این پایان‌نامه به بررسی یکی از مهم‌ترین و پیچیده‌ترین چالش‌های پیش روی صنعت برق در قرن بیست‌ویکم می‌پردازد: کربن‌زدایی شبکه‌های قدرت. با تشدید نگرانی‌ها درباره تغییرات اقلیمی و وابستگی طولانی‌مدت به سوخت‌های فسیلی، بسیاری از کشورها و مناطق جهان در حال برنامه‌ریزی برای جایگزینی نیروگاه‌های آلاینده با منابع انرژی پاک مانند خورشیدی و بادی هستند. با این حال، این گذار به سادگی انجام نمی‌شود. شبکه‌های برق سیستم‌هایی بسیار حساس و پیچیده هستند که در هر لحظه باید تعادل دقیقی بین تولید و مصرف برقرار کنند. کوچک‌ترین عدم تعادل می‌تواند به نوسانات ولتاژ، آسیب به تجهیزات و حتی خاموشی‌های گسترده منجر شود. روش‌های سنتی برنامه‌ریزی و بهره‌برداری از شبکه، مانند پخش بار بهینه DC، به دلیل ساده‌سازی‌های زیاد و نادیده گرفتن برخی واقعیت‌های فیزیکی، نتایجی ارائه می‌دهند که در عمل قابل اجرا نیستند و نیازمند اصلاحات دستی و تجربه بالای اپراتورها هستند. این پژوهش با استفاده از روش پیشرفته‌تری به نام پخش بار بهینه AC، تلاش می‌کند راه‌حل‌هایی عملی، دقیق و آگاه از محدودیت‌های اقتصادی برای این گذار ارائه دهد. روش AC OPF برخلاف روش‌های سنتی، تمامی جنبه‌های غیرخطی شبکه از جمله ولتاژ، توان راکتیو و تلفات را به طور کامل در نظر می‌گیرد و نتایجی تولید می‌کند که مستقیماً قابل اجرا هستند.
هدف اصلی این تحقیق، پاسخ به این پرسش بنیادین است که آیا می‌توان از پخش بار بهینه AC به عنوان پایه‌ای برای تولید سیگنال‌های پخش قابل اجرا و آگاه از اقتصاد استفاده کرد و آیا این سیگنال‌ها می‌توانند برای هدایت اقدامات کنترلی بهینه و گسترش ظرفیت در راستای کربن‌زدایی به کار روند. برای پاسخ به این پرسش، یک مدل واقعی از شبکه برق پورتوریکو که از داده‌های عمومی ساخته شده، مورد بررسی قرار گرفته است. پورتوریکو به دلیل آسیب‌پذیری شدید در برابر طوفان‌ها و بحران‌های انرژی پس از طوفان ماریا، به عنوان یک مطالعه موردی مناسب انتخاب شده است. این منطقه اهداف بلندپروازانه‌ای برای تولید ۱۰۰ درصد برق از منابع تجدیدپذیر تا سال ۲۰۵۰ دارد و در حال بازنشستگی تدریجی نیروگاه‌های سوخت فسیلی خود است. همچنین پورتوریکو دارای شبکه‌ای نسبتاً متمرکز است که اکثر نیروگاه‌های بزرگ آن در نزدیکی سواحل و بنادر قرار دارند و این موضوع چالش‌های خاصی برای انتقال توان به مراکز بار در داخل جزیره ایجاد می‌کند.
