طراحی و شبیه سازی یک نیروگاه مجازی برای پاسخ به تقاضای یک بیمارستان هنگام جزیره‌ای شدن

چکیده:

هدف این مقاله پاسخ به تقاضای یک بیمارستان هنگام جزیره‌ای شدن است که برای تأمین انرژی آن نیروگاهی طراحی شده است که می‌تواند این تقاضا را تأمین کند. میزان تقاضای انرژی به طور میانگین روزانه 16 مگاوات ساعت است. پیک مصرف برق این بیمارستان 900  کیلو وات می‌باشد که با طراحی یک نیروگاه فوتوولتائیک  1.5مگاواتی با بانک باتری به ظرفیت 180000 آمپر ساعت در نظر گرفته شده و به کمک شارژر کنترلر MPPT، کنترلر PI و مبدل دوطرفه dc-dc  بهینه شده  و همچنین پیل سوختی با ظرفیت 65 کیلو وات تقاضای بیمارستان تأمین می‌شود.

در طول روز نیروگاه فوتوولتائیک و پیل سوختی، تولیدکننده و بانک باتری به همراه بیمارستان مصرف کننده‌اند و در ساعات بدون وجود نور خورشید پیل سوختی و بانک باتری تولید کننده و شبکه بیمارستان مصرف کننده‌اند.

1- مقدمه:

بسیاری از بیمارستان‌ها نمی‌توانند در صورت قطعی برق به مدت یک هفته پاسخگوی نیاز بیماران باشند. حوادث و بلایای مختلفی می‌تواند سیستم برق یک منطقه را از شبکه برق اصلی جدا سازد یا می‌توان گفت به حالت جزیره‌ای ببرد در این حالت بیمارستان‌ها که مراکز حساس‌تری نسبت به دیگر تاسیسات شهری هستند باید تدابیر ویژه‌ای هنگام وقوع چنین رویدادهایی برای آن‌ها در نظر گرفت. پس زمانی که بیمارستان طی یک حادثه ارتباط خود با شبکه برق شهر را از دست می‌دهد نیاز دارد تا انرژی خود را از یک منبع داخلی تأمین کند. فتوولتائیک (PV) به عنوان یک انرژی تجدیدپذیر منبع تغذیه‌ای مناسب است که کار با آن نسبتاً آسان است، از آنجایی که به راحتی تحت تأثیر آب و هوا قرار می‌گیرد، استفاده از آن با باتری ذخیره ساز ضروری است.

در کنار نیروگاه فوتو ولتائیک، می‌توان برای بالا بردن قابلیت اطمینان سیستم برق رسانی از یک منبع تجدید پذیر دیگر مثل پیل سوختی استفاده کرد. پیک توان مصرفی در بیمارستان 900 کیلو وات در نظر گرفته می‌شود1. نیروگاه‌های مجازی می‌توانند بهترین راه برای تأمین توان مورد نیاز بیمارستان برای دوره‌ای که ممکن است عملیات جزیره‌ای رخ دهد باشد. در زمان اتصال نرمال بیمارستان به شبکه برق شهری نیز می‌توان با تولید توان مازاد آن را به شبکه برق تزریق نمود و از این طریق می‌توان هزینه برق بیمارستان را تا حدود زیادی کاهش داد.

2- تئوری و پیشینه تحقیق:

چند تحقیق و پژوهش در حوزه بررسی تلفیق انرژی تجدید پذیر در بیمارستان‌ها به عنوان نیروگاه انجام شده مانند: در مقاله [1] که در آن به بررسی طراحی سیستم تأمین برق یک بیمارستان بزرگ با انرژی‌های تجدید پذیر پرداخته شده که در آن از ترکیب ژنراتورهای برق اضطراری که با سوخت فسیلی کار می‌کنند به همراه انرژی خورشیدی برای سیستم پشتیبانی تجدید پذیر برای مقابله با خطای سیستم برق و حوادث مختلف است پرداخته همچنین در مقاله [2] به بررسی پیش بینی میزان بار واقعی مصرفی بیمارستان در زمان وقوع عملیات جزیره‌ای پرداخته و با تجزیه و تحلیل فرکانس یک شبکه برق بیمارستانی با ترکیب ژنراتورهای گفته شده در بالا بررسی کرده که تعادل فازها در حین استفاده از هر نوع از منایع برق در زمان وقوع حادثه چگونه است.

