پایان نامه ارشد کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق الکترونیک گرایش قدرت:کنترل …

صورتی که حلقه داخلی جریان کنترل می نماید. خروجی این سطح توان تنظیم شده ی  و  می باشد. تحت این کنترل، زمانی که ولتاژ آرایه خورشیدی  دقیقا برابر با ولتاژ رفرنس  باشد، توان تزریقی به شبکه  نیز برابر با مقدار تعیین شده آن می باشد. یعنی با تعیین ولتاژ رفرنس  و اعمال آن به این سطح کنترلی توان خروجی اینورتر متناسب با مقدار خواسته شده خواهد بود.
با فرض اینکه مدل دقیق منحنی  آرایه ی خورشیدی نامعلوم است، وظیفه اصلی سطح ۲ کنترلی یافتن  متناسب با  در شرایطی است که  کوچکتر از ماکزیموم توان موجود و قابل دسترسی توسط MPPT،  باشد (حالت کنترل دروپ) و همچنین یافتن  به گونه ای متناسب با  در شرایطی است که  بزرگتر از ماکزیموم توان موجود و قابل دسترسی توسط MPPT،  باشد (حالت MPPT). ورودی سطح ۲ کنترلی، ،  و  می باشد.
کنترل فرکانس در سطح ۳ کنترلی قسمت اعظم طرح کنترلی به کار رفته را مشخّص می کند. سیستم خورشیدی حاضر در حالت کنترل دروپ مورد بهره برداری قرار می گیرد و در صورت نیاز می تواند به حالت کنترل اضطراری وارد شود.
لازم به ذکر است، در اینجا به طور خاص با توجّه به زاویه دید این تحقیق تنها حالت کنترلی دروپ مورد توجّه قرار دارد. ورودی سطح ۳ کنترلی، تغییرات فرکانس سیستم  و خروجی آن  برای سطح ۲ کنترلی خواهد بود.
طرح کنترلی بیان شده می تواند بر روی انواع سیستم های خورشیدی با توپولوژی های مختلف اینورتر در سطح ۱ کنترلی مورد استفاده قرار گیرد. تاثیر استفاده از طرح کنترلی پیشنهادی به شدّت وابسته به شرایط بهره برداری سیستم های خورشیدی نظیر تابش خورشید و دما است [۲۹]. 

۳-۳-۶- الگوریتم سطح ۲ کنترلی برای کنترل توان اکتیو

برای رسیدن به مشخّصات مطلوب تنظیم فرکانس، کنترل سطح ۲ می بایست دو خصیصه مهّم را برآورده سازد:

  1. توان اکتیو تزریق شده به شبکه وسیله سیستم خورشیدی رفرنس توان تولیدی تعیین شده را به سرعت دنبال کند.
  2. بتوان توان اکتیو را در رنج نسبتاً وسیعی تغییر داد (برای مثال از ۰ تا بیشینه توان قابل تولید(MPPT) ).

در الگوریتم های پیشین که از حبس تولید (Curtailment) استفاده کردند، سیستم های خورشیدی تنها در بخش چپ منحنی  مورد استفاده قرار می گرفتند [۶۰] و [۶۱]. در نتیجه پاسخ نه چندان سریع به رفرنس توان بدنبال داشتند. با انتخاب نقاط کاری سمت راست نقطه ماکزیموم توان در منحنی  جهت انتخاب نقطه کار، سرعت دنبال کردن رفرنس توان نسبتا افزایش می یابد. در [۲۹] الگوریتمی مبتنی بر درونیابی درجه دوم نیوتون برای رسیدن به نقطه کار جدیدی که به عنوان رفرنس توان مد نظر قرار دارد به کار گرفته شد. اساس کار این الگوریتم استفاده از فرآیندی تکراری برای تعیین ولتاژ لازم برای آرایه خورشیدی است، به نحوی که در این ولتاژ آرایه خورشیدی رفرنس توان را تولید کند. برای مثال این الگوریتم می تواند با چند تکرار ولتاژ  متناظر با  در زمانی که  می باشد و یا تعیین  هنگامی که  باشد را در زمان کوتاهی تعیین کند.
سطح ۳ کنترلی دینامیک سریعی دارد و در قیاس با دینامیک باقی اجزا در مطالعات کنترل خودکار تولید (دینامیک میان مدت)، قابل صرفنظر کردن است.

۳-۳-۷- حالت کنترلی دروپ برای سیستم های خورشیدی

کنترل دروپ فرکانس، تکنیکی شناخته شده برای تنظیم فرکانس سیستم قدرت به حساب می آید. توان خروجی اکتیو یک ژنراتور سنکرون  متناسب با تغییرات فرکانس سیستم قابل تنظیم است. خصوصاً اینکه تنظیمات به گونه ای انجام می شود که توان اکتیو نامی در فرکانس نامی تولید گردد. اگر فرکانس سیستم کمتر از مقدار نامی گردد، نشان می دهد  بیشتر از مقدار نامی است و بالعکس.
در این بخش، اِعمال ساختار کنترل دروپ فرکانس بر سیستم های خورشیدی شرح و بسط داده می شود. اما در اینجا دو محدودیت عمده در قیاس با کنترل دروپ ژنراتورهای سنکرون وجود دارد:

  1. عدم کنترل بر منابع توان اولیّه، محدودیتی سنگین بر حد بالای تولید در توان تزریقی به شبکه اِعمال می کند.
  2. ماکزیموم توان قابل بهره برداری از تولید خورشیدی، همانطور که در مدلسازی تولید خورشیدی عنوان شد، به شدّت تحت تاثیر شدّت تابش خورشید و دما است. در نتیجه در بکار بستن کنترل دروپ باید توجه داشت که می بایست منحنی دروپ فرکانس را با نقاط کاری متنوعی تطبیق داد.