در بخش اول این پژوهش، وضعیت فعلی شبکه پورتوریکو با استفاده از روش‌های بهینه‌سازی مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. نتایج نشان می‌دهد که شبکه در وضعیت پایه، حتی با وجود حل شدن معادلات پخش بار، از نظر فیزیکی قابل اجرا نیست، زیرا ولتاژ شینه‌ها در محدوده مجاز قرار ندارد و بسیاری از ژنراتورها در نقاطی کار می‌کنند که با نقاط تنظیم واقعی آن‌ها فاصله دارد. این یافته تأکیدی بر ناکافی بودن روش‌های سنتی برای تضمین بهره‌برداری ایمن است. سپس دو رویکرد متفاوت برای بهینه‌سازی شبکه بررسی می‌شود: یکی حداقل‌سازی هزینه اقتصادی و دیگری حداقل‌سازی تلفات توان. در هر دو رویکرد، اثرات تنظیم ولتاژ و آزاد گذاشتن نقاط تنظیم ولتاژ ژنراتورها مورد مطالعه قرار می‌گیرد. نتایج نشان می‌دهد که با تنظیم بهینه ولتاژ، می‌توان صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه‌ها به دست آورد و در عین حال، توزیع توان بین ژنراتورها را متعادل‌تر کرد. به عنوان مثال، در حالت حداقل‌سازی هزینه با ولتاژهای قابل تنظیم، صرفه‌جویی تا ۳۱ درصد نسبت به حالت پایه مشاهده شده است که رقم بسیار قابل توجهی است و نشان‌دهنده اهمیت استفاده از روش‌های دقیق‌تر در بهره‌برداری از شبکه است.
یکی از بخش‌های کلیدی این تحقیق، انجام غربالگری N-1 برای ارزیابی تاب‌آوری شبکه در برابر قطع ناگهانی تجهیزات است. در این تحلیل، ۱۰۶ سناریوی مختلف شامل قطع ژنراتورها، خطوط انتقال و ترانسفورماتورها بررسی شده و ۹ مورد به عنوان بحرانی شناسایی می‌شوند که نیازمند اقدامات اصلاحی هستند. نکته قابل توجه این است که پنج مورد از این بحران‌ها مربوط به نیروگاه‌های بزرگی است که در برنامه بازنشستگی قرار دارند، از جمله نیروگاه‌های سان‌خوان، پالو سکو، کوستا سور، AES و آگیره. این یافته نشان می‌دهد که بازنشستگی این نیروگاه‌ها بدون جایگزینی مناسب، می‌تواند امنیت شبکه را به شدت تحت تأثیر قرار دهد. همچنین مشخص می‌شود که تنظیم ولتاژ و توزیع مجدد توان می‌تواند به مدیریت این بحران‌ها کمک کند و هیچ‌کدام از این شرایط بحرانی به قطع بار منجر نشوند. این نتیجه بسیار امیدوارکننده است زیرا نشان می‌دهد که با مدیریت صحیح و استفاده از ابزارهای بهینه‌سازی، می‌توان حتی در شرایط بحرانی، برق را بدون قطعی به مشتریان رساند.
در بخش دوم، این پژوهش به طراحی یک استراتژی عملی برای کربن‌زدایی می‌پردازد. با الهام از مطالعه PR100 که سه سناریوی مختلف برای پذیرش منابع تجدیدپذیر توزیع‌شده ارائه داده، مدل شبکه با افزودن ژنراتورهای مجازی خورشیدی در تمامی شینه‌های ۱۱۵ کیلوولت گسترش می‌یابد. این ژنراتورهای مجازی با ظرفیت اسمی ۴۰ مگاوات، در مجموع ۲۰۰۰ مگاوات پتانسیل تولید را نمایندگی می‌کنند. هدف این است که مشخص شود در هر مرحله از بازنشستگی نیروگاه‌های فسیلی، کدام مناطق نیازمند سرمایه‌گذاری در انرژی خورشیدی و باتری هستند و چه مقدار ظرفیت باید در آنجا نصب شود. برای این کار، ۷۲ سناریو مختلف شامل سطوح بار ۸۰، ۱۰۰ و ۱۲۰ درصد، پنج شرایط اضطراری بحرانی و چهار مرحله بازنشستگی (بدون بازنشستگی، بازنشستگی سان‌خوان، بازنشستگی سان‌خوان و پالو سکو، و نهایتاً بازنشستگی آگیره) شبیه‌سازی می‌شود. این ساختار جامع به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا تأثیر ترکیبی عوامل مختلف را بر روی شبکه بررسی کنند و راه‌حل‌هایی ارائه دهند که در برابر تغییرات مختلف مقاوم باشند.
