طراحی بهینه و مدیریت توان دو سطحی یک سیستم هیبرید انرژی مبتنی‌بر تولید همزمان برق و گرما
الموضوعات :
احمد روحانی
1
,
محمود جورابیان
2
,
سید سعیداله مرتضوی
3
1 - - گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران
2 - گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران
3 - گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران
الکلمات المفتاحية: انرژی تجدیدپذیر, تولید همزمان برق و گرما, سیستم هیبرید انرژی, مدیریت توان,
ملخص المقالة :
امروزه حضور گسترده منابع تولید تجدیدپذیر در کنار منابع تولید تجدید ناپذیر به همراه ذخیره سازهای انرژی بعنوان یک سیستم هیبرید انرژی بسیاری از مشکلات واحد تولید و ذخیره سازی انرژی را در سیستمهای قدرت حل نموده است. مدیریت بهینه توان جهت افزایش قابلیت اطمینان و تأمین پیوسته بار یکی از چالشهای اساسی این سیستمها میباشد. لذا با توجه به وجود سیستمهای اصلی و پشتیبان، استفاده از یک استراتژی مدیریت توان بهینه و متناسب با ساختار سیستم ضروری میباشد. در این مقاله علاوه بر طراحی و بهینه سازی ابعاد سیستم، یک استراتژی مدیریت توان متناسب با ساختار سیستم هیبرید انرژی پیشنهادی با اهداف مختلفی از جمله تأمین بار الکتریکی و حرارتی، بهینهسازی ابعاد سیستم، کاهش هزینههای ساخت، تولید و بهرهبرداری و افزایش ضریب نفوذ منابع تجدیدپذیر به منظور کاهش آلایندگیهای زیست محیطی ارائه شده است. بدین منظور مدل ریاضی اجزای سیستم و فرمولبندی توان الکتریکی و حرارتی انجام شده و تابع هزینه چند هدفه با قیود متعدد فنی و اقتصادی به کمک روش بهینهسازی هوشمند ازدحام ذرات کمینه شده است. کارایی استراتژی مدیریت انرژی طراحی شده با استفاده از اطلاعات آب و هوایی شهر شیراز مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته و عملکرد مناسب سیستم را در تأمین پیوسته بار الکتریکی و حرارتی در سناریوهای مختلف نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می‌شود مقدار هزینه‌ها برای سیستم حرارتی و پیل سوختی به ۱۲۰۰۰۰۰ دلار کاهش یافته است.
[1] A. L. Bukar and C. W. Tan, “A review on stand-alone photovoltaic-wind energy system with fuel cell: System optimization and energy management strategy,” 2019. doi: 10.1016/j.jclepro.2019.02.228.
[2] Y. Huang et al., “A review of power management strategies and component sizing methods for hybrid vehicles,” 2018. doi: 10.1016/j.rser.2018.07.020.
[3] C. Gamarra and J. M. Guerrero, “Computational optimization techniques applied to microgrids planning: A review,” 2015. doi: 10.1016/j.rser.2015.04.025.
[4] M. F. Zia, E. Elbouchikhi, and M. Benbouzid, “Microgrids energy management systems: A critical review on methods, solutions, and prospects,” 2018. doi: 10.1016/j.apenergy.2018.04.103.
[5] R. Xiong, H. Chen, C. Wang, and F. Sun, “Towards a smarter hybrid energy storage system based on battery and ultracapacitor - A critical review on topology and energy management,” J Clean Prod, vol. 202, 2018, doi: 10.1016/j.jclepro.2018.08.134.
[6] Z. Luo, Z. Wu, Z. Li, H. Y. Cai, B. J. Li, and W. Gu, “A two-stage optimization and control for CCHP microgrid energy management,” Appl Therm Eng, vol. 125, 2017, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2017.05.188.
[7] A. Omu, R. Choudhary, and A. Boies, “Distributed energy resource system optimisation using mixed integer linear programming,” Energy Policy, vol. 61, 2013, doi: 10.1016/j.enpol.2013.05.009.
[8] D. Yang, C. Jiang, G. Cai, D. Yang, and X. Liu, “Interval method based optimal planning of multi-energy microgrid with uncertain renewable generation and demand,” Appl Energy, vol. 277, 2020, doi: 10.1016/j.apenergy.2020.115491.
[9] Y. Xiang, J. Liu, and Y. Liu, “Robust Energy Management of Microgrid with Uncertain Renewable Generation and Load,” IEEE Trans Smart Grid, vol. 7, no. 2, 2016, doi: 10.1109/TSG.2014.2385801.
[10] L. Bai, F. Li, H. Cui, T. Jiang, H. Sun, and J. Zhu, “Interval optimization based operating strategy for gas-electricity integrated energy systems considering demand response and wind uncertainty,” Appl Energy, vol. 167, 2016, doi: 10.1016/j.apenergy.2015.10.119.
[11] P. H. Jiao, J. J. Chen, K. Peng, Y. L. Zhao, and K. F. Xin, “Multi-objective mean-semi-entropy model for optimal standalone micro-grid planning with uncertain renewable energy resources,” Energy, vol. 191, 2020, doi: 10.1016/j.energy.2019.116497.
[12] F. Nazari-Heris, B. Mohammadi-ivatloo, and D. Nazarpour, “Network constrained economic dispatch of renewable energy and CHP based microgrids,” International Journal of Electrical Power and Energy Systems, vol. 110, 2019, doi: 10.1016/j.ijepes.2019.02.037.
[13] Z. Li and Y. Xu, “Optimal coordinated energy dispatch of a multi-energy microgrid in grid-connected and islanded modes,” Appl Energy, vol. 210, 2018, doi: 10.1016/j.apenergy.2017.08.197.