بر اساس ویژگی های بیان شده، می توان تابعی توصیف نمود که خروجی رفرنس توان اکتیو را با فرکانس سیستم ارتباط می دهد:

(۳-۲۳)

که در آن  و  شرایط نامی بهره برداری شبکه است. رابطه ۳-۲۳ بیان می دارد بدون احتساب محدودیت حداکثر تولید،  می تواند به صورت  محاسبه گردد. این فرم مشابه محاسباتی است که برای ژنراتورهای سنکرون نیز انجام می شود [2]. زمانی که  به سقف مجاز تولید می رسد، مقدار  به آن اختصاص می یابد و قابلیّت تنظیم فرکانس را نیز از دست می دهد. در منحنی دروپ فرکانس نشان داده شده در شکل ۳-۱۶، خطوط عمودی و افقی به ترتیب، مشخّصه دروپ را در حضور و عدم حضور سقف مجاز تولید  نشان می دهد.
فرکانس بحرانی فرکانسی است که در آن  با  برابر خواهد شد:

(۳-۲۴)

به طور خاص، سیستم خورشیدی توان ماکزیموم  را زمانی تولید می کند که فرکانس شبکه  کمتر از فرکانس بحرانی  بوده و زمانی که فرکانس سیستم  بالاتر از فرکانس بحرانی  باشد، میزان مشخّصی از تولید را حبس می نماید. به صورت مشخّص می توان عنوان کرد که میزان توان باقیمانده برای رسیدن به ماکزیموم توان تولید فرکانس بحرانی  منحنی دروپ را تعیین می کند.
به منظور به کار بردن طرح کنترلی دروپ برای تولید خورشیدی شکل ۳-۱۵ تهیه شده است.
شکل ۳- ۱۵ دیاگرام کنترل دروپ فرکانس
همانطور که در شکل ۳-۱۵ مشخص است مشابه ساختار مشخصه دروپ گاورنر ماشین های سنکرون ، ابتدا میزان خطای فرکانس از انتگرال گیر ی گذشته و سپس توسط  تقویت می شود. خروجی این واحد، میزان تغییر توان خروجی واحد را تعیین می کند [2]. در سیستم دروپی که برای واحد خورشیدی در نظر گرفته می شود، خروجی سیستم گاورنر، رفرنس توان سطح ۲ کنترلی است. دینامیک کنترلر توان اکتیو را می توان به صورت تابع تبدیل درجه اول خطی با ثابت زمانی  و نرخ محدودیت تولید در نظر گرفت [۶۲]. محدودیت تولید را ظرفیت تولید واحد خورشیدی  تعیین می کند. در این مطالعه  ثانیه و ضریب تقویت سیگنال  برابر با ۱۰۰، در نظر گرفته شده است [29].
زمانی که  به بار  متصل شده است، واحد خورشیدی تحت حالت کنترل دروپ مورد بهره برداری قرار می گیرد. در این حال، مشخصّات کنترل دروپ مستقیماً تحت تاثیر دینامیک واحد خورشیدی قرار می گیرد:

  1. در اینجا باید توجّه داشت که ضریب باید مطابق با کد شبکه و قابلیّت کلی در تنظیم فرکانس، مطابقت داشته باشد. در سیستم تحت بررسی حاضر  در نظر گرفته می شود (شکل۳-۱۶).

شکل ۳- ۱۶ کنترل دروپ حالت ماندگار سیستم خورشیدی

  1. معمولا را شرایط کاری شبکه مشخّص می کند. زمانی که مقدار بالایی به خود می گیرد فرکانس شدیدا افت کند، تولید خورشیدی نمی تواند در کنترل فرکانس مشارکت داشته باشد. در صورتیکه با مقدار کمتری از ، قابلیّت تنظیم فرکانس واحد خورشیدی افزایش می یابد. در این حالت تأمین پشتیبانی قابلیّت تنظیم فرکانس واحد خورشیدی در شبکه به قیمت قربانی کردن توانی است که با تابش شدید خورشید قابل استحصال می باشد. به عبارت دیگر، موازنه ای بین مزایای اقتصادی و ظرفیت پشتیبانیِ فرکانس صورت می پذیرد. در حقیقت، سهم تولید خورشیدی در شبکه، باید با توجّه به الگو های بار و اغتشاشات احتمالی و همچنین قابلیّت مورد انتظار پشتیبانی فرکانس تعیین گردد. برای مثال در یک سیستم ایزوله کوچک با ضریب نفوذ بالای تولید خورشید، مجموع ظرفیت تنظیم فرکانس شبکه ضعیف است. در نتیجه برای سیستم خورشیدی الزامی است با نقطه بارگذاری پایین تر پشتیبانی فرکانسی بیشتری را تأمین نماید.
  2. زمانی که فرکانس شبکه به پایین تر از فرکانس بحرانی نزول می کند،  ممکن است به بالاتر از  ارتقا یافته و مقداری را اختیار نماید که غیر قابل تأمین است. در این حال زمان نسبتا زیادی لازم است تا  به میزان  باز گردد. از این رو، اکتواتور های اشباع اختیار کار را به دست می گیرند و طرح های Anti-Windup پیاده سازی گردند [63].

