کنترل خودکار تولید سیستم قدرت در حضور منابع انرژی تجدیدپذیر

وزارت علوم، تحقیقات و فناوری
دانشگاه علوم و فنون مازندران
پايان نامه براي دريافت درجه کارشناسي ارشد
در رشته مهندسي برق – گرايش قدرت
عنوان:
کنترل خودکار تولید سیستم قدرت در حضور منابع انرژی تجدیدپذیر
نگارنده:
بهزاد مرادی
استاد راهنما:
دکتر عبدالرضا شیخ الاسلامی
استاد مشاور:
مهندس رویا احمدی آهنگر
1392

تقدیم به پدر و مادر عزیزم.
تقدير و تشکّر :
نگارنده بر خود فرض مي‌داند تا بدینوسیله مراتب قدردانی و تشکر خود را از زحمات ارزشمند اساتيد گرانقدر راهنما و مشاور جناب آقای دکتر عبدالرضا شيخ الاسلامی و سرکار خانم مهندس رویا احمدی آهنگر و نيز جناب آقای دکتر جواد روحی استاد محترم داور صمیمانه ابراز نماید.
چکیده
در یک شبکه قدرت هر ناحیه موظّف به تأمین بار درخواستی ناحیه به همراه تضمین کیفیت توان تولیدی است. انحراف بیش از حدّ مجاز از فرکانس نامی شبکه، باعث آسیب رسیدن به تجهیزات، کاهش عملکرد بار‌های شبکه، تحمیل اضافه بار بر خطوط ارتباطی، تحریک ادوات حفاظتی شبکه و نقص عملکرد در تجهیزات الکترونیکی گشته و حتی در شرایطی سبب فروپاشی شبکه می‌گردد. هدف اصلی در کنترل بار فرکانس و در پی بروز هر تغییری در بار، بازگرداندن هرچه سریع تر فرکانس به مقدار نامی و کمینه نمودن دامنه نوسانات فرکانسی است. در کنار آن کاهش تغییرات توان انتقالی خطوط انتقال و بازگردانی سریع آن به محدوده قابل قبول دو هدف عمده کنترل خودکار تولید(AGC) را تشکیل می‌دهند.
در حال حاضر شبکه قدرت مشمول تغییراتی کلی در بدنه و ساختار خود است. این تغییرات نه به سبب مسائل مربوط به تجدید ساختار یافتن شبکه و برنامه‌ریزی‌های رقابتی است، بلکه به علّت ظهور انواع جدید ادوات تولید توان، تکنولوژی‌های جدید و حجم رو به افزایش منابع انرژی تجدیدپذیر نیز می‌باشد. نیاز فزاینده به انرژی الکتریکی در کنار ذخیره محدود سوخت فسیلی و نگرانی روبه گسترش مشکلات زیست‌محیطی ناشی از مصرف سوخت فسیلی، ضرورت استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر نظیر باد و خورشید و ورود آنها را به شبکه قدرت دوچندان می‌نماید. از طرفی با ظهور منابع انرژی تجدیدپذیر نظیر انرژی باد و خورشید علاقه شدیدی به بررسی تاثیرات استفاده از این منابع در بهره‌برداری و کنترل شبکه قدرت بوجود آمده است. یکپارچگی و پیوستن منابع انرژی تجدیدپذیر به شبکه قدرت فعلی گذشته از منافع اقتصادی که به دنبال دارد، اثرات پررنگی بر کیفیت توان و کنترل فرکانس شبکه باقی می‌گذارد.
افزایش استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر نیاز مبرم به بررسی و انجام مطالعات لازم جهت تعیین تاثیر آنها بر کنترل فرکانس سیستم قدرت را در پی داشته و اهمیّت داشتن برنامه‌های کنترلی مناسب را پر رنگ می‌نماید. در این پایان نامه تأثیر شرکت دادن منابع انرژی تجدیدپذیر در کنترل فرکانس شبکه قدرت چند ناحیه ای با ارائه برنامه های کنترلی جدید مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
كلمات كليدي فارسي: کنترل خودکار تولید، تولید انرژی خورشیدی، تولید انرژی بادی، سیستم ذخیره‌ساز انرژی.