نتایج این شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که در مرحله اول که هیچ نیروگاهی بازنشسته نشده، ژنراتورهای مجازی تقریباً هیچ‌گاه مورد استفاده قرار نمی‌گیرند، زیرا نیروگاه‌های موجود از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه‌تر هستند. اما با بازنشستگی تدریجی نیروگاه‌های بزرگ، به ویژه در مناطق ساحلی و نزدیک به مراکز بار مانند سان‌خوان، نیاز به تولید توزیع‌شده به شدت افزایش می‌یابد. مناطقی مانند مونته کارلو، کوتو نورته، آرکیبو، فاخاردو و هوماکائو به عنوان مکان‌های کلیدی برای نصب نیروگاه‌های خورشیدی مقیاس بزرگ شناسایی می‌شوند. همچنین در مناطق شهری مانند سان‌خوان، استفاده از پنل‌های خورشیدی بر روی پشت‌بام‌ها با ظرفیت‌های کوچک‌تر پیشنهاد می‌شود. نکته مهم دیگر این است که حتی در مناطقی که تولید فعال مورد نیاز نیست، ژنراتورهای مجازی می‌توانند برای پشتیبانی راکتیو و تنظیم ولتاژ مورد استفاده قرار گیرند، که این امر به پایداری شبکه کمک شایانی می‌کند. این یافته به ویژه برای برنامه‌ریزان شبکه ارزشمند است زیرا نشان می‌دهد که سرمایه‌گذاری در انرژی خورشیدی می‌تواند مزایای دوگانه‌ای داشته باشد: هم تولید توان فعال و هم پشتیبانی از پایداری ولتاژ.
در نهایت، این پژوهش نتیجه می‌گیرد که استفاده از پخش بار بهینه AC نه تنها می‌تواند به عنوان یک ابزار دقیق برای تحلیل و بهره‌برداری از شبکه‌های قدرت به کار رود، بلکه می‌تواند به عنوان یک راهنمای استراتژیک برای سیاست‌گذاران و بهره‌برداران شبکه در مسیر کربن‌زدایی عمل کند. این روش به تصمیم‌گیرندگان اجازه می‌دهد تا با آگاهی از محدودیت‌های فیزیکی و اقتصادی شبکه، سرمایه‌گذاری‌ها را در مکان‌ها و زمان‌های مناسب هدایت کنند. همچنین پیشنهاد می‌شود که مدل‌های پیشرفته‌تر مانند پخش بار بهینه تصادفی یا مقاوم برای مواجهه با عدم قطعیت‌های ناشی از تولید تجدیدپذیر و تقاضا مورد استفاده قرار گیرند. در مجموع، این پایان‌نامه نشان می‌دهد که گذار به یک سیستم قدرت پایدار و کم‌کربن نه تنها امکان‌پذیر است، بلکه با استفاده از ابزارهای مناسب می‌تواند از نظر فنی و اقتصادی بهینه باشد. این پژوهش همچنین بر اهمیت همکاری بین ذی‌نفعان مختلف از جمله دولت، شرکت‌های خصوصی و جوامع محلی تأکید می‌کند و پیشنهاد می‌دهد که چارچوب‌های نظارتی و سیاست‌های تشویقی باید به گونه‌ای طراحی شوند که سرمایه‌گذاری در انرژی‌های تجدیدپذیر را تسهیل کنند و در عین حال، امنیت و پایداری شبکه را تضمین نمایند.