لازم به ذکر است طرح های Anti-Windup زمانی فعّال می شوند که تولید خورشیدی به اشباع رفته باشد. در شبیه سازی انجام شده نقطه کار به گونه ای انتخاب شده که اشباعی در تولید اتفاق نیفتد.
در نهایت می توان بلوک دیاگرام سیستم کنترلی پیشنهادی برای مشارکت واحد خورشیدی در کنترل فرکانس را مطابق دیاگرام داخل خط چین شکل ۳-۱۷ نشان داد:
شکل ۳- ۱۷ ساختمان کنترل دروپ پیشنهادی برای سیستم خورشیدی

۳-۴- استفاده از ذخیره ساز های انرژی در سیستم قدرت

سیستم های ذخیره ساز انرژی باتری می تواند راه حل های گوناگونی را برای ارتقای کیفیت توان سیستم های تولید توان متشکّل از منابع تجدیدپذیر معرفی کند [۶۴] [۶۵]. از آنجا که سیستم ذخیره ساز باتری قابلیّت جبران سازی توان اکتیو سریعی دارد، می تواند در مسأله کنترل بار فرکانس سیستم قدرت موفق ظاهر شود. علاوه بر این ذخیره ساز باتری موجب افزایش قابلیّت اطمینان سیستم در پیک بار به حساب می آیند. با داشتن دینامیک مناسب از ذخیره سازهای باتری می توان در زمینه های مختلفی چون سطح بندی بار، رزرو سیستم، پایدارسازهای توان خطوط بلند، تنظیم فرکانس سیستم اصلاح ضریب توان و غیره نام برد. بعضی از نمونه های موفّق استفاده از ذخیره ساز باتری را واحد ذخیره ساز ۱۷ مگاواتی برلین [۶۶] و ۱۰ مگاوات/۴۰مگاوات-ساعتی واحد چینو واقع در جنوب شرقی کالیفرنیا [۶۷] دانست.

۳-۴-۱- مدل ذخیره ساز باتری

مدار معادل واحد BES را می توان به صورت مبدل متصل به یک باتری معادل همانند شکل ۳-۱۸ در نظر گرفت.
شکل ۳- ۱۸ بلوک دیاگرام مدل خطی ذخیره ساز باتری [۳۰]
در مدار معادل باتری،  زاویه آتش مبدّل،  راکتانس جابجاسازی،  جریان DC باتری،  مقاومت اضافه ولتاژ،  ظرفیت خازن اضافه ولتاژ    ولتاژ مدار باز باتری،  اضافه ولتاژ باتری،  مقاومت اتصالی و  مقاومت داخلی باتری،  مقاومت تخلیه خودی باتری و  ظرفیت خازنی باتری را نشان می دهد. ولتاژ DC ماکزیموم بی باری مبدل ۱۲ پالسه همانطور که در رابطه ۳-۲۵ آمده، با  نشان داده شده است:

(۳-۲۵)

که در آن  ولتاژ rms خط می باشد. جریان DC تأمینی باتری بوسیله معادله ۳-۲۶ بیان می شود:

(۳-۲۶)

بر اساس بررسی مدل مداری مبدل، توان اکتیو و راکتیو جذب شده واحد BES بوسیله معادلات۳-۲۷  و ۳-۲۸ بیان می شود:

(۳-۲۷)
(۳-۲۸)

که در آن  و  زاویه آتش مبدل شماره ۱ و شماره ۲ به کار رفته در مدل BES می باشد.
در مطالعات کنترل بار فرکانس عملکرد واحد BES را می توان به صورت یک تابع تبدیل درجه اول به فرم زیر و به همراه یک محدود کننده جهت محدود سازی توان تزریقی(مشخص کننده توان نصب شده ذخیره ساز در ناحیه) ، تقریب زد [64]:

(۳-۲۹)

که در آن  تغییرات فرکانس،  خروجی توان واحد BES،  بهره واحد تولیدی و  ثابت زمانی واحد BES می باشد،  و .

۳-۵- الگوریتم بهینه سازی نوسان ذرات

کنترل خودکار تولید با بازگرداندن فرکانس شبکه و توان انتقالی خطوط به مقدار نامی و برنامه ریزی شده در پی بروز اغتشاشی در بار، نقشی مهّم در سیستم های قدرت بر عهده دارند.
پس از بروز انحرافی در بار، برای از بین بردن انحراف ماندگار فرکانس شبکه و باز گرداندن آن به مقدار نامی، حلقه کنترل فرکانس ثانویه می بایست با بهره هایی بهینه، پاسخگوی این نیاز باشند. در این مرحله، بهره های کنترلر انتگرال گیر حلقه ثانویه توسط تکنیک بهینه سازی نوسان ذرات بهینه شده اند.
این الگوریتم در ابتدا توسط کندی [68]معرفی شد. با استفاده از این تکنیک پاسخ های با کیفیتی با خصوصیات همگرایی پایدار در زمانی کمتر فراهم می شود. این تکنیک از ذراتی استفاده می کند که نماینده پاسخ های بالقوه برای مسئله به حساب می آیند. تمام ذرات با سرعت معینی در فضای جستجو به حرکت در می آیند. موقعیت ذره  ام  نام دارد و سرعت این ذره در تکرار  به صورت زیر تعریف می شوند:

(۳-۳۰)
(۳-۳۱)

که در آن  تکرار،  تعداد ذرات،  وزن لختی است که به صورت خطی با روند تکرار الگوریتم کاهش می یابد،  و  ثابت های مکان،  و  شماره هایی تصادفی که به صورت یکنواخت از ۰ تا ۱ انتخاب می شوند،  تکرار الگوریتم،  بهترین موقعیت قبلی ذره  ام و  موقعیت بهترین ذره است. در هر تکرار پاسخ بهینه در سلول  جایگذاری می گردد. با ادامه روند بهینه سازی و در انتهای تکرار ها  پاسخ مسئله خواهد بود. شکل ۳-۱۹روند اجرای الگوریتم را نشان می دهد.

