پایان نامه تولیدات پراکنده نیروگاه های (DG)

مهندسی برق –  قدرت

چکیده:

تولید پراکنده گرایش جدیدی در تولید توان الکتریکی است این ایده به مصرف کننده های الکتریسیته که الکتریسیته مورد نیازشان را خودشان تولید می کنند این اجازه را می دهد که اضافه توان الکتریکی شان را به شبکه توان بفرستند بسیاری از کارخانجات  ادارات و خصوصا" بیمارستانها نیاز به منابعی با قابلیت اطمینان بالا برای تولید الکتریسیته و سیستمهای گرمایی هواساز و آبگرم دارند برای بالا بردن اطمینان منابع تغذیه و کاهش هزینه ها برخی ادارات و کارخانجات از تولید ترکیبی یا کارخانجات انرژی کلی استفاده می کنند که اغلب از مواد اضافی نظیر آشغال چوب یا گرمای اضافی حاصل از یک فرآیند صنعتی برای تولید الکتریسیته استفاده می کنند در برخی موارد الکتریسیته از یک سوخت تغذیه شده به صورت محلی مانند گاز طبیعی یا گازوئیل تولید می شود وسپس از گرمایی اضافی منبع انرژی گرمایی ژنراتور برای فراهم آوردن آب داغ و نیز گرمایش صنعتی استفاده می کنند هنگامی که یک فرآیند صنعتی نیازمند مقادیر زیادی گرمایی است که از منابع غیر الکتریکی نظیر سوختهای فسیلی تامین می شود استفاده از یک کارخانه تولید ترکیبی مقرون به صرفه است

تاکنون مسایل نظارتی وتکنولوژیکی بدین مفهوم بوده است که الکتریسیته تولید شده توسط مصرف کننده های خانگی را نمی توان به راحتی و بدون خطر با تغذیه توان ورودی همراه کرد شرکتهای الکتریکی بایستی توانایی جداسازی بخش های شبکه برق را داشته باشند وقتی یک خط از کار می افتد کارگران بایستی از قطع بودن برق قبل از کار روی آن مطمئن باشند آنها همچنین وقت زیادی را صرف می کنند تا کیفیت برق را در شبکه شان حفظ کنند تاسیسات پراکنده برق هم می تواند کنترل این موارد را مشکلتر می کند با ظهور تجهیزات الکترونیک قدرت با قابلیت اطمینان بالا نصب تجهیزات تولید ترکیبی حتی با اندازه های خانگی  اقتصادی و بی خطر شده است این تاسیسات می توانند آب داغ خانگی الکتریسیته و گرمایش خانگی را تولید کنند و انرژی اضافی را به شرکت برق بفروشند پیشرفت در الکترونیک موجب ساده شدن دسترسی به مسایل امنیتی و کیفی شرکتهای الکتریکی شده است

واژ ه های کلیدی :

تولید پراکنده ،پیل سوختی ، توربین بادی ،توربین گازی ، انرژی گرمایی، بیوماس ،میکروتوربین ،رله های جریان، سیستم کنترل

مقدمه

در سیستم‌های بهم پیوسته برق، با توجه به صرفه‌جویی‌های مقیاس[1]، تولید انرژی الکتریکی بصورت مرکزی و توسط نیروگاه‌های بزرگ صورت می‌گیرد. در سال‌های اولیه پیدایش سیستم‌های بهم پیوسته، معمولاً سیستم با رشد سالانه حدود 6 الی 7 درصدی در مصرف انرژی الکتریکی مواجه بود. در دهه 1970 مباحثی از قبیل بحران نفتی و مسائل زیست‌محیطی مشکلات جدیدی را برای صنعت برق مطرح نمودند، به‌گونه‌ای که در دهه 1980 این فاکتورها و تغییرات اقتصادی، منجر به کاهش رشد بار به حدود 6/1 الی 3 درصد در سال شدند. در همین زمان هزینه انتقال و توزیع انرژی الکتریکی نیز به طرز قابل توجهی افزایش یافت. لذا تولید مرکزی توسط نیروگاه‌های بزرگ، اغلب به دلیل کاهش رشد بار، افزایش هزینه انتقال و توزیع، حاد شدن مسائل زیست محیطی و تغییرات تکنولوژیکی و قانون‌گذاری‌های مختلف غیر عملی شدند.