همینطور در مقاله [3] چالش‌های اساسی مدیریت نیروگاه‌های مجازی بیان شده که در آن به بررسی مسائلی مانند عدم اطمینان در تولید، مصرف و قیمت انرژی و در دسترس بودن اجزای شبکه برای نظارت مستمر بر آن و همچنین ایجاد ارتباط دو سویه بین سیستم مدیریت انرژی و کاربران شبکه مانند تولیدکنندگان یا متقاضیان انرژی برای رسیدن به بهره برداری کارآمدتر پرداخته.

1-2طراحی نیروگاه‌ها:

برای طراحی این نیروگاه مجازی از برنامه متلب استفاده شده است، ابتدا طراحی نیروگاه فوتو ولتائیک و سپس پیل سوختی را شرح داده می‌شود و سپس به بررسی توان تولید شده توسط آن‌ها برای پاسخ به تقاضای بار بیمارستانی پرداخته می‌شود.

در طراحی نیروگاه فوتوولتائیک با استفاده از پنل های خورشیدی برای محاسبه مقدار مساحت مورد نیاز برای ساخت آن و رسیدن به مقدار توان مورد نظر باید مشخصات پنل ها را در نظر گرفت، در این طراحی قدرت تابشw/m2 1000فرض شده [4] و همچنین در نظر می‌گیریم هر ماژول 60 سلول خورشیدی دارد و حد اکثر توان تولید شده توسط هر یک از این ماژول‌ها 213  وات است. هدف از تأسیس این نیروگاه رسیدن به ظرفیت توان تولیدی 1.5 مگاوات است که برای رسیدن به این ظرفیت تولید می‌توان از 40 عدد ماژول سری متصل به هم در هر رشته استفاده کنیم و با اتصال 180 عدد رشته به صورت موازی به یکدیگر  7200 عدد ماژول یا پنل خورشیدی خواهیم داشت که توان تولیدی آن‌ها به صورت زیر محاسبه می‌شود:

فرمول 1:

1533کیلووات = 7200 (عدد پنل خورشیدی)×213وات (توان تولیدی هر پنل)

در این صورت ولتاژ خروجی نیروگاه خورشیدی به صورت تقریبی برابر 1400 ولت خواهد بود. در مورد طراحی این نیروگاه باید به این نکته توجه نمود که محل احداث آن دارای روزهای آفتابی بیشتری در سال باشد تا از نظر تولید توان با کمبود مواجه نشود. تعداد روزهای استاندارد برای رسیدن به مقدار توان گفته شده در بالا 300 روز آفتابی در سال است 1.

مدار ساده شده یک پنل خورشیدی به صورت (شکل1) در نظر گرفته می‌شود:

مدل یک سلول PV را می‌توان با استفاده از معادلات زیر تعریف کرد [5]:

فرمول 2: I_PV=N_PI_SC –N_SI_D [exp{q(VPV+I_PVR_S)/ N_SAkT} -1] –V_PV + (I_PVR_S)/R_P             

که در جدول 1 اطلاعات مربوط به فرمول 2 آورده شده:

نیروگاه خورشیدی طراحی شده دارای دو ورودی است ورودی اول میزان تابش است که بر مبنای وات بر متر مربع محاسبه می‌شود و در اینجا مقدار 1000 وات بر متر مربع در نظر گرفته شده است. ورودی دوم دمای محیط است که عامل مؤثر دیگری در مقدار توان تولید شده توسط هر ماژول می‌باشد. و مقدار آن 25 درجه سانتی گراد فرض می‌شود6. میزان توان تولید شده در مدت یک روز توسط این نیروگاه (روز آفتابی) در شکل 2 نمایش داده شده.