مقدار دهی اولیّه 
تکرار 
 محاسبه مقدار برازندگی ذرات
 مقایسه مقادیر برازندگی با  و
 تغییر سرعت و موقعیت ذرات متناسب با معادلات ۳-۲۹ و  3-30
پایان ( مرز همگرایی یا بیشینه تعداد تکرار) 

شکل ۳- ۱۹روند اجرایی تکنیک PSO

۳-۶- شبکه ترکیبی

با توجه به برنامه های کنترلی پیشنهادی جهت مشارکت تولیدات بادی و خورشیدی و همچنین ذخیره سازها در کنترل فرکانس، میتوان مدل کنترل بار فرکانس سیستم دو ناحیه ای قدرت شکل۲-۸ را در حضور منابع انرژی تجدیدپذیر و ذخیره سازی باتری به صورت شکل ۳-۲۰ به روز کرد.
شکل ۳- ۲۰ بلوک دیاگرام سیستم دو ناحیه ای قدرت در حضور مزرعه بادی DFIG و مزرعه خورشیدی و ذخیره ساز باتری
در این شکل تولیدات بادی در ناحیه ۱ مستقر شده و با استفاده از سیگنال ورودی تغییرات فرکانس در کنترل فرکانس شرکت داده می شود. تولیدات خورشیدی نیز در ناحیه ۲ نصب شده و با تغییرات فرکانس ناحیه ۲ در کنترل فرکانس شرکت دارند. علاوه بر این دو ذخیره ساز های نصب شده در دو نو ناحیه نیز متناسب با حجم نصب شده در ناحیه ظرفیت جدیدی برای مشارکت در کنترل اولیّه فرکانس پدید می آورند.

۳-۷- جمع بندی

در این فصل ابتدا تاثیرات ورود تولید بادی DFIG به شبکه دو ناحیه ای قدرت مدل شد. نشان داده شد که جایگزینی تولید بادی به جای تولید متداول به معنای کاهش لختی و توانایی تنظیم فرکانس شبکه خواهد بود. در ادامه با استفاده از مدل توربین بادی ۳.۶ مگاواتی جنرال الکتریک، ایده استفاده از انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین بادی مورد توجه قرار گرفت کنترلری جهت استخراج این انرژی و معنا بخشیدن به مفهوم لختی توربین بادی عنوان شد. در کنترلر پیشنهادی با بروز انحرافی در فرکانس، این تابع کنترلی فعال شده و توان اکتیو کوتاه مدتی را برای شبکه از طریق جذب انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین تا رسیدن سرعت پره به مرز پایینی سرعت مجاز تأمین می کند. این توان موقت علاوه بر سطح توان تولیدی بادی است. این توان اکتیو موقت با مقدار تغییرات فرکانس و همچنین نرخ تغییرات فرکانس سیستم متناسب است. پس از رسیدن فرکانس به سطحی قابل قبول و یا رسیدن سرعت چرخش روتور توربین بادی به سرعت کمینه، این حلقه کنترلی غیر فعال می شود.
در ادامه سیستم کنترلی جدید برای سیستم خورشیدی در شبکه دو ناحیه ای قدرت مورد استفاده قرار گرفت. طرح کنترلی پیشنهاد شده برای استفاده از تولید خورشیدی در سیستم دو ناحیه ای قدرت در نظر گرفتن سطحی بین ۰ تا مقدار بیشینه توان قابل تأمین از طرف تولید خورشیدی به صورتی که ظرفیت مازادی در دسترس بوده باشد. برای این ظرفیت رزرو سیستمی مشابه سیستم دروپ واحد های تولید متداول عنوان شد. متناسب با تغییرات فرکانس و ثابت دروپ سیستم خورشیدی، خروجی واحد خورشیدی تغییر می کند. این تغییر توان متناسب با اعمال ولتاژ مشخصی به اینورتر ها و قسمت الکترونیک قدرت شبکه است. این بخش با یک تابع تبدیل درجه اول با ثابت زمانی نسبتاً کوچکی مدل شد. کنترلر پیشنهادی متناسب با تغییرات فرکانس و ضریب نفوذ تولید بادی در کنترل فرکانس اولیّه شرکت می کند.
در ادامه ساختار داخلی ذخیره ساز باتری به اختصار بیان شد. مدلی جهت شرکت ذخیره ساز باتری در کنترل فرکانس عنوان شد. جهت بهینه سازی پارامتر های سیستم قدرت از الگوریتم هوشمند بهینه سازی ازدحام ذرات استفاده می شود. قواعد حاکم بر این تکنیک بیان شد. در انتها با توجه به نکات مطروحه در باب مشارکت تولیدات بادی و خورشیدی در کنترل اولیّه فرکانس و حضور ذخیره سازها، مدل سیستم قدرت به روز شد. در فصل آینده با توجه به مدل کنترلی بیان شده نتایج شبیه سازی بیان می گردد.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

فصل چهارم: شبیه سازی و ارائه نتایج

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

۴-۱- مقدمه

در این فصل با توجّه به حضور تولیدات انرژی تجدیدپذیر در شبکه،  پاسخ دینامیکی شبکه در حضور ضریب مشخّصی از تولید بادی و یا تولید خورشیدی و یا هر دو همزمان، بدون بکار بردن برنامه های کنترلی جهت کنترل فرکانس و با بکار بردن آنها مورد مقایسه قرار می گیرند. اثر استفاده از ذخیره ساز ها در حضور همزمان تولید بادی DFIG با پشتیبانی موقّت  توان اکتیو و تولید خورشیدی با اعمال کنترلر دروپ فرکانس طی چند سناریو بررسی شده و ضریب نفوذ بهینه ای برای استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر تعیین می شود. برای داشتن پاسخ فرکانسی مطلوب و از بین بردن خطای حالت ماندگار بهره های کنترلر انتگرال گیر حلقه کنترلی ثانویه توسط الگوریتم بهینه سازی نوسان ذرات، بهینه شده و نتایج

پایان نامه ارشد کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق الکترونیک گرایش قدرت:کنترل …

، فرکانس حاصله به اندازه کافی با فرکانس های تشدید فاصله داشته باشد. هرگونه افت فرکانس سبب کاهش سرعت توربین شده و مرز مضارب سرعت با فرکانس های تشدید را کم می ‎کند. بر اثر نزدیک شدن سرعت توربین به یکی از این فرکانس های تشدید، دامنه ارتعاشات توربین افزایش می یابد و خطر بروز تشدید زیر سنکرون را افزایش می دهد [۱].