| عنوان | شماره صفحه |
|---|---|
| مقدمه | 17 |
| روش‌های رایج در سیستم‌های قدرت امروزی | 18 |
| پخش بار اقتصادی | 18 |
| بهره‌برداران بازار و سیستم | 18 |
| برنامه‌ریزی سیستم قدرت | 19 |
| پخش بار بهینه برای بهره‌برداری و برنامه‌ریزی | 19 |
| پخش بار اقتصادی با پخش بار بهینه DC | 20 |
| ارزیابی امکان‌پذیری از طریق پخش بار AC | 21 |
| بیان مسئله | 23 |
| پخش بار اقتصادی با پخش بار بهینه AC | 24 |
| سیستم قدرت الکتریکی پورتوریکو | 26 |
| سازمان‌های کلیدی مدیریت شبکه پورتوریکو | 26 |
| خرابی‌های شدید شبکه پس از طوفان ماریا | 28 |
| مطالعه تاب‌آوری و گذار انرژی شبکه پورتوریکو | 29 |
| خلاصه تلاش‌های نوسازی شبکه پورتوریکو | 30 |
| مشارکت‌های این پایان‌نامه در نوسازی شبکه پورتوریکو | 31 |
| روش‌شناسی ارزیابی آسیب‌پذیری سیستم | 32 |
| روش‌شناسی کربن‌زدایی شبکه با استفاده از پخش بار بهینه AC | 33 |
| برنامه بازنشستگی نیروگاه‌ها | 33 |
| بازفرمول‌بندی مدل برای تولید پیشنهادی | 34 |
| ارزیابی استحکام و آسیب‌پذیری شبکه پورتوریکو | 35 |
| ارزیابی مدل پایه پخش بار | 35 |
| پروفیل ولتاژ باس | 36 |
| پروفیل توان اکتیو و راکتیو | 36 |
| جریان خطوط | 37 |
| حساسیت‌های قید | 38 |
| ارزیابی مدل پایه | 39 |
| پخش بار بهینه AC برای پخش بار اقتصادی | 40 |
| پخش بار اقتصادی با نقاط تنظیم ولتاژ ثابت | 40 |
| پخش بار اقتصادی با نقاط تنظیم ولتاژ قابل تنظیم | 43 |
| مقایسه نتایج پخش بار اقتصادی | 45 |
| پخش بار بهینه AC برای حداقل‌سازی تلفات | 47 |
| حداقل‌سازی تلفات با نقاط تنظیم ولتاژ ثابت | 47 |
| حداقل‌سازی تلفات با نقاط تنظیم ولتاژ قابل تنظیم | 50 |
| مقایسه نتایج حداقل‌سازی تلفات | 52 |
| غربالگری شرایط اضطراری N-1 | 54 |
| شرایط اضطراری بحرانی: ژنراتور G_66 – مجتمع سان‌خوان | 54 |
| شرایط اضطراری بحرانی: ژنراتور G_70 – مجتمع پالو سکو | 55 |
| شرایط اضطراری بحرانی: ژنراتور G_62 – مجتمع کوستا سور | 55 |
| شرایط اضطراری بحرانی: ژنراتور G_68 – مجتمع AES | 56 |
| شرایط اضطراری بحرانی: ترانسفورماتور فیدر ۱۱۵-۳۸ کیلوولت T_30_73 از مجتمع آگیره به شهرداری گوایاما | 57 |
| شرایط اضطراری بحرانی: ترانسفورماتور فیدر ۱۱۵-۳۸ کیلوولت T_35_103 در کوتو نورته | 57 |
| شرایط اضطراری بحرانی: ترانسفورماتور افزاینده ۱۱۵-۲۳۰ کیلوولت T_52_30 در مجتمع آگیره | 58 |
| شرایط اضطراری بحرانی: ترانسفورماتور ۲۳۰-۱۱۵ کیلوولت T_58_35 در پست کوتو نورته | 59 |
| شرایط اضطراری بحرانی: ترانسفورماتور کاهنده ۲۳۰-۱۱۵ کیلوولت T_59_4 در شهرداری مایاگوئز | 60 |
| مرور شرایط اضطراری بحرانی | 60 |
| خلاصه یافته‌ها | 61 |
| پخش بار بهینه AC برای کربن‌زدایی شبکه در پورتوریکو | 63 |
| فرمول‌بندی مدل | 63 |
| بازنشستگی‌ها و مرور موارد | 64 |
| R0 – بدون بازنشستگی دارایی | 66 |
| R1 – بازنشستگی مجتمع سان‌خوان | 68 |
| R2 – بازنشستگی مجتمع‌های سان‌خوان و پالو سکو | 69 |
| R3 – بازنشستگی سان‌خوان، پالو سکو و آگیره | 70 |
| آمار شبیه‌سازی در تمام سناریوها | 72 |
| استقرار منابع انرژی تجدیدپذیر خورشیدی توزیع‌شده در پورتوریکو | 76 |
| بحث و نتیجه‌گیری | 79 |
| مراجع | 83 |
| اشکال تکمیلی | 87 |
| بلوک‌های کد پایتون | 93 |
وقتی برق پورتوریکو روی لبه تیغ می‌رقصد: رازگشایی از نقشه‌ای که می‌تواند جزیره را نجات دهد
تصور کنید در یک جزیره گرمسیری زندگی می‌کنید. طوفانی می‌آید و ۸۰ درصد خطوط انتقال برق نابود می‌شود. ماه‌ها بدون برق می‌مانید. بیمارستان‌ها از کار می‌افتند، آب تصفیه‌شده پیدا نمی‌شود و تلفن‌ها خاموش‌اند. این دقیقاً همان اتفاقی است که در سپتامبر ۲۰۱۷ برای مردم پورتوریکو افتاد. اما داستان اینجا تمام نمی‌شود. سؤال بزرگ‌تر این است: چگونه می‌توان جزیره‌ای را که هر ساله در معرض طوفان‌های مرگبار است، به شبکه‌ای تبدیل کرد که نه‌تنها پایدار باشد، بلکه کاملاً از انرژی‌های تجدیدپذیر تغذیه شود؟ پاسخ این سؤال در جایی نهفته است که شاید کمتر کسی انتظارش را داشته باشد: در دنیای پیچیده ریاضیات و بهینه‌سازی.
چرا روش‌های قدیمی دیگر جواب نمی‌دهند؟
سال‌هاست که مهندسان برق برای تصمیم‌گیری درباره اینکه کدام نیروگاه چقدر برق تولید کند، از روشی ساده‌شده به نام «پخش بار بهینه DC» استفاده می‌کنند. این روش مثل این است که بخواهید با یک نقشه کاغذی ساده مسیر یک شهر پیچیده را پیدا کنید؛ سریع است، اما جزئیات خیابان‌ها، ترافیک و پیچ‌های ناگهانی را نشان نمی‌دهد.
مشکل اینجاست که نتایج این روش هرگز مستقیماً قابل اجرا نیستند. باید بعد از آن، یک تحلیل پیچیده‌تر به نام «پخش بار AC» انجام شود تا ببینند آیا واقعاً می‌شود این اعداد را در دنیای واقعی پیاده کرد یا نه. این فرایند آن‌قدر دست‌وپاگیر است که به تجربه و دخالت مداوم اپراتورهای انسانی وابسته است و هیچ تضمینی برای موفقیت وجود ندارد.
پژوهش‌ها نشان می‌دهد که «راه‌حل‌های پخش بار بهینه DC هرگز از نظر AC قابل اجرا نیستند.» (بی‌کر، ۲۰۲۱)
این یعنی ما سال‌هاست بر اساس نتایجی تصمیم می‌گیریم که در عمل یا غیرممکن‌اند یا نیازمند اصلاحات گسترده. حالا تصور کنید که بخواهیم نیروگاه‌های فسیلی را یکی‌یکی خاموش کنیم و به جایشان پنل‌های خورشیدی و باتری نصب کنیم. چطور می‌توانیم مطمئن باشیم که شبکه فرو نمی‌پاشد؟
راه‌حل غیرمنتظره: وقتی ریاضیات به نجات جزیره می‌آید
در این پایان‌نامه، محقق از روشی بسیار دقیق‌تر به نام «پخش بار بهینه AC» استفاده کرده است. این روش مثل این است که به جای نقشه کاغذی، از یک سیستم ناوبری ماهواره‌ای زنده با تمام جزئیات استفاده کنید. این روش تمام پیچیدگی‌های دنیای واقعی را در نظر می‌گیرد: ولتاژ، توان راکتیو، تلفات خطوط و محدودیت‌های فیزیکی تجهیزات.
