، فرکانس حاصله به اندازه کافی با فرکانس‌های تشدید فاصله داشته باشد. هرگونه افت فرکانس سبب کاهش سرعت توربین شده و مرز مضارب سرعت با فرکانس‌های تشدید را کم می‌‎کند. بر اثر نزدیک شدن سرعت توربین به یکی از این فرکانس‌های تشدید، دامنه ارتعاشات توربین افزایش می‌یابد و خطر بروز تشدید زیر سنکرون را افزایش می‌دهد [1].

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 می‌شود:

  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 نیروگاه‌ها (رزرو گردان) که مستلزم عملکرد صحیح سیستم کنترل سرعت توربین، موسوم به گاورنر است. ثابت زمانی پاسخ گاورنر در نیروگاه‌های مختلف متفاوت است. به عنوان مثال واحد‌های بخاری که در آن تغییر سریع فشار دیگ بخار مجاز نیست، نیازمند چند ده دقیقه زمان جهت تنظیم بارند. با عملکرد گاورنر نیروگاه‌های شبکه، اضافه بار متناسب با تنظیم دروپ سیستم گاورنر سرعت، بین واحد‌های تولیدی توزیع می‌شود.
  3. از آنجا که توان مصرفی شبکه به سطح ولتاژ آن وابسته است، می‌توان با کنترل ولتاژ شبکه ی توزیع تا حدی تقاضای بار را کنترل کرد. کاهش ولتاژ توزیع منجر به تغییر در بار خانگی می‌گردد. اعمال این تغییرات از طریق تغییر تپ چنجر ترانسفورماتور‌های شبکه میسّر است و نیازمند محدوده زمانی در حدود چند دقیقه است.
  4. یکی دیگر از راه‌های حفظ فرکانس سیستم، حذف بار است. حذف بار یکی از سریع‌ترین راه‌های جبران کمبود توان حقیقی در سیستم قدرت به حساب می‌آید. 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 می‌تواند به صورت دستی توسط بهره بردار شبکه و یا توسط مکانیزمی هوشمند و خودکار صادر می‌شود. حذف بار دستی جهت افت ماندگار فرکانس شبکه صورت می‌گیرد و میزان آن در حدود 5% است. حذف بار دستی در واقع زمانی عمل می‌‎کند که ذخیره گردان یا واحد‌های 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 می‌شود. 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 روش‌های فوق، از رزرو گردان در حضور واحد کنترل فرکانس برای جبران نوسانات فرکانسی شبکه که دارای دامنه ای محدود هستند، استفاده می‌شود. در این حالت معمولاً تعادل توان با عملکرد گاورنر واحدهای تولیدی شبکه برقرار می‌شود. حذف بار دستی و کنترل ولتاژ شبکه پس از رسیدن سیستم به وضعیت پایدار مورد استفاده قرار می‌گیرند و به صورت عمده خطاهای ماندگار شبکه را اصلاح می‌کنند. حذف بار خودکار هر چند سریع‌ترین مکانیزم محسوب می‌شود اما آخرین راه حل برای پاسخ به عدم توازن توان حقیقی شبکه است. این راه حل تنها زمانی انتخاب می‌شود که عدم تعادل به قدری بزرگ باشد که گاورنر‌ها فرصت لازم برای پاسخ به آن را نداشته باشند. در این حالت فرکانس شبکه به سرعت افت می‌‎کند و از محدوده ی مجاز کار دائمی خارج می‌شود. با رسیدن وضعیت شبکه به آستانه ی خطر، این مکانیزم سریعاً بار اضافی سیستم را حذف می‌‎کند. مهّم‌ترین 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 قطعیت‌ها، موانع جدید در بهره برداری و پیدایش سوال‌های جدید در باب چگونگی کنترل این منابع در کنار ساختار‌هایی مانند کنترل خودکار تولید به نظر آید. سوال مهّمی که در بدو امر نظر مخاطب را به خود معطوف می‌دارد این است که در صورت افزایش ضریب نفوذ منابع انرژی تجدیدپذیر در شبکه، ملزومات کنترل خودکار چگونه با شرایط جدید مطابقت داده می‌شوند؟