از آن جا که تغییر فرکانس شبکه نتیجه وجود عدم تعادل بین توان تولیدی و مصرفی (به اضافه ی تلفات) است، هر گونه اقدام اصلاحی تغییر سطح تولید و یا مصرف را در پی دارد. برای حفظ فرکانس شبکه راهکارهایی وجود دارند که در زیر به بعضی از آنها اشاره می شود:

  1. واحدهای آبی و یا گازی واکنش سریع که قادرند طی زمان محدودی (در چند دقیقه) وارد مدار شده و کمبود شبکه را جبران سازند.
  2. استفاده از ظرفیت آزاد نیروگاه ها (رزرو گردان) که مستلزم عملکرد صحیح سیستم کنترل سرعت توربین، موسوم به گاورنر است. ثابت زمانی پاسخ گاورنر در نیروگاه های مختلف متفاوت است. به عنوان مثال واحد های بخاری که در آن تغییر سریع فشار دیگ بخار مجاز نیست، نیازمند چند ده دقیقه زمان جهت تنظیم بارند. با عملکرد گاورنر نیروگاه های شبکه، اضافه بار متناسب با تنظیم دروپ سیستم گاورنر سرعت، بین واحد های تولیدی توزیع می شود.
  3. از آنجا که توان مصرفی شبکه به سطح ولتاژ آن وابسته است، می توان با کنترل ولتاژ شبکه ی توزیع تا حدی تقاضای بار را کنترل کرد. کاهش ولتاژ توزیع منجر به تغییر در بار خانگی می گردد. اعمال این تغییرات از طریق تغییر تپ چنجر ترانسفورماتور های شبکه میسّر است و نیازمند محدوده زمانی در حدود چند دقیقه است.
  4. یکی دیگر از راه های حفظ فرکانس سیستم، حذف بار است. حذف بار یکی از سریع ترین راه های جبران کمبود توان حقیقی در سیستم قدرت به حساب می آید. فاصله زمانی صدور فرمان حذف بار تا انجام آن بسیار محدود بوده و در واقع زمان عملکرد کلیدهای قدرت شبکه تعیین کننده سرعت عمل حذف بار است. زمان لازم برای عملکرد کلید قدرت معمولاً چند سیکل الکتریکی است. صدور فرمان می تواند به صورت دستی توسط بهره بردار شبکه و یا توسط مکانیزمی هوشمند و خودکار صادر می شود. حذف بار دستی جهت افت ماندگار فرکانس شبکه صورت می گیرد و میزان آن در حدود ۵% است. حذف بار دستی در واقع زمانی عمل می ‎کند که ذخیره گردان یا واحد های راه اندازی سریع، در کوتاه مدت قادر به جبران عامل افت فرکانس نباشند و وضعیت شبکه به حالت هشدار وارد شده باشد. در برابر حذف بار دستی از حذف بار خودکار برای حذف لااقل چند ده درصد بار شبکه در زمانی بسیار کوتاه استفاده می شود. زمان عملکرد حذف بار خودکار مجموع زمان تشخیص افت فرکانس و زمان قطع کلید قدرت است و حداکثر چند ده سیکل الکتریکی به طول می انجامد.