در دهه‌های اخیر، تجدید ساختار صنعت برق و همچنین خصوصی‌سازی این صنعت، مطرح و در برخی کشورها اعمال گشته است. طی این مدت، به خاطر بالا بردن بازده بهره‌برداری و تشویق سرمایه‌گذاران، صنعت برق دستخوش تغییرات اساسی از لحاظ مدیریت و مالکیت گردیده است، به طوریکه برای ایجاد فضای رقابتی مناسب، بخش‌های مختلف آن از جمله تولید، انتقال و توزیع از هم مستقل گردیده‌اند. در محیط تجدید ساختار یافته صنعت برق، متقاعد نمودن بازیگران بازار به سرمایه‌گذاری در پروژه‌های چندین میلیارد دلاری تولید و انتقال توان آسان نیست.

 این تغییر و تحولات از یک طرف و همان‌طور که قبلاً نیز اشاره شد، عواملی همچون آلودگی محیط‌زیست، مشکلات احداث خطوط انتقال جدید و پیشرفت فناوری در زمینه اقتصادی نمودن ساخت واحدهای تولیدی در مقیاس کوچک در مقایسه با واحدهای تولیدی بزرگ از طرف دیگر، باعث افزایش استفاده از واحدهای تولیدی کوچک تحت عنوان "تولیدات پراکنده[2]" که به طور عمده به شبکه‌های توزیع متصل شده و نیازی به خطوط انتقال ندارند، گردیده است .

اکثر تکنولوژی‌های تولید پراکنده در جنبه های متعدد مانند عملکرد، اندازه و قابلیت گسترش، انعطاف پذیر هستند. ضمن اینکه استفاده از تولید پراکنده باعث یک عکس‌العمل قابل انعطاف به مقداردهی قیمت برق می گردد.

شبکه‌های توزیع معمولاً به صورت شعاعی طراحی می‌شوند که هیچ ژنراتوری در سمت بار وجود ندارد. بنابراین وجود ژنراتور در شبکه توزیع روی توان جاری شده و شرایط ولتاژ بار و تجهیزات شبکه الکتریکی تأثیر می گذارد و این می‌تواند روی پارامترهای عملکردی سیستم، تأثیر مثبت یا منفی داشته باشد .

انرژی الکتریکی تولیدی توسط تولیدات پراکنده در اکثر کشورهای پیشرفته، تحول عظیمی در سیستم‌های تولید و انتقال انرژی بوجود آورده که تمام نیازها و مزایای پایه تولید و انتقال در موارد فنی، آکادمیک و بازرگانی را برآورده می‌کند.

تولید پراکنده انرژی اصطلاح جدیدی نیست. از آغازین روزهایی که بشر برای رفع نیاز خود، به انواع مختلف انرژی نیاز داشت، تولید پراکنده شکل گرفته است، چرا که این انرژی عملاً در نزدیکی محل مصرف آن‌ تولید می‌شود. تولیدات پراکنده به صورت محلی مورد استفاده قرار می‌گیرند. با توجه به این‌که این تولیدات نزدیک به مراکز مصرف می‌باشند، نیازی به انتقال انرژی الکتریکی خروجی آن‌ها در مسافت‌های طولانی وجود ندارد. هرچه مصرف‌کننده به تولیدکننده نزدیک‌تر باشد، هزینه تأمین انرژی الکتریکی نیز کاهش خواهد یافت.

این مباحث و مسائل باعث شده است که تولید پراکنده به عنوان یک انتخاب مناسب جهت تولید و پاسخگویی به افزایش تقاضای مصرف مطرح گردد.

تحقیقات انجام شده توسط مراکز تحقیقاتی بیانگر استفاده بیش از 25 درصد انرژی الکتریکی تولیدی توسط تولیدات پراکنده تا سال 2010 می باشد. همچنین این رقم طبق تحقیقات NGF تا 30 درصد نیز پیش‌بینی شده است .