برای ذخیره سازی انرژی تولید شده توسط پنل های خورشیدی می‌توان از بانک باتری با ظرفیت Ah180.000 استفاده نمود به این صورت که، این بانک باتری از 18 عدد باتری 2ولتی با ظرفیت 3000 آمپر ساعت در هر ردیف و موازی نمودن 60 ردیف با هم تشکیل می‌شود که در مجموع 1080عدد باتری را شامل می‌شود4.

در این صورت این بانک ظرفیت جریاندهی 180.000 آمپر ساعت در ولتاژ 36 را خواهد داشت و به صورت تقریبی 6.5 مگا وات ساعت انرژی را برای بار تأمین می‌کند و با توجه به تلفات ده درصد مبدل دو طرفه این مقدار به حدود 6 مگاوات ساعت می‌رسد همچنین در ساعات بدون وجود نور خورشید ماکزیمم توان مصرفی در حدود 490 کیلو وات است.

برای ارتباط و سوییچ بین باتری و نیروگاه خورشیدی باید سطح ولتاژ  dcباتری با نیروگاه برابر شود و سپس وارد اینورترAC-DC  شود به این منظور در طراحی این بخش از بلوک دیاگرامی مانند شکل 2 استفاده شده، مبدل‌های دو طرفه DC-DC  برای انجام فرآیند انتقال توان بین دو منبع dc در هر جهت استفاده می‌شوند. آن‌ها به طور گسترده در کاربردهای مختلف استفاده می‌شوند. مبدل دو طرفه DC-DC بخش مهمی از سیستم‌های فتوولتائیک خورشیدی مستقل برای اتصال به سیستم ذخیره باتری است.

مدار به گونه‌ای عمل می‌کند که از یک سوئیچ، یک سلف کوپل شده و سه دیود برای افزایش ولتاژ باتری استفاده می‌کند تا با سطح dc ولتاژ بالا مطابقت داشته باشد. مبدل دو طرفه DC-DC با نرخ توان بالا نقش کلیدی در سیستم ذخیره انرژی ایفا می‌کند، به نحوی که ولتاژ DC یا جریان DC را در باتری ذخیره می‌کند.

مبدل دوطرفه DC-DCیا به عنوان مبدل باک یا به عنوان مبدل بوست در هر مرحله عمل می‌کند. مبدل باک برای شارژ باتری کار می‌کند در حالی که مبدل بوست انرژی باتری را به بار تحویل می‌دهد. با توجه به پیک مصرف 490 کیلو وات در زمان تخلیه باتری در مدار (ساعات بدون وجود نور خورشید) از یک اینورتر با ظرفیت 500 کیلو وات در این طراحی استفاده شده. همچنین یک کنترلر تناسبی انتگرالگیر(PI) برای تطابق ولتاژ خروجی مبدل با بأس DC طراحی شده.

1-1-2حداکثر توان ردیابی (MPPT):

حداکثر توان (MP) زمانی به دست می‌آید که پنل خورشیدی در ولتاژی کار می‌کند که حداکثر مشخصه توان-ولتاژ قرار دارد. این یعنی  برای یک نقطه عملیاتی خاص، حداکثر توان خروجی را می‌توان از پنل خورشیدی به دست آورد 5. این نقطه در منحنی مشخصه توان-ولتاژ را نقطه توان حداکثری (MPP) می‌نامند. این نقطه همیشه روی زانوی منحنی جریان-ولتاژ پنل خورشیدی قرار دارد. از شکل3 الف و بمی‌توان دید که نقطه توان حداکثری نشان داده شده با یک نقطه قرمز روی زانوی منحنی جریان-ولتاژ رخ می‌دهد. موقعیت MPP به طور مداوم در حال تغییر است. این MPP با تغییر تابش و دما تغییر می‌کند. تابش و دما در طبیعت پویا هستند، بنابراین الگوریتم ردیابی MPP باید به طور عملی در زمان واقعی با به روز رسانی به طور مداوم کار کند و در نتیجه سرعت و دقت ردیابی را حفظ کند 5.