از میان روش های فوق، از رزرو گردان در حضور واحد کنترل فرکانس برای جبران نوسانات فرکانسی شبکه که دارای دامنه ای محدود هستند، استفاده می شود. در این حالت معمولاً تعادل توان با عملکرد گاورنر واحدهای تولیدی شبکه برقرار می شود. حذف بار دستی و کنترل ولتاژ شبکه پس از رسیدن سیستم به وضعیت پایدار مورد استفاده قرار می گیرند و به صورت عمده خطاهای ماندگار شبکه را اصلاح می کنند. حذف بار خودکار هر چند سریع ترین مکانیزم محسوب می شود اما آخرین راه حل برای پاسخ به عدم توازن توان حقیقی شبکه است. این راه حل تنها زمانی انتخاب می شود که عدم تعادل به قدری بزرگ باشد که گاورنر ها فرصت لازم برای پاسخ به آن را نداشته باشند. در این حالت فرکانس شبکه به سرعت افت می ‎کند و از محدوده ی مجاز کار دائمی خارج می شود. با رسیدن وضعیت شبکه به آستانه ی خطر، این مکانیزم سریعاً بار اضافی سیستم را حذف می ‎کند. مهّم ترین اشکال این روش آنست که هزینه ی حفظ انسجام سیستم و حفظ پایداری، قطع برق و انرژی الکتریکی و ضرر مالی منتج به آنست.
افزایش ضریب نفوذ انرژی تجدیدپذیر در سیستم قدرت شاید به معنی ارتقای عدم قطعیت ها، موانع جدید در بهره برداری و پیدایش سوال های جدید در باب چگونگی کنترل این منابع در کنار ساختار هایی مانند کنترل خودکار تولید به نظر آید. سوال مهّمی که در بدو امر نظر مخاطب را به خود معطوف می دارد این است که در صورت افزایش ضریب نفوذ منابع انرژی تجدیدپذیر در شبکه، ملزومات کنترل خودکار چگونه با شرایط جدید مطابقت داده می شوند؟
اثرات ورود این منابع با ضریب نفوذ بالا در شبکه را، باید در چهارچوب های زمانی مناسب دید. در چهارچوب های زمانی چند ثانیه تا چندین دقیقه، قابلیّت اطمینان کلی سیستم قدرت تماماً بوسیله ادوات کنترلی خودکار و سیستم های کنترلی نظیر کنترل خودکار تولید، سیستم گاورنر سرعت ژنراتور ها و سیستم های تحریک آنها، پایدارسازهای سیستم قدرت، تنظیم کننده های خودکار ولتاژ، رله ها و برنامه های حفاظتی مخصوص و سیستم های تشخیص و عملیاتی خطا در شبکه کنترل می شوند. در چهار چوب زمانی چند دقیقه تا یک هفته، بهره برداران سیستم می بایست تولید توان را به نحوی مدیریت نمایند تا با برقراری سطحی منطقی و اقتصادی از قابلیّت اطمینان، تولید نیروگاهی را با توجّه الگوی بار مصرف کنندگان و همچنین قیود عملیاتی شبکه تطبیق دهند.
واحدهای تولیدی انرژی تجدیدپذیر باید ملزومات فنی لازم جهت کنترل ولتاژ و فرکانس را در خود داشته باشد و نیز در صورت بروز شرایط هشدار در شبکه از خود انعطاف لازم را نشان دهند. در کنار آن واحدهای تولیدی انرژی تجدیدپذیر می باید سرعت عمل لازم جهت ایزوله ساختن واحد تولیدی در صورت بروز وضعیتی بحرانی در شبکه را از در خود ملحوظ دارد. آنها باید به عنوان عضوی از شبکه الکتریکی به صورت موثری فرمان پذیر باشند و به خصوص بتوانند در زمان بروز اغتشاشی در شبکه زمانیکه امنیت شبکه برق در معرض خطر باشد از خود انعطاف لازم را نشان دهند. ضریب نفوذ بالای تولیدات تجدیدپذیر به خصوص در مکان هایی دور از مراکز بار و تولیدات متداول انرژی، خطر اضافه بار بر روی خطوط انتقال توان را افزایش می دهد و در نتیجه بازنگری در طراحی شبکه و احیاناً اضافه نمودن خطوط ارتباطی جدید جهت پیش گیری از بروز اضافه بار بروی ارتباطی را طلب می ‎کند. علاوه برآن به روز کردن کد های شبکه در حضور ضریب بالای تولیدات تجدیدپذیر نیز ضروری به نظر می رسد.

۱-۳- ساختار مطالعاتی پایان نامه

برای غلبه بر موانع نامطلوب در استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر نظیر باد و خورشید با ضریب نفوذ بالا در شبکه چند ناحیه ای قدرت، داشتن برنامه کنترلی مناسب جهت کنترل فرکانس شبکه ضروری است. از اینرو موضوعی که این پایان نامه سعی در پوشش آن دارد، به کنترل فرکانسِ تولید بادی و تولید خورشیدی و مشارکت آنها در کنترل اولیّه فرکانس باز می گردد. به طور کلی می توان حوزه ی دید کار حاضر را در چند بند زیر خلاصه کرد:

  1. ارایه طرح کنترلی جدیدی برای شرکت دادن تولید خورشیدی در تنظیم فرکانس ناحیه در سیستم چند ناحیه ای قدرت.
  2. مشارکت دادن تولید خورشیدی در کنترل اولیّه فرکانس.
  3. پیشنهاد برنامه کنترلی مناسب جهت استخراج انرژی جنبشی ذخیره شده در جرم چرخان توربین، در پی بروز اغتشاش باری در شبکه و کمک گرفتن از این توان اضافی جهت کم کردن افت اولیّه فرکانس در پی بروز آن انحراف بار در سیستم چند ناحیه ای قدرت.
  4. مشارکت دادن تولید بادی DFIG در کنترل اولیّه فرکانس .
  5. بررسی پاسخ دینامیکی سیستم دو ناحیه قدرت متشکّل از واحد های حرارتی در حضور تولید خورشیدی/بادی/ هر دو، در سیستم قدرت.
  6. استفاده از ذخیره ساز های انرژی برای کاهش نوسانات توان خروجی در سمت تولید بادی و برای کمک به قابلیّت تنظیم فرکانس و جلوگیری از بروز تغییرات شدید توان در سمت تولید خورشیدی.
  7. بهینه سازی بهره انتگرال گیر های کنترل تکمیلی دو ناحیه، ضرایب نفوذ بهینه تولیدات تجدیدپذیر(جهت تأمین سطح بهینه ای از پشتیبانی فرکانس) و همچنین تعیین ظرفیت ذخیره ساز در دو ناحیه، برای داشتن کمترین نرخ تغییرات فرکانس دو ناحیه و توان انتقالی خط واسط دو ناحیه.