فهرست مطالب
TOC o “1-3” h z u فصل اول: اصول کنترل بار فرکانس سیستم قدرت PAGEREF _Toc382127561 h 11-1- مقدمه PAGEREF _Toc382127562 h 21-2- ضرورت پایداری فرکانس در شبکه قدرت PAGEREF _Toc382127563 h 31-3- ساختار مطالعاتی پایان‌نامه PAGEREF _Toc382127564 h 7فصل دوم: کنترل خودکار تولید PAGEREF _Toc382127565 h 92-1- تعریف مسئله PAGEREF _Toc382127566 h 102-2- پیشینه تحقیق PAGEREF _Toc382127567 h 172-2-1- وضعیت فعلی استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر PAGEREF _Toc382127568 h 172-2-2- نقش تولید خورشیدی در کنترل فرکانس شبکه PAGEREF _Toc382127569 h 192-2-3- حضور تولید بادی در کنترل فرکانس PAGEREF _Toc382127570 h 212-2-4- استفاده از ذخیره‌سازها PAGEREF _Toc382127571 h 222-3- جمع بندی PAGEREF _Toc382127572 h 23فصل سوم: کنترل فرکانس تولید بادی و خورشیدی PAGEREF _Toc382127573 h 243-1- مقدمه PAGEREF _Toc382127574 h 253-2- مشارکت تولید بادی ژنراتور القایی دو سو تغذیه در تنظیم فرکانس شبکه PAGEREF _Toc382127575 h 253-2-1- کنترل فرکانس توربین بادی سرعت متغیّر PAGEREF _Toc382127576 h 263-2-2- مدل توربین بادی PAGEREF _Toc382127577 h 273-2-3- مقدارسنجی انرژی چرخشی قابل دسترسی از توربین-ژنراتور PAGEREF _Toc382127578 h 303-2-4- کاربرد پشتیبانی موقّت توان اکتیو DFIG در کنترل فرکانس سیستم قدرت PAGEREF _Toc382127579 h 353-2-5- تغییر در تنظیم دروپ واحد‌های تولید بادی توسط DFIG بدون قابلیّت پشتیبانی فرکانس PAGEREF _Toc382127580 h 363-2-6- تغییر در ثابت لختی سیستم بدون پشتیبانی فرکانس از طرف تولید بادی PAGEREF _Toc382127581 h 363-2-7- تغییر در تنظیم فرکانس و ثابت لختی سیستم در حضور سیستم پشتیبانی فرکانس PAGEREF _Toc382127582 h 363-2-8- کنترلر پیشنهادی برای پشتیبانی توان اکتیو از DFIG برای کنترل فرکانس PAGEREF _Toc382127583 h 393-3- مشارکت واحد های تولید توان خورشیدی در کنترل فرکانس شبکه PAGEREF _Toc382127584 h 403-3-1- مشخّصات پانل‌های خورشیدی و مدلسازی آنها PAGEREF _Toc382127585 h 413-3-2- استراتژی کنترلی پیشنهادی برای مزرعه خورشیدی PAGEREF _Toc382127586 h 443-3-3- تغییر در تنظیم دروپ واحد‌های تولیدی در حضور تولید خورشیدی با ضریب نفوذ Lpv PAGEREF _Toc382127587 h 443-3-4- تغییر در ثابت لختی سیستم در حضور تولید خورشیدی PAGEREF _Toc382127588 h 443-3-5- مشارکت واحد تولید خورشیدی در تنظیم فرکانس شبکه PAGEREF _Toc382127589 h 453-3-6- الگوریتم سطح 2 کنترلی برای کنترل توان اکتیو PAGEREF _Toc382127590 h 463-3-7- حالت کنترلی دروپ برای سیستم‌های خورشیدی PAGEREF _Toc382127591 h 473-4- استفاده از ذخیره‌ساز‌های انرژی در سیستم قدرت PAGEREF _Toc382127592 h 513-4-1- مدل ذخیره‌ساز باتری PAGEREF _Toc382127593 h 513-5- الگوریتم بهینه‌سازی نوسان ذرات PAGEREF _Toc382127594 h 533-6- شبکه ترکیبی PAGEREF _Toc382127595 h 543-7- جمع بندی PAGEREF _Toc382127596 h 55فصل چهارم: شبیه سازی و ارائه نتایج PAGEREF _Toc382127597 h 574-1- مقدمه PAGEREF _Toc382127598 h 584-2- حضور DFIG در کنترل فرکانس سیستم قدرت PAGEREF _Toc382127599 h 584-3- مشارکت سیستم‌های خورشیدی در کنترل فرکانس سیستم قدرت PAGEREF _Toc382127600 h 674-4- مشارکت همزمان تولید بادی DFIG و سیستم‌های خورشیدی در کنترل فرکانس سیستم قدرت PAGEREF _Toc382127601 h 714-5- استفاده از ذخیره‌ساز باتری در سیستم قدرت PAGEREF _Toc382127602 h 754-6- بهینه‌سازی پاسخ دینامیکی شبکه PAGEREF _Toc382127603 h 764-7- جمع بندی PAGEREF _Toc382127604 h 81فصل پنجم: نتیجه گیری و ارائه پیشنهادهای ممکن PAGEREF _Toc382127605 h 825-1- بحث و نتيجه گيري PAGEREF _Toc382127606 h 835-2- پيشنهادات PAGEREF _Toc382127607 h 84ضمائم PAGEREF _Toc382127608 h 85منابع و مراجع PAGEREF _Toc382127609 h 86
