در رشته مهندسی برق – گرایش 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.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
تقدیر و تشکّر :
نگارنده بر خود فرض می‌داند تا بدینوسیله مراتب قدردانی و تشکر خود را از زحمات ارزشمند اساتید گرانقدر راهنما و مشاور جناب آقای دکتر عبدالرضا شیخ الاسلامی و سرکار خانم مهندس رویا احمدی آهنگر و نیز 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 می باشد. 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 می گردد. هدف اصلی در کنترل بار فرکانس و در پی بروز هر تغییری در بار، بازگرداندن هرچه سریع تر فرکانس به مقدار نامی و کمینه کردن دامنه نوسانات فرکانسی می باشد. 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 می باشد. این تغییرات نه به سبب مسائل مربوط به تجدید ساختار یافتن شبکه و برنامه‌ریزی‌های رقابتی می باشد، 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 معضلات زیست‌محیطی ناشی از مصرف سوخت فسیلی، ضرورت بهره گیری 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 مطالعه تاثیرات بهره گیری از این منابع در بهره‌برداری و کنترل شبکه قدرت به وجودآمده می باشد. 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 بهره گیری از منابع انرژی تجدیدپذیر نیاز مبرم به مطالعه 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.
کلمات کلیدی فارسی: کنترل خودکار تولید، تولید انرژی خورشیدی، تولید انرژی بادی، سیستم ذخیره‌ساز انرژی.
فهرست مطالب
فصل اول: اصول کنترل بار فرکانس سیستم قدرت 1
1-1- مقدمه 2
1-2- ضرورت پایداری فرکانس در شبکه قدرت 3
1-3- ساختار مطالعاتی پایان‌نامه 7
فصل دوم: کنترل خودکار تولید 9
2-1- تعریف مسئله 10
2-2- پیشینه پژوهش 17
2-2-1- وضعیت فعلی بهره گیری از منابع انرژی تجدیدپذیر 17
2-2-2- تأثیر تولید خورشیدی در کنترل فرکانس شبکه 19
2-2-3- حضور تولید بادی در کنترل فرکانس 21
2-2-4- بهره گیری از ذخیره‌سازها 22
2-3- جمع بندی 23
فصل سوم: کنترل فرکانس تولید بادی و خورشیدی 24
3-1- مقدمه 25
3-2- مشارکت تولید بادی ژنراتور القایی دو سو تغذیه در تنظیم فرکانس شبکه 25
3-2-1- کنترل فرکانس توربین بادی سرعت متغیّر 26
3-2-2- مدل توربین بادی 27
3-2-3- مقدارسنجی انرژی چرخشی قابل دسترسی از توربین-ژنراتور 30
3-2-4- کاربرد پشتیبانی موقّت  توان اکتیو DFIG در کنترل فرکانس سیستم قدرت 35
3-2-5- تغییر در تنظیم دروپ واحد‌های تولید بادی توسط DFIG بدون قابلیّت پشتیبانی فرکانس 36
3-2-6- تغییر در ثابت لختی سیستم بدون پشتیبانی فرکانس از طرف تولید بادی 36
3-2-7- تغییر در تنظیم فرکانس و ثابت لختی سیستم در حضور سیستم پشتیبانی فرکانس 36
3-2-8- کنترلر پیشنهادی برای پشتیبانی توان اکتیو از DFIG برای کنترل فرکانس 39
3-3- مشارکت واحد های تولید توان خورشیدی در کنترل فرکانس شبکه 40
3-3-1- مشخّصات پانل‌های خورشیدی و مدلسازی آنها 41
3-3-2- استراتژی کنترلی پیشنهادی برای مزرعه خورشیدی 44
3-3-3- تغییر در تنظیم دروپ واحد‌های تولیدی در حضور تولید خورشیدی با ضریب نفوذ 44
3-3-4- تغییر در ثابت لختی سیستم در حضور تولید خورشیدی 44
3-3-5- مشارکت واحد تولید خورشیدی در تنظیم فرکانس شبکه 45
3-3-6- الگوریتم سطح 2 کنترلی برای کنترل توان اکتیو 46
3-3-7- حالت کنترلی دروپ برای سیستم‌های خورشیدی 47
3-4- بهره گیری از ذخیره‌ساز‌های انرژی در سیستم قدرت 51
3-4-1- مدل ذخیره‌ساز باتری 51
3-5- الگوریتم بهینه‌سازی نوسان ذرات 53
3-6- شبکه ترکیبی 54
3-7- جمع بندی 55
فصل چهارم: شبیه سازی و ارائه نتایج 57
4-1- مقدمه 58
4-2- حضور DFIG در کنترل فرکانس سیستم قدرت 58
4-3- مشارکت سیستم‌های خورشیدی در کنترل فرکانس سیستم قدرت 67
4-4- مشارکت همزمان تولید بادی DFIG و سیستم‌های خورشیدی در کنترل فرکانس سیستم قدرت 71
4-5- بهره گیری از ذخیره‌ساز باتری در سیستم قدرت 75
4-6- بهینه‌سازی پاسخ دینامیکی شبکه 76
4-7- جمع بندی 81
فصل پنجم: نتیجه گیری و ارائه پیشنهادهای ممکن 82
5-1- بحث و نتیجه گیری 83
5-2- پیشنهادات 84
ضمائم 85
منابع و مراجع 86
 
 
لیست جداول
جدول 3- 1تغییر در تنظیم دروپ واحد های تولیدی و لختی سیستم برای ضریب نفوذ های متفاوت باد 38
جدول 4- 1سناریو‌های باتری در شبکه و مقدار شایستگی متناسب با ضریب نفوذ منابع و باتری 76
جدول 4- 2 مقادیر بهینه شده توسط الگوریتم PSO 78
جدول  1مشخصات نامی سیستم قدرت مورد مطالعه 85
جدول 2 پارامترهای به کار رفته در الگوریتم PSO 85
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
لیست تصاویر و نمودارها
شکل 2- 1 بلوک دیاگرام مدل توربین ژنراتور 11
شکل 2- 2 مدل ساده شده ی گاورنر 11
شکل 2- 3 مدل ساده شده ی توربین 11
شکل 2- 4 مدل توربین باز گرمکن 12
شکل 2- 5 مدل خطی و ساده شده کنترل فرکانس سیستم قدرت 12
شکل 2- 6 مدل کنترل بار فرکانس سیستم چند ماشینه 13
شکل 2- 7 شماتیک کلی سیستم دو ناحیه ای قدرت 13
شکل 2- 8 مدل خطی سیستم دو ناحیه ای قدرت با حلقه کنترلی تکمیلی 16
شکل 3- 1 بلوک دیاگرام مدل توربین بادی سرعت متغیّر 27
شکل 3- 2 منحنی‌های C_p برای زاویه‌های پره متفاوت 29
شکل 3- 3 توان و سرعت روتور توربین به عنوان تابعی از سرعت باد 29
شکل 3- 4 مدل توربین بادی سرعت متغیّر برای وزش باد با سرعت‌های کم و متوسط (کنترلر زاویه غیر فعّال شده می باشد) 30
شکل 3- 5 توان مکانیکی تأمین شده از طرف DFIG برای سرعت‌های مختلف باد (B=0) 31
شکل 3- 6 مدت زمان تداوم افزایش توان پله ای موقت در خروجی توان الکتریکی توربین بادی برای سرعت‌های کم وزش باد 33
شکل 3- 7 مدت زمان تداوم افزایش توان پله ای موقت در خروجی توان الکتریکی توربین بادی برای سرعت‌های متوسّط وزش باد 34
شکل 3- 8 زاویه شیب پره برای برداشت سطوح مختلف توان اکتیو در سرعت‌های بالای وزش باد 35
شکل 3- 9 کنترلر پیشنهادی برای پشتیبانی فرکانس 40
شکل 3- 10 مدار معادل ماژول خورشیدی 41
شکل 3- 11 ژنراتور خورشیدی متصل به شبکه 42
شکل 3- 12 منحنی V_I ماژول خورشیدی 43
شکل 3- 13 منحنی V_P ماژول خورشیدی 43
شکل 3- 14 ساختار اصلی سیستم کنترلی 45
شکل 3- 15 دیاگرام کنترل دروپ فرکانس 49
شکل 3- 16 کنترل دروپ حالت ماندگار سیستم خورشیدی 50
شکل 3- 17 ساختمان کنترل دروپ پیشنهادی برای سیستم خورشیدی 51
شکل 3- 18 بلوک دیاگرام مدل خطی ذخیره‌ساز باتری 52
شکل 3- 19روند اجرایی تکنیک PSO 54
شکل 3- 20 بلوک دیاگرام سیستم دو ناحیه ای قدرت در حضور مزرعه بادی DFIG و مزرعه خورشیدی و ذخیره ساز باتری 54
شکل 4- 1تغییرات فرکانس ناحیه 1 در حضور سطوح مختلف تولید بادی در سیستم قدرت 59
شکل 4- 2 تغییرات فرکانس ناحیه 2 در حضور سطوح مختلف تولید بادی در سیستم قدرت 60
شکل 4- 3 تغییر توان ژنراتور ناحیه 1 60
شکل 4- 4 تغییر توان ژنراتور ناحیه 2 61
شکل 4- 5 تغییرات توان انتقالی خط ارتباطی بین ناحیه‌ای 61
شکل 4- 6 تغییرات فرکانس ناحیه 1 برای حالت‌های در نظر گرفته شده 62
شکل 4- 7 تغییرات فرکانس ناحیه 2 برای حالت‌های در نظر گرفته شده 63
شکل 4- 8 تغییرات توان انتقالی خطوط 63
شکل 4- 9 تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 1 65
شکل 4- 10  تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 2 65
شکل 4- 11 تغییرات فرکانس ناحیه 1 66
شکل 4- 12 تغییرات فرکانس ناحیه 2 66
شکل 4- 13 تغییرات توان انتقالی بین ناحیه 1 و 2 67
شکل 4- 14 تغییرات فرکانس ناحیه 1 برای حالت‌های در نظر گرفته شده 69
شکل 4- 15تغییرات فرکانس ناحیه 2 برای حالت‌های در نظر گرفته شده 69
شکل 4- 16تغییرات توان انتقالی خطوط برای موردها در نظر گرفته شده 70
شکل 4- 17تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 1 70
شکل 4- 18تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 2 71
شکل 4- 19تغییرات فرکانس ناحیه 1 برای حالت‌های در نظر گرفته شده 72
شکل 4- 20 تغییرات فرکانس ناحیه 2 برای حالت‌های در نظر گرفته شده 73
شکل 4- 21تغییرات توان انتقالی خط ارتباطی 73
شکل 4- 22تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 1 74
شکل 4- 23تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 2 74
شکل 4- 24 تغییرات توان خروجی منابع تجدیدپذیر با بهره گیری از برنامه‌های کنترلی پیشنهادی 75
شکل 4- 25 مقایسه انحراف فرکانس ناحیه 1 در حضور مقادیر بهینه باتری و ثات انتگرال گیر ناحیه 78
شکل 4- 26  مقایسه انحراف فرکانس ناحیه 2 در حضور مقادیر بهینه باتری و ثابت انتگرال گیر ناحیه 79
شکل 4- 27  مقایسه تغییرات توان انتقالی خط واسط در حضور مقادیر بهینه در دو ناحیه 79
شکل 4- 28 تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 1 80
شکل 4- 29 تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 2 80
 
فهرست علائم و اختصارات
 

 
ضریب بایاس فرکانس کنترل تکمیلی ناحیه
ثابت تنظیم دروپ گاورنر ناحیه
لختی ناحیه
عامل میراکنندگی بار ناحیه
ثابت زمانی توربین ناحیه
ثابت زمانی توربین بازگرمکن ناحیه
ثابت زمانی گاورنر ناحیه
بهره مدل توربین بازگرمکن
بهره انتگرال‌گیر کنتذل تکمیلی ناحیه
ضریب توان سنکرون‌کننده خط ارتباطی میان دو ناحیه  و
نسبت توان نامی دو ناحیه  و
تغییر بار در ناحیه
تغییرات توان انتقالی خط ارتباطی میان دو ناحیه  و
تغییرات فرکانس ناحیه


 

 

فصل اول: اصول کنترل بار فرکانس سیستم قدرت

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1-1- مقدمه

عملکرد مطلوب یک سیستم قدرت منوط به برابر بودن اندازه 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 بایستی سطح تولید واحدهای تولیدی تغییر یابد. در نتیجه فرکانس نامی شبکه و توان اختصاص یافته به واحد‌ها دچار تغییراتی می گردد. 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 مقصود کارایی بهتر، افزایش کیفیت توان و قابلیّت اطمینان شبکه، تأثیر اصلی در کنترل این نوسانات بر عهده دارد. اهداف اصلی کنترل خودکار تولید را می‌توان در موردها زیر اختصار نمود:

  • 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 می باشد. بخشی از این تغییرات به سبب مسائل مربوط به تجدید ساختار یافتن شبکه و برنامه‌ریزی‌های رقابتی می باشد. تغییری که عملاً سیستم قدرت را از حالتی که در آن تنها یک مالک برای سیستم توزیع، انتقال و تولید هست، 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 معضلات زیست محیطی ناشی از مصرف سوخت فسیلی، ضرورت بهره گیری از منابع انرژی تجدیدپذیر نظیر باد و خورشید و ورود آنها را به شبکه قدرت دوچندان می‌نماید. 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، تأثیر بسیار مهّمی در حفظ امنیت و پایداری سیستم قدرت پیدا می‌‎کند.

1-2- ضرورت پایداری فرکانس در شبکه قدرت

فرکانس در شبکه‌های قدرت نشان دهنده وجود توازن بین توان تولیدی و مصرفی می باشد. اگر این توازن مستقر 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 گردید [1].
پایداری فرکانس در شبکه به دو دسته کوتاه مدت و بلند مدت تقسیم می گردد. در پایداری کوتاه مدت، نگرانی عمده تغییرات ناگهانی فرکانس می‌باشد؛ اما در پایداری بلند مدت کارایی دینامیکی شبکه و باز گرداندن فرکانس به مقدار نامی آن هدف اصلی به حساب می‌آید [2].
سیستم‌های قدرت معمولا در فرکانس نامی (50 یا 60 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 می گردد. گرچه که اندازه حسّاسیت این ادوات به تغییرات فرکانس متفاوت می باشد. افت فرکانس در شبکه تاثیرات مشخّصی بر عملکرد این ادوات باقی می‌گذارد. به بعضی از پیامدها در زیر تصریح شده ‌می باشد:

  1. ترانسفورماتورها بر اساس ارتباط  ، به نحوی طراحی و ساخته شده‌اند که بدون اشباع هسته، از حدّاکثر چگالی شار آن بهره گیری گردد. در واقع هسته در نقطه زانویی و نزدیک به اشباع کار می‌‎کند. در پی بروز کاهشی در فرکانس و با توجّه به ارتباط فوق، لازم می باشد 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 می‌نماید. اشباع هسته جریان‌های مغناظیس کنندگی بزرگ و غیر سینوسی را نیز به دنبال دارد.
  2. سرعت چرخش ماشین‌های القایی و سنکرون با فرکانس شبکه متناسب می باشد 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 می باشد.
  3. 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 اشکال عملکرد این ادوات خواهد گردید.
  4. توربین‌های شبکه قدرت و بالاخص توربین‌های بخار را میتوان حسّاس‌ترین اجزاء شبکه نسبت به تغییرات فرکانس دانست. هر توربین بخار دارای روتوری کشیده می باشد که معمولا از چندین بخش تشکیل شده می باشد. هر بخش شامل مجموعه ای از پره‌های ثابت و متحرک می باشد. تنش‌های مکانیکی وارده به روتور در قسمت‌های مختلف یکسان نیست. این ساختار پیچیده دارای مجموعه وسیعی از فرکانس‌های تشدید مکانیکی می باشد. تغییر در فرکانس می‌تواند موجب بروز پدیده تشدید زیرسنکرون در توربین گردد. طراحی توربین بایستی 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 [1].