به این صورت می توان مطالبی را که در فصل های بعدی بیان می شود، سازماندهی کرد. در فصل دوم پیشینه تحقیق مفصلاً بررسی می گردد. در فصل سوم به مطالعه و بررسی چگونگی استحصال توان بادی بوسیله DFIG پرداخته می شود. ایده ی استفاده انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین بادی و تزریق آن به شبکه جهت کاهش افت اولیّه فرکانس در زمان وقوع افزایش باری در شبکه مورد توجّه قرار می گیرد. در ادامه ساختار اصلی واحد تولید خورشیدی معرفی می شود. پس از آن برنامه کنترلی مناسبی جهت شرکت دادن تولید خورشیدی در کنترل اولیّه فرکانس بیان می شود. فصل چهارم به ارائه نتایج شبیه سازی اختصاص دارد. سیستم دو ناحیه ای حرارتی به عنوان مدل پایه در نظر گرفته می شود و پاسخ دینامیکی آن به انحراف بار در هر ناحیه شبیه سازی می گردد. اثر ورود تولید DFIG به شبکه با ضریب نفوذ مشخّصی در حضور برنامه کنترلی جهت پشتیبانی موقّت توان اکتیو و بدون حضور آن، بررسی می شود. تاثیرات ورود تولید خورشیدی با ضریب نفوذ بالا در شبکه در حضور استراتژی کنترلی پیشنهادی و عدم حضور آن بررسی می شود. در مرحله آخر تاثیرات توأماً ورود تولیدات باد و خورشید، در حضور برنامه های کنترلی مربوطه شان و در نبود آنها با مدل اصلی مقایسه می شود. در گام بعد با احتساب اثر ورود ذخیره ساز پارامترهای مهّم شبکه بهینه می گردند. در فصل پنجم، اقدامات صورت گرفته جهت مطالعه تأثیرات ورود تولیدات بادی DFIG و تولید خورشیدی به شبکه جمع بندی شده و در انتها گام ها و پیشنهادهای ممکن در ادامه ی مسیر حاضر بیان می شوند.
 

 

 

فصل دوم: کنترل خودکار تولید

 
 
 
 
 
 
 
 
 

۲-۱- تعریف مسئله

سیستم قدرت ذاتی غیر خطی و متغیّر با زمان دارد. برای بررسی و تحلیل پاسخ فرکانسی سیستم قدرت نسبت به اغتشاشات کوچک بار می توان از مدل خطی شده ی سیستم استفاده کرد. اگرچه که در مطالعات پایداری دینامیکی شبکه، مطالعات کنترل ولتاژ و فرکانس را نمی توان مستقل از هم در نظر گرفت، ولی با توجّه به این که دینامیک های موجود در پاسخ فرکانسی سیستم در قیاس با دینامیک های ولتاژ و زاویه روتور بسیار کندتر عمل می کند، می توان برای مطالعات پایداری دینامیکی، مطالعات کنترل فرکانس و کنترل ولتاژ و زاویه روتور را در حالت پایدار شبکه، به صورت مستقل از هم در نظر گرفت.
پاسخ ژنراتورهای سنکرون شبکه به تغییرات فرکانس را می توان به سه مرحله تقسیم بندی کرد [2]:

  • ابتدا به ساکن پس از تشخیص عدم توازن در سیستم، روتور های ژنراتورها انرژی آزاد و یا جذب می کنند و این مسأله باعث تغییر در فرکانس سیستم می گردد. به این مرحله کنترلی اصطلاحا پاسخ اینرسی گفته می شود.
  • زمانی که تغییرات فرکانس از مقدار معینی بیشتر شد، کنترل کننده ها برای تغییر توان ورودی به سیستم فعّال می شوند و این مرحله را اصطلاحاً کنترل اولیّه فرکانس می نامند. این مرحله کنترلی حدود ۱۰ ثانیه پس از وقوع حادثه آغاز و تا ۲۰ ثانیه پس از آن نیز استمرار می یابد.
  • پس از آن که کنترل کننده های موجود اغتشاش بوجود آمده را اصلاح کردند، سیستم مجدّداً متعادل می گردد؛ اگرچه که فرکانس سیستم از مقدار نامی خود فاصله دارد. در این مرحله واحدهای تولید شبکه وظیفه باز گرداندن فرکانس سیستم به مقدار نامی آنرا بر عهده می گیرند. این مرحله کنترلی را کنترل ثانویه فرکانس می نامند. این مرحله از ۳۰ ثانیه پس از زمان بروز اغتشاش شروع شده و می تواند تا ۳۰ دقیقه پس از آن نیز ادامه یابد.

در یک توربین ژنراتور، رفتار دینامیکی کلی بار-تولید و انحراف فرکانس به صورت زیر بیان می شود:

(۲-۱)

که در آن  انحراف فرکانس،  انحراف توان مکانیکی و  میزان تغییرات بار می باشد. ثابت اینرسی با  و ثابت میرایی با  نشان داده شده است. با گرفتن تبدیل لاپلاس از معادله ی فوق، رابطه زیر حاصل می شود:

(۲-۲)

