SUPERVISOR
Akbar Ebrahimi
اکبر ابراهیمی (استاد راهنما)
STUDENT
Ali Eslami moshkenani
علی اسلامی مشکنانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Comprehensive reliability model of very large-scale wind farms for generation adequacy assessment of power systems
The consistently growing usage of wind power resources and the replacement of conventional thermal power plants with large-scale wind farms has a considerable impact on power system reliability and its generation adequacy. This impact is due to the intermittent and variable nature of the wind speed which causes a very changing, transient and random power generation by the wind turbines.One of the most commonly used methods for modeling the reliability of power systems, including wind farms, is the Markov method. The main advantage of this method is its ability to model the repairable systems and to consider the failure and repair rates of the system components, but, with increasing number of system elements, the number of model states increases exponentially. So, it has a heavy computing burden such that the modeling of systems having more than a certain number of components is impossible. On the other hand, the use of the Universal Generating Function method has also been proposed in recent years to model the reliability of wind farms in large dimensions, but the model derived from this method is limited to the evaluation of probabilistic reliability indices such as loss of load probability, loss of load expectation and expected energy not supplied and so on, and it is not capable for evaluation of the frequency-based reliability indices. However, in the high penetration of wind power, evaluation of the frequency-based indices is of particular importance.In this study, in order to assess the generation adequacy of the power system, a new analytical method based on the development of the Universal Generating Function (UGF) is proposed to model the reliability of large-scale wind farms that addresses both the problem posed by the above methods and provides a comprehensive model for estimating the probability and frequency indices of generation adequacy in the presence of very large wind farms. This method is called Comprehensive Universal Generating Function (CUGF). In the proposed method, effective factors in modeling the reliability of wind farms such as wind speed variations, the correlation between wind speed and turbines output power, and forced outage rate (FOR) of turbines are separately modeled and then combined together. Thus, a comprehensive vector function for conducting different analyzes is obtained. In this way, if the number of turbines increases, the number of model states does not increase exponentially. In addition, the lower number of states in the proposed method reduces the computational burden, and subsequently increases the computational speed. By the proposed method, the states probability and transition rates between states are simultaneously modeled in the reliability vector function of the generation system and resolves the major drawback of the UGF method in evaluation of the system frequency indices. In order to demonstrate the performance and effectiveness of the proposed method, sample wind farms are modeled in a variety of sizes, from small to very large, by the proposed method and compared with the Markov model for the number of states, computational burden and efficiency. Then, by adding some of these sample wind farms to the RBTS and IEEE-RTS test systems, and using their constructed models by the CUGF, different probability and frequency based indices of these systems are evaluated, analyzed and compared with the existing reports. Keywords: 1- reliability modeling 2- generation system adequacy 3- very large-scale wind farms 4- Universal Generating Function (UGF) 5- Markov model.
استفادهی روزافزون و گسترده از منابع تولید بادی و جایگزین شدن مزارع بادی بزرگ با نیروگاههای حرارتی متداول، تأثیر قابلتوجهی بر قابلیت اطمینان و شاخصهای کفایت تولید در سیستم قدرت دارد. علت اصلی این تأثیر، وابسته بودن توان الکتریکی تولیدی توربینهای بادی بهسرعت باد است که دارای ماهیتی بسیار متغیر، گذرا و تصادفی است.یکی از شیوههای بسیار متداول در مدلسازی قابلیت اطمینان سیستم قدرت شامل مزارع بادی، روش مارکوف است. مزیت اصلی شیوهی مارکوف، توانایی در مدل کردن سیستمهای تعمیر پذیر و در نظر گرفتن نرخهای خطا و تعمیر اجزای سیستم است؛ اما در این روش، با افزایش تعداد عناصر سیستم، تعداد حالتهای مدل بهصورت نمایی افزایش مییابد و درنتیجه بار محاسباتی بهشدت سنگین و پس از حد معینی، مدلسازی ناممکن میگردد. از طرف دیگر، استفاده از روش تابع مولد فراگیر نیز اخیراً برای مدلسازی قابلیت اطمینان مزارع بادی در ابعاد بزرگ ارائهشده و در حل مشکل بعد داری آن تا حدود زیادی موفق بوده است؛ اما مدل بهدستآمده از این روش، تنها به برآورد شاخصهای مبتنی بر احتمال مانند احتمال عدم تأمین بار، مدتزمان انتظاری عدم تأمین بار و انرژی تأمین نشده انتظاری میپردازد و برای محاسبهی شاخصهای مبتنی بر فرکانس سیستم قدرت کارایی ندارد. این در حالی است که در سیستم قدرت، هنگامیکه سهم قابلتوجهی از انرژی الکتریکی موردنیاز توسط واحدهای بادی تأمین میشود، برآورد شاخصهای فرکانسی از اهمیت ویژه و ضرورت خاصی برخوردار است.در این تحقیق، بهمنظور ارزیابی کفایت تولید در سیستم قدرت، شیوهی تحلیلی جدیدی بر مبنای توسعهی روش تابع مولد فراگیر، برای مدلسازی قابلیت اطمینان مزارع بادی پیشنهاد میشود که هردو مشکل مطرحشده در روشهای مذکور را برطرف و مدل جامعی برای برآورد شاخصهای احتمالی و فرکانسی کفایت تولید در حضور مزارع بادی بسیار بزرگ ارائه مینماید. در این روش که تابع مولد فراگیر جامع (CUGF) نامگذاری میشود، عوامل مؤثر در مدلسازی قابلیت اطمینان مزارع بادی مانند تغییرات سرعت باد، همبستگی میان سرعت باد و توان خروجی توربینها و نرخ خروج اجباری توربینها بهصورت جداگانه مدلسازی و سپس باهم ترکیب میشوند و بهاینترتیب تابع برداری جامعی برای انجام تحلیلهای مختلف به دست میآید. در این شیوه، در صورت زیادشدن تعداد توربینها، تعداد حالتهای مدل بهصورت نمایی افزایش نمییابد؛ بنابراین، کمتر بودن تعداد حالتها باعث کاهش حجم و افزایش سرعت محاسبات میشود. همچنین، با توجه به اینکه روش CUGF همزمان با احتمال حالتها، نرخ انتقال میان حالتها را نیز در تابع برداری قابلیت اطمینان سیستم تولید مدل میکند، نقص عمدهی روش تابع مولد فراگیر را که عدم توانایی در محاسبهی شاخصهای فرکانسی است، بهخوبی برطرف مینماید. بهمنظور نشان دادن تواناییهای روش پیشنهادی در مدلسازی مزارع بادی، مدل مزارع بادی نمونهای در اندازههای مختلف از کوچک تا بسیار بزرگ تشکیل و ازنظر تعداد حالتها، بار محاسباتی و کارایی با روش مارکوف مقایسه میشود. همچنین با اضافه کردن مزارع بادی مذکور به سیستمهای تست استاندارد RBTS و IEEE-RTS و با استفاده از مدلهای ساختهشدهی آنها به رو ش CUGF ، شاخصهای احتمالی و فرکانسی مختلف برای ارزیابی کفایت تولید این سیستمها برآورد، تحلیل و با گزارشهای موجود مقایسه میگردد. واژههای کلیدی: 1- مدلسازی قابلیت اطمینان 2- کفایت سیستم تولید 3- مزارع بادی بسیار بزرگ 4- تابع مولد فراگیر 5- روش مارکوف