در آمریکا و اروپا تولید پراکنده به یک راه‌حل ممکن فنی و مالی، برای مصرف‌کنندگان و تولیدکنندگان تبدیل شده و اعتبار و اطمینان تهیه برق را بسیار بهبود بخشیده است. در اکثر کشورها، تولید پراکنده حدود 10 درصد ظرفیت نصب شده تولید را تشکیل می‌دهد، اما در کشورهایی نظیر هلند و دانمارک این روش بیش از 30 تا 40 درصد ظرفیت نصب شده را شامل می‌شود. در برخی کشورها نیز مانند استرالیا، پیش‌بینی می‌گردد تا سال 2010 حدود 78 درصد برق این کشور بر اساس انرژی تولیدی توسط این سیستم نوین باشد

فصل اول

معرفی سیستم‌های (تولید پراکنده (

1 تعریف تولید پراکنده

تعاریف مختلفی برای تولیدات پراکنده بکار رفته است، ولی تعریف جامع و بدون محدودیت آن، عبارت است از "منبع انرژی الکتریکی که مستقیماً به شبکه توزیع و یا سمت مصرف‌کننده وصل می‌گردد." مقادیر نامی این تولیدات متفاوت است، ولی معمولاً ظرفیت تولید آن‌ها از چند کیلووات تا حدود 10 مگاوات می باشد. این واحدها در پست‌ها و در فیدرهای توزیع، در نزدیکی بارها قرار می گیرند .

مولدهای تولید پراکنده، صرف‌نظر از نحوه تولید توان آن‌ها، نسبتاً کوچک بوده و ظرفیت آن‌ها معمولاً کوچکتر از  300 مگاوات می باشد و مستقیماً به شبکه توزیع وصل می شوند .

آیتیری[1]  تولید برق توسط وسایلی را که به اندازه کافی از نیروگاه‌های مرکزی کوچکتر بوده و قابل نصب در محل مصرف هستند را به عنوان تولید پراکنده معرفی کرده است. همچنین تعاریفی که کشورهای مختلف برای تولید پراکنده ارائه کرده‌اند، بر اساس مقالات آیتیری در جدول (1-1) بیان شده است.

IEA، واحدهای تولید پراکنده توان در محل مصرف یا در داخل شبکه توزیع که توان را به‌طور مستقیم به شبکه توزیع محلی تزریق می کنند را  تولید پراکنده[2] معرفی می‌کند.

لازم به ذکر است CIGRE، تعریف زیر را برای منابع تولید پراکنده ارائه داده است :

1- به صورت مرکزی برنامه‌ریزی نشده باشد. (برنامه ریزی متمرکز نشده باشد.)

2- به صورت مرکزی انتقال داده نشده باشد. (بهره‌برداری متمرکز نشده باشد.)

3- معمولاً به شبکه توزیع متصل شده باشد.

4- کوچکتر از 50 تا 100 مگاوات باشد.

اما این مسائل باعث نادیده گرفتن مزایای این نوع مولدها نمی‌شود. همان‌گونه که جدول (1-2) نشان می دهد، استفاده از این نوع مولدها در جهان در حال افزایش است.

اهداف استفاده از تولیدات پراکنده

اهداف استفاده از تولیدات پراکنده از دید شرکت توزیع و از دید مشترک متفاوت است.

در واقع اگر مالک تولید پراکنده شرکت توزیع باشد، اهداف مورد نظر می‌تواند آزادسازی ظرفیت شبکه توزیع، بهبود قابلیت اطمینان سیستم، تولید همزمان برق و حرارت، بهبود کیفیت توان و پروفیل ولتاژ و کاهش تلفات باشد.

اگر مالکیت تولید پراکنده در اختیار مشترک باشد، این اهداف می‌تواند فروش برق و شرکت در بازار انرژی، فروش برق به عنوان سرویس جانبی، بهبود قابلیت اطمینان خود و یا تشویق‌های دریافتی از شرکت توزیع و ... باشد.

متأسفانه چون مالکیت بیشتر تولیدات پراکنده در اختیار مشترکین می‌باشد، لذا شرکت‌های توزیع کنترل کمتری روی اندازه و محل نصب تولیدات پراکنده دارند. در نتیجه برای جلوگیری از تأثیرگذاری منفی تولیدات پراکنده  بر پارامترهای مختلف سیستم، باید یک استاندارد کلی و جامع برای کنترل، نصب و جایابی این تولیدات وجود داشته باشد .

بطور کلی هدف از استفاده از منابع تولید پراکنده در شبکه‌های توزیع، تأمین تمام یا قسمتی از توان مصرفی شبکه بصورت تمام وقت یا پاره وقت می‌باشد که در این میان هدف اصلی تولید توان اکتیو است .