لیست جداول
TOC h z c “جدول 3-” جدول 3- 1تغییر در تنظیم دروپ واحد های تولیدی و لختی سیستم برای ضریب نفوذ های متفاوت باد PAGEREF _Toc378258487 h 38 TOC h z c “جدول 4-”
جدول 4- 1سناریو‌های باتری در شبکه و مقدار شایستگی متناسب با ضریب نفوذ منابع و باتری PAGEREF _Toc382123668 h 76جدول 4- 2 مقادیر بهینه شده توسط الگوریتم PSO PAGEREF _Toc382123669 h 78 TOC h z c “جدول”
جدول 1مشخصات نامی سیستم قدرت مورد مطالعه PAGEREF _Toc378258490 h 85جدول 2 پارامترهای به کار رفته در الگوریتم PSO PAGEREF _Toc378258491 h 85
لیست تصاویر و نمودارها
TOC h z c “شکل 2-” شکل 2- 1 بلوک دیاگرام مدل توربین ژنراتور PAGEREF _Toc378165670 h 11شکل 2- 2 مدل ساده شده ی گاورنر PAGEREF _Toc378165671 h 11شکل 2- 3 مدل ساده شده ی توربین PAGEREF _Toc378165672 h 11شکل 2- 4 مدل توربین باز گرمکن PAGEREF _Toc378165673 h 12شکل 2- 5 مدل خطی و ساده شده کنترل فرکانس سیستم قدرت PAGEREF _Toc378165674 h 12شکل 2- 6 مدل کنترل بار فرکانس سیستم چند ماشینه PAGEREF _Toc378165675 h 13شکل 2- 7 شماتیک کلی سیستم دو ناحیه ای قدرت PAGEREF _Toc378165676 h 13شکل 2- 8 مدل خطی سیستم دو ناحیه ای قدرت با حلقه کنترلی تکمیلی PAGEREF _Toc378165677 h 16 TOC h z c “شکل 3-”
شکل 3- 1 بلوک دیاگرام مدل توربین بادی سرعت متغیّر PAGEREF _Toc378165678 h 27شکل 3- 2 منحنی‌های C_p برای زاویه‌های پره متفاوت PAGEREF _Toc378165679 h 29شکل 3- 3 توان و سرعت روتور توربین به عنوان تابعی از سرعت باد PAGEREF _Toc378165680 h 29شکل 3- 4 مدل توربین بادی سرعت متغیّر برای وزش باد با سرعت‌های کم و متوسط (کنترلر زاویه غیر فعّال شده است) PAGEREF _Toc378165681 h 30شکل 3- 5 توان مکانیکی تأمین شده از طرف DFIG برای سرعت‌های مختلف باد (B=0) PAGEREF _Toc378165682 h 31شکل 3- 6 مدت زمان تداوم افزایش توان پله ای موقت در خروجی توان الکتریکی توربین بادی برای سرعت‌های کم وزش باد PAGEREF _Toc378165683 h 33شکل 3- 7 مدت زمان تداوم افزایش توان پله ای موقت در خروجی توان الکتریکی توربین بادی برای سرعت‌های متوسّط وزش باد PAGEREF _Toc378165684 h 34شکل 3- 8 زاویه شیب پره برای برداشت سطوح مختلف توان اکتیو در سرعت‌های بالای وزش باد PAGEREF _Toc378165685 h 35شکل 3- 9 کنترلر پیشنهادی برای پشتیبانی فرکانس PAGEREF _Toc378165686 h 40شکل 3- 10 مدار معادل ماژول خورشیدی PAGEREF _Toc378165687 h 41شکل 3- 11 ژنراتور خورشیدی متصل به شبکه PAGEREF _Toc378165688 h 42شکل 3- 12 منحنی V_I ماژول خورشیدی PAGEREF _Toc378165689 h 43شکل 3- 13 منحنی V_P ماژول خورشیدی PAGEREF _Toc378165690 h 43شکل 3- 14 ساختار اصلی سیستم کنترلی PAGEREF _Toc378165691 h 45شکل 3- 15 دیاگرام کنترل دروپ فرکانس PAGEREF _Toc378165692 h 49شکل 3- 16 کنترل دروپ حالت ماندگار سیستم خورشیدی PAGEREF _Toc378165693 h 50شکل 3- 17 ساختمان کنترل دروپ پیشنهادی برای سیستم خورشیدی PAGEREF _Toc378165694 h 51شکل 3- 18 بلوک دیاگرام مدل خطی ذخیره‌ساز باتری PAGEREF _Toc378165695 h 52شکل 3- 19روند اجرایی تکنیک PSO PAGEREF _Toc378165696 h 54شکل 3- 20 بلوک دیاگرام سیستم دو ناحیه ای قدرت در حضور مزرعه بادی DFIG و مزرعه خورشیدی و ذخیره ساز باتری PAGEREF _Toc378165697 h 54 TOC h z c “شکل 4-”