حداکثر توان ردیابی (MPPT) یک دستگاه کنترلی است که برای ردیابی MPP دائماً در حال تغییر استفاده می‌شود. این دستگاه کنترل یا کنترل کننده از دو قسمت اصلی تشکیل شده است، یک میکروکنترلر برای ردیابی MPP و یک مبدل برای تبدیل ولتاژ تولید شده به سطح دلخواه برای بار. برای ردیابی MPP یک الگوریتم روی میکروکنترلر اجرا می‌شود 5، اگرچه همهٔ الگوریتم‌ها در تغییرات سریع مانند تغییرات سریع سطوح تابش یا در هنگام سایه‌زنی جزئی پنل خورشیدی به درستی کار نمی‌کنند. اما برای سیستم بسیار مهم است که الگوریتمی داشته باشد که بتواند سیگنال‌های کنترلی دقیقی را حتی در هنگام تغییر سریع سطوح تابش یا سایه جزئی پنل خورشیدی ارائه دهد. بنابراین کارایی الگوریتم بسیار مهم است.

در نقطه حداکثر توان شیب منحنی توان-ولتاژ برابر با صفر است [5]. معادلات زیر این ویژگی‌ها را نشان می‌دهد:

فرمول 3:

 dp/dv = 0

می‌توان آن را به صورت زیر بازنویسی کرد:

فرمول4:

dp/dv = (d(VI))/dV = V dI/dV + I dV/dV = V dI/dV + I=0

درنتیجه،

فرمول 5:

 dI/dV = – I/V

2-2 طراحی نیروگاه پیل سوختی:

در کنار پنل های خورشیدی در این نیروگاه مجازی از منبع تولید انرژی تجدید پذیر دیگری نیز استفاده می‌شود تا با تولید پراکنده انرژی بتوان به صورت غیر متمرکز نیاز شبکه را تأمین نمود.

یک واحد نیروگاهی به‌تنهایی نمی‌تواند بار کل سیستم انرژی را تأمین کند. اما با پیوستن تولیدکنندگان انرژی‌های تجدیدپذیر می‌توان تغییری جدی ایجاد کرد.

پیل سوختی را می‌توان منبع انرژی مفیدی در ساخت یک نیروگاه مجازی دانست، یکی از منابع تولید انرژی تجدید پذیر که نسبتاً جدید محسوب می‌شود. پیل‌های سوختی دستگاه‌های الکتروشیمیایی هستند که انرژی شیمیایی یک سوخت را بدون عمل احتراق به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. سوخت‌های متعارف به کار رفته در سلول‌های سوختی عبارتند از گاز هیدروژن، متانول، اتانول و … که با هوا (ترجیحاً اکسیژن) به عنوان اکسید کننده به صورت الکتروشیمیایی وارد فعل و انفعال شده و تا زمانی که سوخت و اکسیدان وجود دارد انرژی الکتریکی به صورت جریان مستقیم تولید می‌شود. در اینجا از گاز هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌گردد[6].

پیل سوختی یک سل الکتروشیمیایی است که در آن انرژی شیمیایی سوخت و اکسید کننده، مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. ساختار کلی یک پیل سوختی از یک لایه الکترولیت که در دو طرف آن الکترودهای آند و کاتد متخلخل قرار گرفته، تشکیل شده است. در یک پیل سوختی، سوخت به صورت پیوسته در سمت آند (الکترود منفی) و اکسید کننده در سمت کاتد (الکترود مثبت) تغذیه می‌شود. سوخت و اکسید کننده گازی بر روی آند و کاتد متخلخل در مجاورت الکترولیت با انجام واکنش اکسیداسیون و احیاء، انرژی الکتریکی تولید می‌کنند. در پیل‌های سوختی معمولاً هیدروژن گازی به عنوان سوخت و اکسیژن یا هوا به عنوان اکسید کننده مصرف می‌شوند [6]. در شکل 2 نحوه عملکرد یک پیل سوختی نمایش داده شده است.