 1-3 علل رویکرد به منابع تولید پراکنده

در ساختار قدیم صنعت برق در کشورهای پیشرفته و وضعیت موجود بسیاری از کشورها، وظایف تولید، انتقال و توزیع توان بر عهده شرکت‌های برق مجتمع [3]ود. افزایش میزان تقاضای توان در چند سال اخیر، در بسیاری از کشورها موجب شد که این شرکت‌ها نتوانند به صورت مؤثر، جوابگوی این میزان تقاضای زیاد باشند. در نتیجه خاموشی، قطع برق و معیوب شدن تجهیزات و ... در بسیاری از کشورها، به‌ویژه ایالات متحده صورت گرفت و به تبع آن قیمت‌ها در دوره‌های پیک به شدت بالا رفت. این در حالی بود که همراه با رشد اقتصادی کشورها که منجر به افزایش میزان انرژی مورد نیاز آن‌ها بود، مسأله کیفیت توان و قابلیت اطمینان آن نیز اهمیت پیدا نمود.

علاوه بر این، بحران نفت در سال 1973 موجب شد که بسیاری از کشورهایی که در صنعت خود به سوخت‌های فسیلی وابسته بودند، در پی یافتن جایگزینی مناسب برای این سوخت‌ها باشند. همچنین با افزایش آگاهی عمومی در مورد مسائل زیست محیطی، یافتن جایگزینی مناسب برای سوخت‌های فسیلی اهمیت بیشتری پیدا کرد. مطالعات انجام شده نشان می‌دهد که انرژی‌های تجدیدپذیر شامل انرژی خورشید، باد، آب، بیوماس، زمین‌گرمایی و ... که از نظر زیست محیطی تمیز بوده، می‌توانند جایگزین مناسبی برای سوخت‌های فسیلی باشند. بدین‌ترتیب عواملی مانند تجدید ساختار صنعت برق، نیاز به افزایش ظرفیت سیستم و پیشرفت تکنولوژی‌ها به‌طور همزمان، پایه و اساس معرفی تکنولوژی‌های تولید پراکنده می‌باشند .

عوامل محرک فراوانی باعث افزایش تمایل به کارگیری سیستم‌های تولید پراکنده شده است که به طور کلی این عوامل را می‌توان در پنج گروه به شرح زیر تقسیم‌بندی نمود :

1- پیشرفت‌های صنعتی چشمگیر در ساخت و بکارگیری تکنولوژی‌های مرتبط

2- محدودیت‌ها موجود در احداث خطوط انتقال نیرو

3- ورود بحث بازار برق و مسائل مرتبط با آن در سیستم قدرت

4- افزایش تقاضای مشترکین برای سرویس با قابلیت اطمینان بالا

5- حساسیت بالا در خصوص آلودگی‌های محیط زیست

1-4 علل رویکرد به منابع تولید پراکنده در ایران

ظرفیت نامی تولیدی واحدهای نیروگاهی غیر وابسته به وزارت نیرو در سال 1380، بالغ بر 6190 مگاوات برآورد شده است که 401 مگاوات از آن مربوط به صنایع بزرگ و مابقی به سایر مؤسسات و صنایع کوچک اختصاص دارد .

دلایل زیر کاربرد تولید پراکنده و تولید همزمان[4]  را در کشور ما برای مصارف معمولی و عمومی توجیه می‌کند:

1- کاربرد واحدهای کوچک توسط مصرف‌کنندگان، صنعت برق را عملاً بتدریج خصوصی می‌کند و این خصوصی‌سازی از اهداف دولت و وزارت نیرو می‌باشد و از سرمایه‌گذاری ملی در زمینه تولید می‌کاهد.

2- نصب تولید پراکنده در پایدار نگه داشتن ولتاژ، اصلاح قدرت راکتیو، تزریق قدرت اکتیو و حفظ فرکانس و نهایتاً بهبود کیفیت برق شبکه تأثیر مثبت دارد.

3- آزادسازی تجهیزات فراوانی که به دلیل مصرف پیک شبکه، الزاماً اضافه نصب شده و بعضاً چندین برابر مصرف اوقات عادی شبکه سرمایه‌گذاری شده است.

