کنترل فرکانس- بار سیستم قدرت چند ناحیه شامل نیروگاههای حرارتی بادی و آبی

راهنماي تدوين مقاله کامل همايش م ی "ل برق مخابرات و توسعه پايدار " کنترل فرکانس- بار سیستم قدرت چند ناحیه شامل نیروگاههای حرارتی بادی و آبی سیاوش محمدپور محمدرضا علیزاده پهلوانی 1- کارشناس ارشد دانشگاه آزاد اسالمی واحد بروجرد 2- استادیار دانشگاه صنعتی مالک اشتر (siavashmohammadpour@yahoo.com) نام ارائهدهنده: سیاوش محمدپور 35 mm خالصه در یک سیستم قدرت به هم پیوسته هنگامیکه بار سیستم تغییر میکند هم فرکانس سیستم و هم توان خط ارتباطی تغییر میکنند. هدف کنترل فرکانس بار مینیممساختن این متغیرها )تغییرفرکانس و توان خط ارتباطی( و صفر نمودن خطای حالت ماندگار میباشد. در زمان بحران انرژی انرژی تجدیدپذیر راهحل مناسبی برای افزایش انرژی مورد نیاز میباشد. با این حال توان خروجی منابع تجدیدپذیر همانند نیروگاه حرارتی قابل کنترل نیست. بنابراین عملکرد منابع تجدیدپذیر به تنهایی قابلیت اطمینان سیستم را تأمین نمیکند. از این رو به منظور بهبود در پاسخ به دینامیک بار بایستی منابع تجدیدپذیر به همراه منابع سنتی به شبکه قدرت متصل شوند. مشاهده شده است که نوسان فرکانس ناشی از نوسان بار با افزایش حضور منابع تجدیدپذیر افزایش مییابد. در این مقاله کنترلرهای تناسبی- انتگرالی و تناسبی- انتگرالی- مشتقی به منظور کاهش نوسان فرکانس با یکدیگر مقایسه شدهاند. در شبیهسازی سیستم قدرت از نرمافزار متلب استفاده شده است. کلمات کلیدي: سیستم تولید پراکنده کنترل فرکانس بار PID PI متلب 1. مقدمه به دلیل مشکالت ناشی از نوسانات قیمتی منابع سوخت فسیلی منابع تجدیدپذیر به عنوان جایگزین مناسب سوختهای فسیلی در دهههای اخیر مورد توجه و بهرهبرداری قرار گرفته است. با این وجود به دلیل نوسان طبیعی منابع تجدیدپذیر حضور این منابع به تنهایی قابلیت اطمینان سیستم را تأمین نخواهند کرد. نوسان طبیعی منابع تجدیدپذیر انحراف فرکانس سیستم را افزایش میدهد و هنگامیکه بار سیستم تغییر مییابد انحراف فرکانس بیشتری ایجاد خواهد شد. این موضوع باعث میشود که در کنار منابع تجدیدپذیر از انرژی سنتی نیز استفاده شود. 1