[14] E. D. Mehleri, H. Sarimveis, N. C. Markatos, and L. G. Papageorgiou, “Optimal design and operation of distributed energy systems: Application to Greek residential sector,” Renew Energy, vol. 51, 2013, doi: 10.1016/j.renene.2012.09.009.
[15] D. Zhang, S. Evangelisti, P. Lettieri, and L. G. Papageorgiou, “Optimal design of CHP-based microgrids: Multiobjective optimisation and life cycle assessment,” Energy, vol. 85, 2015, doi: 10.1016/j.energy.2015.03.036.
[16] B. Kroposki, P. K. Sen, and K. Malmedal, “Optimum sizing and placement of distributed and renewable energy sources in electric power distribution systems,” IEEE Trans Ind Appl, vol. 49, no. 6, 2013, doi: 10.1109/TIA.2013.2262661.
[17] M. S. Alam and D. W. Gao, “Modeling and analysis of a wind/PV/fuel cell hybrid power system in HOMER,” in ICIEA 2007: 2007 Second IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, 2007. doi: 10.1109/ICIEA.2007.4318677.
[18] L. Wang and C. Singh, “PSO-based hybrid generating system design incorporating reliability evaluation and generation/load forecasting,” in 2007 IEEE Lausanne POWERTECH, Proceedings, 2007. doi: 10.1109/PCT.2007.4538519.
[19] A. Arezooye Araghi, A. Ahmarinejad, M. Alizadeh, and M. Babaei, “Optimizing Energy and Ancillary Services Markets in Transmission and Distribution Networks Through a Two-Stage Optimal Framework Considering Flexible Loads, Electric Vehicles, and Storage Systems,” Technovations of Electrical Engineering in Green Energy System, vol. 2, no. 4, pp. 38–64, 2024, doi: 10.30486/teeges.2023.1986699.1074.
[20] M. Abedini, R. Eskandari, J. Ebrahimi, M. H. Zeinali, and A. Alahyari, “Optimal Placement of Power Switches on Malayer Practical Feeder to Improve System Reliability Using Hybrid Particle Swarm Optimization with Sinusoidal and Cosine Acceleration Coefficients,” Computational Intelligence in Electrical Engineering, vol. 11, no. 2, pp. 73–86, 2020.
[21] J. Ebrahimi and M. Abasi, “Design of a Power Management Strategy in Smart Distribution Networks with Wind Turbines and EV Charging Stations to Reduce Loss, Improve Voltage Profile, and Increase Hosting Capacity of the Network,” Journal of Green Energy Research and Innovation, vol. 1, no. 1, pp. 1–15, Mar. 2024, doi: 10.61186/jgeri.1.1.1.
[22] S. Darvish Kermani, M. Fayazi, J. Barati, and M. Joorabian, “Percentage of Islanding and Peninsulating Detection in Large Microgrids with Renewable Energy Resources with Multiple Connection Points to Different Grids,” Journal of Green Energy Research and Innovation, vol. 1, no. 2, pp. 1–14, Jun. 2024, doi: 10.61186/jgeri.1.2.1.
[23] H. Makvandi, M. Abasi, M. Joorabian, S. Soltani, J. Ebrahimi, and Z. Sabzian Molaee, “Design of New Intelligent Islanding Detection Scheme in Multi-Machine Power Systems to Prevent Wide-Area Blackouts,” in 2022 12th Smart Grid Conference, SGC 2022, 2022. doi: 10.1109/SGC58052.2022.9998906.
[24] J. Ebrahimi, M. Abedini, and M. M. Rezaei, “Optimal scheduling of distributed generations in microgrids for reducing system peak load based on load shifting,” Sustainable Energy, Grids and Networks, vol. 23, 2020, doi: 10.1016/j.segan.2020.100368.
[25] J. Lagorse, M. G. Simões, A. Miraoui, and P. Costerg, “Energy cost analysis of a solar-hydrogen hybrid energy system for stand-alone applications,” Int J Hydrogen Energy, vol. 33, no. 12, 2008, doi: 10.1016/j.ijhydene.2008.03.054.
[26] J. Ebrahimi, M. Abedini, M. M. Rezaei, and M. Nasri, “Optimum design of a multi-form energy in the presence of electric vehicle charging station and renewable resources considering uncertainty,” Sustainable Energy, Grids and Networks, vol. 23, 2020, doi: 10.1016/j.segan.2020.100375.
[27] D. B. Nelson, M. H. Nehrir, and C. Wang, “Unit sizing and cost analysis of stand-alone hybrid wind/PV/fuel cell power generation systems,” Renew Energy, vol. 31, no. 10, 2006, doi: 10.1016/j.renene.2005.08.031.
[28] C. Wang and M. H. Nehrir, “Power management of a stand-alone wind/photovoltaic/fuel cell energy system,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 23, no. 3, 2008, doi: 10.1109/TEC.2007.914200.
[29] W. D. Kellogg, M. H. Nehrir, G. Venkataramanan, and V. Gerez, “Generation unit sizing and cost analysis for stand-alone wind, photovoltaic, and hybrid wind/PV systems,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 13, no. 1, 1998, doi: 10.1109/60.658206.
[30] S. Bensmail, D. Rekioua, and H. Azzi, “Study of hybrid photovoltaic/fuel cell system for stand-alone applications,” Int J Hydrogen Energy, vol. 40, no. 39, 2015, doi: 10.1016/j.ijhydene.2015.04.013.
[31] Nasa, “Surface meteorology and Solar Energy,” Solar Energy, 2011.
[32] F. Giraud and Z. M. Salameh, “Steady-state performance of a grid-connected rooftop hybrid wind - Photovoltaic power system with battery storage,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 16, no. 1, 2001, doi: 10.1109/60.911395.