4- نصب تولید پراکنده در محل‌های مصرف، جابه‌جایی انرژی الکتریکی را در کل شبکه متناسب با قدرت نصب شده کاهش می‌دهد، در نتیجه تعویض هادی‌ها، کابل‌ها و سایر تجهیزات، خصوصاً در شبکه توزیع کاهش می‌یابد.

5- با توجه به نیاز بیست سال آینده کشور به بیش از 70 هزار مگاوات مصرف پیک و در نظر گرفتن ضریب ذخیره تولید، بر مبنای گزارش مقدماتی صنعت برق ایران در سال 1400 بیش از 90 هزار مگاوات قابل تولید در نیروگاه‌ها میزان سرمایه‌گذاری بالای 20 میلیارد دلار خواهد بود. هرچه بتوان این سرمایه‌گذاری را از طریق واحدهای تولید پراکنده  توسط مصرف‌کنندگان تأمین کرد، می‌توان از خروج ارز ناشی از فروش سرمایه‌های ملی ممانعت کرده و برای خیل عظیم جوانان جویای کار ایجاد اشتغال نمود .

1-5 مزایای استفاده از تولید پراکنده

بکارگیری تولیدات پراکنده در سیستم توزیع مزایای زیست محیطی، اقتصادی و فنی بسیار زیادی را به دنبال دارد. برای رسیدن به این مزایا تولیدات پراکنده باید دارای اندازه مناسب بوده و در مکان‌های مناسب نصب شوند .

بطور کلی استفاده از نیروگاه‌های با تولید پراکنده در شبکه قدرت مزایای زیر را به همراه دارد  :

1- کم کردن هزینه مربوط به تجهیزات قدرت

2- کاهش تلفات انتقال قدرت

3- سهولت امکان بازیافت گرما در این نیروگاه‌ها

4- زمان نصب و بهره‌برداری کوتاه این نیروگاه‌ها

5- تحقق خصوصی سازی واقعی با تبدیل سرمایه‌گذاران بزرگ به سرمایه‌گذاران کوچک

6- کاهش آلودگی‌های زیست محیطی و صوتی نیروگاه‌های بزرگ

7- کاهش تلفات با جایابی بهینه نیروگاه‌های تولید پراکنده در شبکه‌های توزیع

8- آزاد شدن ظرفیت سیستم‌های انتقال و توزیع اعم از خطوط و پست‌ها

9- استفاده بعضی از منابع تولید پراکنده از منابع تجدیدپذیر

10- امکان کاربرد مجزا یا متصل به شبکه

همچنین می‌توان مزایای اقتصادی تولید پراکنده را از دید مشترکین و از دید شرکت توزیع الکتریکی بررسی کرد:

1-5-1 مزایای اقتصادی تولید پراکنده از دید مشترکین

1- کاهش هزینه‌های خرید انرژی، بخصوص در مورد بارهای حرارتی (بخار، آب گرم و سیستم خنک کننده): در روش تولید همزمان برق و حرارت[5]  می‌توان بخار یا آب گرم مورد نیاز فرآیندهای مختلف را تأمین کرده و یا در مواردیکه نیاز به گرم‌سازی و یا خنک‌سازی محیط باشد از آن استفاده کرد.

2- کاهش نگرانی‌های ناشی از نوسانات نرخ انرژی: تولید پراکنده به مشترکین این امکان را می‌دهد که ریسک بیشتری در بازار انرژی داشته باشند، چونکه در حقیقت مشترکین با استفاده از تولید پراکنده خود را از این نوسانات رهایی داده‌اند.

3- افزایش قابلیت اطمینان: تولید پراکنده می‌تواند سبب کاهش خاموشی‌های ناشی از شبکه شود که این امر خود سبب کاهش زمان خاموشی و همچنین کاهش نگرانی‌های موجود در زمینه ایمنی می‌شود.

4- بهبود کیفیت توان: تولید پراکنده می‌تواند توان و انرژی با کیفیت بالا به مشترکین تحویل دهد و لذا این امر سبب کاهش و یا از بین رفتن نگرانی‌های موجود در زمینه نوسانات ولتاژ شبکه و هارمونیک‌هایی می‌شود که بر روی بارهای حساس مشترکین تأثیر می‌گذارد.