انحراف فرکانس موضوعی نامطلوب است چونکه در بیشتر موتورهای الکتریکی میزان سرعت موتور به فرکانس وابسته میباشد. بنابراین توربینها را براساس مشخصه سرعت بسیار دقیقی طراحی میکنند. همچنین میکروکنترلرها برای داشتن عملکرد مطلوب وابسته به فرکانس میباشند. در نتیجه ثابت نگهداشتن فرکانس موضوعی بسیار با اهمیت است. که این کار با پیادهسازی کنترل فرکانس- بار )LFC( امکانپذیر میباشد. چندین روش کنترل فرکانس- بار توسعه یافته برای کنترل فرکانس وجود دارد که شامل کنترل سطح فرکانس )FFC( کنترل گرایش خط ارتباطی )TBC( و کنترل سطح خط ارتباطی )FTC( میباشند. در روش FFC بعضی نواحی هنگامیکه بار تغییر پیدا میکند فعال میشوند و بعضی دیگر با تغییر بار مبنا واکنش نشان میدهند با این وجود مشکل این روش تعداد کم نواحی پاسخ به تغییر بار میباشد. در نتیجه باعث طوالنیشدن حالت گذرای سیستم میشود. در روش FTC تغییرات بار در هر ناحیه تنها درون همان ناحیه کنترل میشود. از این رو فرکانس خط ارتباطی ثابت است. روش غالب استفاده شده روش TBC میباشد چون در این روش کلیه نواحی سیستم قدرت به طور به هم پیوسته در تنظیم فرکانس سیستم مشارکت دارند. در این مقاله سیستم قدرت به هم پیوسته شامل سیستم حرارتی با چهار ناحیه حرارتی نیروگاه آبی و مزرعه بادی در نظر گرفته شده است. 2. مدلسازي نواحی حرارتی نواحی حرارتی با استفاده از توابع انتقال مدلسازی شدهاند. تنظیمکننده سرعت توربین و ژنراتور بخشهای مختلف سیستم را تشکیل میدهند[ 3 ]. سیستم تنظیم سرعت سیگنال فرمان P C میزان تغییر شیر بخار را کنترل میکند که به عنوان ورودی برای تغییر سرعت گاورنر میباشد. مدل توربین پاسخ دینامیکی توربین بخار با میزان تغییر شیر بخار بر حسب تغییرات توان خروجی تغییر خواهد کرد که معموال ثابت زمانی ( t T( بین محدوده 0/2 تا 2/5 ثانیه میباشد. مدل بار-ژنراتور تغییر در توان ورودی بلوك بار- ژنراتور با تغییر در فرکانس متناسب است به صورت: F(s) = [ P G (s) P D (s)] ( K ps 1 + T ps. s ) مدل ناحیه حرارتی )1( شکل زیر بلوك دیاگرام ناحیه حرارتی را نشان میدهد. )1(: بلوك دیاگرام ناحیه حرارتی مقدار که در آن مقادیر ثابتزمانیهای گاورنر ( g T( توربین ( t T( و بخش الکتریکی ( ps T( به صورت T g < T t T ps با یکدیگر در ارتباط هستند. R ضریب افتی گاورنر نامیده میشود و P D مقدار تغییر بار ناحیه میباشد. 2

3. مدلسازي ناحيه آبی و بادي مطالعات پایداری توربین آبی و دیگر بخشهای سیستم هیدرولیک مبتنی بر فرضیات معینی میباشد. در این مدل گذرگاه ورودی آب ثابت و آب تراکمناپذیر است. همچنین سرعت آب به هنگام بازشدن دریچه برابر است با مجذور شبکه فراز و توان خروجی توربین با ضرب فراز در حجم جریان آب برابر است[ 1 ]. شکل )2( بلوك دیاگرام مدل سیستم هیدرولیکی را نشان میدهد. )2(: بلوك دیاگرام سیستم هیدرولیكی نیروگاههای آبی به صورت نیروگاههای حرارتی مدلسازی میشوند با این تفاوت که ورودی برای توربین آبی به جای بخار آب میباشد. افت اولیه مشخصه به دلیل افت فشار روی توربین میباشد که به هنگام باز شدن شیر دریچه جبران میشود. توربینهای آبی به دلیل اینرسی آب دارای پاسخ ویژه- ای هستند. تغییر در موقعیت دریچه تغییر اولیه توان توربین را موجب میشود که مخالف با میزان تغییر دریچه میباشد. برای عملکرد کنترل پایدار افت گذرای بزرگی به طور موقتی همراه با زمان نشست بلندی به وجود میآید بنابراین جبرانگر افت حالت گذرا که در شکل )2( مشاهده میشود مورد نیاز میباشد که حرکت دریچه را محدود میکند تا توان خروجی زمانی برای عقبماندگی آب داشته باشد. در نتیجه گاورنر افت باالیی برای انحراف باالی سرعت و افت کمی در حالت ماندگار ایجاد میکند. مدلسازی مزرعه بادی در این مقاله نیروگاه بادی در تولید توان ترکیبی مشارکت دارد. مدلسازی نیروگاه بادی با فرض سرعت ثابت باد صورت گرفته است. دینامیک مرتبه دوم سیستم مبدل انرژی باد )WECS( به صورت زیر میباشد: T i = 2ξ ω 1 n ω 2 n T pt )2( )3( K p = ( T it pt 2 ) ω K n pt ω n فرکانس طبیعی میرا و ξ ضریب دمپینگ میباشد. انتخاب K p بزرگ باعث ردیابی عملکرد باال میشود اما در کنترل سیستم محدودیت به وجود میآورد بنابراین K p بایستی محدود شود. افزایش فراجهش در پاسخ سیستم با اضافه نمودن سیگنال مرجع جبران شده است. رفتار دینامیکی توربین بادی میتواند بر اساس مدل بلوکی شکل )3( تحلیل شود. 3