اثرات ورود این منابع با ضریب نفوذ بالا در شبکه را، باید در چهارچوب‌های زمانی مناسب دید. در چهارچوب‌های زمانی چند ثانیه تا چندین دقیقه، قابلیّت اطمینان کلی سیستم قدرت تماماً بوسیله ادوات کنترلی خودکار و سیستم‌های کنترلی نظیر کنترل خودکار تولید، سیستم گاورنر سرعت ژنراتور‌ها و سیستم‌های تحریک آنها، پایدارسازهای سیستم قدرت، تنظیم کننده‌های خودکار ولتاژ، رله‌ها و برنامه‌های ‌حفاظتی مخصوص و سیستم‌های تشخیص و عملیاتی خطا در شبکه کنترل می‌شوند. در چهار چوب زمانی چند دقیقه تا یک هفته، بهره‌برداران 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 مکان‌هایی دور از مراکز بار و تولیدات متداول انرژی، خطر اضافه بار بر روی خطوط انتقال توان را افزایش می‌دهد 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 می‌‎کند. علاوه برآن به روز کردن کد‌های شبکه در حضور ضریب بالای تولیدات تجدیدپذیر نیز ضروری به نظر می‌رسد.

1-3- ساختار مطالعاتی پایان‌نامه

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 پایان‌نامه سعی در پوشش آن دارد، به کنترل فرکانسِ تولید بادی و تولید خورشیدی و مشارکت آنها در کنترل اولیّه فرکانس باز می‌گردد. به طور کلی می‌توان 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 واحد‌های حرارتی در حضور تولید خورشیدی/بادی/ هر دو، در سیستم قدرت.
  6. استفاده از ذخیره‌ساز‌های 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. بهینه‌سازی بهره انتگرال‌گیر‌های کنترل تکمیلی دو ناحیه، ضرایب نفوذ بهینه تولیدات تجدیدپذیر(جهت تأمین سطح بهینه ای از پشتیبانی فرکانس) و همچنین تعیین ظرفیت ذخیره‌ساز در دو ناحیه، برای داشتن کمترین نرخ تغییرات فرکانس دو ناحیه و توان انتقالی خط واسط دو ناحیه.

به این صورت می‌توان مطالبی را که در فصل‌های بعدی بیان می‌شود، سازماندهی کرد. در فصل دوم پیشینه تحقیق مفصلاً بررسی می‌گردد. 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 می‌گیرد. در ادامه ساختار اصلی واحد تولید خورشیدی معرفی می‌شود. پس از آن برنامه کنترلی مناسبی جهت شرکت دادن تولید خورشیدی در کنترل اولیّه فرکانس بیان می‌شود. فصل چهارم به ارائه نتایج شبیه سازی اختصاص دارد. سیستم دو ناحیه ای حرارتی به عنوان مدل پایه در نظر گرفته می‌شود 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 می‌شود. تاثیرات ورود تولید خورشیدی با ضریب نفوذ بالا در شبکه در حضور استراتژی کنترلی پیشنهادی و عدم حضور آن بررسی می‌شود. در مرحله آخر تاثیرات توأماً ورود تولیدات باد و خورشید، در حضور برنامه‌های کنترلی مربوطه شان و در نبود آنها با مدل اصلی مقایسه می‌شود. در گام بعد با احتساب اثر ورود ذخیره‌ساز 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 گام‌ها و پیشنهادهای ممکن در ادامه ی مسیر حاضر بیان می شوند.

 

 

 

فصل دوم: کنترل خودکار تولید

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2-1- 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 می‌توان از مدل خطی شده ی سیستم استفاده کرد. اگرچه که در مطالعات پایداری دینامیکی شبکه، مطالعات کنترل ولتاژ و فرکانس را نمی‌توان مستقل از هم در نظر گرفت، ولی با توجّه به این که دینامیک‌های موجود در پاسخ فرکانسی سیستم در قیاس با دینامیک‌های ولتاژ و زاویه روتور بسیار کندتر عمل می‌کند، می‌توان 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 می‌توان به سه مرحله تقسیم بندی کرد [2]:

  • ابتدا به ساکن پس از تشخیص عدم توازن در سیستم، روتور‌های ژنراتورها انرژی آزاد و یا جذب می کنند و این مسأله باعث تغییر در فرکانس سیستم می‌گردد. به این مرحله کنترلی اصطلاحا پاسخ اینرسی گفته می‌شود.
  • زمانی که تغییرات فرکانس از مقدار معینی بیشتر شد، کنترل کننده‌ها برای تغییر توان ورودی به سیستم فعّال می‌شوند و این مرحله را اصطلاحاً کنترل اولیّه فرکانس می‌نامند. این مرحله کنترلی حدود 10 ثانیه پس از وقوع حادثه آغاز و تا 20 ثانیه پس از آن نیز استمرار می‌یابد.
  • پس از آن که کنترل کننده‌های موجود اغتشاش بوجود آمده را اصلاح کردند، سیستم مجدّداً متعادل می‌گردد؛ 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 می‌گیرند. این مرحله کنترلی را کنترل ثانویه فرکانس می نامند. این مرحله از 30 ثانیه پس از زمان بروز اغتشاش شروع شده و می‌تواند تا 30 دقیقه پس از آن نیز ادامه یابد.