برای ساخت این پیل‌های سوختی به عنوان بخش کوچکی از تولید انرژی در نیروگاه مجازی از یک پشته (stack) پیل سوختی با ظرفیت 65 کیلو وات و با ولتاژ 45 ولت DC استفاده شده و توان تولید شده توسط آن در مدت یک روز در شکل 5 نمایش داده شده.

در شبیه سازی در برنامه  متلب از یک بلوک پیل سوختی با ظرفیت گفته شده استفاده کردیم و همچنین برای رگوله کردن ولتاژ و جریان خروجی آن از بلوک‌های flow rate regulator و flow rate selector در طراحی بهره بردیم که با کمک این دو بلوک میزان جریان سوخت ورودی به پیل سوختی که در اینجا هیدروژن است مشخص می‌گردد [7].

ولتاژ خروجی از پیل سوختی وارد بلوک مبدل بوستdc-dc می‌شود. کاربرد این مبدل تغییر سطح ولتاژ جریان dc ورودی است که در اینجا ولتاژ45 ولت با استفاده از این مبدل به 1400 ولت خواهد رسید. و در ادامه با اندازه گیری ولتاژ و جریان این توان تولید شده به شبکه تزریق می‌شود.

با توجه به شکل 5 که یک شمای کلی از طراحی این نیروگاه می‌باشد توان تولید شده توسط دو منبع گفته شده به صورت موازی به هم متصل شده‌اند و هم پتانسیل می‌شوند، سپس با استفاده از بلوک Universal Bridge که یک سیستم کلید زنی با ترکیب IGBT-Diode می‌باشد ولتاژ dc را به ولتاژ سه فاز ac تبدیل می‌کند و بعد از آن از یک فیلتر RL با خازن کوپلاژ برای بهینه کردن ولتاژ تولیدی بهره برده‌ایم، به گونه‌ای که اجازه نفوذ ولتاژdc به شبکه را ندهیم.

3- نتایج شبیه سازی

برای پاسخ به تقاضای برق شبکه بیمارستانی شرح داده شده، نیاز است تا به بررسی عملکرد این نیروگاه مجازی در ساعات آفتابی و ساعات بدون وجود نور خورشید پرداخته شود.

3-1پاسخ به تقاضا در ساعات آفتابی:

در موقعیت مکانی مورد نظر ساعت طلوع آفتاب حدود 7صبح و غروب خورشید ساعت 19 است. در این مدت منحنی بار در (شکل6-الف) آورده شده، در این 12ساعت نیروگاه خورشیدی تولید توان انجام می‌دهد که در (شکل6-ب) نمایش داده شده در این مدت بانک باتری در حال شارژ و ذخیره انرژی مازاد نیروگاه فوتوولتائییک است و به همراه بیمارستان به عنوان مصرف کننده در نظر گرفته می‌شود و همچنین نیروگاه پیل سوختی با تولید توان متوسط 65 کیلو وات در تمام ساعات روز تولید کننده دیگری است که نیاز توان شبکه را تأمین می‌کند (شکل7-ب).

انرژی مورد نیاز بیماستان برای این 12 ساعت به صورت تقریبی برابر9.5 مگاوات ساعت است که 9 مگاوات ساعت آن توسط نیروگاه خورشیدی و 500 کیلو وات ساعت دیگر آن را پیل سوختی (پیل سوختی به صورت میانگین در هر ساعت 700 کیلو وات توان تولید می‌کند ولی با توجه به تقریبی بودن مقادیر برای بررسی ساده‌تر و امکان افت تولید در ساعت‌هایی از شبانه روز این مقدار 500 کیلو وات در نظر گرفته شده) تأمین می‌کند، در همین مدت مابقی انرژی تولیدی توسط نیروگاه خورشیدی که 6 مگاوات ساعت است در بانک باتری مطابق شکل6-ب ذخیره می‌گردد.

پیک مصرف بار بیمارستان در این مدت 900 کیلو وات است که با توجه به منحنی تولید توان نیروگاه خورشیدی شکل 11-الف و پیل سوختی شکل 11-پ کاملاً پوشش داده می‌شود.