max f 1 X1 1 st r st 1 st w X 2 w P * f min P NC,max * + - K wi s K wp X 3 - - * P - + 0 PNC ref 1 1 st a P NC max 1 2sH e + - min )3(: بلوك دیاگرام توربین بادي که در آن K wi و K wp به ترتیب بهرههای انتگرالی و تناسبی کنترلر PI میباشند و مقادیر T w H e و T a به ترتیب اینرسی توربین بادی ثابت زمانی فیلتر پاكکننده و ثابت زمانی توربین میباشند. امروزه کنترل توان اکتیو توربینهای بادی سرعت متغیر به وسیله ادوات الکترونیک قدرت پیشرفته موضوعی مهم به شمار میرود. س سی تم کنترل لختی و دروپ سرعت برای کاربردهای کنترل فرکانس به طور وسیع استفاده میشود. حلقه کنترلی توربین بادی همانند سیستم کنترل سرعت به طور خودکار توان خروجی توربین بادی را در پاسخ به تغییرات فرکانس تنظیم میکند. با این وجود به دلیل ناپایداری باد سیستم کنترل سرعت محدود میشود. به همین دلیل کنترل خروجی توربین بادی نسبت به توربین حرارتی چالشبرانگیزتر میباشد[ 4 ]. در نتیجه هماهنگی مناسبی بایستی بین پایداری و کنترل- پذیری توان اکتیو توربین بادی حفظ شود. )4( کنترل فرکانس- بار سیستم چند ناحیه )حرارتی- بادی- آبی( یک سیستم قدرت بزرگ میتواند به تعدادی نواحی به هم پیوسته توسط خطوط ارتباطی تقسیمبندی شود. هدف از سیستم کنترل تنظیم فرکانس هر ناحیه و کنترل توان خط ارتباطی میباشد. همچنین به منظور صفر نمودن خطای حالت مانا از کنترلر PI استفاده میشود. هر ناحیه کنترل میتواند توسط سیستم گاورنر توربین و ژنراتور معادل در نظر گرفته شود که در آن اندیس یک به ناحیه یک دارد و اندیس دو به ناحیه دو و به همین منوال نامگذاری میشوند. تغییر توان خط ارتباطی ناحیه یک به صورت زیر تعریف میشود[ 2 ]: به طور مشابه تغییر توان خط ارتباطی ناحیه دو برابر است با: ΔP tie,1 = 2πT 12 ( Δf 1 dt Δf 2 dt) ΔP tie,2 = 2πT 12 ( Δf 2 dt Δf 1 dt) )5( که در این روابط با الپالسگیری از رابطه باال داریم: )6( T 12 ضریب سنکرونکننده نامیده میشود. f 1 و f 2 به ترتیب فرکانس ناحیه 1 و 2 میباشند. میتوان رابطه باال را به صورت بلوکی به صورت شکل )4( طراحی نمود. ΔP tie,2 (s) = 2πa 12T 12 [ΔF s 1 (s) ΔF 2 (s)] 4

)4(: بلوك دیاگرام خط ارتباطی با وجود حلقه اولیه کنترل فرکانس- بار با تغییر بار سیستم انحراف فرکانس سیستم در حالت مانا به صفر نخواهد رسید. برای صفر نمودن انحراف فرکانس سیستم بایستی از کنترلر PI استفاده شود تا نقطهکار مشخصه گاورنر تغییر نماید. در ضمن چون کنترلر نوع سیستم را یک واحد افزایش میدهد انحراف فرکانس نهایتا به صفر میل خواهد کرد. همچنین مقدار بهره کنترلر PI به منظور پاسخ مطلوب باید با سعی و خطا انتخاب شود. پیکربندی مدل سیستم به صورت شکل )5( میباشد: )5(: بلوك دیاگرام ناحیه حرارتی با کنترلر PI که در این مدل K و K i به ترتیب ضریب گرایش فرکانس و بهره کنترلر PI میباشند. که در آن مقدار انحراف فرکانس برابر است با: K ps ΔF(s) = (1 + T ps s) + ( 1 R + K i s ) K ps (1 + T g s(1 + T t s)) ΔP D s )7( 4. شبيهسازي سيستم دو ناحيه )حرارتی- حرارتی( شکل )6( مدل کنترل فرکانس- بار دو سیستم حرارتی را نشان میدهد. 5