از آن جا که تغییر فرکانس شبکه نتیجه وجود عدم تعادل بین توان تولیدی و مصرفی (به اضافه ی تلفات) می باشد، 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 تصریح می گردد:

  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. بهره گیری از ظرفیت آزاد نیروگاه‌ها (رزرو گردان) که مستلزم عملکرد صحیح سیستم کنترل سرعت توربین، موسوم به گاورنر می باشد. ثابت زمانی پاسخ گاورنر در نیروگاه‌های مختلف متفاوت می باشد. 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 می گردد.
  3. از آنجا که توان مصرفی شبکه به سطح ولتاژ آن وابسته می باشد، می‌توان با کنترل ولتاژ شبکه ی توزیع تا حدی تقاضای بار را کنترل نمود. کاهش ولتاژ توزیع منجر به تغییر در بار خانگی می گردد. اعمال این تغییرات از طریق تغییر تپ چنجر ترانسفورماتور‌های شبکه میسّر می باشد و نیازمند محدوده زمانی در حدود چند دقیقه می باشد.
  4. یکی دیگر از راه‌های حفظ فرکانس سیستم، حذف بار می باشد. 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 اقدام حذف بار می باشد. زمان لازم برای عملکرد کلید قدرت معمولاً چند سیکل الکتریکی می باشد. صدور فرمان می‌تواند به صورت دستی توسط بهره بردار شبکه و یا توسط مکانیزمی هوشمند و خودکار صادر می گردد. حذف بار دستی جهت افت ماندگار فرکانس شبکه صورت می‌گیرد و اندازه آن در حدود 5% می باشد. حذف بار دستی در واقع زمانی اقدام 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 بهره گیری می گردد. زمان عملکرد حذف بار خودکار مجموع زمان تشخیص افت فرکانس و زمان قطع کلید قدرت می باشد 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، بهره گیری می گردد. در این حالت معمولاً تعادل توان با عملکرد گاورنر واحدهای تولیدی شبکه مستقر می گردد. حذف بار دستی و کنترل ولتاژ شبکه پس از رسیدن سیستم به وضعیت پایدار مورد بهره گیری قرار می‌گیرند و به صورت عمده خطاهای ماندگار شبکه را اصلاح می‌کنند. حذف بار خودکار هر چند سریع‌ترین مکانیزم به شمار می رود اما آخرین راه حل برای پاسخ به عدم توازن توان حقیقی شبکه می باشد. این راه حل تنها زمانی انتخاب می گردد 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 همیشگی خارج می گردد. 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 شروع کار نظر مخاطب را به خود معطوف می‌دارد این می باشد که در صورت افزایش ضریب نفوذ منابع انرژی تجدیدپذیر در شبکه، ملزومات کنترل خودکار چگونه با شرایط جدید مطابقت داده می شوند؟
اثرات ورود این منابع با ضریب نفوذ بالا در شبکه را، بایستی 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 می شوند. در چهار چوب زمانی چند دقیقه تا یک هفته، بهره‌برداران سیستم بایستی 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 بایستی 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 بایستی سرعت اقدام لازم جهت ایزوله ساختن واحد تولیدی در صورت بروز وضعیتی بحرانی در شبکه را از در خود ملحوظ دارد. آنها بایستی 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 کردن 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 بهره گیری 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 می باشد. از اینرو موضوعی که این پایان‌نامه کوشش در پوشش آن دارد، به کنترل فرکانسِ تولید بادی و تولید خورشیدی و مشارکت آنها در کنترل اولیّه فرکانس باز می گردد. به گونه کلی می‌توان حوزه ی دید کار حاضر را در چند بند زیر اختصار نمود:

  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. مطالعه پاسخ دینامیکی سیستم دو ناحیه قدرت متشکّل از واحد‌های حرارتی در حضور تولید خورشیدی/بادی/ هر دو، در سیستم قدرت.
  6. بهره گیری 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 شکل می‌توان مطالبی را که در فصل‌های بعدی اظهار می گردد، سازماندهی نمود. در فصل دوم پیشینه پژوهش مفصلاً مطالعه می گردد. در فصل سوم به مطالعه و مطالعه چگونگی استحصال توان بادی بوسیله DFIG پرداخته می گردد. ایده ی بهره گیری 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 می گردد. پس از آن برنامه کنترلی مناسبی جهت شرکت دادن تولید خورشیدی در کنترل اولیّه فرکانس اظهار می گردد. فصل چهارم به ارائه نتایج شبیه سازی اختصاص دارد. سیستم دو ناحیه ای حرارتی به عنوان مدل پایه در نظر گرفته می گردد 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، مطالعه می گردد. تاثیرات ورود تولید خورشیدی با ضریب نفوذ بالا در شبکه در حضور استراتژی کنترلی پیشنهادی و عدم حضور آن مطالعه می گردد. در مرحله آخر تاثیرات توأماً ورود تولیدات باد و خورشید، در حضور برنامه‌های کنترلی مربوطه شان و در نبود آنها با مدل اصلی مقایسه می گردد. 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 اظهار می شوند.
 

 

 

فصل دوم: کنترل خودکار تولید

 
 
 
 
 
 
 
 
 

2-1- تعریف مسئله

سیستم قدرت ذاتی غیر خطی و متغیّر با زمان دارد. برای مطالعه و تحلیل پاسخ فرکانسی سیستم قدرت نسبت به اغتشاشات کوچک بار می‌توان از مدل خطی شده ی سیستم بهره گیری نمود. اگرچه که در مطالعات پایداری دینامیکی شبکه، مطالعات کنترل ولتاژ و فرکانس را نمی‌توان مستقل از هم در نظر گرفت، اما با توجّه به این که دینامیک‌های موجود در پاسخ فرکانسی سیستم در قیاس با دینامیک‌های ولتاژ و زاویه روتور بسیار کندتر اقدام می کند، 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 نمود [2]:

  • آغاز 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 می گردد. به این مرحله کنترلی اصطلاحا پاسخ اینرسی گفته می گردد.
  • زمانی که تغییرات فرکانس از مقدار معینی بیشتر گردید، کنترل کننده‌ها برای تغییر توان ورودی به سیستم فعّال می شوند 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 به وجودآمده را اصلاح کردند، سیستم مجدّداً متعادل می گردد؛ 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 اظهار می گردد:

(2-1)

که در آن  انحراف فرکانس،  انحراف توان مکانیکی و  اندازه تغییرات بار می‌باشد. ثابت اینرسی با  و ثابت میرایی با  نشان داده شده ‌می باشد. با گرفتن تبدیل لاپلاس از معادله ی فوق، ارتباط زیر حاصل می گردد:

(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) بهره گیری نمود.
شکل 2- 2 مدل ساده شده ی گاورنر
دقت گردد که در شکل (2-2)،  معرف دروپ گاورنر،  ثابت زمانی گاورنر و  رفرنس مرجع بار می باشد. مدل ساده شده ی توربین نیز به صورت شکل (2-3) در نظر گرفته شده ‌می باشد.
شکل 2- 3 مدل ساده شده ی توربین
به علاوه، مدل باز گرمکن توربین‌های بخاری را می‌توان با بلوک دیاگرام نشان داده شده در شکل (2-4) مدل نمود:
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 گردد. 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 می باشد. 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 گردد که در برگیرنده گروهی از ژنراتورهای همپا باشد. همپایی به این مفهوم می باشد که همه ی ژنراتورها نسبت به تغییرات بار جهت یکسانی داشته باشند. ضمنا در هر ناحیه، کنترل بار فرکانس برای تمام آن ناحیه فرض گردد.
یک سیستم قدرت چند ناحیه ای از نواحی کنترلی مجزایی تشکیل یافته می باشد که به وسیله خطوط انتقال به یکدیگر متصل شده‌اند. انحراف فرکانس در هر ناحیه، نه تنها ناشی از تغییرات بار آن ناحیه می باشد، بلکه تغییرات توان انتقالی خطوط بین ناحیه ای نیز در آن تاثیرگذار می باشد.
شکل 2- 6 مدل کنترل بار فرکانس سیستم چند ماشینه
کنترل فرکانس در هر ناحیه نه فقط مسئول کنترل فرکانس همان ناحیه می باشد، بلکه مسئولیت کنترل توان انتقالی خطوط ارتباطی با نواحی دیگر را نیز بایستی برعهده گیرد. پس 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 ‌می باشد.
شکل 2- 7 شماتیک کلی سیستم دو ناحیه ای قدرت
در این شکل ارتباط بین توان انتقالی از خطوط ارتباطی بین دو ناحیه طبق ارتباط (2-3) حاصل می گردد:

(2-3)

که در آن  و  ولتاژ‌های نواحی کنترلی 1 و 2 بوده و  و  زاویه‌های بار ماشین‌های معادل نواحی 1 و 2 می‌باشد. مقصود از  راکتانس خط بین ناحیه ای می‌باشد.
 با خطی سازی ارتباط  (2-3)  حول نقطه کار   و  خواهیم داشت:
 

(2-4)

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

(2-5)

با بهره گیری 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 می گردد 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 می گردد، ترکیبی خطی از تغییرات فرکانس ناحیه به انضمام تغییرات توان انتقالی خطوط انتقالی می‌باشد:

(2-7)

که در آن  ضریب بایاس ناحیه (ارتباط 2-8)،  تغییرات فرکانس ناحیه و  تغییرات توان خطوط انتقالی می باشد. بلوک دیاگرام نهایی شبکه قدرت که درآن کنترل اولیّه و ثانویه فرکانس لحاظ شده ‌می باشد در شکل (2-8) آمده می باشد.
معمولاً پیشنهاد می گردد، ضریب  به صورت زیر انتخاب گردد:

(2-8)

در ارتباط 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 ‌می باشد. 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 می گردد. سیگنال کنترلی تولیدی به عنوان رفرنس بار به توربین گاورنر مورد نظر اعمال می گردد. 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 می گردد. 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 همیشگی، تابع دامنه اغتشاشات وارده و مشخّصه پاسخ فرکانسی شبکه می‌باشد. مشخّصه فرکانسی سیستم تابع مسائل زیر می باشد:

  • مشخّصه دروپ تمام ژنراتورهای ناحیه که در تأمین بار مشارکت دارند.
  • حسّاسیت بار به تغییرات فرکانس سیستم در ناحیه مورد نظر.

به گونه کلی عدم تعادل بین تولید و مصرف همواره در سیستم قدرت به صورت لحظه ای و دائم هست. کمتر بودن فرکانس از مقدار نامی نشان دهنده کسری تولید در شبکه می باشد و بالعکس. در اقدام حتی بدون وجود خطا در سیستم، بار به صورت پیوسته تغییر می‌‎کند. انحراف فرکانس از مقدار نامی کنترل اولیّه را فعّال می کند. کنترل اولیّه باعث ایجاد یک فرکانس جدید و متفاوت از فرکانس نامی (همراه با خطای حالت ماندگار) در ناحیه می گردد. 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- 8 مدل خطی سیستم دو ناحیه ای قدرت با حلقه کنترلی تکمیلی [2]
وظیفه کنترل ثانویه که همان کنترل خودکار تولید نامیده می گردد، حفظ توازن توان در تمام ناحیه‌های کنترلی به صورتی می باشد که مقدار فرکانس برابر مقدار نامی و همچنین اندازه توان انتقالی خطوط برابر با اندازه توان انتقالی برنامه ریزی شده آن باشد.
به علاوه دو حلقه کنترلی، کنترل ثالثیه ای نیز هست که عملکرد آن کند تر از کنترل‌های اولیّه و ثانویه می باشد. ساختار کنترل ثالثیه به چگونگی 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 نمود. در واقع، کنترل ثالثیه اندازه 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 اندازه مصرف آنها  (به علاوه تلفات شبکه) و ضمن رعایت قیود شبکه، هزینه بهره برداری نیز کمینه گردد.
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 طریقه 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 اقدام 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 مستقر نماید.
برای رسیدن به این مطلوب، بهره‌برداران شبکه بایستی 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 گردد. 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 می باشد بهره‌برداران و طراحان شبکه بروی استراتژی‌های کنترلی بازنگری‌های لازم را به اقدام آورند و به صورت نسبی مرز‌های عملکرد، قابلیّت‌ها و تکنولوژی‌های لازم را برای ارتقای کیفیت توان تحویلی، به روز نمایند.

2-2- پیشینه پژوهش

2-2-1- وضعیت فعلی بهره گیری از منابع انرژی تجدیدپذیر

امروزه لزوم بهره گیری ازمنابع انرژی تجدیدپذیر در بسیاری از کشورهای دنیا به اثبات رسیده می باشد. رشد بهره گیری از منابع انرژی تجدیدپذیر در پاسخ به پدیده گرمایش جهانی و نیاز به داشتن منبع سوخت امن و ارزان، دلیلی بر این مدعاست. منابع انرژی تجدیدپذیر در حال حاضر بیش از 14% نیاز به انرژی کل دنیا را فراهم می‌آورد  [3].
در حال حاضر، تکنولوژی استحصال انرژی بادی بیشترین سهم از بکارگیری منابع انرژی تجدیدپذیر در سیستم قدرت را به خود اختصاص داده می باشد. پیش بینی می گردد تا سال 2015 تولید جهانی آن به بیش از 300 گیگاوات رسد. اینگونه پیش بینی شده ‌می باشد که ضریب نفوذ تولید بادی در کل دنیا، تا سال 2020 به  8% کل مقدار توان تولیدی برسد. اتحادیه اروپا نیز رهیافت به ضریب نفوذ 20% را در پایان سال 2020 میلادی در افق چشم انداز خود قرار داده می باشد [4]. به گفته سازمان انرژی بادی اروپا، ظرفیت تولیدی توان بادی به مقدار 180 گیگاوات ارتقا یابد [5]. دپارتمان انرژی ایالات متحده نیز رسیدن به ضریب نفوذ 6% استحصال انرژی بادی در پایان سال 2020 اعلام داشته می باشد [6].
در میان تمامی مصادیق تولید پراکنده، تولید خورشیدی نیز به سبب داشتن خصوصیات دوستدار محیط زیست (سبز)، کاهش افزایشی قیمت ماژول خورشیدی و همچنین مشوّق‌های مالی دولت‌ها به سرعت در حال پیشرفت می‌باشند [7] [8]. فعّالیت‌های متنوعی در جهت بهره گیری از انرژی خورشیدی، باتری‌ها و واحدهای ذخیره‌ساز انرژی انجام یافته می باشد. گزارش‌های منتشره در سال 2011 حاکی از این مطلب می باشد حجم عظیمی از سیستم‌های متصل به شبکه در کشور‌های توسعه یافته نظیر ایالات متحده، آلمان و ژاپن مورد بهره برداری قرار گرفته اند و همچنین برنامه‌های احداث چندین واحد دیگر در سرتاسر جهان در دستور کار قرار دارند [9] [10]. هدف گذاری ژاپن در پایان سال 2010 نصب ظرفیت 28 گیگاوات پانل‌های خورشیدی بوده می باشد [11]. سامسونگ به تازگی اعلام داشته با امضای قراردادی قصد ساختن واحد خورشیدی 100 مگاواتی را دارد که اولین فاز از یک مجموعه 500 مگاواتی به حساب می‌آید [12]. رشد بازار برق منابع انرژی تجدیدپذیر در کشورهای آسیایی نیز چشمگیر بوده می باشد. بر اساس نرخ رشد فعلی، اتحادیه صنعتی منابع انرژی تجدیدپذیر چین، ظرفیتی نزدیک به 50 گیگاوات را تا سال 2015 پیش بینی کرده‌می باشد [13]. به نظر می‌رسد هند نیز نرخ رشد نصب منابع استحصال توان بادی خود را حفظ نموده می باشد. در کره، منابع انرژی تجدیدپذیر نیز رو به رشد می باشد. دولت جایگزینی 5 % تولید متداول با منابع انرژی تجدیدپذیر را تا سال 2011 در دستور کار قرار داده بود [4].
پس از چند سال کاهش نرخ رشد، بازار برق انرژی تجدیدپذیر اقیانوسیه نیز جانی تازه یافته می باشد. در استرالیا، دولت رسیدن به سقف 20% بهره گیری از این منابع را تا پایان 2020 مبنا قرار داده می باشد. همچنین اروپا، آمریکای شمالی، آسیا بالاترین نرخ افزایش به اندازه ظرفیت منابع تجدیدپذیر را دارا هستند. خاور میانه، آفریقای شمالی و آمریکای لاتین نیز ظرفیت منابع تجدیدپذیر نصب شده خود را افزایش داده اند. ظرفیتهای جدیدی در ایران، مصر، مراکش، تونس و برزیل گزارش شده‌اند [13].

2-2-2- تأثیر تولید خورشیدی در کنترل فرکانس شبکه

از آنجا که هزینه ی نصب و راه اندازی اولیّه مزارع خورشیدی نسبتاً بالا بوده و منبع انرژی رایگان در اختیار دارند، مزارع خورشیدی جهت دریافت حداکثر بازگشت مالی عموماً به گونه ای مورد بهره برداری قرار می گیرند که بیشینه مقدار توان[1] استحصال گردد [14]. با افزایش ضریب نفوذ مزارع خورشیدی، علاوه بر ظرفیت تنظیم فرکانس (که عموماً توسط ژنراتورهای سنکرون تأمین می گردد) لختی شبکه کاهش می‌یابد، که خود عاملی در جهت انحراف بیشتر فرکانس در قبال اغتشاش وارده به سیستم به شمار می‌رود [15]. از سوی دیگر با ادامه ی طریقه کاهش قیمت پنل‌های خورشیدی و بالطبع تسریع طریقه افزایش ضریب نفوذ سیستم‌های خورشیدی در شبکه قدرت، نیاز به داشتن سرویس‌های‌جانبی مهّم نظیر کنترل فرکانس و ولتاژ بیش از پیش رخ می نماید [16].
رویکردهای متنوعی در بهره‌برداری از تولید خورشیدی موجود می باشد. سه رویکرد عمده را می‌توان اینگونه نام برد [17]:

  1. یک رویکرد متداول جهت کنترل فرکانس تولید خورشیدی به این شکل می باشد که تولید خورشیدی به صورت MPPT تولید گردد و به وسیله سیستم‌های ذخیره‌ساز انرژی (ESS) نوسان‌های توان تولیدی خروجی نیروگاه خورشیدی کاهش یابد [18] [19] [20] [21]
  2. نصب و راه اندازی بانک بار مجازی (بار اضافی) جهت جذب توان مازاد[20].
  3. بهره‌برداری از نیروگاه خورشیدی در حالت توزیع توان بوسیله استراتژی‌های حبس تولید تعمّدی (deliberate curtailment) .
  4. بهره گیری از ذخیره‌سازهای حجیم نظیر تلمبه ای-ذخیره ای، ذخیره‌سازهای باتری یا هوای فشرده، جهت ذخیره انرژی خورشیدی در طول روز و مصرف آن در شب.

