ه 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 مسئلهسیستم 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 کردCITATION pku89 l 1065 [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) ۲Hd∆fdt+D∆f=∆Pm-∆Peکه در آن ∆f انحراف فرکانس، ∆Pm انحراف توان مکانیکی و ∆Pe میزان تغییرات بار می‌باشد. ثابت اینرسی با H و ثابت میرایی با D نشان داده شده است. با گرفتن تبدیل لاپلاس از معادله ی فوق، رابطه زیر حاصل می‌شود:
(2-2) ۲Hs∆fs+D∆fs=∆Pms-∆Pesمی‌توان معادله فوق را به صورت بلوک دیاگرام نشان داده شده در شکل (2-1) نمایش داد.
شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 1 بلوک دیاگرام مدل توربین ژنراتور همچنین برای مدلسازی گاورنر، می‌توان از مدل ساده شده ی شکل (2-2) استفاده کرد.
شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 2 مدل ساده شده ی گاورنردقت شود که در شکل (2-2)، R معرف دروپ گاورنر، Tg ثابت زمانی گاورنر و ∆Pc رفرنس مرجع بار است. مدل ساده شده ی توربین نیز به صورت شکل (2-3) در نظر گرفته شده است.
شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 3 مدل ساده شده ی توربینعلاوه بر این، مدل باز گرمکن توربین‌های بخاری را می‌توان با بلوک دیاگرام نشان داده شده در شکل (2-4) مدل کرد:
شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 4 مدل توربین باز گرمکنبنابر این بلوک دیاگرام حلقه اولیّه کنترل بار فرکانس صورت شکل (2-5) در خواهد آمد.
شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 5 مدل خطی و ساده شده کنترل فرکانس سیستم قدرتبرای 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 Heq و Deq مجموع H و D 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- SEQ شکل_2- * ARABIC 6 مدل کنترل بار فرکانس سیستم چند ماشینهکنترل 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- SEQ شکل_2- * ARABIC 7 شماتیک کلی سیستم دو ناحیه ای قدرتدر این شکل رابطه بین توان انتقالی از خطوط ارتباطی بین دو ناحیه طبق رابطه (2-3) حاصل می‌شود:
(2-3) Ptie=V۱V۲X۱۲sinδ۱-δ۲که در آن V۱ و V۲ ولتاژ‌های نواحی کنترلی 1 و 2 بوده و δ۱ و δ۲ زاویه‌های بار ماشین‌های معادل نواحی 1 و 2 می‌باشد. منظور از X۱۲ راکتانس خط بین ناحیه ای می‌باشد.
با خطی سازی رابطه (2-3) حول نقطه کار δ۱ و δ۲ خواهیم داشت:
(2-4) ∆Ptie=T۱۲∆δ۱-∆δ۲که در آن T۱۲ گشتاور سنکرون کننده نام داشته و برابر است با:
(2-5) T۱۲=V۱V۲X۱۲cosδ۱-δ۲با استفاده از تابع تبدیل π۲s∆f=∆δ خواهیم داشت:
(1-6) ∆Ptie=π۲sT۱۲∆f۱-∆f۲در 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) ACEi=Bi∆fi+∆Ptieکه در آن Bi ضریب بایاس ناحیه (رابطه 2-8)، ∆fi تغییرات فرکانس ناحیه و ∆Ptie 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 Bi به صورت زیر انتخاب شود:
(2-8) Bi=۱R+Diدر رابطه فوق R مشخّصه دروپ و D 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 ACE 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 ∆Pl 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 تولیدی
مشخّصات دینامیکی ماشین‌ها و کنترلر‌ها.
انحراف ماندگار فرکانس در حالت دائمی، تابع دامنه اغتشاشات وارده و مشخّصه پاسخ فرکانسی شبکه می‌باشد. مشخّصه فرکانسی سیستم تابع مسائل زیر است:
مشخّصه دروپ تمام ژنراتورهای ناحیه که در تأمین بار مشارکت دارند.
حسّاسیت بار به تغییرات فرکانس سیستم در ناحیه مورد نظر.
به طور کلی عدم تعادل بین تولید و مصرف همواره در سیستم قدرت به صورت لحظه ای و دائم وجود دارد. کمتر بودن فرکانس از مقدار نامی نشان دهنده کسری تولید در شبکه است و بالعکس. در عمل حتی بدون وجود خطا در سیستم، بار به صورت پیوسته تغییر می‌کند. انحراف فرکانس از مقدار نامی کنترل اولیّه را فعّال می‌کند. کنترل اولیّه باعث ایجاد یک فرکانس جدید و متفاوت از فرکانس نامی (همراه با خطای حالت ماندگار) در ناحیه می‌شود. از آنجائیکه در یک سیستم قدرت، هر ناحیه کنترلی بر اساس توازن بار در ناحیه خود در کنترل بار فرکانس شرکت می‌کند، عدم تعادل بین بار و تولید در هر ناحیه باعث تبادل توان بین نواحی کنترلی شده و انحراف از مقدار برنامه ریزی شده را در پی دارد.
شکل 2- SEQ شکل_2- * ARABIC 8 مدل خطی سیستم دو ناحیه ای قدرت با حلقه کنترلی تکمیلی CITATION pku89 l 1065 [2]وظیفه کنترل ثانویه که همان کنترل خودکار تولید نامیده می شود، حفظ توازن توان در تمام ناحیه‌های کنترلی به صورتی است که مقدار فرکانس برابر مقدار نامی و همچنین میزان توان انتقالی خطوط برابر با میزان توان انتقالی برنامه ریزی شده آن باشد.
علاوه بر این دو حلقه کنترلی، کنترل ثالثیه ای نیز وجود دارد که عملکرد آن کند تر از کنترل‌های اولیّه و ثانویه است. ساختار کنترل ثالثیه به نحوه ی مدیریت شبکه و قوانین آن وابستگی دارد. به عنوان مثال، در ساختار سنتی، بهره بردار سیستم پس از انجام پخش بار اقتصادی، مقادیر جدید نقطه کار واحدهای تولیدی را تعیین می کرد. در واقع، کنترل ثالثیه میزان توان تولیدی واحدها و نقاط بار گذاری آنها را به گونه ای تعیین می‌کند که با برقراری توازن میان توان تولیدی اکتیو و راکتیو واحدها با میزان مصرف آنها (به علاوه تلفات شبکه) و ضمن رعایت قیود شبکه، هزینه بهره برداری نیز کمینه شود.
ورود منابع انرژی تجدیدپذیر در مقیاس بالا اثرات پر رنگی بر قابلیّت کنترل فرکانس سیستم قدرت و سیستم‌های کنترل خودکار همانند دیگر سیستم‌های کنترلی و بهره برداری خواهد داشت. این اثرات در سال‌های آتی که ضریب نفوذ تولیدات تجدیدپذیر روند صعودی به خود می‌گیرد نیز افزایش می‌یابد. از سوی دیگر، اکثر منابع انرژی تجدیدپذیر که مورد بهره برداری قرار گرفتند فاقد قابلیّت‌های تنظیم فرکانس می‌باشند. شاید این خصیصه کمک مشخّصی به قابلیّت تنظیم فرکانس شبکه به حساب نیاید، بلکه نیاز به داشتن توان کافی هنگام بروز اغتشاشی در شبکه و برقراری تعادل تولید-مصرف را دوچندان می‌کند. ساختار کنترل فرکانس در آینده، می‌بایست از انعطاف عمل و هوشمندی بیشتری برخوردار بوده تا بتواند این اطمینان خاطر را فراهم آورد که به صورت پیوسته توازن لازم میان تولید و مصرف را در شبکه در پی بروز تغییر در بار شبکه و همچنین نوسانات توان تولیدی منابع تجدیدپذیر برقرار نماید.
برای رسیدن به این مطلوب، بهره‌برداران شبکه می بایست اطلاعات و الگوهای دقیق تولید تجدیدپذیر و بار را در دست داشته باشند. امروزه توازن تولید-مصرف در یک سیستم قدرت بوسیله کنترل خروجی منابع تولید متداول (و نه تولید تجدیدپذیر) جهت دنبال کردن الگوی بار مد نظر قرار دارد. با ورود منابع انرژی تجدیدپذیر به نظر می‌رسد از سهم ظرفیت در دسترس کنترل خودکار تولید در برقراری تعادل تولید و مصرف (کنترل بار فرکانس) کاسته شود. در نتیجه می‌توان توقع داشت که در آینده ای نزدیک، کنترل خودکار تولید سهم مهّمی در برقراری مجدّد توازن تولید-مصرف در چهار چوب زمانی کوتاه مدت (چند ثانیه تا چندین دقیقه) و اداره کردن خطای پیشبینی بار و تولید متداول، بازی کند. از این رو، بسیار ضروری است بهره‌برداران و طراحان شبکه بروی استراتژی‌های کنترلی بازنگری‌های لازم را به