)6(: بلوك دیاگرام دو ناحیه حرارتی به هم پیوسته شکل )7( و )8( پاسخ فرکانس هر ناحیه حرارتی را بدون مشارکت انرژی باد نشان میدهد. )7(: پاسخ فرکانس ناحیه یک بدون مشارکت منبع بادي 6

)8(: پاسخ فرکانس ناحیه دو بدون مشارکت منبع بادي شکل )9( و )10( پاسخ فرکانس سیستم دو ناحیهای را به همراه انرژی باد نشان میدهد. )9(: پاسخ فرکانس ناحیه یک با مشارکت منبع بادي )11(: پاسخ فرکانس ناحیه دو با مشارکت منبع بادي بارهای P D1 و P D2 همزمان به نواحی 1 و 2 اعمال شده است. مشاهده میشود که با اعمال انرژی باد پاسخ سیستم سریعتر به حالت مانا میرسد. 7

5. کنترل فرکانس- بار سيستم حرارتی- آبی چهار ناحیه حرارتی به همراه یک ناحیه هیدرولیکی در شکل )11( شبیهسازی شده است. )11(: بلوك دیاگرام سیستم حرارتی- آبی شکل )12( پاسخ فرکانس سیستم حرارتی- آبی را با کنترلر PI نشان میدهد. )12(: پاسخ فرکانس سیستم حرارتی- آبی با کنترلر PI شکل )13( پاسخ فرکانس سیستم حرارتی- آبی را با کنترلر PID نشان میدهد. 8

)13(: پاسخ فرکانس سیستم حرارتی- آبی با کنترلر PID با مقایسه این دو سیستم میتوان نتیجه گرفت که حضور نیروگاه آبی )تجدیدپذیر( باعث بدتر شدن پاسخ سیستم میشود و کنترلر PID نسبت به کنترلر PI به دلیل بهبود پاسخ فرکانس دارای عملکرد مقاوم باالتری میباشد. 6. کنترل فرکانس- بار سيستم چند ناحيه )حرارتی-آبی- بادي( به منظور جبران نوسان طبیعی منابع تجدیدپذیر بهرهبرداری از سیستم قدرت به صورت به هم پیوسته جهت تولید توان با قابلیت اطمینان باال ضروری است. شکل )14( پاسخ سیستم قدرت به هم پیوسته )حرارتی- آبی- بادی( را با کنترلر PI نشان میدهد. )14(: پاسخ فرکانس سیستم چند ناحیه با کنترلر PI شکل )15( پاسخ سیستم قدرت به هم پیوسته )حرارتی- آبی- بادی( را با کنترلر PID نشان میدهد. 9

)15(: پاسخ فرکانس سیستم چند ناحیه با کنترلر PID پاسخ سیستم چند ناحیه به هم پیوسته با کنترلرهای PI و PID نشان داده شد. با توجه به منحنیها مشاهده میشود که در سیستم قدرت با نفوذ باالی انرژی تجدیدپذیر انحراف فرکانس افزایش یافته است. 7. نتيجهگيري کنترل فرکانس- بار هنگامیکه منابع تجدیدپذیر در سیستم قدرت حضور دارند اهمیت بیشتری پیدا میکند در این مقاله کنترل فرکانس- بار با نفوذ قابلتوجه انرژی تجدیدپذیر در کنار نیروگاه حرارتی با کنترلرهای PI و PID مدلسازی و تحلیل شد. با استناد بر نتایج مشاهده میشود که با حضور منبع بادی انحراف فرکانس سیستم کاهش پیدا میکند و در مدت زمان کمتری به حالت مانا میرسد. با این وجود هنگامیکه نیروگاه آبی وارد سیستم میشود انحراف فرکانس تشدید مییابد. با مقایسه کنترلرهای PI و PID کنترلر PID دارای عملکرد مقاوم باالتری میباشد در واقع با وجود کنترلر PID پاسخ سیستم سریعتر به صفر خواهد رسید. 8. مراجع [1] Kundur. P, Power System Stability and Control, McGraw-Hill, 1993. [2] Saadat. H, Power System Analysis, Tata McGraw-Hill, 2002. [3] Elgerd. O, Electric Energy Systems Theory an Introduction, Tata McGraw-Hill, 1983. ]4[ محمدپور. سیاوش "ترکیب توربین بادی مبنی بر ژنراتور القایی تغذیه دوگانه )DFIG( به منظور کنترل فرکانس سیستم" پایان نامه کارشناسی ارشد دانشگاه آزاد اسالمی واحد بروجرد 1392. 11