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

(2-1)

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

(2-2)

می‌توان معادله فوق را به صورت بلوک دیاگرام نشان داده شده در شکل (2-1) نمایش داد.

شکل 2- 1 بلوک دیاگرام مدل توربین ژنراتور

 همچنین برای مدلسازی گاورنر، می‌توان از مدل ساده شده ی شکل (2-2) استفاده کرد.

شکل 2- 2 مدل ساده شده ی گاورنر

دقت شود که در شکل (2-2)،  معرف دروپ گاورنر،  ثابت زمانی گاورنر و  رفرنس مرجع بار است. مدل ساده شده ی توربین نیز به صورت شکل (2-3) در نظر گرفته شده ‌است.

شکل 2- 3 مدل ساده شده ی توربین

علاوه بر این، مدل باز گرمکن توربین‌های بخاری را می‌توان با بلوک دیاگرام نشان داده شده در شکل (2-4) مدل کرد:

شکل 2- 4 مدل توربین باز گرمکن

بنابر این بلوک دیاگرام حلقه اولیّه کنترل بار فرکانس صورت شکل (2-5) در خواهد آمد.

شکل 2- 5 مدل خطی و ساده شده کنترل فرکانس سیستم قدرت

برای مدل کردن کنترل فرکانس یک سیستم ایزوله یا جزیره ای می‌توان کل مجموعه را به صورت شکل 2-5 در نظر گرفت. مدل ارائه شده می‌تواند به عنوان مدل پاسخ فرکانسی معادل برای کل سیستم در نظر گرفته شود. در مدل جدید  و  مجموع  و ‌ های آن ناحیه می‌باشد.

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 (2-6) 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 شده‌اند. 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 2- 6 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 (2-7) یک سیستم دو ناحیه ای نشان داده شده ‌است.

شکل 2- 7 شماتیک کلی سیستم دو ناحیه ای قدرت

در این شکل رابطه بین توان انتقالی از خطوط ارتباطی بین دو ناحیه طبق رابطه (2-3) حاصل می‌شود:

(2-3)

که در آن  و  ولتاژ‌های نواحی کنترلی 1 و 2 بوده و  و  زاویه‌های بار ماشین‌های معادل نواحی 1 و 2 می‌باشد. منظور از  راکتانس خط بین ناحیه ای می‌باشد.

 با خطی سازی رابطه  (2-3)  حول نقطه کار   و  خواهیم داشت:

 

(2-4)

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

(2-5)

با بهره گرفتن از تابع تبدیل  خواهیم داشت:

(1-6)

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 انتگرال‌گیر به این حلقه کنترلی، این اطمینان حاصل می‌شود که اولاً انحراف موجود در فرکانس و دوماً توان انتقالی خطوط در حالت ماندگار به صفر می‌رسد. سیستم کنترلی که دو هدف عمده فوق پوشش می‌دهد 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 (2-7) آید، سیگنال کنترلی مذکور که سیگنال خطای ناحیه نامیده می‌شود، ترکیبی خطی از تغییرات فرکانس ناحیه به انضمام تغییرات توان انتقالی خطوط انتقالی می‌باشد:

(2-7)

که در آن  ضریب بایاس ناحیه (رابطه 2-8)،  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 (2-8) آمده است.

معمولاً پیشنهاد می‌شود، ضریب  به صورت زیر انتخاب شود:

(2-8)

در رابطه فوق  مشخّصه دروپ و  ضریب حسّاسیت بار نسبت به تغییرات فرکانس می‌باشد. شکل 2-8 چگونگی اعمال کنترل تکمیلی یا ثانویه را نشان می‌دهد.

تاثیر تغییرات بار محلی و توان عبوری از خطوط بین ناحیه ای، در مدل شکل (2-8) 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 می‌‎کند. سیگنال  بعد از محاسبه، وارد کنترل کننده ی واحد دیسپتچ می‌شود. سیگنال کنترلی تولیدی به عنوان رفرنس بار به توربین گاورنر مورد نظر اعمال می‌شود. بنابر این دیاگرام کنترلی پیشنهادی می‌تواند 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 می‌شود. می‌توان مقدار اولیّه این انحراف را تابع عوامل زیر دانست:

  • انرژی جنبشی موجود در قسمت گردان ماشین‌ها (لختی)
  • تعداد ژنراتورهایی که دارای کنترل اولیّه می‌باشند و ظرفیت رزرو موجود در این واحد‌های