تغییر بار در ناحیه

تغییرات توان انتقالی خط ارتباطی میان دو ناحیه و

تغییرات فرکانس ناحیه

فصل اول: اصول کنترل بار فرکانس سیستم قدرت
۱-۱- مقدمه
عملکرد مطلوب یک سیستم قدرت منوط به برابر بودن میزان توان تولید با توان مصرفی و تلفات می‌باشد. در شبکه قدرت نقطه کار سیستم دائماً تغییر می‌‎کند. بنابر این جهت برقراری توازن میان تولید و مصرف باید سطح تولید واحدهای تولیدی تغییر یابد. در نتیجه فرکانس نامی شبکه و توان اختصاص یافته به واحد‌ها دچار تغییراتی می‌گردد. این انحرافات می‌تواند سبب ایجاد تاثیراتی ناخواسته در شبکه گردد. کنترل بار فرکانس به همراه کنترل خودکار تولید به عنوان یکی از مهّم ترین سرویس‌های جانبی در طراحی و بهره برداری سیستم‌های قدرت به منظور کارایی بهتر، افزایش کیفیت توان و قابلیّت اطمینان شبکه، نقش اصلی در کنترل این نوسانات بر عهده دارد. اهداف اصلی کنترل خودکار تولید را می‌توان در موارد زیر خلاصه کرد:
تعقیب مناسب الگوی بار
به صفر رساندن خطای حالت ماندگار فرکانس
کمینه کردن انحرافات توان خطوط انتقالی توان بین ناحیه ای
کمینه کردن حداکثر فرا جهش و زمان نشست برای انحرافات فرکانس ناحیات و توان انتقالی خطوط.

در حال حاضر شبکه قدرت مشمول تغییراتی کلی در بدنه و ساختار خود است. بخشی از این تغییرات به سبب مسائل مربوط به تجدید ساختار یافتن شبکه و برنامه‌ریزی‌های رقابتی است. تغییری که عملاً سیستم قدرت را از حالتی که در آن تنها یک مالک برای سیستم توزیع، انتقال و تولید وجود دارد، به سمتی سوق می‌دهد که شرکت‌های تولیدی انرژی در رقابت با یکدیگر توان درخواستی مصرف کنندگان را تأمین می کنند. این تراکنش‌های توان مرزبندی جغرافیایی خاصّی نمی‌پذیرد و لزوماً تولید و مصرف در یک ناحیه واقع نمی شوند. علاوه بر آن ورود مصرف کنندگان بزرگ نظیر کارخانه‌های فولاد با نرخ تغییرات توان قابل توجّه به بازار مصرف، می‌توانند سبب بروز اغتشاشات شدید فرکانسی گردند. بخش دیگری از تغییرات را می‌توان به ظهور انواع جدید ادوات تولید توان، تکنولوژی‌های جدید و حجم رو به افزایش بهره برداری از منابع انرژی تجدیدپذیر نیز نسبت داد. نیاز فزاینده به انرژی الکتریکی در کنار ذخیره محدود سوخت فسیلی و نگرانی روبه گسترش مشکلات زیست محیطی ناشی از مصرف سوخت فسیلی، ضرورت استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر نظیر باد و خورشید و ورود آنها را به شبکه قدرت دوچندان می کند. در نتیجه با توجّه به رشد روز افزون تقاضا در سیستم‌های قدرت، در محیط رقابتی و ورود منابع انرژی تجدیدپذیر به سیستم قدرت، هر یک از عملیات های کنترلی خودکار نظیر کنترل خودکار تولید، نقش بسیار مهّمی در حفظ امنیت و پایداری سیستم قدرت پیدا می‌‎کند.
۱-۲- ضرورت پایداری فرکانس در شبکه قدرت
فرکانس در شبکه‌های قدرت نشان دهنده وجود توازن بین توان تولیدی و مصرفی است. اگر این توازن برقرار باشد، فرکانس سیستم ثابت خواهند ماند. با کاهش توان مصرفی فرکانس شبکه افزایش می‌یابد و با افزایش تقاضای بار فرکانس افت می‌‎کند. تغییرات فرکانس سبب تغییر در بار‌های حسّاس به فرکانس در شبکه نیز خواهد شد [۱].
پایداری فرکانس در شبکه به دو دسته کوتاه مدت و بلند مدت تقسیم می‌شود. در پایداری کوتاه مدت، نگرانی عمده تغییرات ناگهانی فرکانس می‌باشد؛ ولی در پایداری بلند مدت کارایی دینامیکی شبکه و باز گرداندن فرکانس به مقدار نامی آن هدف اصلی به حساب می‌آید [۲].
سیستم‌های قدرت معمولا در فرکانس نامی (۵۰ یا ۶۰ هرتز) مورد بهره برداری قرار می گیرند. تمام اجزای سیستم قدرت اعم از توربین ژنراتورها، ترانسفورماتورها، موتور‌ها، تجهیزات الکترونیکی و غیره برای کار در این فرکانس نامی طراحی و ساخته شده‌اند. انحراف فرکانس شبکه از مقدار نامی خود باعث دور شدن آنها از حالت نرمال کاری شان می‌گردد. گرچه که میزان حسّاسیت این ادوات به تغییرات فرکانس متفاوت است. افت فرکانس در شبکه تاثیرات مشخّصی بر عملکرد این ادوات باقی می‌گذارد. به برخی از پیامدها در زیر اشاره شده ‌است:
ترانسفورماتورها بر اساس رابطه ، به نحوی طراحی و ساخته شده‌اند که بدون اشباع هسته، از حدّاکثر چگالی شار آن استفاده شود. در واقع هسته در نقطه زانویی و نزدیک به اشباع کار می‌‎کند. در پی بروز کاهشی در فرکانس و با توجّه به رابطه فوق، لازم است جهت حفظ سطح ولتاژ القایی، شار مغناطیسی از مقدار نامی بیشتر گردد. در پی بروز چنین وضعیتی، احتمال به اشباع رفتن هسته ترانسفورماتور قریب الوقوع می کند. اشباع هسته جریان‌های مغناظیس کنندگی بزرگ و غیر سینوسی را نیز به دنبال دارد.
سرعت چرخش ماشین‌های القایی و سنکرون با فرکانس شبکه متناسب است و بالطبع بروز هر انحرافی در فرکانس، تغییر سرعت ماشین‌ها را در پی دارد. این تغییر می‌تواند عملکرد نامطلوب در بار متصّل به شفت ماشین را در پی داشته باشد. علاوه بر آن پدیده اشباع هسته نیز همانند ترانسفورماتورها، محتمل است.
ساعت‌های الکترونیکی و ثوابت، با فرکانس شبکه نسبت مستقیم دارند و هر گونه تغییری در فرکانس مستقیماً بر عملکرد صحیح آنها تاثیر می‌گذارد. در نتیجه تغییر فرکانس، موجب ضعف عملکرد این ادوات خواهد شد.
توربین‌های شبکه قدرت و بالاخص توربین‌های بخار را میتوان حسّاس‌ترین اجزاء شبکه نسبت به تغییرات فرکانس دانست. هر توربین بخار دارای روتوری کشیده است که معمولا از چندین بخش تشکیل شده است. هر بخش شامل مجموعه ای از پره‌های ثابت و متحرک است. تنش‌های مکانیکی وارده به روتور در قسمت‌های مختلف یکسان نیست. این ساختار پیچیده دارای مجموعه وسیعی از فرکانس‌های تشدید مکانیکی است. تغییر در فرکانس می‌تواند موجب بروز پدیده تشدید زیرسنکرون در توربین گردد. طراحی توربین باید به صورتی انجام پذیرد که در پی بروز انحراف فرکانس در سیستم قدرت، 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 [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 می‌شود:
واحدهای آبی و یا گازی واکنش سریع که قادرند طی زمان محدودی (در چند دقیقه) وارد مدار شده و کمبود شبکه را جبران سازند.
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.
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.
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 ۵% 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.
۱-۳- 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:
ارائه طرح کنترلی جدیدی برای شرکت دادن تولید خورشیدی در تنظیم فرکانس ناحیه در سیستم چند ناحیه ای قدرت.
مشارکت دادن تولید خورشیدی در کنترل اولیّه فرکانس.
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.
مشارکت دادن تولید بادی DFIG در کنترل اولیّه فرکانس .
بررسی پاسخ دینامیکی سیستم دو ناحیه قدرت متشکّل از واحد‌های حرارتی در حضور تولید خورشیدی/بادی/ هر دو، در سیستم قدرت.
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.
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
۲-۱- تعریف مسئله