملیاتی مختلف در متلب اعمال شده است. اکرم و همکاران [24] مدلی را معرفی کرد که امکان پذیرتر بود زیرا شامل نرخ قطع منابع متناوب و ضریب استفاده از باتری نیز بود. این روش به طور مستقیم راه‌حل‌های اندازه‌گیری بیش از حد و کم‌اندازه را رد می‌کند زیرا همه راه‌حل‌های امکان‌پذیر را در نظر می‌گیرد. Uwineza و همکاران.[25] یک مدل احتمالی را توسعه داد که شامل متناوب بودن و ابهام یک سیستم انرژی تجدیدپذیر بود. برای تحلیل اقتصادی سیستم از مدل تحلیلی مونتو کارلو و با استفاده از HOMER ترکیب امکان پذیر به دست آمد.

نووولا و همکاران [26] یک ارزیابی دقیق از سیستم انرژی یکپارچه با ذخیره باتری در مقیاس بزرگ برای بهبود پایداری یک شهر هوشمند انجام داد. بهینه‌سازی ازدحام ذرات درجه دوم با جهش (QPSO) برای اندازه‌گیری بهینه ترکیب پیشنهادی منابع برای به حداقل رساندن هزینه انرژی، از دست دادن منبع تغذیه و NPV استفاده شد. کومار و همکاران [27] یک چارچوب قطعی و احتمالی برای طراحی سیستم هیبریدی مبتنی بر باتری خورشیدی زیست توده ایجاد کرد. آنها هزینه انرژی را با استفاده از بهینه سازی کلاس Aggrandized Topper Optimization (ACTO)، بهینه سازی ازدحام ذرات (PSO) و الگوریتم JAYA به حداقل رساندند. کومار و همکاران[28] یک مدل دو سطحی برای تجزیه و تحلیل فنی-اقتصادی سیستم انرژی یکپارچه ارائه شده است. آنها تغییرات فصلی و آب و هوایی تابش خورشیدی را با استفاده از طبقه بندی بردار پشتیبان آموزش دادند. آنها هزینه سیستم را با استفاده از بهینه سازی کلاس evolve به حداقل رساندند.

صمدیه و همکاران[29] ارزیابی تجربی و مدیریت شبکه ریز مبتنی بر خورشیدی متشکل از سیستم ذخیره انرژی دوگانه را انجام داد. آنها از MATLAB/Simulink و پلتفرم OPAL-RT برای اعتبارسنجی بلادرنگ نتایج به دست آمده استفاده کردند. صمدیه و همکاران[30] از روش احتمالی برای تحلیل کمیت عدم قطعیت در پارامترهای الکتریکی مختلف یک سلول خورشیدی استفاده کرد. آنها بررسی کردند که جریان اشباع معکوس حساس ترین پارامتر است که حدود 90/68 درصد به واریانس پاسخ مدل سیستم کمک می کند. صمدیا و نامراتا[31] پاسخ قطعی را با استفاده از توزیع احتمال پارامترهای الکتریکی مختلف سلول خورشیدی به دست آورد. آنها همچنین مدل تصادفی را با استفاده از بسط آشوب چند جمله ای توسعه دادند.

بر اساس بررسی های انجام شده، مشاهده می شود که اکثر مطالعات، سیستم های مستقل را برای مکان های ایزوله در نظر گرفته اند. مطالعات بسیار کمی وجود دارد که شامل سیستم های انرژی تجدیدپذیر متصل به شبکه برای تامین برق مناطق روستایی باشد[32]–[34]. کار حاضر بر انتخاب سیستم انرژی تجدیدپذیر متصل به شبکه با اندازه بهینه با ذخیره باتری با استفاده از MATLAB تأکید دارد. دلیل انتخاب بانک باتری با شبکه به دلیل در دسترس نبودن منبع تغذیه شبکه پیوسته در چنین سایت هایی است. هدف دستیابی به یک مدل قابل اعتماد و مقرون به صرفه است.

کار با انتخاب سایت آغاز می شود. سایت انتخاب شده با قابلیت اتصال به شبکه، ماهیت روستایی در نظر گرفته شده است. از اینجا، داده های آب و هوا، زیست توده موجود، و اطلاعات جمعیت شناختی از محل جمع آوری می شود و بر این اساس، منبع به همراه انتخاب سیستم های تولید برق برآورد می شود. به طور مشابه، داده های جمعیتی موجود منبعی برای توسعه داده های توزیع بار می شود. در نهایت، اندازه سیستم ذخیره سازی و سیستم های فتوولتائیک خورشیدی برای به دست آوردن بهترین پیکربندی بهینه نهایی بهینه شده است. مراحل مربوط به توسعه مدل در شکل 1 نشان داده شده است.