5- منبع جدید درآمد: تولید پراکنده این امکان را به مشترکین می‌دهد که بتوانند انرژی تولیدی خود را به فروش رسانده و یا حالت کمکی برای بازاریابی داشته باشد .

1-5-2 مزایای اقتصادی تولید پراکنده از دید شرکت توزیع الکتریکی

1- جلوگیری از افزایش ظرفیت شبکه: تولید پراکنده به عنوان یک منبع کمکی و اضافی به تأمین انرژی می‌پردازد و لذا می‌تواند تا حدودی شرکت توزیع را از ایجاد سیستم جدید تولید، انتقال و توزیع بازدارد.

2- کاهش تلفات الکتریکی در بخش انتقال و توزیع: با نصب تولید پراکنده، شبکه انتقال و توزیع به منظور حمل و ارائه انرژی به مشترکین کوچکتر شده و لذا تلفات نیز کاهش می‌یابد.

3- به تأخیر انداختن و به روزآوری شبکه‌های انتقال و توزیع: با استفاده از تولید پراکنده، شرکت‌های توزیع می‌توانند جوابگوی رشد بار بوده و لذا با تأخیر زمانی نسبت به بهبود ظرفیت اقدام کنند.

4- تأمین توان راکتیو: برخی تکنولوژی‌های تولید پراکنده مانند موتورهای رفت و برگشتی می‌توانند تولید توان راکتیو کنند. این امر سبب کمک به تقویت و پایداری ولتاژ شبکه می‌شود.

5- کاهش تراکم دیماند و انتقال انرژی: با نصب سیستم تولید توان در محل مصرف و یا نزدیک به آن، طول مؤثر شبکه انتقال و توزیع افزایش می‌یابد و ظرفیت شبکه برای جوابگویی به سایر مشترکین آزاد می‌شود.

6- پیک سائی: تولید پراکنده می‌تواند سبب کاهش دیماند مشترکین در ساعات اوج مصرف شود که این امر سبب کاهش هزینه‌ها خواهد شد.

7- کاهش حاشیه رزرو: با نصب تولید پراکنده میزان دیماند کلی شبکه پایین آمده و ظرفیت تولید بهبود می‌یابد و لذا نیاز به رزرو کمتری در شبکه است.

8- بهبود کیفیت توان: با نصب تولید پراکنده، اثرات منفی کیفیت توان از جمله ولتاژ و فرکانس نامطلوب در شبکه کاهش می‌یابد.

9- افزایش قابلیت توان: استفاده از تولید پراکنده می‌تواند سبب کاهش و یا حذف خاموشی در نقاط معینی از شبکه توزیع شود.

1-6 معایب استفاده از تولیدات پراکنده

علیرغم تمام مزایای تولید پراکنده باید توجه خاصی به اثرات منفی احتمالی آن روی شبکه توزیع داشته باشیم که شاید بیشترین این تأثیرات، مسائل مربوط به سطح ولتاژ و هماهنگی حفاظتی باشد.

همچنین موجب پیچیده شدن شبکه و در نتیجه توسعه سیستم حفاظت شبکه شده و نیز بهره‌برداری و کنترل شبکه را نیز مشکل می‌سازد .

 اتصال تولید پراکندهها به شبکه باعث ایجاد هارمونیک در شبکه و کاهش امپدانس اتصال کوتاه می‌شود. ضمناً اگر در هنگام خاموشی، تولید پراکنده متصل به شبکه به صورت جزیره‌ای کار کند می‌تواند برای تعمیرکاران شبکه خطرناک باشد .

1-7ساختار تولید پراکنده

تولید پراکنده برق  الگوی نوینی از تولید انرژی الکتریکی است که در آن، تولید انرژی الکتریکی تا حد امکان به محل مصرف آن نزدیک می گردد.

روند فعلی دنیا به سمت افزایش رشد تولید پراکنده برق در مقایسه با کاهش رشد نیروگاه های بزرگ می باشد، چنانچه 25 الی 30 درصد سرمایه گذاری های جدید نیروگاهی، در تولید پراکنده اتفاق افتاده است. با توجه به راندمان پایین و عمر بالای نیروگاه های بزرگ موجود، گرفتن سهم از تولید این نیروگاه ها قابل تصور خواهد بود. کما آنکه در برخی از کشورهای اروپایی، سهم تولید

پراکنده به بالاتر از 60 درصد رسیده است.