3-2 در ساعات عدم وجود نور خورشید:

بعد از غروب آفتاب تا زمان طلوع دوباره خورشید که از ساعت19 تا 7در نظر گرفته شده تولید توان نیروگاه خورشیدی کاملاً متوقف می‌گردد و باتری و پیل سوختی وظیفه تأمین بار شبکه بیمارستانی را بر عهده دارند. با توجه به منحنی انرژی مصرفی بیمارستان شکل 8 میزان انرژی مورد نیاز در طول این  12ساعت 6.5 مگاوات ساعت است که 0.5 مگاوات ساعت آن را پیل سوختی و 6 مگا وات ساعت دیگر از انرژی ذخیره شده در باتری تأمین می‌گردد شکل 7-الف

در این مدت پیک مصرف بار در حدود 490 کیلو وات است که با توجه به توان مبدل دو طرفه متصل شده به بأس DC که 500 کیلو وات و ظرفیت پیل سوختی که 65 کیلو وات می‌باشد مطابق شکل  11 پ و ت کاملاً پوشش داده می‌شود.

4- جمع بندی و نتایج:

بعد از بررسی میزان تقاضای بار و انرژی تولید شده توسط نیروگاه، نمودارهای خروجی برنامه متلب به صورت شکل‌های 10 قابل مشاهده است:

۵- نتیجه گیری:

در این مقاله با استفاده از دو انرژی تجدید پذیر خورشیدی و پیل سوختی به عنوان تولید کننده انرژی الکتریکی و بانک باتری به عنوان ذخیره ساز و تأمین کننده انرژی در ساعاتی از روز که نیروگاه خورشیدی توانی تولید نمی‌کند و یک بیمارستان به عنوان بار اصلی در کنار یکدیگر یک نیروگاه مجازی طراحی گردید که هدف آن تأمین تقاضای بار بیمارستان در زمان جزیره‌ای شدن شبکه برق بیمارستانی بدون نیاز به استفاده از برق شبکه بود. با کمک اندازه گیری و مشاهده توان تولیدی در کنار بار شبکه  این سیستم طراحی شده است که در شکل 11 شماتیک کلی آن مشاهده می‌گردد و در نهایت مشاهده می‌شود با استفاده از این منابع انرژی مطابق نمودارهای شکل 10 می‌توان تقاضای بیمارستان در تمامی ساعات روز را پوشش داد.این نیروگاه مجازی همچنین قادر خواهد بود انرژی مازاد تولید شده توسط نیروگاه را در زمان اتصال نرمال به شبکه تحویل می‌دهد که تا حدود زیادی از هزینه‌های انرژی مصرفی بیمارستان می‌کاهد.

منابع:

[1] Mizuno Y, Baba T, Tanaka Y, Kurokawa F, Tanaka M, Colak I, Matsui N. A new load prediction method and management of distributed power system in island mode of a large hospital. In2018 7th International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA) 2018 Oct 14 (pp. 1215-1220). IEEE.

[2] Romero M, Marcos MJ, Téllez FM, Blanco M, Fernández V, Baonza F, Berger S. Distributed power from solar tower systems: A MIUS approach. Solar Energy. 1999 Jan 1;67(4-6):249-64.

[3] Baba T, Mizuno Y, Fujio K, Tanaka Y, Matsui N. Evaluation of an Island operation method smart grid using a power emulation system. In2018 International Conference on Smart Grid (icSmartGrid) 2018 Dec 4 (pp. 98-101). IEEE.

[4] Zhang X, Jiang Y, Sugimoto S. Seismic damage assessment of mountain tunnel: A case study on the Tawarayama tunnel due to the 2016 Kumamoto Earthquake. Tunnelling and underground space technology. 2018 Jan 1;71:138-48.

[5] Iqbal MM, Islam K. Design and simulation of a PV System with battery storage using bidirectional DC-DC converter using Matlab Simulink. International Journal of scientific & Technology research. 2017 Jul;6(07):403-10.

[6] Maanavi M, Najafi A, Godina R, Mahmoudian M, MG Rodrigues E. Energy management of virtual power plant considering distributed generation sizing and pricing. applied sciences. 2019 Jul 15;9(14):2817.