چندین پژوهش جهت کمینه کردن اثرات نامطلوب اتصال ژنراتور خورشیدی به شبکه ایزوله، که به صورت MPPT مورد بهره برداری قرار گرفته، ارائه شده ‌می باشد [22] [23] [24] [25] [26] [27]. درین مقالات متداول ترین روش اعمالی جهت کنترل فرکانس، بهره گیری از ذخیره‌سازهای انرژی برای نرم کردن توان خروجی، تنظیم فرکانس و در نظر گرفتن ظرفیتی رزرو برای ژنراتور خورشیدی بوده می باشد. هیچکدام از روش‌های ذکر گردیده توان کنترل خروجی ژنراتور خورشیدی هنگام تغییرات بار را ندارند و هیچ گونه استراتژی کنترلی جهت شرکت دادن واحد تولید خورشیدی در تنظیم فرکانس سیستم ارائه نمی‌کنند. در [28] شبکه ای ترکیبی از تولید خورشیدی و باد در نظر گرفته شده ‌می باشد. در این مقاله روشی برای کنترل هر چه بهتر باتری جهت نرم کردن اغتشاشات توان خروجی تولید بادی و خورشیدی پیشنهاد شده ‌می باشد. در مرجع [21] با بهره گیری از منطق فازی و در نظر گرفتن تغییرات فرکانس، نرخ تغییرات فرکانس و تغییرات تابش خورشیدی الگویی برای تعیین خروجی ژنراتور خورشیدی در جهت کاهش نوسانات فرکانسی پیشنهاد گردید. نتایج حاصله با نتایج حاصل از روشMPPT به همراه بهره گیری از ذخیره‌ساز باتری مقایسه گردید. در [20] یک بار مجازی در نظر گرفته شده که در زمان اضافه تولید ژنراتور خورشیدی توان مازاد را مصرف می کند و زمانی که کمبود تولید وجود داشته باشد، از مدار خارج می گردد.
با توجّه به رویکرد مورد توجّه قرار گرفته در [29] می‌توان دریافت، موازنه ای بین جنبه اقتصادی بهره‌برداری از واحد خورشیدی و همچنین قابلیّت تنظیم فرکانس شبکه می‌تواند صورت پذیرد در جهتی که تولید خورشیدی توانایی شرکت در کنترل اولیّه فرکانس شبکه را داشته باشد. وقتی تولید خورشیدی به صورت MPPT مورد بهره برداری قرار می‌گیرد هیچ گونه ظرفیت آزادی برای شرکت در کنترل فرکانس نخواهد داشت. به این دلیل که ظرفیتی برای افزایش تولید در این صورت متصور نخواهد بود. اما اگر سطح توان تولیدی خورشیدی در مقدار بهینه ای از تولید تعدیل گردد، ظرفیتی در دست خواهد بود که با بهره گیری از آن واحد خورشیدی می‌تواند سهمی در کنترل اولیّه فرکانس را عهده دار گردد. به بیانی دیگر می‌توان با داشتن سیستم کنترلی مناسب نظیر سیستم دروپ واحد‌های تولید متداول، مشخّصه دروپی برای تولید خورشیدی در نظر گرفت. بدین ترتیب با بهره گیری از این استراتژی با در دست داشتن داشتن گردیدّت تابش خورشیدی و درجه حرارت محیط و تعیین سقف بیشینه تولید خورشیدی در چهارچوب زمانی کوتاه مدت،  محدوده ای مطلوب جهت بهره‌برداری واحد خورشیدی تعیین نمیود بطوریکه با بهره گیری از آن تعادل میان تولید-مصرف (به همراه تلفات) را مجدّداً مستقر نمود. گرچه در این استراتژی کنترلی نیازی مبرم به بهره گیری از منابع ذخیره‌ساز انرژی محسوس نیست، اما می‌توان به کمک منابع-ذخیره‌ساز‌های توان بالا، مدیرت توان ذخیره شده ی رزرو را بهبود بخشید. با بهره گیری از ذخیره‌سازهایی با پاسخ سریع نظیر ذخیره‌ساز باتری می‌توان علاوه بر پوشش موردها فوق، می‌توان ظرفیت جدیدی نیز برای کمک به قابلیّت تنظیم فرکانس شبکه متصور بود [30].

2-2-3- حضور تولید بادی در کنترل فرکانس

از دیگر سو با افزایش حجم تولید بادی و با افزایش ضریب نفوذ توربین‌های بادی در شبکه قدرت ارائه خدمات جانبی نظیر کنترل فرکانس آنها نیز بیش از پیش مهم خواهد گردید. معمولا نگاه غالب بر این می باشد که حضور تولید بادی حجیم در شبکه و جایگزینی آن به جای تولید متداول، موجب کاهش ظرفیت و تاثیرگذاری تنظیم فرکانس شبکه خواهد گردید. پیشرفت‌های اخیر [31] [32] [33] [34] در جهت افزایش ظرفیت‌های کنترلی توربین‌های بادی سرعت-متغیّر نشان داده می باشد که بهره گیری هرچه بیشتر از تولید بادی نه تنها به معنای کاهش لختی شبکه و توانایی کنترل فرکانس شبکه نخواهد بود، بلکه تحت شرایطی شرکت داده شدن آنها در کنترل فرکانس شبکه را میسّر نموده و سبب افزایش استحکام[2] چنین سیستمی نیز خواهد گردید. تحقیقات اولیّه نشان داده می باشد می‌توان از انرژی جنبشی ذخیره شده در پره و قسمت چرخان توربین بادی در کوتاه-مدّت جهت کنترل اولیّه فرکانس بهره جست [34]. توانایی پشتیبانی کوتاه مدت توان اکتیو تولید بادی برای تقویت عملکرد کنترل اولیّه فرکانس در [35] مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. حلقه کنترلی اضافی جهت تطبیق نقطه مرجع گشتاور[3] به عنوان تابعی از تغییرات فرکانس و همچنین نرخ تغییرات فرکانس به مقصود تسهیل بهره گیری از لختی پنهان برای بهره گیری در شبکه فراهم آورده می باشد. همانطور که در [31] یاد شده ‌می باشد، می‌توان با کنترل لختیِ مولّد DFIG از طریق کنترل تکمیلی لختی پاسخ مناسبی، بوسیله تخلیه انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین‌های بادی به عنوان منبع توان اضافی و موقّت  در کنار تولید بادی دریافت نمود. آزاد شدن انرژی موجود در توربین بادی با این شیوه در قیاس با توربین بادی سرعت-ثابت بیشتر خواهد بود. همانطورکه در [32] آمده می باشد، اثر لختی DFIG کاملاً نامعلوم نیست. این اثر به کنترلر جریان روتور وابسته می‌باشد. کنترلر پیشنهادی در [33] براحتی توانسته می باشد به صورت کاملاً پویا، بردار شار القایی روتور DFIG را جهت جلوگیری از بروز تغییرات ناگهانی ولتاژ خروجی کنترل کند. نتیجه بهره گیری از چنین کنترلری کاهش افت فرکانس ناشی از بروز این اغتشاشات و تلفات ناشی از آن می‌باشد. این پیشرفت‌ها ایده بهره گیری کسری از انرژی ذخیره شده در توربین DFIG برای پشتیبانی توان حقیقی کوتاه مدت را میسّر می‌سازد، پشتیبانی که در صورت بروز اغتشاشی نظیر تغییر بار، در جهت کاهش افت فرکانس در شبکه دارای تاثیر خواهد بود [36]. در این مرجع با بهره گیری از DFIG و پیشنهاد حلقه کنترلی جدید در کنترل اولیّه فرکانس، تولید بادی پشتیبانی توان حقیقی اضافی و موقّت  مزرعه بادی در کنار تولید متداول من جمله حرارتی و آبی در یک سیستم دو ناحیه ای قدرت مورد توجّه قرار گرفت. در این مرجع با بهره گیری از برنامه کنترلی ارائه شده، متناسب با ضریب نفوذ ژنراتور بادی و همچنین درصد مشخّصی از پشتیبانی توان حقیقی توسط DFIG و با توجّه به جنس تولید ناحیه (حرارتی یا آبی و یا هر دو) پاسخ گذرای فرکانسی و توان انتقالی خطوط بهبود یافته اند. تحقیقات دیگری نیز جهت کمینه کردن اثرات سوءِ تولید بادی بر شبکه نیز صورت پذیرفته می باشد [37].

2-2-4- بهره گیری از ذخیره‌سازها

انواع ذخیره‌سازها نظیر ذخیره‌ساز ابررسانای مغناطیسی[4] و همچنین ذخیره‌ساز دو سوی خازنی برای کنترل خروجی تولید بادی پیشنهاد شده‌اند. اثرات سوء تغییرات توان تولیدی نیروگاه بادی بر کنترل فرکانس شبکه در [38] [39]مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. در [40] با بهره گیری از ذخیره‌سازی انرژی جنبشی (لختی[5] موجود در پره و ماشین) شرکت تولید بادی در کنترل اولیّه فرکانس مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. در مرجع [41] روشی برای تعیین سقف مجاز نوسانات تولید بادی در حضور تولید حرارتی یاد شده ‌می باشد. همچنین با بهره گیری از تکنیک‌های مُدال[6] تاثیرات دینامیکی تولید بادی بر کنترل فرکانس اولیّه و ثانویه (تکمیلی) مورد مطالع قرار گرفت می باشد [42] [43] تحقیقات مشابه دیگری نیز جهت مطالعه و مطالعه تاثیرات RESs بر بهره‌برداری از شبکه و کنترل ثانویه صورت پذیرفته می باشد [44] [45] [46].

2-3- جمع بندی

در این فصل آغاز به تبیین مبانی کنترل خودکار تولید پرداخته گردید. ورود منابع انرژی تجدیدپذیر به شبکه در مقیاس بالا منوط به مستقر ماندن توانایی شبکه جهت کنترل مطلوب فرکانس عنوان گردید. در ادامه مطالب، سابقه پژوهش مورد مطالعه قرار گرفت. در بخش کنترل فرکانس سیستم های خورشیدی، اکثراً توانایی لازم برای کنترل فرکانس شبکه از طریق بهره گیری از ذخیره ساز ها صورت می پذیرد. علاوه بر آن در اکثر مطالعات صورت گرفته، واحد خورشیدی فاقد کنترلی جهت شرکت در  کنترل فرکانس می باشد. در بخش تولیدات بادی مطالعات اخیر نشان می دهد رویکرد غالب  جهت کنترل فرکانس شبکه، بهره گیری از انرژی ذخیره شده در جرم چرخان (پره) توربین در صورت لزوم برای ایجاد قابلیت کنترل اولیّه فرکانس می باشد. نشان داده گردید اگرچه که این توانایی موقتی و متناسب با انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین می باشد، این انرژی پنهان قابل آشکارسازی و الحاق به شبکه می باشد.
در فصل بعدی ایده های جدیدی برای کنترل بهتر فرکانس در حضور همزمان تولید بادی و خورشیدی با ضریب نفوذ بالا در شبکه عنوان می گردد.
 
 
 
 
 

 

 

فصل سوم: کنترل فرکانس تولید بادی و خورشیدی

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3-1- مقدمه

در این فصل ساختار‌های واحد تولید انرژی بادی ژنراتورهای دوسو تغذیه (DFIG) و همچنین پانل خورشیدی و همچنین استراتژی‌های کنترلی مورد نیاز آنها جهت مشارکت در کنترل فرکانس مطالعه می گردند. همانطور که ذکر گردید با افزایش ظرفیت نفوذ تولید بادی، شبکه با کاهش ظرفیت پشتیبانی تنظیم فرکانس مواجه می گردد. اگرچه طرح‌های کنترلی برای بهبود کنترل فرکانس در ادامه معرفی می گردد، اما در حضور تولید بادی با ضریب نفوذ بالا، تغییرات غیر قابل پیش بینی تولید بادی و علاوه بر آن با ورود همزمان تولید خورشیدی به شبکه، بهره گیری از ذخیره‌سازهای توان برای بهبود مرز‌های پایداری سیستم اجتناب ناپذیر می نماید. در ادامه مدلی مناسب جهت بهره گیری ذخیره‌ساز باتری در کنترل فرکانس اظهار می گردد. جهت بهینه‌سازی پارامترهای مرتبط با کنترل فرکانس شبکه، از الگوریتم بهینه‌سازی نوسان ذرات بهره گیری می گردد. در انتهای فصل مختصراً الگوریتم بهینه‌سازی نوسان ذرات تبیین داده می گردد.

3-2- مشارکت تولید بادی ژنراتور القایی دو سو تغذیه در تنظیم فرکانس شبکه

در کنار افزایش ضریب نفوذ بادی در سیستم قدرت، تأثیر آنها در سرویس‌های جانبی نظیر کنترل فرکانس اهمیّت بیشتری می‌یابد. در حقیقت پس از جایگزینی تولید بادی با توربین بادی سرعت متغیّر و یا تولید خورشیدی به جای تولید متداول، لختی سیستم (جرم چرخان) نیز کاهش خواهد پیدا نمود. این جایگزینی نرخ تغییرات فرکانس را افزایش و مقاومت سیستم در قبال اغتشاشات وارده به شبکه را کاهش می‌دهد. اما تحقیقات اخیر نشان داده می باشد، اگر کنترل مطلوبی بر توربین‌های مدرن بادی سرعت متغیّر صورت پذیرد، با وارد شدن نیروی بادی به شبکه لزوماً لختی شبکه کاهش نخواهد پیدا نمود [47] [48] [49] [50] [51] . ایده کار، به کار بردن انرژی چرخشی ذخیره شده در پره‌های توربین بادی جهت پشتیبانی کوتاه مدت توان اکتیو می‌باشد. توربین بادی سرعت متغیّر با سیستم کنترلی انعطاف پذیر مبتنی بر اصول الکترونیک قدرت مورد توجّه قرار گرفته‌اند. در نتیجه توان الکتریکی خروجی توربین بادی مدرن سرعت متغیّر بسته به فرکانس شبکه می‌تواند تغییر پیدا کند و در نتیجه پشتیبانی فرکانسی کوتاه مدت برای شبکه محیّا خواهد بود.
در مرجع [47] نشان داده شده که اثر لختی توربین بادی از نوع ژنراتور القایی دو سو تغذیه (DFIG) بسته به خصوصیات پارامترهای کنترلر جریان روتور، از دید شبکه پنهان نیست. با داشتن کنترلر جریانی آهسته تر پاسخ لختی از سیستم ژنراتور القایی دو سو تغذیه قابل استحصال می باشد. تحقیقات صورت گرفته در گزارش [48]، احتمال آزادسازی انرژی جنبشی در توربین بادی مبتنی بر ژنراتور القایی دو سو تغذیه بوسیله با اضافه کردن یک حلقه کنترلی جدید و حسّاس به فرکانس شبکه را به خوبی نشان می‌دهد. مقدار انرژی جنبشی آزاد شده بدین طریق در قیاس با آزاد سازی انرژی جنبشی در توربین بادی سرعت ثابت بیشتر خواهد بود. در سال 2004 سهم این نوع توربین‌ها از کل بازار تولید بادی جهان نزدیک به 60% بوده می باشد [52].
 نتایج مشابهی در [49] به ثبت رسیده می باشد. طرح مشابهی (سیگنال کنترلی اضافی وابسته به فرکانس شبکه) به مقصود بدست آوردن پاسخ لختی سیستم ژنراتور القایی دو سو تغذیه در [50] [51] مورد توجّه قرار گرفته می باشد. گزارش‌های اخیر، ایده استحصال بخشی از انرژی چرخشی موجود در قسمت چرخان توربین بادی جهت پشتیبانی کوتاه مدت توان اکتیو را با اصلاح کنترلر گشتاور توربین بادی، که می‌تواند عامل مثبتی در جهت کاهش افت فرکانسی اولیّه سیستم پس از بروز کسری تولید یا افزایش بار در شبکه می‌باشد را در ذهن تداعی کند.
صبغه کار حاضر بهره گیری از مقدار بیشینه پشتیبانیِ موقّت توانِ اکتیوی می باشد که با آزادسازی انرژی چرخشی پره‌های گردان یک توربین بادی چند مگاواتی دسترس قرار می گیرد (موجود در بازار برق – GE 3.6 MW  ). در این پژوهش شرکت دادن و مشخّص کردن کاربرد پشتیبانی کوتاه مدت توان اکتیو، به صورت خاص، در یک شبکه دو ناحیه ای حرارتی مورد توجّه قرار گرفته می باشد.
آغاز مقدار انرژی قابل استخراج از توربین‌ها با کمک گرفتن از مدل یک توربین بادی نمونه بوسیله استحصال توان اکتیو اضافی به صورت موقّت  از آن و در نظر گرفتن مدت زمانی که طول می‌کشد تا سرعت توربین به مرز کمینه سرعت کاری خود برسد، مشخّص می گردد. در مرحله بعد، بر اساس این اطلاعات (اینکه چه مقدار افزایش در توان اکتیو حاصل از توربین بادی برای چه مدت متناسب با سرعت وزش باد پابرجاست)، تابع کنترلی ساده ای در کنترل توربین بادی به کار برده شده ‌می باشد و سهم آن در کاهش افت اولیّه فرکانس پس از کسر تولید در یک سیستم حرارتی، مشخّص می گردد.

3-2-1- کنترل فرکانس توربین بادی سرعت متغیّر

در خلال عملکرد یک توربین بادی، مقداری انرژی در توربین و ژنراتور هست که کاملاً با ژنراتورهای متداول قابل قیاس می باشد [51]. این انرژی جنبشی می‌تواند در خلال بروز اختلاف تولید و بار در شبکه چه به سبب افزایش بار یا کمبود تولید جهت تأمین پشتیبانی توان اکتیو موقّت  بکار برده گردد. توربین بادی سرعت ثابت مستقیماً به شبکه متصل میشود و سرعت چرخشی آنها نمی‌تواند آزادانه تغییر کند. در سوی دیگر، توربین بادی سرعت متغیّر  معمولاً واسطه ای متشکّل از ادوات الکترونیک قدرت دارد که آنرا از شبکه جدا می‌نماید. توربین‌های بادی سرعت متغیّر به گونه ای طراحی شده‌اند تا بتوانند سرعت چرخش خود را در محدوده وسیع تری در خلال بهره برداری تغییر دهند. این کار امکان به کار گرفتن انرژی چرخشی موجود در توربین-ژنراتور را جهت تأمین پشتیبانی موقّت توان اکتیو در زمان بروز اغتشاشی در فرکانس شبکه بدست می‌دهد.

3-2-2- مدل توربین بادی

در پایان‌نامه حاضر توربین بادی سرعت متغیّر  با واسط الکترونیک قدرت جهت استحصال انرژی بادی حاصل از DFIG مورد بهره گیری قرار گرفته می باشد. مدل چاپ گردیده ای از توربین بادی تجاری چند مگاواتی سرعت متغیّر در شبیه سازی این پایان نامه مورد بهره گیری قرار گرفته که از مراجع [53] [54] اقتباس گردیده می باشد. بلوک دیاگرام مدل توربین بادی در شکل 3-1 نشان داده شده ‌می باشد.
شکل 3- 1 بلوک دیاگرام مدل توربین بادی سرعت متغیّر [35].
همانطور که در ارتباط (3-1) آمده می باشد، سرعت مرجع  ، بر اساس توان الکتریکی ‌اندازه گیری شده  تولید می گردد:

(3-1)

توان مکانیکی تولید شده  تابعی از سرعت باد ، سرعت روتور  و زاویه پره  می‌باشد:

(3-2)

که در آن  چگالی هوا،  محیط تحت پوشش پره در هوا،  مقدار بهینه  در  می باشد.
مقادیر ضریب تأثیر قدرت   در چند جمله ای از درجه 4 متشکّل از  (نرخ سرعت پره) و  به مقصود اظهار ریاضی منحنی‌های  گنجانده شده ‌می باشد. این چند جمله ای عبارتست از:

(3-3)

مقادیر ضرایب  در [35] در دسترس می باشد.  به صورت زیر  تواند اظهار گردد:

(3-4)

که در آن  سرعت روتور در واحد مبنا،  سرعت باد به ،  سرعت مبنای روتور به  و  شعاع روتور به متر می باشد.
وقتی توان کمتر از 0.7 مبنای واحد می باشد، مرجع سرعت بوسیله ارتباط (3-1) محاسبه می گردد. برای توان‌های بالاتر از 0.7 مبنای واحد، سرعت در مقدار 1.2 مبنای واحد ثابت می‌ماند. وقتی توربین بادی به محدودیت‌های حد بالای تولید توان خود می‌رسد، سرعت گردش روتور بوسیله کنترلر زاویه و با تغییر زاویه پره  کنترل می گردد. سرعت روتور با بهره گیری از معادله لختی مدل تک-جرم معادل توربین-ژنراتور محاسبه می گردد. معادله لختی از توان مکانیکی استخراج شده از نیروی بادی  و همچنین توان الکتریکی تزریق شده به شبکه  برای محاسبه سرعت روتور بهره گیری می کند. معادله لختی روتور به صورت زیر اظهار می گردد:

(3-5)

که در آن  و  به ترتیب گشتاور مکانیکی و الکتریکی می‌باشد. اگر به جای ،  گذاشته و دو طرف در  ضرب شوند، داریم:

(3-6)

جهت مطالعه بیشتر در باب مدل مورد مطالعه می‌توان به مراجع [53] [54] مراجعه نمود.
منحنی‌های  توربین بر اساس ارتباط (3-3) برای زاویه‌های مختلف شیب پره همانطور که در مراجع [53] [54] ذکر گردیده ‌می باشد در شکل 3-2 رسم شده‌اند.
شکل 3- 2 منحنی‌های C_p برای زاویه‌های پره متفاوت
توان و سرعت روتور توربین محاسبه و در شکل 3-3 رسم شده‌اند.
شکل 3- 3 توان و سرعت روتور توربین به عنوان تابعی از سرعت باد

3-2-3- مقدارسنجی انرژی چرخشی قابل دسترسی از توربین-ژنراتور

به مقصود سنجش اندازه انرژی قابل استخراج از توربین بادی، قدرتی که به شبکه تزریق می گردد به صورت موقّت به مقدار  بالاتر از مقدار حالت مانگار آن  (که برای سرعت باد مشخّصی می باشد) افزایش می‌یابد. به این مقصود برای سرعت وزش کم و متوسط باد، کنترلر سرعت غیر فعّال شده و نقطه مرجع توان به صورت مستقل همانطور که در شکل 3-4 نشان داده شده ‌می باشد، تنظیم می گردد.
مقدار انرژی بادی قابل استحصال قبل از رسیدن سرعت توربین به سرعت کمینه برای سرعت‌های متفاوت وزش باد محاسبه شده ‌می باشد. این محاسبات به مقصود تعین اندازه پشتیبانی اضافی توان اکتیو یک توربین بادی سرعت متغیّر در سرعت مشخّصی از وزش باد (مضاف بر مقدار حالت ماندگار توان الکتریکی تزریقی توربین به شبکه در آن سرعت) همان انرژی مازادی که از انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین-ژنراتور  بدست می‌آید و همچنین به مقصود مشخّص کردن مدت زمان تداوم چنین پشتیبانی قبل از رسیدن سرعت توربین به محدودیت سرعت کمینه آن، صورت پذیرفته می باشد.
شکل 3- 4 مدل توربین بادی سرعت متغیّر برای وزش باد با سرعت‌های کم و متوسط (کنترلر زاویه غیر فعّال شده می باشد) [35]
شایان ذکر می باشد، محاسبات تنها نیازمند به در دست داشتن مقادیر ثابت لختی معادل توربین-ژنراتور بادی ، منحنی  برای کمینه مقدار  و همچنین اطلاعات منحنی سرعت روتور توربین بادی بر اساس سرعت باد می‌باشد. این محاسبات ساده می‌تواند مشخّص نماید که چه اندازه توان اکتیو اضافی قابل استحصال در مزرعه بادی موجود می باشد که می‌تواند قابلیّت تزریق به شبکه جهت مطالعات پایداری سیستم قدرت گسترده و به صورت خاص، کنترل بار-فرکانس را داشته باشد.
توجّه به این نکته ضروری می باشد، تغییر در توان الکتریکی برابر با   به این معنی می باشد که خروجی الکتریکی از توربین بادی، ، معادل می باشد با  مبنای واحد(  بیشتر از مقدار حالت ماندگار برای این سرعت باد که برابر می باشد با   مبنای واحد می‌باشد). توان اضافی  در مبنای واحد از طریق جذب بخشی از انرژی چرخشی موجود در توربین-ژترانور تأمین می گردد.
شکل3-5 توان مکانیکی جذب شده توربین بادی از انرژی باد را برای سرعت‌های مختلف وزش باد ( 6-11  ) نشان می‌دهد. متذکر می گردد شکل این منحنی‌ها شدیداً به مقدار  توربین وابسته می‌باشد. همانطور که از شکل مشهود می باشد، زمانیکه توان مکانیکی جذب شده بیشینه می باشد، در هر سرعت باد به خصوصی سرعت روتور بهینه ای هست. این مطلب مبیّن این موضوع می باشد عملکرد معمولی توربین بادی منوط به شرایطی می باشد که توربین در نقطه بیشینه منحنی  مورد بهره برداری قرار بگیرد. در این شکل مطلب بوسیله به هم پیوستن نقاط پیداست.
شکل 3- 5 توان مکانیکی تأمین شده از طرف DFIG برای سرعت‌های مختلف باد (B=0)
به غیر از بهره برداری در این سرعت‌های بهینه روتور، توان مکانیکی جذب شده به صورت قابل توجّهی افت می کند. زمانیکه محدودیت بیشینه سرعت روتور حاصل می گردد، با افزایش سرعت باد نقطه فعّالیت در صفحه  به سمت بالا رانده می گردد (جهت حرکت در شکل3-2 ).
انرژی چرخشی قابل استحصال از توربین-ژنراتور بر اساس مطالبی که در ابتدای بخش عنوان گردید، محاسبه شده ‌می باشد [35]. تعادل توان در خلال کاهش سرعت توربین بادی می‌تواند به صورت زیر اظهار گردد:

(3-7)

که در آن  تفاوت بین توان مکانیکی جذب شده  و توان الکتریکی تزریقی به شبکه  (توان شتابدهنده) نام دارند. اگر توان ورودی مکانیکی  با خروجی توان الکتریکی توربین  در حالت ماندگار برابر باشد و  کاهشی در توان مکانیکی ورودی به توربین به سبب کاهش سرعت چرخشی و خروج از نقطه بهینه باشد با توجّه به ، معادله (3-7) را می‌توان به صورت زیر بازنویسی نمود:

(3-8)

 مدت زمان تداوم تغییر ورودی پله ای در توان الکتریکی  می باشد که می‌تواند مضاف بر حالت ماندگار آن  برای سرعت بار مشخّصی قبل از رسیدن به حد کمینه سرعت توربین  استحصال گردد.
سرعت روتور توربین بادی به صورت خطی با افزایش سرعت باد تا جایی افزایش می‌یابد  که از مرز بیشینه سرعت تجاوز ننماید (محدودیت بیشینه سرعت روتور برای این توربین 1.2 مبنای واحد می‌باشد). اگرچه کاهش توان ورودی مکانیکی به توربین ، از مقدار بهینه ، با افزایش سرعت باد افزایش می‌یابد (شکل3-5)، افزایش در  با افزایش سرعت باد کاهش توان ورودی مکانیکی به توربین را متوقف می‌سازد و با افزایش سرعت وزش باد، می‌توان افزایشی در  را انتظار داشت.
از سوی دیگر، وقتی محدودیت بیشینه سرعت فرا می‌رسد، سرعت چرخش  با افزایش سرعت وزش باد، با افزایش توان ورودی مکانیکی ، افزایش نمی‌یابد. در پی افزایش سرعت وزش باد و افزایش طریقه کاهشی در توان مکانیکی از مقدار بهینه خود،  با افزایش سرعت وزش باد افزایش می‌یابد و همچنین کاهشی در  مورد انتظار می باشد.
انرژی چرخشی موجود برای سه مقطع مشخّص از سرعت وزش باد مورد سنجش قرار گرفته می باشد:

  • سرعت کم وزش باد: مقطعی که در آن سرعت روتور کمتر از 1.2 مبنای واحد می باشد
  • سرعت متوسط وزش باد: مقطعی که در آن سرعت روتور کمتر از 1.2 مبنای واحد و توان تولیدی کمتر از 1 مبنای واحد می باشد.
  • سرعت زیاد وزش باد: مقطعی که در آن سرعت روتور و توان تولیدی به مقادیر بیشینه شان محدود شده‌اند (1.2 مبنای واحد و 1 مبنای واحد، به ترتیب) و زاویه شیب پره در مقدار بالاتری تنظیم شده ‌می باشد.

سرعت کم وزش باد: شکل (3-6) مدت زمان تداوم افزایش پله ای در خروجی توان الکتریکی  توربین بادی برای دو سرعت متفاوت وزش باد (7.5  و 10.1  ) قبل از رسیدن سرعت روتور به محدوده سرعت کمینه 0.7 مبنای واحد را نشان می‌دهد. همانطور که در شکل مشهود می باشد مدت زمان تداوم افزایش پله ای در خروجی توربین بادی، وقتی مقدار توان الکتریکی پله ای افزایش میابد، طریقه نزولی به خود می‌گیرد.
شکل 3- 6 مدت زمان تداوم افزایش توان پله ای موقت در خروجی توان الکتریکی توربین بادی برای سرعت‌های کم وزش باد
 در سرعت‌های بالاتر وزش باد، مدت زمان تداوم این افزایش موقّتی توان، در قیاس با سرعت‌های پایین وزش باد، کما اینکه انتظار می‌رود، بیشتر می باشد. اگرچه که محدودیت کمینه سرعت توربین مورد مطالعه GE 3.6 MW، 0.7 مبنای واحد در نظر گرفته شده ‌می باشد، کاهش بیشتری نیز در سرعت روتور امکان پذیر می باشد (0.5 مبنای واحد). در سرعت وزش باد 7.5  ، وقتی محدودیت کمینه سرعت، 0.5 مبنای انتخاب گردد، توان اضافی معادل با 0.05 مبنای واحد برای مدت زمان 41 ثانیه متصوّر می‌باشد (در مقایسه با 36 ثانیه وقتی محدودیت کمینه سرعت 0.7 مبنای واحد در نظر گرفته گردد) [35]. 
سرعت متوسط وزش باد: محاسبات مشابهی برای سرعت‌های وزش باد 10 تا 11  انجام شده ‌می باشد که به ترتیب معادل با 0.85 و 1 مبنای واحد از توان تولیدی بادی می باشد (شکل3-7). در سرعت وزش باد 10.5 ، پشتیبانی توان اکتیوی معادل با 0.05 مبنای واحد، به مدت 38 ثانیه، قبل از اینکه سرعت روتور به محدوده کمینه سرعت مجاز روتور برابر با 0.7 مبنای واحد برسد، متصوّر می‌باشد (در سر عت 10 ، این ظرفیت معادل 49 ثانیه می‌باشد). در سرعت وزش باد 11 ، این ظرفیت به 30 ثانیه کاهش پیدا می کند. همانطور که انتظار می‌رفت، مدت زمان تداوم این پشتیبانی با افزایش سرعت باد در مطقعی که سرعت وزش باد متوسط می باشد، کاهش پیدا می کند.
شکل 3- 7 مدت زمان تداوم افزایش توان پله ای موقت در خروجی توان الکتریکی توربین بادی برای سرعت‌های متوسّط وزش باد
علی رغم کاهش ظرفیت جهت تأمین چنین پشتیبانی توان اکتیوی در سرعت‌های متوسط وزش باد، توربین بادی مورد مطالعه براحتی توانایی تأمین توان اکتیو اضافی معادل با 0.1 مبنای واحد برای بیش از مدت 20 ثانیه، پیش از رسیدن سرعت روتور به محدوده ی کمینه سرعت مجاز روتور را داراست.
سرعت زیاد وزش باد: با افزایش سرعت وزش باد و در خلال وزش بادهای شدید، زمانی که سرعت توربین توسط کنترلر زاویه و با افزایش زاویه پره کنترل می گردد، قدرت تولیدی به مقدار نامی آن محدود می گردد. به بیانی دیگر، در خلال این وضعیت، افزایشی در خروجی الکتریکی  می‌تواند توسط مبدل الکترونیک قدرت فراهم گردد. البته با این شرط که درایو، ژنراتور و مبدل توانایی جذب این توان اضافی را در این زمان داشته باشند. در سرعت مشخّصی از وزش باد، افزایش در خروجی الکتریکی موقّتاً می‌تواند توسط افزایشی در ورودی توان مکانیکی بوسیله کنترلر زاویه (کاهش زاویه شیب) جبرانسازی گردد. ذکر این نکته ضروری می باشد، بسته به سرعت کنترلر زاویه، کاهش موقّتی در سرعت چرخش توربین ظاهر می گردد که منجر خواهد گردید توربین بادی برای لحظاتی در سرعت بهینه نچرخد. این مسئله توان تولیدی بادی را پس از اعمال فرمان افزایش توان پس از میان رفتن افت فرکانس شبکه، برای لحظاتی کاهش خواهد داد. جنبه مهّم دیگر موضوع که قابل ذکر به نظر می‌رسد، مسائل مرتبط با پدیده‌های گذرای آئرودینامیکی کنترل زاویه می‌باشد. زمانیکه کاهشی در زاویه شیب پدید می‌آید، نیروی آئرودینامیکی از مقدار مثبت اولیّه خود با اندازه فراجهش مشخّصی به مقدار مثبت بالاتری می‌رود [55] [56].  در نتیجه، حتی در خلال وزش بادهای شدید (سرعت وزش باد بالاتر از 11  )، پشتیبانی توان اکتیو اضافی نیز فراهم خواهد بود.
شکل 3-8 زاویه شیب لازم برای تأمین سطوح متفاوتی از پشتیبانی توان اکتیو را برای سرعت‌های مختلف وزش باد، نشان می‌دهد.
شکل 3- 8 زاویه شیب پره برای برداشت سطوح مختلف توان اکتیو در سرعت‌های بالای وزش باد
شایان ذکر می باشد، تغییر کمی در زاویه شیب پره از مقدار ابتدایی خود برای میسّر کردن پشتیبانی توان اکتیو اضافی در هر سرعت باد معینّی لازم به نظر می‌رسد. همچنین، تغییر در اندازه زاویه شیب پره جهت دریافت یک سطح معین از پشتیبانی برای سرعت‌های وزش باد کمتر، کمتر خواهد بود.
البته، مقادیر نمودار‌های یاد شده به ثابت لختی توربین بادی   و شکل منحنی  وابسته می‌باشد. ثابت لختی   و منحنی  برای انواع توربین‌ها متفاوت خواهد بود. در نتیجه مقادیر مورد نظر در اینجا می‌تواند متناسب با سازندگان مختلف توربین تغییر کند.

3-2-4- کاربرد پشتیبانی موقّت  توان اکتیو DFIG در کنترل فرکانس سیستم قدرت

شکل1-8 مدل خطی سیستم دو ناحیه ای قدرت را جهت انجام مطالعات کنترل بار فرکانس نشان می‌دهد. ناحیه کنترلی 1، ناحیه ای متشکّل از تولید حرارتی و همچنین تولیدی بادی سرعت متغیّر دو سو تغذیه DFIG را نشان می‌دهد. سیستم قدرت دو ناحیه ای حرارتی در اینجا مشابه سیستم قدرت ارائه شده در [2] می‌باشد. هر ناحیه متشکّل از یک واحد حرارتی با ظرفیت نامی 500 مگاوات می‌باشد. اطلاعات سیستم قدرت در جدول-1 در ضمیمه آمده می باشد. پاسخ دینامیکی سیستم قدرت به انحراف باری معادل با 0.1 توان مبنای ناحیه 1 در حضور تولید بادی DFIG با ضریب نفوذ‌های مختلف، در نرم افزار Matlab/Simulink r2013a مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در بخش بعدی تغییرات به وجودآمده در لختی سیستم به سبب تغییر در ضریب نفوذ تولید بادی مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه برق مخابرات میدان:تشخیص تومورهای سرطانی در بافت­های بیولوژیک با استفاده از تصویربرداری ماکروویو

3-2-5- تغییر در تنظیم دروپ واحد‌های تولید بادی توسط DFIG بدون قابلیّت پشتیبانی فرکانس

ساختار اصلی تنظیمات دروپ مانند قبل ثابت می باشد؛ افزایش ضریب نفوذ بادی، افزایشی در دروپ معادل (کاهشی در بهره معادل دروپ) را به همراه دارد. با داشتن ضریبی معادل با ، تنظیم دروپ به فرم اظهار شده در معادله 3-9 تغییر می‌نماید:

(3-9)

3-2-6- تغییر در ثابت لختی سیستم بدون پشتیبانی فرکانس از طرف تولید بادی

افزایش ضریب نفوذ تولید بادی منجر به جایگزینی بیشتر آن با تولید متداول گشته و به طبع آن لختی سیستم نیز کاهش می‌یابد. این وضعیت به بدتر شدن وضعیت تنظیم فرکانس شبکه در نبود هیچ گونه پشتیبانی فرکانسی از طرف DFIG می انجامد.
% ضریب نفوذ تولید بادی به معنای % کاهش در توان موجود در تولید متداول می باشد. به این معنی که % از لختی شبکه کاسته شده و هیچگونه کنترل فرکانسی نیز در پی این جایگزینی تمهید نشده می باشد. در نتیجه لختی سیستم به صورت زیر تغییر می کند:

(3-10)

در پی این تغییر و با افزایش ، لختی شبکه نیز کاهش می‌یابد و منجر به افت بیشتری در فرکانس می گردد.

3-2-7- تغییر در تنظیم فرکانس و ثابت لختی سیستم در حضور سیستم پشتیبانی فرکانس

کنترلر سریع توان/گشتاور DFIG، فرکانس‌های الکتریکی و مکانیکی ماشین را از هم جدا می سازد و بدینوسیله عملکرد سرعت متغیّر آنرا فراهم می سازد. هر تغییری در سرعت سیستم در گشتاور و یا سرعت DFIG منعکس نمی‌گردد؛ همانطوری که عملکرد ژنراتور-مبدل نیز مستقل از فرکانس شبکه می باشد. در نتیجه، از دید شبکه، DFIG هیچ گونه لختی برای شبکه به همراه ندارد. هر چند که پاسخ لختی از طرف DFIG‌ها را می‌توان به کمک سیگنال‌های کنترلی کمکی فراهم نمود [47] [48] [49] [50] [51].
ثابت لختی اصلاح شده سیستم در حضور تولید بادی DFIG با ضریب نفوذ  و با پشتیبانی فرکانس را می‌توان به صورت زیر عنوان نمود:

(3-11)

سهم لختی مزرعه بادی ، همانطوری که توسط سیستم قدرت تجربه می گردد، در زمانی که توربین‌های بادی پشتیبانی موقّت  توان اکتیوِ اضافی معادل با  با تخلیه انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین را فراهم می‌کنند، توسط رابطه3-12 اظهار می گردد:

(3-12)

که در آن:

(3-13)

برای یک تغییر بار پله ای  و ضریب نفوذ مشخّصی از تولید بادی ، لختی توربین‌های بادی موقّتاً به لختی شبکه اضافه گردد. به بیانی دیگر با تحویل توان اضافی، علاوه بر توان حالت ماندگار تحویلی توربین‌های بادی به کنترلر مبدل پاور الکترونیک، با جذب انرژی ذخیره شده در قسمت چرخان توربین‌ها لختی شبکه نیز به نسبت افزایش می‌یابد.
سهم لختی توربین بادی ، بر اساس مدل تاخیری توربین- گاورنر که در [35] [57] اظهار شده، بدست آمده می باشد. ثابت لختی  مجدّداً می‌تواند برای ضریب نفوذ مشخّصی از تولید بادی و همچنین سطح مشخّصی از پشتیبانی موقّت توان اکتیو محاسبه شده و برای اصلاح ثابت لختی معادل سیستم، در معادله 3-10 وارد گردد.
مجموع تاخیر زمانی  که در معادله 3-12 عنوان گردید، بر اساس مدلی می باشد که در [57] اظهار شده می باشد.  زمانی می باشد که در آن بیشترین تغییر فرکانس پس از بروز اغتشاشی در بار پدید می‌آید. این تاخیر متشکّل می باشد از ثابت زمانی گاورنر ، ثابت زمانی ناشی ازحرکت دریچه شیر بخار  و همچنین تأخیر ناشی از پاسخ توربین .

(3-14)

از اینرو، مجموع تاخیر زمانی ، برای هر واحد تولیدی منحصر به فرد می‌باشد. برای نیروگاه‌های حرارتی می‌توان تأخیر زمانی را به صورتی که در ادامه می‌آید، نتیجه گرفت:

  • تأخیر زمانی مرتبط با گاورنر:
  • تأخیر زمانی ناشی از حرکت دریچه شیر بخار :

برای توربین بخار باز گرم کن:
  • تأخیر ناشی از پاسخ توربین :

برای تورین بخار باز گرم کن [35] :

همانطور که عنوان گردید، قابلیّت تنظیم فرکانس بر اساس ارتباط 3-8 برای ضرایب نفوذ مختلف باد و گردیدّت باد، تغییر می کند. تغییر در لختی سیستم در ازای ضرایب مختلف نفوذ تولید بادی، متناسب با نقشی که تولید بادی در کنترل فرکانس شبکه می پذیرد، متفاوت می باشد. تغییر لختی سیستم وقتی تولید بادی در کنترل فرکانس شرکت نمی‌کند مطابق ارتباط 3-10 و وقتی در آن شرکت دارد برابر ارتباط 3-11 تعیین می گردد. با حضور تولید بادی DFIG بدون آنکه مدل جامع  DFIGدر آن وارد گردد، مقادیر تخمینی تنظیم فرکانس و ثابت لختی شبکه در مدل خطی سیستم دوناحیه ای قدرت نشان داده شده در شکل 1-8 تغییر کرده و تاثیرات حضور سیستم کنترلی در آن در نظر گرفته می گردد. جدول 3-1 مقادیر تخمینی تنظیم دروپ و لختی سیستم قدرت در حضور تولید بادی DFIG برای افزایش توان اکتیو معادل 0.05 توان مبنای مزرعه بادی در حضور ضرایب نفوذ متفاوت تولید بادی را نشان می‌دهد.

در حضور قابلیت پشتیبانی فرکانس   بدون پشتیبانی فرکانسی   شاخص
30% 20% 10%   30% 20% 10% 0% ضریب نفوذ
                پارامتر
0.0714 0.0625 0.055   0.0714 0.0625 0.055 0.05
4.2185 4.5061 4.7654   3.5 4 4.5 5

جدول 3- 1تغییر در تنظیم دروپ واحد های تولیدی و لختی سیستم برای ضریب نفوذ های متفاوت باد

3-2-8- کنترلر پیشنهادی برای پشتیبانی توان اکتیو از DFIG برای کنترل فرکانس

مشابه تولید متداول، توربین‌های بادی مقدار مشخّصی انرژی جنبشی در قسمت چرخان توربین خود ذخیره می کنند. در مورد توربین‌های بادی سرعت متغیّر این انرژی نقشی در کمک به لختی شبکه ندارد. زیرا ادوات الکترونیک قدرت حائل میان توربین بادی و شبکه، کوپلاژ میان سرعت چرخشی و فرکانس شبکه را از بین می‌برد. به بیانی دیگر حضور مبدل الکترونیک قدرت میان توربین بادی و شبکه، مفهوم لختی توربین‌های بادی را برای شبکه از میان می‌برد.
معمولاً، کنترلرهای توربین بادی سرعت متغیّر کوشش می‌کنند توربین‌ها را در سرعت بهینه‌ای مورد بهره برداری قرار دهند تا بتوانند بیشینه توان را متناسب با آن استحصال کنند. کنترلر بر اساس سرعت و توان الکتریکی اندازه گیری شده، نقطه مرجع گشتاور را تعیین می کند.
همانطور که شکل (3-1) نشان می دهد نقطه مرجع گشتاور ، ورودی مبدل الکترونیک قدرت می باشد که با کنترل کلیدزنی و تنظیم جریان خروجی مبدل، توان تحویلی به شبکه را تأمین می کند. برای بکار بردن انرژی و لختی توربین‌های بادی جهت تزریق توان اکتیو به شبکه و کمک به کنترل فرکانس، سیگنال کنترلی جدیدی مطابق با آن چیز که در شکل 3-9 در داخل خط چین نشان داده شده می باشد، پیشنهاد می گردد.
این سیگنال کنترلی در زمان تشخیص انحراف فرکانس در شبکه، کنترل اولیّه فرکانس توربین‌های بادی  DFIG را فعّال کرده و تغییر توان اکتیوی متناسب با تغییرات فرکانس سیستم  و همچنین نرخ تغییرات فرکانس شبکه  برای شبکه قدرت فراهم می‌آورد. اثر لختی توربین‌های بادی با ثابت کنترلر  و پشتیبانی کنترل اولیّه فرکانس نسبت مستقیم با  دارد. این افزایش توان علاوه بر مقدار توان تحویلی توربین‌های بادی قبل از بروز اغتشاش بار  بوده و با اعمال سیگنال کنترلی جدید انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین‌ها به این مقدار اضافه شده و مقدار جدیدی  را اخذ می کند. خاطر نشان می گردد بخاطر جذب انرژی جنبشی موجود در توربین‌های چرخان بادی جهت تزریق آن به شبکه، سرعت چرخش توربین‌ها از سرعت بهینه شان کاهش می‌یابد. نرخ کاهش سرعت توربین بادی به تغییرات فرکانس و نرخ تغییرات آن وابسته می باشد.
ذکر این نکته ضروری می باشد، توان اکتیو اضافی DFIG، تنها در دوره ای گذرا در کنترل اولیّه فرکانس شرکت دارد. وقتی سیستم به حالت ماندگار جدیدی دست پیدا نمود که با حالت بهینه آن اختلاف دارد، نرخ تغییرات فرکانس توسط ثابت میراکنندگی بار و تنظیم دروپ سیستم تاثیر می پذیرد. کنترلر انتگرالگیر
شکل 3- 9 کنترلر پیشنهادی برای پشتیبانی فرکانس
حلقه ثانویه کنترل (AGC) کوشش در از بین بردن خطای حالت ماندگار شبکه می‌نماید و فرکانس شبکه و توان انتقالی خطوط را به مقدار نامی و از پیش مقرّر شده آن باز می‌گرداند. در نتیجه، سیگنال کنترلی اضافی ای که برای مبدل الکترونیک قدرت در نظر گرفته شده بود و به عنوان تابعی از تغییرات فرکانس و نرخ تغییرات فرکانس اقدام می‌نمود(شکل 3-9 )، غیرفعّال شده و عملکرد نرمال DFIG پیگیری می گردد تا مجدّداً سرعت چرخش توربین‌های بادی را به اندازه بهینه آن باز گرداند و زمینه مشارکت‌های بعدی را فراهم کند.

3-3- مشارکت واحد های تولید توان خورشیدی در کنترل فرکانس شبکه

با توجّه به سابقه پژوهش مطرح شده در باب کنترل فرکانس سیستم‌های تولید انرژی خورشیدی که در فصل پیش آمد، مشخّص گردید، جایگزینی تولید خورشیدی به جای تولید متداول مستقیماً لختی شبکه را کاهش می‌دهد. علاوه بر آن با توجّه به نوسانات تابشی خورشید، توان استحصالی از انرژی خورشید ثابت نبوده و با تغییر گردیدّت تابش خورشید، تغییر می کند. خصوصیاتی که استحصال انرژی توسط سیستم‌های خورشیدی به صورت MPPT به دنبال دارد، ویژگی‌های مطلوبی برای بهره‌برداری از تولید خورشیدی در مقیاس بالا نیست. ورود یک چنین منبع کنترل نشده‌ای به شبکه، بار اضافی برای سیستم‌های کنترل فرکانس به حساب می‌آید.
در این بخش آغاز به چگونگی جذب انرژی خورشیدی توسط پانل‌های خورشیدی و معادلات مربوطه اظهار می گردد. در ادامه استراتژی کنترلی مناسبی برای شرکت دادن تولید خورشیدی در کنترل اولیّه فرکانس اظهار می گردد. تاثیرات بهره گیری از یک چنین سیستم کنترلی بر روی سیستم قدرت مدل شده و ساختار کنترل فرکانس بار شبکه در حضور این کنترلر به روز می گردد.

3-3-1- مشخّصات پانل‌های خورشیدی و مدلسازی آنها

در اینجا به صورت مختصر خصوصیات و مدل ماژول‌های خورشیدی اظهار می گردد [58]. ماژول خورشیدی، تجهیزی غیر خطی می باشد که می‌توان آنرا همانطور که در شکل 3-10 آمده به عنوان منبع جریان در نظر گرفت.
با صرفنظر از مقاومت‌های سری داخلی ، می‌توان معادلات متداول  یک ماژول خورشیدی را به صورت اظهار شده در ارتباط 3-16 ذکر نمود:

(3-16)

شکل 3- 10 مدار معادل ماژول خورشیدی [21]
که در آن  و  به ترتیب جریان و ولتاژ خروجی ماژول خروجی می باشند.  جریان تولیدی تحت تابش خورشیدی،  جریان اشباع معکوس،  شارژ الکتریکی الکترون،  ثابت بولتزمن،   فاکتور ایده‌آلی دیود،  دمای ماژول خورشیدی (به کلوین)،  تعداد سلول‌های خورشیدی موازی و  جریان ذاتی شاخه مقاومت موازی ماژول خورشیدی می باشد. همانطور که در معادله 3-17 فرمول بندی شده، جریان اشباع ماژول خورشیدی  با نوسانات دما تغییر می کند:

(3-17)
(3-18)

که در آن  جریان اشباع در دمای مرجع ،  انرژی باند خالی،  ضریب تاثیر دمای جریان اتصال کوتاه ماژول خورشیدی می باشد. مقدار جریان شاخه‌های موازی به صورت زیر حاصل می گردد:

(3-19)

که در آن  تعداد سلول‌های سری و  مقاومت موازی داخلی ماژول خورشیدی می باشد.
شکل 3-11 ساختار کلی ژنراتور خورشیدی متصل به شبکه را نشان می دهد.
شکل 3- 11 ژنراتور خورشیدی متصل به شبکه
با توجه مدلسازی که اظهار گردید، در یک تابش مشخصی از خورشید و یک دمای معین، پانل‌های خورشیدی با در نظر داشتن ولتاژ نقطه کار خود توان جریان مشخصی را تولید می کند. این نقطه کار با در نظر داشتن ولتاژ  ماژول خورشیدی حاصل می گردد. این ولتاژ از طریق رفرنس ولتاژ واسط الکترونیک قدرت به این ادوات اعمال می گردد. برای یک ماژول خورشیدی معادلات اظهار شده در 3-16 الی 3-19، در نرم افزار Matlab/Simulink r2013a مدل شده و به ازاء تغییرات رفرنس ولتاژ ماژول‌های خورشیدی، منحنی‌های  و  به ازاء تابش‌های مختلف خورشید برای دمای عادی محیط معادل با 300 درجه کلوین (27 درجه سانتیگراد)، در شکل‌های 3-12و 3-13 رسم شده اند. از این نمودار‌های اینطور استنباط می گردد که آرایه‌های خورشیدی غیر خطی‌اند و نقطه کار آنها به گردیدّت با تغییر تابش خورشید و همچنین ولتاژ رفرنس تغییر می کند.
شکل 3- 12 منحنی V_I ماژول خورشیدی
 
 
 
شکل 3- 13 منحنی V_P ماژول خورشیدی

3-3-2- استراتژی کنترلی پیشنهادی برای مزرعه خورشیدی

همانطور که اظهار گردید می‌توان دینامیک سیستم قدرت متشکّل از چندین ژنراتور سنکرون را به فرم خطی شده زیر مدل نمود [2]:

(3-20)

که در آن  فرکانس سیستم در مبنای واحد،  و  به ترتیب توان مکانیکی و الکتریکی کل در مبنای واحد،  ثابت لختی به ثانیه و  عامل میراکننده در مبنای واحد می باشد. به خاطر اینکه معمولاً ثابت زمانی بزرگی در ارتباط با دینامیک توان مکانیکی  هست (نظیر دینامیک بویلر)، در چهارچوب زمانی کوتاه مدت لختی سیستم نقشی مهّم در تعیین حسّاسیت فرکانس سیستم نسبت به عدم تعادل میان تولید و مصرف دارد. از طرفی عامل میراکننده تعیین کننده قابلیّت سیستم در جذب عدم تعادل توان و کم کردن تغییرات حالت ماندگار فرکانس سیستم دارد.

3-3-3- تغییر در تنظیم دروپ واحد‌های تولیدی در حضور تولید خورشیدی با ضریب نفوذ

ساختار اصلی تنظیمات دروپ مانند قبل ثابت می باشد؛ افزایش ضریب نفوذ بادی، افزایشی در دروپ معادل (کاهشی در بهره معادل دروپ) را به همراه دارد. با داشتن ضریبی معادل با ، تنظیم دروپ به فرم اظهار شده در معادله 3-21 تغییر می نماید:

(3-21)

3-3-4- تغییر در ثابت لختی سیستم در حضور تولید خورشیدی

همانند تولید بادی، در حضور تولید خورشیدی با ضریب نفوذ  در شبکه معادله تعادل توان 3-19 کماکان مستقر می باشد. اما از آنجا که تولید خورشیدی هیچ جرم چرخانی ندارد و انرژی ذخیره شده ای در خود ندارد، حضور تولید خورشیدی با ضریب نفوذ   در شبکه منجر به کاهش لختی سیستم صورت معادله 3-22 می گردد:

(3-22)

در چنین شرایطی اگر تولید خورشیدی سهمی در توانایی تنظیم فرکانس نداشته باشد، تغییرات بار در شبکه منجر به تغییرات شدیدتری در فرکانس سیستم خواهد گردید.

3-3-5- مشارکت واحد تولید خورشیدی در تنظیم فرکانس شبکه

جهت فائق آمدن بر معضلات نامطلوب ورود تولید سیستم‌های خورشیدی، طرح کنترلی جدیدی برای شرکت دادن تولید خورشیدی در تنظیم فرکانس سیستم قدرت پیشنهاد گردید [29]. در این طرح کنترلی، برای اینکه سیستم خورشیدی تنظیماتی مشابه تنظیم دروپی مشابه با ژنراتورهای سنکرون داشته باشد، یک گاورنر سرعت مجازی برای آن طراحی شده می باشد. علاوه بر آن زمانی که کسری بار یا افزایش تابش شدیدی رخ داد، بایستی توان خروجی واحد خورشیدی سریعاً محدود گردد تا عدم تعادل توان تغییرات توان کمینه گردد. پس از یک تاخیر زمانی، سیستم خورشیدی می‌تواند مجدّداً به حالت کنترل دروپ خود باز گردد.
از مدل تک خطی سیستم خورشیدی متصل به شبکه که در شکل 3-11 نشان داده شده می باشد، نیز می‌توان برای نشان دادن طرح کنترلی بهره گیری گردد. خاطر نشان می گردد در طرّاحی فعلی، از دینامیک سریع اندوکتانس داخلی اینورتر در مقایسه با دیگر اجزای سیستم صرفنظر شده می باشد [59] .همانطور که در شکل 3-14 نشان داده شده می باشد استراتژی کنترلی را می‌توان در سه سطح اظهار نمود:
شکل 3- 14 ساختار اصلی سیستم کنترلی
در سطح 1، یک کنترلر PWM مطابق حلقه دوگانه کنترلی مشغول بکار خواهد بود (جهت اطلاعات بیشتر به [21] مراجعه گردد). حلقه خارجی ولتاژ آرایه خورشیدی  و توان راکتیو  آنرا کنترل می کند، در صورتی که حلقه داخلی جریان کنترل می‌نماید. خروجی این سطح توان تنظیم شده ی  و  می‌باشد. تحت این کنترل، زمانی که ولتاژ آرایه خورشیدی  دقیقا برابر با ولتاژ رفرنس  باشد، توان تزریقی به شبکه  نیز برابر با مقدار تعیین شده آن می‌باشد. یعنی با تعیین ولتاژ رفرنس  و اعمال آن به این سطح کنترلی توان خروجی اینورتر متناسب با مقدار خواسته شده خواهد بود.
با فرض اینکه مدل دقیق منحنی  آرایه ی خورشیدی نامعلوم می باشد، وظیفه اصلی سطح 2 کنترلی یافتن  متناسب با  در شرایطی می باشد که  کوچکتر از ماکزیموم توان موجود و قابل دسترسی توسط MPPT،  باشد (حالت کنترل دروپ) و همچنین یافتن  به گونه ای متناسب با  در شرایطی می باشد که  بزرگتر از ماکزیموم توان موجود و قابل دسترسی توسط MPPT،  باشد (حالت MPPT). ورودی سطح 2 کنترلی، ،  و  می‌باشد.
کنترل فرکانس در سطح 3 کنترلی قسمت اعظم طرح کنترلی به کار رفته را مشخّص می کند. سیستم خورشیدی حاضر در حالت کنترل دروپ مورد بهره برداری قرار می‌گیرد و در صورت نیاز می‌تواند به حالت کنترل اضطراری وارد گردد.
خاطر نشان می گردد، در اینجا به گونه خاص با توجّه به زاویه دید این پژوهش تنها حالت کنترلی دروپ مورد توجّه قرار دارد. ورودی سطح 3 کنترلی، تغییرات فرکانس سیستم  و خروجی آن  برای سطح 2 کنترلی خواهد بود.
طرح کنترلی اظهار شده می‌تواند بر روی انواع سیستم‌های خورشیدی با توپولوژی‌های مختلف اینورتر در سطح 1 کنترلی مورد بهره گیری قرار گیرد. تاثیر بهره گیری از طرح کنترلی پیشنهادی به گردیدّت وابسته به شرایط بهره برداری سیستم‌های خورشیدی نظیر تابش خورشید و دما می باشد [29]. 

3-3-6- الگوریتم سطح 2 کنترلی برای کنترل توان اکتیو

برای رسیدن به مشخّصات مطلوب تنظیم فرکانس، کنترل سطح 2 می‌بایست دو خصیصه مهّم را برآورده سازد:

  1. توان اکتیو تزریق شده به شبکه وسیله سیستم خورشیدی رفرنس توان تولیدی تعیین شده را به سرعت دنبال کند.
  2. بتوان توان اکتیو را در رنج نسبتاً وسیعی عوض کرد (برای مثال از 0 تا بیشینه توان قابل تولید(MPPT) ).

در الگوریتم‌های پیشین که از حبس تولید (Curtailment) بهره گیری کردند، سیستم‌های خورشیدی تنها در بخش چپ منحنی  مورد بهره گیری قرار می‌گرفتند [60] و [61]. در نتیجه پاسخ نه چندان سریع به رفرنس توان بدنبال داشتند. با انتخاب نقاط کاری سمت راست نقطه ماکزیموم توان در منحنی  جهت انتخاب نقطه کار، سرعت دنبال کردن رفرنس توان نسبتا افزایش می‌یابد. در [29] الگوریتمی مبتنی بر درونیابی درجه دوم نیوتون برای رسیدن به نقطه کار جدیدی که به عنوان رفرنس توان مد نظر قرار دارد به کار گرفته گردید. اساس کار این الگوریتم بهره گیری از فرآیندی تکراری برای تعیین ولتاژ لازم برای آرایه خورشیدی می باشد، به نحوی که در این ولتاژ آرایه خورشیدی رفرنس توان را تولید کند. برای مثال این الگوریتم می‌تواند با چند تکرار ولتاژ  متناظر با  در زمانی که  می‌باشد و یا تعیین  هنگامی که  باشد را در زمان کوتاهی تعیین کند.
سطح 3 کنترلی دینامیک سریعی دارد و در قیاس با دینامیک باقی اجزا در مطالعات کنترل خودکار تولید (دینامیک میان مدت)، قابل صرفنظر کردن می باشد.

3-3-7- حالت کنترلی دروپ برای سیستم‌های خورشیدی

کنترل دروپ فرکانس، تکنیکی شناخته شده برای تنظیم فرکانس سیستم قدرت به حساب می‌آید. توان خروجی اکتیو یک ژنراتور سنکرون  متناسب با تغییرات فرکانس سیستم قابل تنظیم می باشد. خصوصاً اینکه تنظیمات به گونه ای انجام می گردد که توان اکتیو نامی در فرکانس نامی تولید گردد. اگر فرکانس سیستم کمتر از مقدار نامی گردد، نشان می‌دهد  بیشتر از مقدار نامی می باشد و بالعکس.
در این بخش، اِعمال ساختار کنترل دروپ فرکانس بر سیستم‌های خورشیدی تبیین و بسط داده می گردد. اما در اینجا دو محدودیت عمده در قیاس با کنترل دروپ ژنراتورهای سنکرون هست:

  1. عدم کنترل بر منابع توان اولیّه، محدودیتی سنگین بر حد بالای تولید در توان تزریقی به شبکه اِعمال می کند.
  2. ماکزیموم توان قابل بهره برداری از تولید خورشیدی، همانطور که در مدلسازی تولید خورشیدی عنوان گردید، به گردیدّت تحت تاثیر گردیدّت تابش خورشید و دما می باشد. در نتیجه در بکار بستن کنترل دروپ بایستی توجه داشت که می‌بایست منحنی دروپ فرکانس را با نقاط کاری متنوعی تطبیق داد.

بر اساس ویژگی‌های اظهار شده، می‌توان تابعی توصیف نمود که خروجی رفرنس توان اکتیو را با فرکانس سیستم ارتباط می‌دهد:

(3-23)

که در آن  و  شرایط نامی بهره برداری شبکه می باشد. ارتباط 3-23 اظهار می‌دارد بدون احتساب محدودیت حداکثر تولید،  می‌تواند به صورت  محاسبه گردد. این فرم مشابه محاسباتی می باشد که برای ژنراتورهای سنکرون نیز انجام می گردد [2]. زمانی که  به سقف مجاز تولید می‌رسد، مقدار  به آن اختصاص می‌یابد و قابلیّت تنظیم فرکانس را نیز از دست می‌دهد. در منحنی دروپ فرکانس نشان داده شده در شکل 3-16، خطوط عمودی و افقی به ترتیب، مشخّصه دروپ را در حضور و عدم حضور سقف مجاز تولید  نشان می‌دهد.
فرکانس بحرانی فرکانسی می باشد که در آن  با  برابر خواهد گردید:

(3-24)

به گونه خاص، سیستم خورشیدی توان ماکزیموم  را زمانی تولید می کند که فرکانس شبکه  کمتر از فرکانس بحرانی  بوده و زمانی که فرکانس سیستم  بالاتر از فرکانس بحرانی  باشد، اندازه مشخّصی از تولید را حبس می نماید. به صورت مشخّص می‌توان عنوان نمود که اندازه توان باقیمانده برای رسیدن به ماکزیموم توان تولید فرکانس بحرانی  منحنی دروپ را تعیین می کند.
به مقصود به کار بردن طرح کنترلی دروپ برای تولید خورشیدی شکل 3-15 تهیه شده می باشد.
شکل 3- 15 دیاگرام کنترل دروپ فرکانس
همانطور که در شکل 3-15 مشخص می باشد مشابه ساختار مشخصه دروپ گاورنر ماشین های سنکرون ، آغاز اندازه خطای فرکانس از انتگرال‌گیر ی گذشته و سپس توسط  تقویت می گردد. خروجی این واحد، اندازه تغییر توان خروجی واحد را تعیین می کند [2]. در سیستم دروپی که برای واحد خورشیدی در نظر گرفته می گردد، خروجی سیستم گاورنر، رفرنس توان سطح 2 کنترلی می باشد. دینامیک کنترلر توان اکتیو را می‌توان به صورت تابع تبدیل درجه اول خطی با ثابت زمانی  و نرخ محدودیت تولید در نظر گرفت [62]. محدودیت تولید را ظرفیت تولید واحد خورشیدی  تعیین می کند. در این مطالعه  ثانیه و ضریب تقویت سیگنال  برابر با 100، در نظر گرفته شده می باشد [29].
زمانی که  به بار  متصل شده می باشد، واحد خورشیدی تحت حالت کنترل دروپ مورد بهره برداری قرار می‌گیرد. در این حال، مشخصّات کنترل دروپ مستقیماً تحت تاثیر دینامیک واحد خورشیدی قرار می‌گیرد:

  1. در اینجا بایستی توجّه داشت که ضریب بایستی مطابق با کد شبکه و قابلیّت کلی در تنظیم فرکانس، مطابقت داشته باشد. در سیستم تحت مطالعه حاضر  در نظر گرفته می گردد (شکل3-16).

شکل 3- 16 کنترل دروپ حالت ماندگار سیستم خورشیدی

  1. معمولا را شرایط کاری شبکه مشخّص می کند. زمانی که مقدار بالایی به خود می‌گیرد فرکانس شدیدا افت کند، تولید خورشیدی نمی‌تواند در کنترل فرکانس مشارکت داشته باشد. در صورتیکه با مقدار کمتری از ، قابلیّت تنظیم فرکانس واحد خورشیدی افزایش می‌یابد. در این حالت تأمین پشتیبانی قابلیّت تنظیم فرکانس واحد خورشیدی در شبکه به قیمت قربانی کردن توانی می باشد که با تابش شدید خورشید قابل استحصال می‌باشد. به بیانی دیگر، موازنه ای بین مزایای اقتصادی و ظرفیت پشتیبانیِ فرکانس صورت می پذیرد. در حقیقت، سهم تولید خورشیدی در شبکه، بایستی با توجّه به الگو‌های بار و اغتشاشات احتمالی و همچنین قابلیّت مورد انتظار پشتیبانی فرکانس تعیین گردد. برای مثال در یک سیستم ایزوله کوچک با ضریب نفوذ بالای تولید خورشید، مجموع ظرفیت تنظیم فرکانس شبکه ضعیف می باشد. در نتیجه برای سیستم خورشیدی الزامی می باشد با نقطه بارگذاری پایین‌تر پشتیبانی فرکانسی بیشتری را تأمین نماید.
  2. زمانی که فرکانس شبکه به پایین تر از فرکانس بحرانی نزول می کند،  ممکن می باشد به بالاتر از  ارتقا یافته و مقداری را اختیار نماید که غیر قابل تأمین می باشد. در این حال زمان نسبتا زیادی لازم می باشد تا  به اندازه  باز گردد. از این رو، اکتواتور‌های اشباع اختیار کار را به دست می گیرند و طرح‌های Anti-Windup پیاده سازی گردند [63].

خاطر نشان می گردد طرح‌های Anti-Windup زمانی فعّال می شوند که تولید خورشیدی به اشباع رفته باشد. در شبیه سازی انجام شده نقطه کار به گونه ای انتخاب شده که اشباعی در تولید اتفاق نیفتد.
در نهایت می توان بلوک دیاگرام سیستم کنترلی پیشنهادی برای مشارکت واحد خورشیدی در کنترل فرکانس را مطابق دیاگرام داخل خط چین شکل 3-17 نشان داد:
شکل 3- 17 ساختمان کنترل دروپ پیشنهادی برای سیستم خورشیدی

3-4- بهره گیری از ذخیره‌ساز‌های انرژی در سیستم قدرت

سیستم‌های ذخیره‌ساز انرژی باتری می‌تواند راه حل‌های گوناگونی را برای ارتقای کیفیت توان سیستم‌های تولید توان متشکّل از منابع تجدیدپذیر معرفی کند [64] [65]. از آنجا که سیستم ذخیره‌ساز باتری قابلیّت جبران سازی توان اکتیو سریعی دارد، می‌تواند در مسأله کنترل بار فرکانس سیستم قدرت موفق ظاهر گردد. به علاوه ذخیره‌ساز باتری موجب افزایش قابلیّت اطمینان سیستم در پیک بار به حساب می آیند. با داشتن دینامیک مناسب از ذخیره‌سازهای باتری می‌توان در زمینه‌های مختلفی زیرا سطح بندی بار، رزرو سیستم، پایدارسازهای توان خطوط بلند، تنظیم فرکانس سیستم اصلاح ضریب توان و غیره نام برد. بعضی از نمونه‌های موفّق بهره گیری از ذخیره‌ساز باتری را واحد ذخیره‌ساز 17 مگاواتی برلین [66] و 10 مگاوات/40مگاوات-ساعتی واحد چینو واقع در جنوب شرقی کالیفرنیا [67] دانست.

3-4-1- مدل ذخیره‌ساز باتری

مدار معادل واحد BES را می‌توان به صورت مبدل متصل به یک باتری معادل همانند شکل 3-18 در نظر گرفت.
شکل 3- 18 بلوک دیاگرام مدل خطی ذخیره‌ساز باتری [30]
در مدار معادل باتری،  زاویه آتش مبدّل،  راکتانس جابجاسازی،  جریان DC باتری،  مقاومت اضافه ولتاژ،  ظرفیت خازن اضافه ولتاژ    ولتاژ مدار باز باتری،  اضافه ولتاژ باتری،  مقاومت اتصالی و  مقاومت داخلی باتری،  مقاومت تخلیه خودی باتری و  ظرفیت خازنی باتری را نشان می‌دهد. ولتاژ DC ماکزیموم بی باری مبدل 12 پالسه همانطور که در ارتباط 3-25 آمده، با  نشان داده شده می باشد:

(3-25)

که در آن  ولتاژ rms خط می‌باشد. جریان DC تأمینی باتری بوسیله معادله 3-26 اظهار می گردد:

(3-26)

بر اساس مطالعه مدل مداری مبدل، توان اکتیو و راکتیو جذب شده واحد BES بوسیله معادلات3-27  و 3-28 اظهار می گردد:

(3-27)
(3-28)

که در آن  و  زاویه آتش مبدل شماره 1 و شماره 2 به کار رفته در مدل BES می‌باشد.
در مطالعات کنترل بار فرکانس عملکرد واحد BES را می‌توان به صورت یک تابع تبدیل درجه اول به فرم زیر و به همراه یک محدود کننده جهت محدود سازی توان تزریقی(مشخص کننده توان نصب شده ذخیره‌ساز در ناحیه) ، تقریب زد [64]:

(3-29)

که در آن  تغییرات فرکانس،  خروجی توان واحد BES،  بهره واحد تولیدی و  ثابت زمانی واحد BES می‌باشد،  و .

3-5- الگوریتم بهینه‌سازی نوسان ذرات

کنترل خودکار تولید با بازگرداندن فرکانس شبکه و توان انتقالی خطوط به مقدار نامی و برنامه ریزی شده در پی بروز اغتشاشی در بار، نقشی مهّم در سیستم‌های قدرت بر عهده دارند.
پس از بروز انحرافی در بار، برای از بین بردن انحراف ماندگار فرکانس شبکه و باز گرداندن آن به مقدار نامی، حلقه کنترل فرکانس ثانویه می‌بایست با بهره‌هایی بهینه، پاسخگوی این نیاز باشند. در این مرحله، بهره‌های کنترلر انتگرال‌گیر حلقه ثانویه توسط تکنیک بهینه‌سازی نوسان ذرات بهینه شده اند.
این الگوریتم در آغاز توسط کندی [68]معرفی گردید. با بهره گیری از این تکنیک پاسخ‌های با کیفیتی با خصوصیات همگرایی پایدار در زمانی کمتر فراهم می گردد. این تکنیک از ذراتی بهره گیری می کند که نماینده پاسخ‌های بالقوه برای مسئله به حساب می آیند. تمام ذرات با سرعت معینی در فضای جستجو به حرکت در می آیند. موقعیت ذره  ام  نام دارد و سرعت این ذره در تکرار  به صورت زیر تعریف می شوند:

(3-30)
(3-31)

که در آن  تکرار،  تعداد ذرات،  وزن لختی می باشد که به صورت خطی با طریقه تکرار الگوریتم کاهش می‌یابد،  و  ثابت‌های مکان،  و  شماره‌هایی تصادفی که به صورت یکنواخت از 0 تا 1 انتخاب می شوند،  تکرار الگوریتم،  بهترین موقعیت قبلی ذره  ام و  موقعیت بهترین ذره می باشد. در هر تکرار پاسخ بهینه در سلول  جایگذاری می گردد. با ادامه طریقه بهینه‌سازی و در انتهای تکرار‌ها  پاسخ مسئله خواهد بود. شکل 3-19روند اجرای الگوریتم را نشان می‌دهد.

مقدار دهی اولیّه  
تکرار  
  محاسبه مقدار برازندگی ذرات
  مقایسه مقادیر برازندگی با  و
  تغییر سرعت و موقعیت ذرات متناسب با معادلات 3-29 و  3-30
پایان ( مرز همگرایی یا بیشینه تعداد تکرار)  

شکل 3- 19روند اجرایی تکنیک PSO

3-6- شبکه ترکیبی

با در نظر داشتن برنامه های کنترلی پیشنهادی جهت مشارکت تولیدات بادی و خورشیدی و همچنین ذخیره سازها در کنترل فرکانس، میتوان مدل کنترل بار فرکانس سیستم دو ناحیه ای قدرت شکل2-8 را در حضور منابع انرژی تجدیدپذیر و ذخیره سازی باتری به صورت شکل 3-20 به روز نمود.
شکل 3- 20 بلوک دیاگرام سیستم دو ناحیه ای قدرت در حضور مزرعه بادی DFIG و مزرعه خورشیدی و ذخیره ساز باتری
در این شکل تولیدات بادی در ناحیه 1 مستقر شده و با بهره گیری از سیگنال ورودی تغییرات فرکانس در کنترل فرکانس شرکت داده می گردد. تولیدات خورشیدی نیز در ناحیه 2 نصب شده و با تغییرات فرکانس ناحیه 2 در کنترل فرکانس شرکت دارند. به علاوه دو ذخیره ساز های نصب شده در دو نو ناحیه نیز متناسب با حجم نصب شده در ناحیه ظرفیت جدیدی برای مشارکت در کنترل اولیّه فرکانس پدید می آورند.

3-7- جمع بندی

در این فصل آغاز تاثیرات ورود تولید بادی DFIG به شبکه دو ناحیه ای قدرت مدل گردید. نشان داده گردید که جایگزینی تولید بادی به جای تولید متداول به معنای کاهش لختی و توانایی تنظیم فرکانس شبکه خواهد بود. در ادامه با بهره گیری از مدل توربین بادی 3.6 مگاواتی جنرال الکتریک، ایده بهره گیری از انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین بادی مورد توجه قرار گرفت کنترلری جهت استخراج این انرژی و معنا بخشیدن به مفهوم لختی توربین بادی عنوان گردید. در کنترلر پیشنهادی با بروز انحرافی در فرکانس، این تابع کنترلی فعال شده و توان اکتیو کوتاه مدتی را برای شبکه از طریق جذب انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین تا رسیدن سرعت پره به مرز پایینی سرعت مجاز تأمین می کند. این توان موقت علاوه بر سطح توان تولیدی بادی می باشد. این توان اکتیو موقت با مقدار تغییرات فرکانس و همچنین نرخ تغییرات فرکانس سیستم متناسب می باشد. پس از رسیدن فرکانس به سطحی قابل قبول و یا رسیدن سرعت چرخش روتور توربین بادی به سرعت کمینه، این حلقه کنترلی غیر فعال می گردد.
در ادامه سیستم کنترلی جدید برای سیستم خورشیدی در شبکه دو ناحیه ای قدرت مورد بهره گیری قرار گرفت. طرح کنترلی پیشنهاد شده برای بهره گیری از تولید خورشیدی در سیستم دو ناحیه ای قدرت در نظر گرفتن سطحی بین 0 تا مقدار بیشینه توان قابل تأمین از طرف تولید خورشیدی به صورتی که ظرفیت مازادی در دسترس بوده باشد. برای این ظرفیت رزرو سیستمی مشابه سیستم دروپ واحد های تولید متداول عنوان گردید. متناسب با تغییرات فرکانس و ثابت دروپ سیستم خورشیدی، خروجی واحد خورشیدی تغییر می کند. این تغییر توان متناسب با اعمال ولتاژ مشخصی به اینورتر ها و قسمت الکترونیک قدرت شبکه می باشد. این بخش با یک تابع تبدیل درجه اول با ثابت زمانی نسبتاً کوچکی مدل گردید. کنترلر پیشنهادی متناسب با تغییرات فرکانس و ضریب نفوذ تولید بادی در کنترل فرکانس اولیّه شرکت می کند.
در ادامه ساختار داخلی ذخیره ساز باتری به اختصار اظهار گردید. مدلی جهت شرکت ذخیره ساز باتری در کنترل فرکانس عنوان گردید. جهت بهینه سازی پارامتر های سیستم قدرت از الگوریتم هوشمند بهینه سازی ازدحام ذرات بهره گیری می گردد. قواعد حاکم بر این تکنیک اظهار گردید. در انتها با در نظر داشتن نکات مطروحه در باب مشارکت تولیدات بادی و خورشیدی در کنترل اولیّه فرکانس و حضور ذخیره‌سازها، مدل سیستم قدرت به روز گردید. در فصل آینده با در نظر داشتن مدل کنترلی اظهار شده نتایج شبیه سازی اظهار می گردد.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

فصل چهارم: شبیه سازی و ارائه نتایج

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4-1- مقدمه

در این فصل با توجّه به حضور تولیدات انرژی تجدیدپذیر در شبکه،  پاسخ دینامیکی شبکه در حضور ضریب مشخّصی از تولید بادی و یا تولید خورشیدی و یا هر دو همزمان، بدون بکار بردن برنامه‌های کنترلی جهت کنترل فرکانس و با بکار بردن آنها مورد مقایسه قرار می‌گیرند. اثر بهره گیری از ذخیره‌ساز‌ها در حضور همزمان تولید بادی DFIG با پشتیبانی موقّت  توان اکتیو و تولید خورشیدی با اعمال کنترلر دروپ فرکانس طی چند سناریو مطالعه شده و ضریب نفوذ بهینه‌ای برای بهره گیری از منابع انرژی تجدیدپذیر تعیین می گردد. برای داشتن پاسخ فرکانسی مطلوب و از بین بردن خطای حالت ماندگار بهره‌های کنترلر انتگرال‌گیر حلقه کنترلی ثانویه توسط الگوریتم بهینه‌سازی نوسان ذرات، بهینه شده و نتایج حاصله اظهار می گردد.

4-2- حضور DFIG در کنترل فرکانس سیستم قدرت

در شبیه سازی حاضر، بنا بر این می باشد که پاسخ دینامیکی سیستم قدرت تحت  ضرایب مختلف نفوذ تولید بادی و با داشتن سطوح گوناگونی از پشتیبانی توان اکتیو از جانب DFIG مطالعه گردد. مدل سیستم قدرت مورد بهره گیری قرار گرفته در شبیه سازی در شکل2-8 نشان داده شده می باشد. پارامترهای سیستم قدرت دو ناحیه ای حرارتی در جدول-1 در بخش ضمیمه آمده می باشد. هنگامیکه اغتشاش باری سبب بروز افت فرکانس در ناحیه می گردد، تولیدات سنتی و همچنین مزرعه ی بادی DFIG بایستی برای پشتیبانی فرکانس توان بیشتری را تأمین نمایند. از مدل خطی شده ی سیستم دو ناحیه ای حرارتی که در فصول قبل معرفی گردید، به همراه مدل معرفی شده DFIG برای پشتیبانی توان اکتیو جهت نشان دادن قابلیّت‌های رویکرد کنترلی یاد شده تحت ضرایب نفوذ مختلف بهره گیری شده می باشد. تنظیم سیستم‌های دروپ و همچنین محاسبه ثابت لختی شبکه در حضور ضریب نفوذ مشخّصی از تولید بادی مطابق ارتباط‌های 3-10 و 3-11 محاسبه می گردد.
تولید بادی DFIG و پشتیبانی توان اکتیو تأمین شده از جانب آن را می‌توان تحت چند حالت مطالعه نمود:
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 می گردد. 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 گردید. به علاوه در چنین شرایطی با افزایش ضریب نفوذ و در نتیجه اغتشاش فرکانسی حاد تر، توان بیشتری از طریق تولید متداول تأمین می گردد. 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 می شوند. 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 می باشد. فرض شده می باشد 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 می باشد. همانطور که مشخّص می باشد در حضور تولید بادی DFIG و بدون پشتیبانی فرکانس، افت فرکانس نسبت به پاسخ پایه بیشتر می باشد. در حالتی که DFIG در پشتیبانی فرکانس مشارکت دارد، شبکه پاسخ نسبتاً بهتری دریافت می کند.
 
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 گیری 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 می گردد. 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  می گردد.  در ضریب نفوذ تولید بادی در شبکه ضرب می گردد تا از توان مبنای مزرعه بادی به مبنای ناحیه تبدیل گردد. در ادامه با وارد اقدام 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 کوشش 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 مستقر هست را با پاسخ پایه مقایسه می کند. طبیعتاً زمانی که تابع پشتیبانی فرکانس در DFIG فعّال می گردد، علاوه بر افزایش توانایی کنترل فرکانس شبکه با کمتر شدن اندازه 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 گردیدّت 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 می گردد 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 می گردد (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 بهره گیری می گردد. ساختار پیشنهادی برای کنترل اولیّه فرکانس سیستم خورشیدی را می‌توان در سه بخش مدل نمود. آغاز 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 می باشد را به مبدل الکترونیک قدرت اعمال می کند. همانطور که ذکر گردید، از آنجا که مبدل الکترونیک قدرت دینامیک نسبتاً سریعی دارد از دینامیک آن پیش روی باقی ادوات صرفنظر شده می باشد. 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 به وجودآمده بود، به شبکه تزریق می گردد.
گرچه با در نظر داشتن یک محدود کننده برای تغییر تولید سیستم خورشیدی می‌توان سقف تولید را در اندازه  محدود نمود، اما در این مطالعه صرفاً بنا بر نشان دادن قابلیّت مشارکت مزرعه خورشیدی در کنترل فرکانس شبکه گذارده شده می باشد. ضریب نفوذ تولید خورشیدی معادل 10% توان نامی و تنظیم دروپ سیستم خورشیدی  در نظر گرفته شده می باشد. همچنین اندازه 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 بهره گیری شده، در نظر گرفته گردید. مزرعه خورشیدی در ناحیه دوم واقع شده و اغتشاشی باری معادل با 0.1 در مبنای واحد ناحیه به ناحیه 2 اعمال شده می باشد. در نتیجه انحراف فرکانس در شبکه به وجودمی‌آید. جهت از بین بردن این انحرافات، علاوه بر پشتیبانی فرکانسی که تولید متداول تأمین می کند، 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 می کند این سیگنال کنترلی که حاوی اندازه تغییرات توان می باشد، به الگوریتم تعیین سطح جدید رفرنس ولتاژ برای کارکرد مبدل الکترونیک قدرت اعمال می گردد. در نتیجه متناسب با تغییر رفرنس ولتاژ، خروجی مزرعه خورشیدی تغییر می کند.
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 می باشد که در شبکه تولید خورشیدی وارد نشده و اغتشاش بار اعمال می گردد (پاسخ پایه). حالت دوم زمانی می باشد که تولید خورشیدی با ضریب نفوذ 10% در ناحیه دوم مشغول تولید توان می‌باشد. حالت سوم حالتی می باشد 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 اظهار شده فوق نشان داده شده می باشد.
 
 
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 موردها 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 می باشد.

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

در این بخش شبیه سازی تاثیرات بهره گیری 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 گردید.
نتایج حاصله کما فی السابق طی سه حالت اظهار شده مطالعه می شوند. در شکل‌های 4-19 تا 4-21 پاسخ فرکانسی ناحیه 1 و 2 و تغییر توان خط انتقالی نشان داده شده می باشد. 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 مستقر 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) مستقر می باشد به این معنی می باشد که سقف مجاز برداشت از مزرعه بادی نهایتاً می‌تواند 0.05 مبنای واحد قرار گیرد. این اندازه در ضریب نفوذ ناحیه ضریب شده و نهایتاً اندازه توان اکتیوی که متناسب با کنترلر پیشنهادی به شبکه تزریق شده می باشد را تعیین می کند. به علاوه 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 می باشد.
 
 
 
 
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 گیری از برنامه‌های کنترلی پیشنهادی

4-5- بهره گیری از ذخیره‌ساز باتری در سیستم قدرت

همانطور که ذکر گردید، 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 بهره گیری کنند. در همین راستا اثر ورود واحد ذخیره‌ساز انرژی باتری BES به سیستم قدرت مورد مطالعه قرار می‌گیرد. علاوه بر بهره گیری از BES چند حالت برای بهره گیری از باتری در شبکه با ضریب نفوذ مختلف تولید باد و خورشید در دو ناحیه مطرح می گردد. با بهره گیری 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 گردد. تجربه نشان داده می باشد برای کمینه کردن مقادیر خطا با کمترین دامنه در کم ترین زمان سیگنال خطای ITSE می تواند موفق تر ظاهر گردد [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 گردد. برای نشان دادن اثر افزایش ضریب نفوذ تولیدات تجدیدپذیر با استراتژی های کنترلی پیشنهادی بر پایداری فرکانسی شبکه ترکیبی نهایی، سناریوهای مورد مطالعه قرار گرفتند و مقدار تابع برازندگی متناسب با آنها در جدول 4-1 محاسبه شده می باشد:
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 0.315124    
2 0.2 0.323752    
3 0.1   0.292224  
4 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 هست و تمام ظرفیت ذخیره‌ساز در همین ناحیه نصب شده باشد، دارای کمترین اندازه سیگنال خطای  می باشد. با در نظر داشتن ورود همزمان تولیدات بادی و خورشیدی به شبکه، سناریوی 6 نسبت به باقی حالات از پاسخ دینامیکی نسبتاً بهتری برخوردار می باشد. با در نظر داشتن نتایج جدول 4-1 اینطور استنباط می گردد 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 گردید که موجب افزایش ظرفیت تنظیم فرکانس نیز شده می باشد. با مقایسه سناریو های 5 و 8 نیز نتایج مشابهی به دست می آید.

4-6- بهینه‌سازی پاسخ دینامیکی شبکه

همانطور که عنوان گردید، 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 بیانی دیگر هدف در اینجا کم کردن تغییرات فرکانس و توان انتقالی خطوط در کمترین زمان ممکن می باشد. به علاوه درین مرحله، اندازه 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 گردید. این مقادیر در جدول-2 در بخش ضمیمه آمده می باشد. 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. خاطر نشان می گردد که مجموع توان ذخیره ساز در دو ناحیه با در نظر داشتن 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. به این شکل می توان مدلسازی حل مسئله را به فرم زیر میتوان بیان نمود:

4-1

به صورتی که

4-2
4-3
4-4

در تابع هدف جدید جهت از بین بردن انحراف فرکانسی، حفظ کمترین مقدار فراجهش و فروجهش و در عین حال داشتن کوتاه ترین زمان ممکن برای رساندن انحرافات ماندگار به مقدار 0، مبنای بهینه سازی قرار گرفته می باشد. پس از چند بار کوشش و خطا مقادیر مطلوبی برای داشتن پاسخی مطلوب تر بدست آمد. در معادله (4-1) مقدار  برابر با 20 ،  برابر با 0.01 و  برابر با 0.001 در نظر گرفته شده می باشد. معیار تعیین زمان نشست حاشیه 0.02% فرض می گردد. با در نظر داشتن نکات اظهار شده بهینه سازی صورت گرفت و نتایج حاصله در شکل های 4-25 الی4-29 نشان داده می گردد. در این نمودارها دو سناریو مطرح گردید. در سناریو ی اول بهره انتگرال گیر ها به همراه حجم ذخیره ساز در هر ناحیه بهینه گردید. در سناریوی دوم که در واقع همان مدل پایه شبکه می باشد از هیچیک از منابع انرژی تجدیدپذیر و ذخیره سازی در شبکه بهره گیری نشده و بهره ها همان اندازه 0.2 سابق را دارند. جدول 4-2 مقادیر بهینه شده شاخص های انتخابی را نشان می دهد.

پارامتر
مقدار 0.358572 0.390833 0.167477 0.1747 0.0418608 0.0581392

جدول 4- 2 مقادیر بهینه شده توسط الگوریتم PSO
 
 
 
شکل 4- 25 مقایسه انحراف فرکانس ناحیه 1 در حضور مقادیر بهینه باتری و ثات انتگرال گیر ناحیه
شکل 4- 26  مقایسه انحراف فرکانس ناحیه 2 در حضور مقادیر بهینه باتری و ثابت انتگرال گیر ناحیه
 
شکل 4- 27  مقایسه تغییرات توان انتقالی خط واسط در حضور مقادیر بهینه در دو ناحیه
شکل 4- 28 تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 1
 
شکل 4- 29 تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 2

4-7- جمع بندی

با در نظر داشتن نتایج نشان داده شده در این فصل، می توان با اطمینان خاطر بیان نمود که با اعمال برنامه های کنترلی مناسب بر تولیدات انرژی تجدیدپذیر خورشیدی و بادی، حضور آنها در شبکه لزوماً به معنای کاهش توانایی کنترل فرکانس سیستم نبوده و حتی می توان با بهره گیری از سیستم های ذخیره ساز انرژی ثبات و محدوده پایداری فرکانسی سیستم را تقویت بخشید.
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

فصل پنجم: نتیجه گیری و ارائه پیشنهادهای ممکن

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5-1- نتیجه گیری

در پایان‌نامه حاضر، تاثیرات بهره گیری از منابع انرژی تجدیدپذیر نظیر تولیدات بادی و خورشیدی در شبکه قدرت مورد مطالعه قرار گرفت. همانطور که ذکر گردید، شبکه قدرت مشمول تغییراتی کلی در بدنه و ساختار خود می باشد. این تغییرات را می توان منبعث از ظهور انواع جدید ادوات تولید توان، تکنولوژی‌های جدید، حجم رو به افزایش منابع انرژی تجدیدپذیر دانست. نیاز روزافزون به انرژی الکتریکی در کنار ذخیره محدود سوخت فسیلی و نگرانی روبه گسترش معضلات زیست‌محیطی ناشی از مصرف سوخت فسیلی، ضرورت بهره گیری از منابع انرژی تجدیدپذیر نظیر باد و خورشید و ورود آنها را به شبکه قدرت بیش از پیش پررنگ تر می‌نماید. با ظهور منابع انرژی تجدیدپذیر نظیر انرژی باد و خورشید، مطالعه تاثیرات بهره گیری از این منابع در بهره‌برداری و کنترل شبکه قدرت از اهمیت زیادی برخوردار می گردد.
 از اینرو، تاثیرات ژنراتور دو سوء تغذیه به عنوان مدلی متداول از تولید بادی در کنترل فرکانس سیستم قدرت مورد مطالعه قرار گرفت. قابلیّت پشتیبانی توان اکتیو کوتاه مدّت از طریق جذب انرژی جنبشی پره‌های توربین، به عنوان ظرفیتی جهت شرکت تولید بادی DFIG در کنترل اولیّه فرکانس دیده گردید. کنترلر جدیدی برای مشارکت توربین بادی در کنترل یار فرکانس پیشنهاد گردید. تابع پشتیبانی فرکانسی تولید بادی در قبال تغییرات فرکانس سیستم، توانی متناسب با تغییرات فرکانس و نرخ تغییرات فرکانس برای تزریق به شبکه فراهم کرده و لختی پنهان توربین‌های بادی را به صورت موقّت  عیان می سازد. بدین طریق توربین های بادی DFIG در کنترل اولیّه فرکانس شرکت داده شدند.
همچنین استراتژی جدیدی برای مشارکت مزرعه خورشیدی در کنترل فرکانس سیستم دو ناحیه ای قدرت، از طریق حبس تولید تشریح گردید. سیستم‌های خورشیدی بوسیله برنامه کنترلی پیشنهادی توانستند در حالت کنترل دروپ فعّالیت کرده و مشابه ژنراتورهای سنکرون پشتیبانی اولیّه فرکانس را برای سیستم قدرت تأمین نمایند.
نتایج شبیه سازی نشان داد که علاوه بر حضور موفق تولید بادی DFIG و تولید خورشیدی در کنترل فرکانس، تنش مکانیکی وارده بر توربین ژنراتورهای سنکرون در تولید متداول نیز کاهش می‌یابد.
جهت افزایش قابلیت پشتیبانی فرکانس تامین ظرفیت رزرو برای جبران کسری تولید، از ذخیره ساز باتری بهره گیری گردید. با ترکیب همزمان استراتژی‌های کنترلی مزرعه خورشیدی و بادی در کنار بهره گیری از ذخیره‌ساز باتری، پاسخ دینامیکی شبکه به اغتشاش بار در دو ناحیه سیستم قدرت، مورد بهینه‌سازی قرار گرفته و با داشتن پارامتر های بهینه در شبکه، نتایج شبیه سازی تاثیر مثبت و سازنده طرح‌های کنترلی به کار رفته در کنترل فرکانس را در قیاس با پاسخ پایه شبکه، به خوبی نشان داد.

5-2- پیشنهادات

در ادامه کار حاضر و با نگاهی به سابقه پژوهش مذکور می توان پیشنهاداتی را ارائه داد:

  • اطلّاعات واقعی بادی و خورشیدی جهت بهره گیری در محاسبات وارد شوند. الگوی بار واقعی به عنوان اغتشاشات وارده به شبکه، مبنای کار قرار گیرند.
  • با در نظر داشتن این اطلاعات و هم چنین عنایت به این واقعیت که بهره برداری از سیستم خورشیدی بایستی توجیه اقتصادی به همراه داشته باشد، می‌بایست نقطه کاری مناسب برای بهره برداری اقتصادی از سیستم خورشیدی پیشنهاد گردد.
  • بایستی توجّه داشت که با به اشباع رفتن تولید خورشیدی قابلیت تنظیم فرکانس آن نیز از بین خواهد رفت. در امتداد این مسیر می توان در مواقعی که تغییرات شدیدی در تابش خورشید ایجاد می گردد و یا فرکانس شبکه شدیداً افت می کند طرح های کنترلی را به طرح هایی نظیر آنتی وایندآپ[7] مجهز نمود.
  • در کنار این واقع نگری ها در نظر داشتن اندازه شارژ باقیمانده[8] در ذخیره‌ساز به عنوان حالت شارژ[9] نیز می تواند در محاسبات وارد نمود.

 
 
 
 

 

ضمائم

 
جدول  1مشخصات نامی سیستم قدرت مورد مطالعه

ناحیه2 ناحیه1 مقادیر نامی
60 60 فرکانس نامی (هرتز)
500 500 توان نامی (مگاوات)
5 5
1 1
0.2 0.2 ثابت زمانی گاورنر (ثانیه)
0.3 0.3 ثابت زمانی توربین(ثانیه)
7 7 ثابت زمانی بازگرمکن(ثانیه)
0.3 0.3
0.05 0.05 مشخصه تنظیم گاورنر
10 10 ضریب بایاس ناحیه
0.0856 0.0856 ضریب همگام ساز خط انتقالی
-1 _ نسبت توان نامی دو ناحیه

 
جدول 2 پارامترهای به کار رفته در الگوریتم PSO

پارامتر مقدار
   
تعداد متغیّر مسأله 6
تعداد ذرّات 10
بیشینه تکرار 50
وزن لختی .1
2
2

 
 

منابع و مراجع

[1] کراری, دینامیک و کنترل سیستم های قدرت, تهران: نشر دانشگاه صنعتی امیر کبیر, 1389.
[2] p. kundor, power system stability and control, new york: McGraw-Hill, 2006.
[3] H. Outhred, “Meeting the challenges of integrating renewable energy into competitive electricity industries,” 2007. [Online]. Available: http://www.reilproject.org/documents/GridIntegrationFINAL.pdf.
[4] D. o. T. a. Industry, “The energy challenge energy review report,” Department of Trade and Industry, 2006.
[5] EWIS., “Towards a successful integration of wind power into European electricity grids,” 2007. [Online]. Available: http://www.ornl.gov/~webworks/cppr/y2001/rpt/122302.pdf.
[6] A. Resources, “AWEA Resources,” 2008. [Online]. Available: http://www.awea.org.
[7] H. Xin, Z. Qu, J. Seuss and A. Maknouninejad, “A self-organizing strategy for power flow control of photovoltaic generators in a distributionnetwork,” IEEE Trans. Power Syst , vol. 26, no. 3, p. 1462–1473, 2011.
[8] G. Masson, M. Latour and D. Biancardi, “European Photovoltaic Industry Association,” May 2012. [Online]. Available: http://www.epia.org/.
[9] S. Ahmed and M.Mohsin, “Analytical determination of the control parameters for a large photovoltaic generator embedded in a grid system,” IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 2, no. 2, p. 122–130, Apr. 2011.
[10] 2008. [Online]. Available: http://www.iea-pvps.org/.
[11] M. Yamamoto, “National survey report of PV power applications in Japan 2009,” 2010. [Online]. Available: http://www.iea-pvps.org/countries/download/nsr09/NSR_2009_Japan_100620.pdf.
[12] Samsung, “Samsung C&T, Korea Electric Power Company to Build World’s Largest Wind, Solar Panel Cluster in Ontario,” jan 2010. [Online]. Available: http://www.samsung.com/ca/news/newsRead.do?news_seq=17081&page=1.
[13] “The Global Wind Energy Council,” 2008. [Online]. Available: http://www.gwec.net/.
[14] T. Esram and P. Chapman, “Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques,” IEEE Trans. Energy Convers, p. 439–449, 2007.
[15] Y. Tan and D. Kirschen, “Impact on the power system of a large penetration of photovoltaic generation,” Proc. IEEE Power Eng. Soc. Gen. Meeting, p. 1–8, 2007.
[16] Y. T. Tan, “A model of PV generation suitable for stability analysis,” IEEE Trans. Energy Convers, vol. 19, no. 4, p. 748–755, 2004.
[17] W. A. Omran, “Investigation of Methods for Reduction of Power Fluctuations Generated From Large Grid-Connected Photovoltaic Systems,” IEEE Transactions On Energy Conversion, vol. 26, no. 1, 2011.
[18] N. Kakimoto, “Power Modulation of Photovoltaic Generator for Frequency Control of Power System,” IEEE Transactions On Energy Conversion, vol. 24, no. 4, 2009.
[19] C. A. Hill, “Battery Energy Storage for Enabling Integration of Distributed Solar Power Generation,” IEEE Transactions On Smart Grid, vol. 3, no. 2, 2012.
[20] R. Tonkoski, “Active power curtailment of PV inverters in diesel hybrid mini-grids,” in Proc. IEEE Electr. Power Energy Conf, 2009.
[21] M. Datta, “A frequency- control approach by photovoltaic generator in a PV-Diesel hybrid power system,” IEEE Trans. Energy Convers, vol. 26, no. 2, p. 559–571, 2011.
[22] J.-S. Park, “Operation control of photovoltaic/diesel hybrid generating system considering fluctuation of solar radiation,” Solar Energy Mater. Solar Cells, vol. 67, no. 1-4, p. 535–542, 2001.
[23] A. Jossen, “Operation conditions of batteries in PV applications,” Solar Energy, vol. 76, no. 6, p. 759–769, 2004.
[24] J. N. Ross, “Modelling battery charge regulation for a stand-alone photovoltaic system,” Solar Energy, vol. 69, no. 3, p. 181–190, 2000.
[25] S. M. Shaahid, “Economic analysis of hybrid photovoltaic-diesel-battery power systems for residential loads in hot regions: A step to clean future,” Renewable Sustainable Energy, vol. 12, p. 488–503, 2008.
[26] M. Bayoumy, “New techniques for battery charger and SOC estimation in photovoltaic hybrid power systems,” Solar Energy Mater. Solar Cells, vol. 35, no. 11, p. 509– 514, 1994.
[27] B. K. Bala, “Optimal design of a PV-diesel hybrid system for electrification of an isolated island: Sandwip in Bangladesh using genetic algorithm,” Energy Sustainable , vol. 13, p. 137–142, 2009.
[28] X. Li, “Battery Energy Storage Station (BESS)-Based Smoothing Control of Photovoltaic (PV) and Wind Power Generation Fluctuations,” IEEE Transactions on Sustainable Energy, vol. 4, no. 2, pp. 464-73, April 2013.
[29] H. Xin, “A New Frequency Regulation Strategy for Photovoltaic Systems Without Energy Storage,” IEEE Transactions On Sustainable Energy, vol. 4, no. 4, 2013.
[30] S. Aditya and D. Das, “Battery energy storage for load frequency control of an interconnected power system,” Electric Power Systems Research, vol. 58, p. 179–185, 2001.
[31] J. Jenkins, “Comparison of the response of doubly fed and fixedspeed induction generator wind turbines to changes in network frequency,” IEEE Trans Energy Convers, 2004.
[32] A. O’Malley, “The inertial response of induction machine based wind turbines,” IEEE Trans Power system, 2005.
[33] O. Hughes, “Contribution of DFIG-based wind farms to power system short-term frequency regulation,” Strbac GProc Inst Elect Eng، Gen Transm، Distrib., vol. 135, no. 2, 2006.
[34] J. d. H. SWH, “Wind turbines emulating inertia and supporting primary frequency control,” IEEE Trans Power Syst, vol. 21, no. 1, 2006.
[35] N. R. Ullah, “Temporary primary frequency control support by variable speed wind turbines: Potential and applications,” IEEE Trans. Power Syst, vol. 23, no. 2, p. 601–12, 2008.
[36] P. Bhatt, “Dynamic participation of doubly fed induction generator in automatic generation control,” Renewable Energy, vol. 36, 2011.
[37] H. Bevrani, Robust power system frequency control, New York: Springer, 2009.
[38] H. Banakar, “Impacts of wind power minute to minute variation on power system,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 23, no. 1, p. 150–60, 2008.
[39] G. Lalor, “Frequency control and wind turbine technology,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 20, no. 4, p. 1905–13, 2005.
[40] J. Morren, S. W. H. d. Haan and W. L. Kling, “Wind turbine emulating inertia and supporting primary frequency control,” IEEE Trans. Power Syst, p. 433–34, 2006.
[41] C. Luo, H. G. Far and H. Banakar, “Estimation of wind penetration as limited by frequency deviation,” IEEE Trans. Energy Conversion, vol. 22, no. 2, p. 783–91, 2007.
[42] P. Rosas, “Dynamic influences of wind power on the power system.,” Technical University of Denmark. PhD dissertation، , 2003.
[43] P. R. Daneshmand, “Power system frequency control in the presence of wind turbines,” Department of Computer and Electrical Engineering، University of Kurdistan. , Master’s thesis, 2010.
[44] J. L. R. Amenedo, S. Arnalte and J. C. Burgos, “Automatic generation control of a wind farm with variable speed wind turbines.,” IEEE Trans. Energy Conversion, vol. 17, no. 2, p. 279–84, 2002.
[45] R. Doherty, H. Outhred and M. O’Malley, “Establishing the role that wind generation may have in future generation portfolios,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 21, p. 1415–22, 2006.
[46] H. Holttinen, “Impact of hourly wind power variation on the system operation in the Nordic countries,” Wind Energy, vol. 8, no. 2, p. 197–218, 2005.
[47] A. Mullane and M.O’Malley, “The inertial response of induction machine based wind turbines,” IEEE Trans. Power. Syst., p. 1496–1503, 2005.
[48] J. Ekanayake and N. Jenkins, “Comparison of the response of doubly fed and fixed-speed induction generator wind turbines to changes in network frequency,” IEEE Trans. Energy Convers., p. 800–802, 2004.
[49] G. Lalor, A. Mullane and a. M. O’Malley, “Frequency control and wind turbine technologies,” IEEE Trans. Power. Syst., p. 1905–1913, 2005.
[50] F. M. H. N. J. a. G. S. O. Anaya-Lara, “Contribution of DFIG-based wind farms to power system short-term frequency regulation,” Proc. Inst. Elect. Eng., Gen., Transm., Distrib, p. 164–170, 2006.
[51] S. W. H. d. H. W. L. K. a. J. A. F. J. Morren, “Wind turbines emulating inertia and supporting primary frequency control,” IEEE Trans. Power. Syst., p. 433–434, 2006.
[52] F. V. Hulle, “Large Scale Integration of Wind Energy in the European Power Supply: Analysis, Issues and Recommendations, European Wind Energy Association (EWEA),” Tech. Rep, 2005.
[53] J. J. S.-G. W. W. P. a. R. W. D. N. W. Miller, “Dynamic modeling of GE1.5 and 3.6M Wwind turbine-generators for stability simulations,” IEEE Power Eng. Soc. General Meeting, p. 1977–1983, 2003.
[54] W. W. P. a. J. J. S.-G. N. W. Miller, “Dynamic Modeling of GE 1.5 and 3.6Wind Turbine-Generators,” GE—Power System Energy Consulting, 2003.
[55] E. D. A. Spera, Wind Turbine Technology, NewYork: ASME, 1994..
[56] V. Akhmatov, “Analysis of dynamic behaviour of electric power systems with large amount of wind power,” Ph.D. dissertation Tech. Univ. Denmark,, 2003.
[57] M. L. Chan, “Dynamic Equivalents for Average System Frequency Behavior Following Major Disturbances,” IEEE Trans Power App Syst, pp. 1637-42, 1971.
[58] M. Datta, “A Frequency-Control Approach by Photovoltaic Generator in a PV–Diesel Hybrid Power System,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 26, no. 2, pp. 559-7, 2011.
[59] E. Cate, K. Hemmaplardh, J. Manke and a. D. Gelopulos, “Time frame notion and time response of themodels in transient, mid-term and longterm stability programs,” IEEE Trans. Power App. Syst , vol. 103, no. 1, p. 143–151, 1984.
[60] P. Li, B. François, P. Degobert and B. Robyns, “Power control strategy of a photovoltaic power plant for microgrid applications,” in ISES World Congr, 1611–1616.
[61] Y. Liu, K. Ying, Z. Lu, H. Xin and D. Gan, “A Newton quqdratic interpolation based control strategy for photovoltaic system,” in Int. Conf. Sustainable Power Gener. Supply, 2012 .
[62] E. Cate, K. Hemmaplardh, J. Manke and D. Gelopulos, “Time frame notion and time response of themodels in transient, mid-term and longterm stability programs,” IEEE Trans. Power App. Syst., vol. 103, no. 1, p. 143–151, 1984.
[63] S. Tarbouriech and M. Turner, “Anti-windup design: An overview of some recent advances and open problems,” IET Control Theory Appl, vol. 3, no. 1, p. 1–19, 2009.
[64] D. Kottick, M. Blau and D. Edelstein, “Battery Energy Storage for Frequency Regulation,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 8, no. 3, September 1993.
[65] S. Aditya and D. Das, “Battery energy storage for load frequency control of an interconnected power system,” Electric Power Systems Research, vol. 58 , p. 179–185, 2001.
[66] H. Kunisch, K. Kramer and H. Dominik, “Battery energy storage, another option for load frequency control and instantaneous reserve,,” IEEE Trans. Energy Conversions, p. 41–46, 1986.
[67] W. V. KleinSmid, “Chino battery, an operations and maintenance update,,” in Third International Conference on Batteries for Utility Energy Storage, Kobe, Japan, 1991.
[68] K. J and E. RC, “Particle swarm optimization,” in Proceedings of IEEE international conference on neural networks, Perth, Australia, 1995.
[69] K. Ogatta, Modern control engineering, New York: USA: Prentice Hall.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


Abstract
The main task of any power system is to generate high quality power to supply demand’s load. Any frequency deviation more than permissible value causes damage to components, overloading tie lines, deficits and deficiencies of relays and in worst case may lead power system to collapse. The important goal of Load Frequency Control (LFC) is to eliminate frequency deviations as quick as possible. Meanwhile reducing tie line’s power deviations and returning tie line’s power to scheduled values is important too. These two are the main tasks of Automatic Generation Control (AGC).
Today power system is experiencing structural changes. Not because of deregulating Environment and competitive policies but also because of new power generating units with new frameworks, technologies and increasing penetration levels of Renewable Energy Resources (RERs). Increasing growth of demand’s load beside of ceasing reserves of oil and global warming issues are made RERs a desirable option. By integrations of RERs into power system, aside economical point of view, load frequency control of power system will play more important role in maintaining the quality of such a system.
Hence, in other to increase petrification of RERs in frequency support, new control strategies are needed. In this thesis at first, the impacts of integration of RERs in power system are studied. And then new strategies has been proposed to participate RERs in load frequency control and to improve frequency regulation’s capability of power system in presence of RERs.
 
Keywords: Automatic Generation Control (AGC), Renewable Energy Resources (RERs), Photovoltaic Generation, Wind Generation, Energy Storage Systems (ESS).
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Mazandaran University of Science and Technology
Faculty of Electrical Engineering
 
Thesis for master’s degree in power engineering
 
 
Automatic generation control of power system in presence of Renewable Energy Resources (RERs)
 
 
By:
Behzad Moradi
 
Supervisor:
Dr. Abdolreza Sheikholeslami
 
Advisor:
Roya Ahmadi
 
 
2014
[1] Maximum Power Point Tracking
[2] Robustness
[3] Torque Set-point
[4] Superconductive Magnetic Energy Storage
[5] Inertia
[6] Modal
[7] Anti-Windup
[8] State of Charge
[9] State of Charge
 
 

دسته‌ها: مهندسی برق