فهرست مطالب

کیفیت و بهره وری صنعت برق ایران - سال دوازدهم شماره 3 (پیاپی 32، پاییز 1402)

مجله کیفیت و بهره وری صنعت برق ایران
سال دوازدهم شماره 3 (پیاپی 32، پاییز 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/09/30
  • تعداد عناوین: 8
|
  • مصطفی کاظمی*، سید سپهر طباطبایی، نیکی مسلمی صفحات 1-14

    در این مقاله به ارایه یک مدل بهینه سازی دو سطحی جهت حمایت از نصب باتری توسط سرمایه گذاران خرد در سطح توزیع می پردازد. در این مدل با ارایه قیمت های حمایتی امکان افزایش سود دارندگان باتری ایجاد شده و یارانه غیر مستقیم از سمت سیاست گذار بالادستی به سرمایه گذاران خرد تخصیص داده می شود. در مدل دو سطحی ارایه شده سطح اول به سیاست گذار بالادستی پردخته و سعی می کند تا اهداف آن را برآورده کند. در این مقاله بهبود ضریب بار به عنوان هدف سیاست گذار بالا دستی در نظر گرفته شده است. سطح دوم به مدلسازی دیدگاه سرمایه گذار خرد پرداخته و سود آن را بیشینه می کند. مدل دوسطحی ارایه شده به کمک شرایط KKT به یک مدل تک سطحی تبدیل شده است تا قابل حل به کمک نرم افزارهای بهینه سازی تجاری باشد. با توجه به ابعاد مسیله بهینه سازی، مدل ارایه شده به وسیله روش M بزرگ و تیوری دوگان (SDT) خطی شده است. رفتار مشترکین خرد نیز به کمک یک روش بهینه سازی تکراری و با استفاده از Grid-search به صورت دینامیکی مدل شده است. در نهایت عملکرد مدل ارایه شده بر داده های واقعی شبکه یزد مورد تست قرار گرفته و نشان داده شد که مدل ارایه شده حساسیت زیادی به مدل رفتار مشترکین خرد دارد. مدل ارایه شده به صورت دینامیکی امکان بهبود تخمین رفتار مشترکین خرد را فراهم می سازد.

    کلیدواژگان: ذخیره ساز باتری، سیاست گذار بالا دستی، قیمت های حمایتی، کاهش پیک بار
  • مهدی تاج الدینی*، فاضله مرسل پور صفحات 15-24

    سیستم های روشنایی روز فیبر نوری به بهره وری در استفاده از انرژی خورشید در سیستم روشنایی در بخش های خانگی، صنعتی و کشاورزی کمک شایانی می کنند. کارهای زیادی روی این سیستم ها انجام شده است اما فقدان یک روش شبیه سازی مطمین برای کاهش خطای مجاز در ساخت، زمان و هزینه، به چشم می خورد. در همین راستا، در این مقاله،  یک روش نوین مبتنی بر دو نرم افزار قدرتمند Optifiber و Zemax، برای شبیه سازی و بهینه سازی یک سیستم روشنایی روز فیبر نوری با هدف افزایش بازده توان خروجی از فیبر ارایه شده است. مقایسه ای بین انواع مطرح فیبرهای پلیمری با نرم افزار OptiFiber انجام شده است که نشان دهنده انتشار حداکثری مد ها در  فیبر PMMA پلی استیرن است. مشخصه های دقیق مستخرج از Optifiber مربوط به فیبر منتخب با قطر 1 میلی متر در نرم  افزار Zemax پیاده سازی و یک سیستم روشنایی روز شبیه سازی شده است. تزویج نور به درون فیبر نوری با روش Global Optimization مبتنی بر الگوریتم ژنتیک بهینه شده است. با انتخاب یک منبع 100 وات برای خورشید مطابق استاندارد AM 1.5 شبیه سازی حاکی از انتقال 22 وات توان است. پس از بهینه سازی این توان به 30 وات افزایش می یابد که نشان از نقش بهینه سازی بر افزایش 36 درصدی بازده دارد. نتایج عملی با آزمایش روی یک سیستم با اندازه گیری شدت، نتایج شبیه سازی را تایید می کند. در نتیجه، با انتخاب فیبر مناسب و تعیین دقیق مشخصه ها، و بهینه سازی تزویج به درون فیبر می توان به افزایش بازده سیستم های روشنایی روز فیبر نوری کمک کرد.

    کلیدواژگان: فیبر های نوری، سیستم های روشنایی روز فیبر نوری، فیبر PMMA، الگوریتم ژنتیک، Optifiber، Zemax، تزویج نور
  • محسن نوروزی اذغندی، علی اصغر شجاعی*، سامان طوسی صفحات 25-32

    عواملی چون بهبود قابلیت اطمینان، افزایش ظرفیت تولید شبکه، کاهش تلفات پیک سایی و هزینه سوخت و ملاحظات اقتصادی و زیست محیطی از یکسو و پیشرفت های صورت گرفته در زمینه ی ادوات نیمه هادی از سوی دیگر باعث گسترش نفوذ روز افزون منابع تولید پراکنده در شبکه توزیع شده است. با حضور آرایه خورشیدی در سطح شبکه توزیع، سطح ولتاژ دچار تغییرات زیادی می شود به طوری که در برخی بازه های زمانی و همچنین برخی شرایط، از محدوده تغییرات مجاز تعیین شده نیز تخطی می نماید. بدین منظور لازم است که راهکارهایی برای غلبه بر این چالش اتخاذ گردد. در این مقاله استفاده از بازیاب دینامیکی ولتاژ برخط پیشنهاد شده است. ساختار کنترلی مورد استفاده از الگوریتم ژنتیک مبتنی بر آشوب بهره می برد. استفاده از نظریه آشوب، باعث بهبود همگرایی و افزایش سرعت آن می گردد. به منظور اجرای شبیه سازی ها، وضعیت سطح پروفیل ولتاژ برای بخشی از شبکه توزیع مسکونی شهر مقدس مشهد توسط نرم افزارDIgSILENT  مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور از داده های واقعی مصرف انرژی در بخش مسکونی با گام زمانی یک ساعته استفاده شده و شبیه سازی ها در قالب سه سناریو پیاده سازی شده است. سناریوی اول زمانی است که سلول خورشیدی در مدار وجود ندارد. حالت دوم زمانی است که سلول خورشیدی در مدار است. و حالت سوم زمانی است که هم سلول و هم بازیاب دینامیکی ولتاژ درخط به پایداری سیستم و بهبود کیفیت توان آن کمک می کنند. برطبق نتایج بدست آمده، با اعمال روش کنترلی مذکور نه تنها بیش از 7٪ از دامنه تغییرات ولتاژ کاسته می شود بلکه با کاهش سطح عدم تعادل ولتاژ، سطح بازدهی و قابلیت اعتماد شبکه نیز افزایش می یابد.

    کلیدواژگان: بازیاب دینامیکی ولتاژ، تولیدپراکنده، سیستم حفاظتی، کیفیت توان
  • محمدرضا سمسار، محمدحسن حسینی*، بابک مظفری، ابراهیم افجه ای صفحات 33-43

    با توجه به تولید و مصرف انرژی قابل توجه در نیروگاه های تلمبه ای-ذخیره ای با سرعت متغیر (VSPSP)، بهبود روش های درایو و کاهش تلفات درایو و در نتیجه افزایش بهره وری بسیار مهم است. این مقاله توپولوژی را برای درایورهای VSPSP با مبدل های منبع ولتاژ دو سطحی (2LVSC) با کانورتر های 1+6 پیشنهاد می کند. مدل های VSPSP هیدرولیک و الکتریکی ارایه شده است که در ادامه درایور VSPSP معرفی می شوند. به همین ترتیب، روش های سوییچینگ و کنترل درایو توضیح داده شده ودرایور با 2LVSC (6+1) معرفی شده است. در همین راستا، درایور VSPSP با کانورترها با آرایش 1+6 به عنوان یک توپولوژی جدید پیشنهاد می شوند  و در ادامه، مدل های تلفات حرارتی این درایور نیز معرفی می شوند و تلفات حرارتی درایور جدید شبیه سازی و تحلیل می شوند و درنهایت نمونه  VSPSP 250مگاوات مورد نظر شبیه سازی می شود. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که کاربرد درایور با 2LVSC (6+1) بر اساس کنترل مستقیم گشتاور و شار  (DTFC)به عنوان یک درایور VSPSP  منجر به افزایش سرعت تعمیر، نگهداری و کاهش مدت زمان مابین هر خرابی (MTBF) درایور وVSPSP  شده است  و مدل حرارتی پیشنهادی، منجر به تثبیت دمای درایور در کل فرآیند تغییر سرعت شده است؛ خروجی های این پروژه در نرم افزار MATLAB 2021/Plexim  شبیه سازی و با نتایج شبیه سازی یک نمونه 2/2 کیلووات در نیروگاه بادی با سرعت متغیر (VSWP) مقایسه، تایید و راستی آزمایی می شود.

    کلیدواژگان: DTFC، 2LVSC (6+1)، کانورترهای درایور (1+6)، مدل حرارتی، VSPSP
  • محمدحسین درویش متولی، مجید معتمدی*، امید واحدی صفحات 44-52

    تغییرات اقلیمی و ناپایداری در محیط زیست، زنجیره تامین صنعت برق را با چالش جدی روبرو ساخته است. محاسبه بهره وری زنجیره تامین پایدار سه مرحله ای این صنعت در طی سالیان متوالی مساله اصلی این پژوهش به شمار می آید. روش این پژوهش از نوع کاربردی و با هدف توسعه مدل های تحلیل پوششی داده ها می باشد که به لحاظ متغیر از نوع کمی و از نظر زمان مقطعی گذشته نگر می باشد. در این مقاله مدلی جدید بر پایه تحلیل پوششی داده ها ارایه شده که قادر است با ترکیب شدن با شاخص بهره وری مالم کوییست، علاوه بر تعیین نمره کارایی، میزان بهره وری را در زنجیره تامین سه مرحله ای نواحی تولید برق در کشور ایران را طی سال های 1398 تا 1400 اندازه گیری نماید و میزان پیشرفت یا پسرفت را نشان دهد که بر این اساس از 16 ناحیه تحت مطالعه 5 ناحیه دارای پیشرفت متوالی هستند.

    کلیدواژگان: بهره وری، صنعت برق ایران، تحلیل پوششی داده های شبکه ای، اندیس بهره وری مالم کوئیست
  • محسن آریان نژاد* صفحات 53-60

    در این مقاله از شبکه های عصبی با یادگیری عمیق برای پیش بینی بار یک ریزشبکه در حالت جزیره ای استفاده شده است. سپس، با استفاده از نتایج به دست آمده یک مدل جدید ریاضی بر اساس جابجایی بار به صورت پیشرو-پسرو، و خاموشی بار غیرضروری در ساعت های اوج مصرف برای مدیریت طرف تقاضا به منظور بهبود  عملکرد اقتصادی ریزشبکه ارایه شده است. همچنین جهت افزایش راندمان انرژی، از توان تجدیدپذیر مازاد تولیدی برای تولید هیدروژن سبز استفاده گردیده است. به همین منظور، از نرم افزار بهینه سازی GAMS برای بهره برداری بهینه برای یک روز در حضور عناصر تجدیدپذیر انرژی، باطری، دیزل ژنراتور، دستگاه الکترولیزکننده آب، و پیل سوختی به همراه قیود مدیریت سمت تقاضا استفاده شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهند که شبکه های عصبی با یادگیری عمیق قادر می باشند رفتار پیچیده، تصادفی، و غیرخطی بار را با دقت بالایی پیش بینی کنند. همچنین، مدل ریاضی ارایه شده برای بهینه سازی و جابجایی بار ریزشبکه موردنظر نقش کلیدی در صرفه جویی انرژی الکتریکی، کاهش هزینه عملکرد، افزایش تولید هیدروژن سبز، و افزایش راندمان انرژی دارد.

    کلیدواژگان: انرژی تجدیدپذیر، بهره برداری بهینه، شبکه های عصبی، یادگیری عمیق، مدیریت تقاضا
  • علی اصغر قدیمی*، محمد شفیعی آهویی، امیرحسین ابوالمعصومی صفحات 61-73

    در این مقاله، یک الگوریتم کنترلی برای دستیابی به بیشترین توان ممکن، در سیستم های خورشیدی که تحت سایه جزیی قرار می گیرند، ارایه گردیده است. این الگوریتم بدون نیاز به استفاده از تجهیزات روش های معمول که شامل اندازه گیری جریان اتصال کوتاه، ولتاژ مدار باز و استفاده از کلیدهای اضافی می باشد، به ردیابی توان بیشینه می پردازد. در مرحله ی ابتدایی، الگوریتم پیشنهادی بر اساس تابش های دریافت شده، محدوده نقطه ی بیشینه توان را می یابد و سپس با استفاده از روش تغییرات و مشاهده، نقطه دقیق توان بیشینه را به دست می آورد. با استفاده از این الگوریتم هزینه های ناشی از استفاده از روش های معمول کاهش یافته و نقطه بیشینه توان با دقت و سرعت بالا در چرخه ابتدایی به دست می آید. جهت صحت سنجی الگوریتم پیشنهادی، شبیه سازی بر روی یک سیستم خورشیدی نمونه انجام شده و نتایج حاصل از این الگوریتم با روش های پرکاربرد مقایسه گردیده که نتایج حکایت از کارآیی این الگوریتم در قیاس با روش های معمول دارد.

    کلیدواژگان: سیستم خورشیدی، ردیابی توان بیشینه، سیستم تحت سایه، بهینه سازی انرژی
  • نیکی غنایی، محمود سمیعی مقدم، اسمعیل علی بیکی*، نسرین صالحی، رضا داورزنی صفحات 74-84

    در این مقاله، یک مدل بهینه سازی دو سطحی برنامه ریزی اعداد صحیح درجه دوم مختلط (MIQP) به منظور بهره برداری بهینه از ریزشبکه ها در شرایط بدترین خروجی منابع انرژی تجدیدپذیر ارایه شده است. این مدل دو سطحی به دو مسیله سطح بالا و پایین تقسیم شده است. در مسیله سطح بالا، هدف کاهش اتلاف انرژی و قطع بار در برنامه پاسخ تقاضا، شارژ و دشارژ بهینه وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم های ذخیره انرژی است. در مسیله سطح پایین، هدف بیشینه سازی قطع توان منابع انرژی تجدیدپذیر است. در این مدل، روشی جدید برای حل مسیله بهینه سازی پیشنهاد شده است که بر مبنای بازفرمولنویسی مسیله به شرایط بهینگی کاروش-کوهن-تاکر (KKT) استوار است. برای تجزیه و تحلیل، یک ریزشبکه 33 باس در نظر گرفته شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که مدل پیشنهادی در شرایط بدترین خروجی منابع انرژی تجدیدپذیر، انعطاف پذیری شبکه را حفظ می کند و هیچ قطع باری در شبکه رخ نمی دهد.

    کلیدواژگان: برنامه پاسخ تقاضا، بهینه سازی چند سطحی، خودروهای برقی، ریزشبکه، منابع انرژی تجدیدپذیر
|
  • Mostafa Kazemi*, Seyed Sepehr Tabatabaei, Niki Moslemi Pages 1-14

    In this paper a bi-level optimization approach is introduced to increase the participation of household investors to install battery storage systems in the distribution level. The incentive prices are used here to encourage the private investor. In the upper level the viewpoint of the government is modeled in which, the peak shaving is the goal while minimizing the cost due to the allocated subsidies. In the lower level of the model the investors’ point of view is modeled and their profit is maximized. The bi-level model is converted into its equivalent single level optimization using KKT optimality condition. The proposed single level nonlinear model has been linearized using big-M method and the strong duality theorem (SDT). A dynamic iterative model based on grid-search is also implemented to model the behavior of the participants. The performance of the presented model has been analyzed using real data of Yazd network.