می توان معادله فوق را به صورت بلوک دیاگرام نشان داده شده در شکل (۲-۱) نمایش داد.
شکل ۲- ۱ بلوک دیاگرام مدل توربین ژنراتور
 همچنین برای مدلسازی گاورنر، می توان از مدل ساده شده ی شکل (۲-۲) استفاده کرد.
شکل ۲- ۲ مدل ساده شده ی گاورنر
دقت شود که در شکل (۲-۲)،  معرف دروپ گاورنر،  ثابت زمانی گاورنر و  رفرنس مرجع بار است. مدل ساده شده ی توربین نیز به صورت شکل (۲-۳) در نظر گرفته شده است.
شکل ۲- ۳ مدل ساده شده ی توربین
علاوه بر این، مدل باز گرمکن توربین های بخاری را می توان با بلوک دیاگرام نشان داده شده در شکل (۲-۴) مدل کرد:
شکل ۲- ۴ مدل توربین باز گرمکن
بنابر این بلوک دیاگرام حلقه اولیّه کنترل بار فرکانس صورت شکل (۲-۵) در خواهد آمد.
شکل ۲- ۵ مدل خطی و ساده شده کنترل فرکانس سیستم قدرت
برای مدل کردن کنترل فرکانس یک سیستم ایزوله یا جزیره ای می توان کل مجموعه را به صورت شکل ۲-۵ در نظر گرفت. مدل ارائه شده می تواند به عنوان مدل پاسخ فرکانسی معادل برای کل سیستم در نظر گرفته شود. در مدل جدید  و  مجموع  و های آن ناحیه می باشد.
در یک سیستم جزیره ای، تنظیم خطای انتقال توان بین ناحیه ای جزو وظایف کنترل بار فرکانس نیست. تنها وظیفه کنترل بار فرکانس باز گرداندن فرکانس آن ناحیه به مقدار نامی است. برای این که بتوان مدل شکل (۲-۶) را به یک سیستم قدرت چند ناحیه ای تعمیم داد، بایستی مفهوم ناحیه کنترلی به گونه ای تعریف شود که در برگیرنده گروهی از ژنراتورهای همپا باشد. همپایی به این مفهوم است که همه ی ژنراتورها نسبت به تغییرات بار جهت یکسانی داشته باشند. ضمنا در هر ناحیه، کنترل بار فرکانس برای تمام آن ناحیه فرض شود.
یک سیستم قدرت چند ناحیه ای از نواحی کنترلی مجزایی تشکیل یافته است که به وسیله خطوط انتقال به یکدیگر متصل شده اند. انحراف فرکانس در هر ناحیه، نه تنها ناشی از تغییرات بار آن ناحیه است، بلکه تغییرات توان انتقالی خطوط بین ناحیه ای نیز در آن تاثیرگذار است.
شکل ۲- ۶ مدل کنترل بار فرکانس سیستم چند ماشینه
کنترل فرکانس در هر ناحیه نه فقط مسئول کنترل فرکانس همان ناحیه است، بلکه مسئولیت کنترل توان انتقالی خطوط ارتباطی با نواحی دیگر را نیز باید برعهده گیرد. بنابراین در یک سیستم چند ناحیه ای قدرت، بایستی تأثیر خطوط انتقال توان بین ناحیه ای را در مدلسازی کنترل بار فرکانس در نظر داشت. در شکل (۲-۷) یک سیستم دو ناحیه ای نشان داده شده است.
شکل ۲- ۷ شماتیک کلی سیستم دو ناحیه ای قدرت
در این شکل رابطه بین توان انتقالی از خطوط ارتباطی بین دو ناحیه طبق رابطه (۲-۳) حاصل می شود:

(۲-۳)

که در آن  و  ولتاژ های نواحی کنترلی ۱ و ۲ بوده و  و  زاویه های بار ماشین های معادل نواحی ۱ و ۲ می باشد. منظور از  راکتانس خط بین ناحیه ای می باشد.
 با خطی سازی رابطه  (2-3)  حول نقطه کار   و  خواهیم داشت:
 

(۲-۴)

که در آن  گشتاور سنکرون کننده نام داشته و برابر است با:

(۲-۵)

با استفاده از تابع تبدیل  خواهیم داشت:

(۱-۶)

در یک سیستم چند ناحیه ای علاوه بر تنظیم اولیّه فرکانس ناحیه، کنترل مکمل بایستی انحراف توان عبوری از خطوط بین ناحیه ای را نیز به صفر برساند. با افزودن یک کنترلر انتگرال گیر به این حلقه کنترلی، این اطمینان حاصل می شود که اولاً انحراف موجود در فرکانس و دوماً توان انتقالی خطوط در حالت ماندگار به صفر می رسد. سیستم کنترلی که دو هدف عمده فوق پوشش می دهد را اصطلاحاً کنترل خودکار تولید می نامند. کنترل خودکار تولید با اضافه کردن یک سیگنال کنترلی جدید در حلقه کنترلی فیدبک صورت می پذیرد. همانگونه که در معادله (۲-۷) آید، سیگنال کنترلی مذکور که سیگنال خطای ناحیه نامیده می شود، ترکیبی خطی از تغییرات فرکانس ناحیه به انضمام تغییرات توان انتقالی خطوط انتقالی می باشد:

(۲-۷)

که در آن  ضریب بایاس ناحیه (رابطه ۲-۸)،  تغییرات فرکانس ناحیه و  تغییرات توان خطوط انتقالی است. بلوک دیاگرام نهایی شبکه قدرت که درآن کنترل اولیّه و ثانویه فرکانس لحاظ شده است در شکل (۲-۸) آمده است.
معمولاً پیشنهاد می شود، ضریب  به صورت زیر انتخاب شود:

(۲-۸)

در رابطه فوق  مشخّصه دروپ و  ضریب حسّاسیت بار نسبت به تغییرات فرکانس می باشد. شکل ۲-۸ چگونگی اعمال کنترل تکمیلی یا ثانویه را نشان می دهد.
تاثیر تغییرات بار محلی و توان عبوری از خطوط بین ناحیه ای، در مدل شکل (۲-۸) به خوبی در نظر گرفته شده است. هر ناحیه کنترلی، توان عبوری از خطوط بین ناحیه ای و فرکانس ناحیه ی خود را در مرکز کنترل ناحیه خود کنترل می ‎کند. سیگنال  بعد از محاسبه، وارد کنترل کننده ی واحد دیسپتچ می شود. سیگنال کنترلی تولیدی به عنوان رفرنس بار به توربین گاورنر مورد نظر اعمال می شود. بنابر این دیاگرام کنترلی پیشنهادی می تواند اهداف اولیّه کنترل بار فرکانس را برآورده ساخته و مقدار توان عبوری از خطوط و همچنین فرکانس ناحیه را به مقدار مشخّص شده برگرداند. 
فرض کنید در یک ناحیه کنترلی شاهد تغییر بار به مقدار  باشیم. افزایش بار سیستم باعث کاهش فرکانس سیستم می شود. می توان مقدار اولیّه این انحراف را تابع عوامل زیر دانست:

  • انرژی جنبشی موجود در قسمت گردان ماشین ها (لختی)
  • تعداد ژنراتورهایی که دارای کنترل اولیّه می باشند و ظرفیت رزرو موجود در این واحد های