نکته جالب اینجاست که این روش نه‌تنها می‌گوید چه چیزی ممکن است، بلکه نشان می‌دهد چه چیزی بهینه است. یعنی همزمان که امنیت شبکه را تضمین می‌کند، هزینه‌ها را هم به حداقل می‌رساند.
محقق مدل کاملی از شبکه برق پورتوریکو ساخته و آن را در ۷۲ سناریوی مختلف آزمایش کرده است: سطوح مختلف مصرف برق، قطع ناگهانی تجهیزات حیاتی و مراحل مختلف بازنشستگی نیروگاه‌های فسیلی. نتیجه؟ یک نقشه راه دقیق که می‌گوید کجا، چه زمانی و چقدر انرژی خورشیدی و باتری نصب کنیم.
کشفی که می‌تواند آینده جزیره را تغییر دهد
نتایج این پژوهش شگفت‌انگیز است. مشخص شد که در مناطقی مثل مونته کارلو، کوتو نورته، آرکیبو، فاخاردو و هوماکائو، نصب نیروگاه‌های خورشیدی بزرگ ۴۰ مگاواتی بیشترین سود را دارد. اما در شهرهایی مثل سان‌خوان، پنل‌های کوچک پشت‌بامی ۵ تا ۱۰ مگاواتی بهتر جواب می‌دهند.
شاید جالب‌ترین یافته این باشد که حتی در مناطقی که تولید برق فعال لازم نیست، این نیروگاه‌های خورشیدی می‌توانند برای پشتیبانی ولتاژ و توان راکتیو استفاده شوند. یعنی هم برق تولید می‌کنند و هم به پایداری شبکه کمک می‌رسانند.
نتایج نشان می‌دهد که با تنظیم بهینه ولتاژ، می‌توان تا ۳۱ درصد در هزینه‌های بهره‌برداری صرفه‌جویی کرد.
این رقم بسیار قابل توجه است. تصور کنید اگر این روش در کل شبکه‌های برق جهان پیاده می‌شد، چه مقدار پول و انرژی ذخیره می‌شد.
چرا این موضوع برای همه ما مهم است؟
داستان پورتوریکو فقط داستان یک جزیره نیست. این داستان آینده همه ماست. تغییرات اقلیمی باعث می‌شوند که طوفان‌ها، سیل‌ها و آتش‌سوزی‌ها شدیدتر شوند. هر منطقه‌ای از جهان ممکن است روزی با بحرانی مشابه روبرو شود.
این پژوهش نشان می‌دهد که گذار به انرژی‌های تجدیدپذیر نه‌تنها امکان‌پذیر است، بلکه می‌تواند ارزان‌تر و امن‌تر از ادامه وضع موجود باشد. اما این گذار نیازمند ابزارهای دقیق و هوشمندانه‌ای است که بتوانند پیچیدگی‌های شبکه را درک کنند.
شاید بزرگ‌ترین درس این پژوهش این باشد: ما نمی‌توانیم با ابزارهای قدیمی، دنیای جدیدی بسازیم. اگر می‌خواهیم جزیره‌ها، شهرها و کشورهایمان را در برابر بحران‌های آینده مقاوم کنیم، باید از روش‌هایی استفاده کنیم که واقعیت‌های فیزیکی و اقتصادی را همزمان در نظر بگیرند.
این پژوهش نشان می‌دهد که گذار به یک سیستم قدرت پایدار و کم‌کربن نه‌تنها امکان‌پذیر است، بلکه با استفاده از ابزارهای مناسب می‌تواند از نظر فنی و اقتصادی بهینه باشد.
آیا ما آماده‌ایم که این درس را جدی بگیریم؟