    Keywords: Battery storage systems, household investors, incentive prices, peak shaving
  • Mehdi Tajaldini*, Fazeleh Morsalpour Pages 15-24

    Optical fiber day lighting systems help the efficiency of using solar energy in the lighting system in domestic, industrial and agricultural sectors. A lot of work has been done on these systems, but the lack of a reliable simulation method to reduce the tolerance, time and cost is evident. In this regard, in this paper, a novel method based on two powerful Optifiber and Zemax software has been proposed for simulating and optimizing an optical fiber daylighting system to increase the efficiency of output power from the fiber. A comparison has been made between popular types of polymer fibers with OptiFiber software, which shows the maximum propagation of modes in PMMA polystyrene fiber. Extracted detailed characteristics from Optifiber related to the selected fiber with 1mm diameter have been implemented in Zemax software and a daylighting system has been simulated. The coupling of light into the optical fiber has been optimized with the Global Optimization Method based on the genetic algorithm. By selecting a 100 watts resource as the sun according to the AM 1.5 standard, the simulation indicates a transfer of 22 watts of power. After optimization, this power increases to 30 watts, which shows the role of optimization in increasing the efficiency to 36%. Practical results by testing on a system with intensity measurement confirm the simulation results. As a result, by choosing the right fiber and accurately determining the characteristics, and optimizing the coupling into the fiber, it is possible to help increasing the efficiency of optical fiber daylighting systems.

    Keywords: optical fiber, optical fiber daylighting system, PMMA fiber, optiFiber, Zemax, genetics algorithm, light coupling
  • Mohsen Noruzi, Aliasghar Shojaei*, Saman Tusi Pages 25-32

    Improving reliability indices, increasing the grid production capacity, reducing power loss during peak periods and fuel cost, and economic and environmental considerations on the one hand, and the progresses made in the field of semiconductor devices on the other hand, are some of the factors that increase the penetration of the renewable energy sources to the distributed network. When the photovoltaic panels are present at the level of the distribution network, there are periods of time when the voltage exceeds its allowable area. Regarding this issue, it is necessary to consider solutions to overcome this challenge. This paper suggests an online dynamic voltage restorer whose control algorithm is designed according to the genetic algorithm. The simulations are carried out according to the voltage profile of a part of Mashhad. They have been investigated by DIgSILENT software. For this purpose, the real data of energy consumption in the residential sector with a time step of one hour has been used and the simulations have been implemented in the form of three scenarios. The first scenario is when there is no solar cell. The second is when the solar cell is online. And the third state is when both the cell and the dynamic voltage recovery in the line help the stability of the system and improve its power quality. According to the obtained results, by applying the mentioned control method, not only more than 7% of the range of voltage variations is reduced, but by reducing the level of voltage imbalance, the level of efficiency and reliability of the network is also increased.

    Keywords: Voltage profile, online dynamic voltage restorer, genetic algorithm, chaos theory, mashhad electricity distribution network
  • Mohammad Reza Semsar, Mohammad Hassan Hosseini*, Babak Mozaffari, Ebrahim Afjei Pages 33-43

    Given the significant power generation and consumption of variable-speed pumped storage power plants (VSPSPs), it is crucial to enhance drive methods and decrease drive losses, thereby increasing productivity. This paper proposes the topology for VSPSP drivers with two level voltage source converters (2LVSC) with 6+1 converters. Hydraulic and electrical VSPSP models are presented, following which VSPSP driver is introduced. Likewise, drive switching and control method is described and 2LVSC (6+1) is introduced. Subsequently, VSPSP drivers with 6+1 modules are proposed as a novel topology. The thermal loss model of the driver is subsequently introduced and the thermal losses of one driver are simulated and evaluated. The simulation results demonstrate that the driver with 2LVSC (6+1) based on a direct torque and flux control (DTFC) scheme as a VSPSP driver results in decreased Mean Time to Between Failure (MTBF) and enhanced the speed of the repairing and maintenance in driver and VSP. Presented thermal model is shows the temperature of the driver stabilizes during the entire duty cycle. Eventually, the outputs of this project is simulated in MATLAB 2021/Plexim software and are validated and verified using the sample of variable-speed wind power plant (VSWP) with 2.2KW.

    Keywords: DTFC, 2LVSC (6+1), driver convertors (6+1), Thermal model, VSPSP
  • Mohammad Hossein Darvish Trustee, Majid Moatamdei*, Omid Vahedi Pages 44-52

    Climate change and environmental instability have made the supply chain of the electricity industry face a serious challenge. Calculating the productivity of the three-stage sustainable supply chain of this industry during consecutive years is the main problem of this research. The method of this research is of an applied type with the aim of developing data coverage analysis models, which is quantitative in terms of variables and retrospective in terms of cross-sectional time. In this article, a new model based on data envelopment analysis is presented, which is able to combine with Malmquist's productivity index, in addition to determining the efficiency score, the productivity level in the three-stage supply chain of electricity production areas in measure the country of Iran during the years 1398 to 1400 and show the amount of progress or regression, according to which, out of 16 districts under study, 5 districts have progressed consecutively.

    Keywords: Productivity, Iran's electricity industry, network data envelopment analysis, Malmquist productivity index
  • Mohsen Aryan Nezhad* Pages 53-60

    Deep learning method is used to predict the future value of load demand. Based on obtained results, a new model based on the forward-backward load shifting and unnecessary load shedding is presented. As well, to increase energy efficiency, excess renewable energy has been used to produce green hydrogen. For this purpose, GAMS optimization software has been used for optimal operation of the microgrid in the presence of renewable energy sources, battery, diesel generator, aqua electrolyzer, and fuel cell considering demand side management (DSM) restrictions. The obtained results from the proposed model of the considered microgrid show that the huge amount of excess electricity can be saved to enhance energy efficiency. This issue increases green hydrogen production that can be used for fuel cell consumption. As well, the proposed model provides lower cost of operation cost.  In addition, the diesel generator consumes lower diesel fuel.

    Keywords: Deep learning, Demand side management, Neural network, Optimal operation, Renewable energy
  • Ali Asghar Ghadimi*, Mohammad Shafiei Pages 61-73

    In this paper, a new two-stage control algorithm to reach the maximum power point in photovoltaic (PV) systems under partially shaded conditions is presented. This algorithm tracks the maximum power point without any need to measure the open circuit voltage, short circuit current and making use of any extra switches. To achieve maximum power performance, the method firstly selects the relevant region of maximum power point based on received radiations from solar panels. After finding the correct power region, the accurate point of maximum power is reached by applying P&O method. Using this algorithm decreases the costs and also finds the MPP with more speed and accuracy at the first cycle. Performance validation of the proposed algorithm, is performed by running simulation on a typical system. The simulation results show the superior performance of the proposed approach in comparison with the conventional methods.

    Keywords: Solar system, Maximum Power Point Tracking, Partial shading condition, Energy optimization
  • Niki Ghanaei, Mahmoud Samiei Moghaddam, Esmaeil Alibeaki*, Nasrin Salehi, Reza Davarzani Pages 74-84

    In this paper, a two-level optimization model of mixed quadratic integer programming (MIQP) is presented in order to optimally operate microgrids under worst-case output conditions of renewable energy sources. This two-level model is divided into two high-level and low-level problems. In the high-level problem, the goal is to reduce energy loss and load shedding in the demand response program, optimal charging and discharging of electric vehicles and energy storage systems. In the low-level problem, the objective is to maximize the power outage of renewable energy sources. In this model, a new method for solving the optimization problem is proposed, which is based on the reformulation of the problem to Karush-Cohen-Tucker (KKT) optimality conditions. For the analysis, a 33 bus microgrid is considered. The simulation results show that the proposed model maintains the flexibility of the network in the worst output conditions of renewable energy sources and no load interruption occurs in the network.

    Keywords: microgrid, renewable energy sources, electric vehicles, demand response program, multi-level optimization