شکل 4- 1تغییرات فرکانس ناحیه 1 در حضور سطوح مختلف تولید بادی در سیستم قدرت PAGEREF _Toc378165698 h 59شکل 4- 2 تغییرات فرکانس ناحیه 2 در حضور سطوح مختلف تولید بادی در سیستم قدرت PAGEREF _Toc378165699 h 60شکل 4- 3 تغییر توان ژنراتور ناحیه 1 PAGEREF _Toc378165700 h 60شکل 4- 4 تغییر توان ژنراتور ناحیه 2 PAGEREF _Toc378165701 h 61شکل 4- 5 تغییرات توان انتقالی خط ارتباطی بین ناحیه‌ای PAGEREF _Toc378165702 h 61شکل 4- 6 تغییرات فرکانس ناحیه 1 برای حالت‌های در نظر گرفته شده PAGEREF _Toc378165703 h 62شکل 4- 7 تغییرات فرکانس ناحیه 2 برای حالت‌های در نظر گرفته شده PAGEREF _Toc378165704 h 63شکل 4- 8 تغییرات توان انتقالی خطوط PAGEREF _Toc378165705 h 63شکل 4- 9 تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 1 PAGEREF _Toc378165706 h 65شکل 4- 10 تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 2 PAGEREF _Toc378165707 h 65شکل 4- 11 تغییرات فرکانس ناحیه 1 PAGEREF _Toc378165708 h 66شکل 4- 12 تغییرات فرکانس ناحیه 2 PAGEREF _Toc378165709 h 66شکل 4- 13 تغییرات توان انتقالی بین ناحیه 1 و 2 PAGEREF _Toc378165710 h 67شکل 4- 14 تغییرات فرکانس ناحیه 1 برای حالت‌های در نظر گرفته شده PAGEREF _Toc378165711 h 69شکل 4- 15تغییرات فرکانس ناحیه 2 برای حالت‌های در نظر گرفته شده PAGEREF _Toc378165712 h 69شکل 4- 16تغییرات توان انتقالی خطوط برای موارد در نظر گرفته شده PAGEREF _Toc378165713 h 70شکل 4- 17تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 1 PAGEREF _Toc378165714 h 70شکل 4- 18تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 2 PAGEREF _Toc378165715 h 71شکل 4- 19تغییرات فرکانس ناحیه 1 برای حالت‌های در نظر گرفته شده PAGEREF _Toc378165716 h 72شکل 4- 20 تغییرات فرکانس ناحیه 2 برای حالت‌های در نظر گرفته شده PAGEREF _Toc378165717 h 73شکل 4- 21تغییرات توان انتقالی خط ارتباطی PAGEREF _Toc378165718 h 73شکل 4- 22تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 1 PAGEREF _Toc378165719 h 74شکل 4- 23تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 2 PAGEREF _Toc378165720 h 74شکل 4- 24 تغییرات توان خروجی منابع تجدیدپذیر با استفاده از برنامه‌های کنترلی پیشنهادی PAGEREF _Toc378165721 h 75شکل 4- 25 مقایسه انحراف فرکانس ناحیه 1 در حضور مقادیر بهینه باتری و ثات انتگرال گیر ناحیه PAGEREF _Toc378165722 h 78شکل 4- 26 مقایسه انحراف فرکانس ناحیه 2 در حضور مقادیر بهینه باتری و ثابت انتگرال گیر ناحیه PAGEREF _Toc378165723 h 79شکل 4- 27 مقایسه تغییرات توان انتقالی خط واسط در حضور مقادیر بهینه در دو ناحیه PAGEREF _Toc378165724 h 79شکل 4- 28 تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 1 PAGEREF _Toc378165725 h 80شکل 4- 29 تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 2 PAGEREF _Toc378165726 h 80
فهرست علائم و اختصارات
Biضریب بایاس فرکانس کنترل تکمیلی ناحیه iRiثابت تنظیم دروپ گاورنر ناحیه iHلختی ناحیه
Dعامل میراکنندگی بار ناحیه
Ttiثابت زمانی توربین ناحیه iTriثابت زمانی توربین بازگرمکن ناحیه iTgiثابت زمانی گاورنر ناحیه iKriبهره مدل توربین بازگرمکن
Kiiبهره

Author:

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *