حاصله بیان می‌شود.

4-2- حضور DFIG در کنترل فرکانس سیستم قدرت

در شبیه سازی حاضر، بنا بر این است که پاسخ دینامیکی سیستم قدرت تحت  ضرایب مختلف نفوذ تولید بادی و با داشتن سطوح گوناگونی از پشتیبانی توان اکتیو از جانب DFIG بررسی شود. مدل سیستم قدرت مورد استفاده قرار گرفته در شبیه سازی در شکل2-8 نشان داده شده است. پارامترهای سیستم قدرت دو ناحیه ای حرارتی در جدول-1 در بخش ضمیمه آمده است. هنگامیکه اغتشاش باری سبب بروز افت فرکانس در ناحیه می‌شود، تولیدات سنتی و همچنین مزرعه ی بادی DFIG باید برای پشتیبانی فرکانس توان بیشتری را تأمین نمایند. از مدل خطی شده ی سیستم دو ناحیه ای حرارتی که در فصول قبل معرفی شد، به همراه مدل معرفی شده DFIG برای پشتیبانی توان اکتیو جهت نشان دادن قابلیّت‌های رویکرد کنترلی عنوان شده تحت ضرایب نفوذ مختلف استفاده شده است. تنظیم سیستم‌های دروپ و همچنین محاسبه ثابت لختی شبکه در حضور ضریب نفوذ مشخّصی از تولید بادی مطابق رابطه‌های 3-10 و 3-11 محاسبه می‌شود.

تولید بادی DFIG و پشتیبانی توان اکتیو تأمین شده از جانب آن را می‌توان تحت چند حالت بررسی کرد:

DFIG با ضریب نفوذ مشخّص، هیچگونه پشتیبانی فرکانسی را تأمین نمی‌کند. در چنین شرایطی تمام توان مورد نیاز برای جبران افت فرکانس از ژنراتورهای سنکرون و تولید متداول حاصل می‌شود. اغتشاش باری  معادل با 0.1 مبنای واحد در ناحیه ی 1 که مزرعه بادی در آن واقع شده، در ثانیه 5 شبیه سازی اتفاق می‌افتد. شکل‌های 4-1 و 4-2 منحنی‌های افت فرکانس در دو ناحیه برای ضریب نفوذ مختلف را نشان می‌دهد.

زمانی که DFIG پشتیبانی فرکانس را تأمین نمی‌کند، ضریب نفوذ بیشتر تولید بادی به سبب کاهش بیشتر در لختی سیستم منجر به افت بیشتر فرکانس خواهد شد. علاوه بر این در چنین شرایطی با افزایش ضریب نفوذ و در نتیجه اغتشاش فرکانسی حاد تر، توان بیشتری از طریق تولید متداول تأمین می‌شود. شکل‌های4-3 تا 4-5 تغییر توان ژنراتورهای ناحیه 1 و 2 و همچنین توان انتقالی خط ارتباطی بین ناحیه را نشان می‌دهد.

 

 

 

 

 

شکل 4- 1تغییرات فرکانس ناحیه 1 در حضور سطوح مختلف تولید بادی در سیستم قدرت

شکل 4- 2 تغییرات فرکانس ناحیه 2 در حضور سطوح مختلف تولید بادی در سیستم قدرت

 

شکل 4- 3 تغییر توان ژنراتور ناحیه 1

شکل 4- 4 تغییر توان ژنراتور ناحیه 2

 

شکل 4- 5 تغییرات توان انتقالی خط ارتباطی بین ناحیه‌ای

علاوه بر پشتیبانی فرکانسی که تولیدات متداول انجام میدهند، DFIGs نیز می توانند در کنترل فرکانس مشارکت داشته باشند(شکل 3-9). در شکل‌های 4-6 الی 4-8 پاسخ دینامیکی سیستم قدرت شامل تغییرات فرکانس نواحی و تغییرات توان خط واسط زمانیکه DFIG در کنترل فرکانس مشارکت دارد و نیز زمانی که DFIG  پشتیبانی فرکانسی تأمین نمی‌کند و همچنین پاسخ شبکه بدون حضور هیچگونه تولید تجدیدپذیر (پاسخ پایه) رسم شده و با یکدیگر مقایسه می‌شوند. در شبیه سازی توان اضافی تأمینی برای پشتیبانی فرکانس  معادل با 0.05 مبنای واحد (بر پایه توان نامی مزرعه بادی) به رفرنس توان افزوده شده است. فرض شده است سرعت باد در سراسر مزرعه بادی یکنواخت بوده و معادل با 9.5  باشد و در طول دوره شبیه سازی ثابت باقی ماند. در چنین شرایطی مدت زمانی که طول می کشد سرعت چرخش روتور توربین بادی به مرز 0.7 مبنای واحد (حداقل سرعت) برسد معادل با 58 ثانیه می‌باشد.

ضریب نفوذ تولید بادی در ناحیه 20% در نظر گرفته شده است. همانطور که مشخّص است در حضور تولید بادی DFIG و بدون پشتیبانی فرکانس، افت فرکانس نسبت به پاسخ پایه بیشتر است. در حالتی که DFIG در پشتیبانی فرکانس مشارکت دارد، شبکه پاسخ نسبتاً بهتری دریافت می‌کند.

 

شکل 4- 6 تغییرات فرکانس ناحیه 1 برای حالت‌های در نظر گرفته شده

شکل 4- 7 تغییرات فرکانس ناحیه 2 برای حالت‌های در نظر گرفته شده

 

شکل 4- 8 تغییرات توان انتقالی خطوط

با بهره گرفتن از تابع پشتیبانی کنترل فرکانس پیشنهادی علاوه بر توان مشخّصی که قبل از بروز اغتشاش DFIG برای شبکه تأمین می‌نمود، تغییر توانی موقّت متناسب با تغییرات فرکانس و همچنین نرخ تغییرات فرکانس جهش افزایش موقّت لختی و ظرفیت تنظیم فرکانس شبکه حاصل می‌شود. با فراهم آوردن این توان اضافی، سرعت روتور کاهش می‌یابد و انرژی جنبشی بیشتری را به شبکه تزریق نموده که منجر به جبران سازی بهتر اغتشاش وارده به سیستم  می‌شود.  در ضریب نفوذ تولید بادی در شبکه ضرب می‌شود تا از توان مبنای مزرعه بادی به مبنای ناحیه تبدیل شود. در ادامه با وارد عمل شدن انتگرال‌گیر‌های کنترل ثانویه تغییرات فرکانس رفته‌رفته کاهش یافته و تقریبا به صفر می‌رسد. در نتیجه تقاضای توان اضافی اکتیو از بین می‌رود و توربین بادی مجدّداً به وضعیت کارکرد معمولی خود وارد شده و سعی در بازیابی سرعت بهینه خود تحت دارد.

شکل‌های 4-9 و 4-10 توان خروجی ژنراتورهای سنکرون در دنبال کردن الگوی بار را در حالاتی که تولید بادی وجود ندارد، ضریب نفوذ DFIG 20% و پشتیبانی فرکانس وجود ندارد و در زمانیکه پشتیبانی فرکانس برقرار هست را با پاسخ پایه مقایسه می‌کند. طبیعتاً زمانی که تابع پشتیبانی فرکانس در DFIG فعّال می‌شود، علاوه بر افزایش توانایی کنترل فرکانس شبکه با کمتر شدن میزان تغییرات توان مکانیکی توربین واحدهای حرارتی، فشار کمتری بر تجهیزات تولید توان متداول نیز وارد می‌آید.

 در نیروگاه‌های بخار حجم قابل توجّهی از بخار در محفظه بخار و باز گرمکن، تأخیری در زمان لازم جهت تغییر توان مکانیکی به وجود می آورد. به همین دلیل واکنش سریع توربین‌های بادی DFIG در تأمین توان اکتیو اضافی و موقّت  برای شبکه، موقعیت خوبی برای کمک به سیستم قدرت در جهت کاهش شدّت افت اولیّه فرکانس پدید می آورد.

شکل‌های 4-11 تا 4-13 پاسخ فرکانسی دو ناحیه و تغییر توان خط انتقالی هنگامیکه مزرعه بادی DFIG پشتیبانی توان اکتیو بیشتری برای شبکه تأمین می کند را نمایش می‌دهد. همانطور که از شکل‌ها استنباط می‌شود با در نظر گرفتن پشتیبانی توان اکتیو بالاتری از سوی DFIG و مزرعه بادی، حضور موثرتر تولید بادی DFIG در کنترل فرکانس اولیّه نیز تضمین می‌شود (ضریب نفوذ تولید بادی 20% می باشد).

 

 

شکل 4- 9 تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 1

 

شکل 4- 10  تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 2

شکل 4- 11 تغییرات فرکانس ناحیه 1

 

شکل 4- 12 تغییرات فرکانس ناحیه 2

شکل 4- 13 تغییرات توان انتقالی بین ناحیه 1 و 2

4-3- مشارکت سیستم‌های خورشیدی در کنترل فرکانس سیستم قدرت

برای نشان دادن طرح پیشنهادی کنترلی، مدل سیستم دو ناحیه ای قدرت به کار رفته در بخش قبل مجدّداً استفاده می‌شود. ساختار پیشنهادی برای کنترل اولیّه فرکانس سیستم خورشیدی را می‌توان در سه بخش مدل کرد. ابتدا یک بهره ثابت که ثابت تنظیم دروپ می‌باشد، تغییرات فرکانس ناحیه را دریافت نموده و متناسب با ضریب تقویت سیگنال تغییرات فرکانس و ثابت دروپ  سیگنال کنترلی جدیدی که مشخّص کننده تغییرات رفرنس توان برای مشارکت در کنترل فرکانس است را به مبدل الکترونیک قدرت اعمال می‌کند. همانطور که ذکر شد، از آنجا که مبدل الکترونیک قدرت دینامیک نسبتاً سریعی دارد از دینامیک آن در مقابل باقی ادوات صرفنظر شده است. در ادامه تغییر توان مزرعه خورشیدی در ضریب نفوذ سیستم خورشیدی در شبکه ضرب شده تا از توان مبنای واحد سیستم خورشیدی به توان مبنای ناحیه، تبدیل گردد. در انتها این تغییر توان سیستم خورشیدی که در پی بروز تغییرات فرکانس در شبکه بوجود آمده بود، به شبکه تزریق می گردد.

گرچه با در نظر داشتن یک محدود کننده برای تغییر تولید سیستم خورشیدی می‌توان سقف تولید را در میزان  محدود کرد، اما در این مطالعه صرفاً بنا بر نشان دادن قابلیّت مشارکت مزرعه خورشیدی در کنترل فرکانس شبکه گذارده شده است. ضریب نفوذ تولید خورشیدی معادل 10% توان نامی و تنظیم دروپ سیستم خورشیدی  در نظر گرفته شده است. همچنین میزان تابش خورشید در حدی در نظر گرفته شده که تغییر بار اعمالی به سیستم و افت فرکانس ناشی از آن، منجر به اشباع شدن تولید خورشیدی نگردد.

با در نظر گرفتن سیستم کنترلی دروپ شکل (3-17) برای مزرعه خورشیدی شبیه سازی انجام گرفت. در این قسمت سیستم قدرت دو ناحیه ای حرارتی که در بخش قبل استفاده شده، در نظر گرفته شد. مزرعه خورشیدی در ناحیه دوم واقع شده و اغتشاشی باری معادل با 0.1 در مبنای واحد ناحیه به ناحیه 2 اعمال شده است. در نتیجه انحراف فرکانس در شبکه بوجود می‌آید. جهت از بین بردن این انحرافات، علاوه بر پشتیبانی فرکانسی که تولید متداول تأمین می‌کند، مزرعه خورشیدی نیز در کنترل اولیّه فرکانس شرکت دارد. سیستم کنترلی دروپ واحد خورشیدی تغییرات فرکانس را در اندازه گیری کرده و متناسب با تنظیم دروپ تغییر توان خروجی واحد را مشخّص می‌کند این سیگنال کنترلی که حاوی میزان تغییرات توان است، به الگوریتم تعیین سطح جدید رفرنس ولتاژ برای کارکرد مبدل الکترونیک قدرت اعمال می‌شود. در نتیجه متناسب با تغییر رفرنس ولتاژ، خروجی مزرعه خورشیدی تغییر می‌کند.

شکل‌های 4-14 الی 4-16 به ترتیب پاسخ فرکانسی ناحیه 1 و 2 و همچنین تغییرات توان انتقالی خط ارتباطی را در سه حالت نشان می‌دهد. حالت اول مربوط به زمانی است که در شبکه تولید خورشیدی وارد نشده و اغتشاش بار اعمال می‌شود (پاسخ پایه). حالت دوم زمانی است که تولید خورشیدی با ضریب نفوذ 10% در ناحیه دوم مشغول تولید توان می‌باشد. حالت سوم حالتی است که مزرعه خورشیدی پشتیبانی فرکانسی نیز برای شبکه به همراه دارد.

در پی بروز انحراف فرکانس سیستم گاورنر سرعت تولید متداول، خروجی ژنراتور سنکرون را تغییر می‌دهد. در شکل‌های 4-17 و 4-18 تغییرات ژنراتورهای واقع در ناحیه 1 و 2 در کنار الگوی بار در سه حالت بیان شده فوق نشان داده شده است.

 

 

شکل 4- 14 تغییرات فرکانس ناحیه 1 برای حالت‌های در نظر گرفته شده

 

شکل 4- 15تغییرات فرکانس ناحیه 2 برای حالت‌های در نظر گرفته شده

شکل 4- 16تغییرات توان انتقالی خطوط برای موارد در نظر گرفته شده

 

شکل 4- 17تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 1

شکل 4- 18تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 2

نتایج نشان می‌دهد که با به کار بردن سیستم کنترلی دروپ برای واحد خورشیدی ظرفیت جدیدی برای حضور مزارع خورشیدی در کنترل فرکانس شبکه فراهم شده است.

4-4- مشارکت همزمان تولید بادی DFIG و سیستم‌های خورشیدی در کنترل فرکانس سیستم قدرت

در این بخش شبیه سازی تاثیرات استفاده همزمان از تولیدات انرژی تجدیدپذیر در دو ناحیه مورد کنکاش قرار می‌گیرد. مزرعه بادی با ضریب نفوذ 20% در ناحیه 1 و مزرعه خورشیدی با ضریب نفوذ 10% در ناحیه دوم قرار دارند. برای نشان دادن قابلیّت کنترل فرکانس شبکه در حضور منابع انرژی تجدیدپذیر، وقوع افزایش بار پله ای معادل با 0.1 توان مبنا در هر دو ناحیه در ثانیه 5 شبیه سازی، در نظر گرفته شد.

نتایج حاصله کما فی السابق طی سه حالت بیان شده بررسی می شوند. در شکل‌های 4-19 تا 4-21 پاسخ فرکانسی ناحیه 1 و 2 و تغییر توان خط انتقالی نشان داده شده است. در پی تغییرات فرکانس در شبکه، مزرعه بادی DFIG و همچنین مزرعه خورشیدی در کنترل فرکانس شبکه شرکت دارند. در نتیجه بخشی از توان لازم برای برقرار مجدّد تعادل تولید و مصرف، توسط منابع تجدیدپذیر شبکه تأمین گشته شکل4-21 و از طرفی همانطور که شکل‌های 4-22 و 4-23 نشان می‌دهد، فشار مکانیکی وارده به توربین ژنراتورهای سنکرون برای جبرانسازی بار نیز کاهش بیشتری نسبت قبل نشان می‌دهد.

وقتی درخواست توان اکتیو اضافی معادل با 0.05 مبنای واحد (بر پایه توان مزرعه بادی) برقرار است به این معنی است که سقف مجاز برداشت از مزرعه بادی نهایتاً می‌تواند 0.05 مبنای واحد قرار گیرد. این میزان در ضریب نفوذ ناحیه ضریب شده و نهایتاً میزان توان اکتیوی که متناسب با کنترلر پیشنهادی به شبکه تزریق شده است را تعیین می‌کند. علاوه بر این متناسب با کنترل دروپی که برای مزرعه خورشیدی معیّن شده بود، توان خروجی سیستم خورشیدی نیز تغییر می‌نماید. این تغییرات توان منابع انرژی تجدیدپذیر هنگام جبرانسازی افزایش بار و مشارکت در کنترل فرکانس، در شکل4-24 نشان داده شده است.

 

 

 

 

شکل 4- 19تغییرات فرکانس ناحیه 1 برای حالت‌های در نظر گرفته شده

شکل 4- 20 تغییرات فرکانس ناحیه 2 برای حالت‌های در نظر گرفته شده

 

شکل 4- 21تغییرات توان انتقالی خط ارتباطی

شکل 4- 22تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 1

 

شکل 4- 23تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 2

شکل 4- 24 تغییرات توان خروجی منابع تجدیدپذیر با بهره گرفتن از برنامه‌های کنترلی پیشنهادی

4-5- استفاده از ذخیره‌ساز باتری در سیستم قدرت

همانطور که ذکر شد، با توجّه به نوسان توان و طبیعت غیر قابل پیش بینی تولید توان بادی بهره‌برداران شبکه ترجیح می دهند برای افزایش قابلیّت تنظیم فرکانس شبکه و جبران کسری تولید احتمالی و یا جذب توان، از ذخیره‌ساز‌ها در کنار تولید بادی جهت نرم کردن توان خروجی بادی استفاده کنند. در همین راستا اثر ورود واحد ذخیره‌ساز انرژی باتری BES به سیستم قدرت مورد بررسی قرار می‌گیرد. علاوه بر استفاده از BES چند حالت برای استفاده از باتری در شبکه با ضریب نفوذ مختلف تولید باد و خورشید در دو ناحیه مطرح می‌شود. با بهره گرفتن از تنظیمات هر حالت پاسخ شبکه ثبت و ضبط شده و با توجّه تابع هدف یا شایستگی مناسبی مورد سنجش قرار می گیرند. در اینجا تابع شایستگی می تواند سیگنال خطای متعارفی نظیر IAE، ITAE، ITSE و ISE انتخاب شود. تجربه نشان داده است برای کمینه کردن مقادیر خطا با کمترین دامنه در کم ترین زمان سیگنال خطای ITSE می تواند موفق تر ظاهر شود [69].

فرض برینست که ظرفیت ذخیره ساز در دسترس معادل با 0.1 توان مبنا باشد.این مقدار می تواند در کنار تولید بادی، خورشیدی و یا متناسب با ضریب نفوذ تولیدات تجدیدپذیر در دو ناحیه نصب شود. برای نشان دادن اثر افزایش ضریب نفوذ تولیدات تجدیدپذیر با استراتژی های کنترلی پیشنهادی بر پایداری فرکانسی شبکه ترکیبی نهایی، سناریوهای مورد بررسی قرار گرفتند و مقدار تابع برازندگی متناسب با آنها در جدول 4-1 محاسبه شده است:

جدول 4- 1سناریو‌های باتری در شبکه و مقدار شایستگی متناسب با ضریب نفوذ منابع و باتری

سناریو ض. ن. تولید بادی ض. ن. تولید خورشیدی باتری تماماً در ناحیه تولید بادی باتری تماماً در ناحیه تولید خورشیدی تقسیم ظرفیت ذخیره ساز به نسبت ضریب نقوذ در دو ناحیه
1 0.1 0 0.315124    
2 0.2 0 0.323752    
3 0 0.1   0.292224  
4 0 0.2   0.282575  
5 0.1 0.1     0.276772
6 0.1 0.2     0.267122
7 0.2 0.1     0.285383
8 0.2 0.2     0.275714

 

جدول 4-1 نشان می دهد سناریو شماره 4 که در آن فقط تولید بادی در ناحیه 2 وجود دارد و تمام ظرفیت ذخیره‌ساز در همین ناحیه نصب شده باشد، دارای کمترین میزان سیگنال خطای  است. با توجه به ورود همزمان تولیدات بادی و خورشیدی به شبکه، سناریوی 6 نسبت به باقی حالات از پاسخ دینامیکی نسبتاً بهتری برخوردار است. با توجه به نتایج جدول 4-1 اینطور استنباط می شود با افزایش ضریب نفوذ بادی در حضور طرح کنترلی پیشنهادی پاسخ دینامیکی وضعیت نسبتا حاد تری پیدا می کند. این در حالیست که افزایش ضریب نفوذ خورشیدی و کنترل آن بوسیله سیستم دروپ نه تنها باعث کاهش ظرفیت تنظیم فرکانس نخواهد شد که موجب افزایش ظرفیت تنظیم فرکانس نیز شده است. با مقایسه سناریو های 5 و 8 نیز نتایج مشابهی به دست می آید.

4-6- بهینه‌سازی پاسخ دینامیکی شبکه

همانطور که عنوان شد، پس از بروز انحرافی در بار، برای آنکه فرکانس شبکه بدون داشتن انحراف ماندگاری به مقدار نامی خود بازگردد، حلقه کنترل فرکانس ثانویه می‌بایست با بهره‌هایی بهینه، پاسخگوی این نیاز باشند. به عبارت دیگر هدف در اینجا کم کردن تغییرات فرکانس و توان انتقالی خطوط در کمترین زمان ممکن است. علاوه بر این درین مرحله، میزان توان ذخیره ساز نصب شده در هر ناحیه و نیز ضریب نفوذ تولیدات بادی و خورشیدی جهت داشتن پاسخ دینامیکی بهتر وارد بهینه سازی می گردد. مطمئناً با داشتن خصوصیات فوق پاسخ شبکه نسبت به باقی حالات در نظر گرفته شده وضعیت بهتری خواهد داشت.

الگوریتم PSO نسبت به تنظیمات اولیّه حسّاس بوده و پس از چند بار اجرای برنامه مقادیر برای تنظیمات کنترلی الگوریتم انتخاب شد. این مقادیر در جدول-2 در بخش ضمیمه آمده است. با نوشتن کدهای لازم جهت انجام شبیه سازی در نرم افزار Matlab/Simulink r20103a و مرتبط ساختن فایل سیمولینک به بخش محاسباتی الگوریتم شبیه سازی صورت می پذیرد. لازم به ذکر است که مجموع توان ذخیره ساز در دو ناحیه با توجه به مقدار تعیین شده 0.1 توان مبنا فرض می گردد. برای بهینه سازی، سیگنال کنترلی جدیدی ارایه شده که متناسب با قیود حاکم در آن پاسخ بهینه سازی به فرم مطلوب تر همگرا گردد. بدین صورت می توان مدلسازی حل مسئله را به فرم زیر میتوان بیان کرد:

4-1

به صورتی که

4-2
4-3
4-4

در تابع هدف جدید جهت از بین بردن انحراف