مقاله ارائه شاخصی جهت پیش بینی ناپایداری ولتاژ و کاربرد آن در تعیین زمان مناسب حذف بار کاهش ولتاژی

بخشی از مقاله

ارائه شاخصی جهت پیش بینی ناپایداري ولتاژ و کاربرد آن در تعیین زمان مناسب حذف بار کاهش ولتاژي

واژههاي کلیدي: پیش بینی ناپایداري ولتاژ، حذف بار کاهش ولتاژي، زمان مناسب براي حذف بار

چکیده

در این مقاله شاخصی ارائه شده است که توانـایی تشـخیص وقوع ناپایداري ولتاژ در شبکه را دارا مـی باشـد. عملکـرد ایـن شاخص مبتنی بر رفتار تغییرات ولتاژ و نرخ تغییرات ولتاژ بعـد از وقوع یک رخداد می باشد. مزیت این شاخص بار محاسباتی پایین آن می باشد که عملکرد آن را براي کاربرد هـاي آن لایـن مناسب می سازد. در این مقاله از این شاخص براي تعیین زمـان مناسب حذف بار کاهش ولتاژي نیز استفاده شـده اسـت. نتـایج شبیه سازي هاي صورت گرفته بر روي دو شبکه 14 باسه و 39 باسه IEEE، نشان دهنده عملکرد مناسب شاخص در پیش بینی وقوع ناپایداري ولتاژ و تعیین زمان مناسب براي شـروع حـذف بار می باشد.

-1 مقدمه

پایداري ولتاژ توانایی سیستم قدرت در حفظ ولتـاژ قابـل قبـول در تمـامی باسـهاي سیسـتم در شـرایط نرمـال و بعـد از مواجهه با اغتشاش می باشد.[1] سیستم هنگامی ناپایـدار ولتـاژ می باشد که وقوع یک اغتشاش باعـث کـاهش فزاینـده و غیـر قابل کنترل سطح ولتاژ شود. شاخص هاي پایداري ولتاژ اسکالر هایی هستند که تغییـرات پارامترهاي سیستم قدرت را بررسی می کنند. این شـاخص هـا که می تواننـد براسـاس آنالیزهـاي اسـتاتیکی و یـا مـدل هـاي دینامیکی سیستم قدرت باشند، توانایی تعیین باس هاي بحرانی، ارزیابی پایداري هر خط متصل بین دو باس و یا ارزیابی حاشیه پایداري سیستم را دارا می باشند. از جمله این شاخص ها مـی توان به شاخص تحلیل مدال اشاره کرد که توسط آقـاي Gao و همکارانش براي تعیین پایداري ولتاژ ارائه شد.[2] در این روش پیشنهاد شده که کمترین مقدار ویژه و بردارهاي ویژه مـرتبط بـا ماتریس ژاکوبین کاهش یافته سیستم قـدرت مبتنـی بـر حالـت پایدار سیستم محاسبه شود. مقادیر ویژه با یک مد ولتاژ و تـوان راکتیو در ارتباط هستند. اگـر همـه مقـادیر ویـژه مثبـت باشـند سیستم پایداري ولتاژ دارد. اگر یـک مقـدار ویـژه منفـی باشـد، سیستم ناپایدار ولتاژ می باشد. یک مقدار ویـژه صـفر مـاتریس ژاکوبین کاهش یافته به ایـن معنـی اسـت کـه سیسـتم در مـرز ناپایداري ولتاژ قرار دارد. موقعیت فروپاشی ولتاژ یـک سیسـتم پایدار می تواند از طریق ارزیابی حداقل مقادیر ویژه مثبت پیش بینی شود. دامنه هر مقدار ویژه حداقل، اندازه اینکه سیستم چـه مقدار به فروپاشی ولتاژ نزدیک است را نشان می دهد. زمان بـر بودن محاسبات در این شاخص در شبکه هاي بزرگ، باعث شد شاخص هاي دیگري براي بررسی پایـداري ولتـاژ شـبکه ارائـه گردد. به عنوان نمونه آقـاي پرنیـانی و همکـارش شاخصـی را براي تخمین نزدیکی به حد بارگـذاري ارائـه کردنـد.[3] بـراي محاسبه این شاخص ابتدا معادل تونن سیسـتم قـدرت از بـاس مورد نظـر بدسـت آورده شـده و سـپس بـا محاسـبه تغییـرات ادمیتانس بار، ولتاژ و تغییرات تـوان ظـاهري، مـی تـوان انـدازه شاخص را محاسبه نمود. این شـاخص در ناحیـه پایـدار ولتـاژ مقدار مثبت، در مرز ناپایداري مقدار صـفر و در ناحیـه ناپایـدار مقداري منفی دارد.

حذف بار کاهش ولتـاژي آخـرین راهکـار بـراي مقابلـه بـا ناپایداري ولتاژ در سیستم قدرت می باشد. مقالات مختلفـی در این زمینه ارائه شده است که به عنوان نمونه می تـوان بـه مقالـه آقاي Wiszniewski اشاره کرد.[4] در این روش ابتدا با محاسبه مدار معادل تونن از هـر بـاس، بـا تعیـین dS / dY ضـریبی بدست می آید که در محاسبه نسبت امپدانس بـار بـه امپـدانس تونن ( (ZL / Zth به کار می رود. در یک سیستم قدرت اگر ZL  Zth باشد، سیستم در آستانه ناپایداري ولتاژ قـرار دارد.
به همین دلیل در این مقاله پیشنهاد شده است کـه هنگـامی کـه نسبت ( (ZL / Zth از بازه 1/5-2 کمتر شود، حذف بـار آغـاز گردد. حذف بار بهینه از جمله مسائلی می باشد کـه در فرآینـد حذف بار کاهش ولتاژي بایسـتی بـه آن توجـه نمـود. در سـال 2009 آقایان اصغري و ساده روشی بـراي حـذف بـار بهینـه در سیستم قدرت ارائه کردنـد.[5] در ایـن روش دو فـاکتور بـراي حذف بار بهینه مطرح شده است (1: باري که از سیستم حـذف می شود بایستی تاثیر زیادي بر بهبود پایداري ولتاژ داشته باشـد، (2 باري که از سیستم حذف مـی شـود بایسـتی هزینـه پـایینی داشته باشد.

این مقاله شامل دو قسمت می باشد. در قسمت اول شاخص جدیدي براي پیش بینی ناپایداري ولتاژ در شـبکه ارائـه شـده و در قسمت دوم، کاربرد ایـن شـاخص در تعیـین زمـان مناسـب حذف بار کاهش ولتاژي بررسی شده است.

-2 ارائه شاخصی جدید براي پیش بینی ناپایداري ولتاژ

هدف در این قسمت ارائه روشی است که توانایی پیش بینی ناپایداري ولتاژ را داشته باشد که به کمک آن بتوان زمان مناسب براي قطع بار کاهش ولتاژي را تعیین نمود. دامنه ولتاژ به تنهایی معیار مناسبی براي تعیین ناپایداري ولتاژ نمی باشد زیـرا ممکـن است بعد از وقوع رخداد، دامنه ولتـاژ بـراي لحظـاتی از مقـدار آستانه تعیین شده کمتر شود، امـا بـا عملکـرد تجهیزاتـی چـون AVR، مجددا به سطح مطلوب باز گـردد. در ایـن مقالـه بـراي پیش بینی ناپایداري ولتاژ علاوه بر دامنه ولتاژ از تغییـرات ولتـاژ و نرخ تغییرات ولتاژ نیز استفاده شده است. شـبیه سـازي هـاي متعدد نشان دهنده این مطلب می باشد که هنگامی سیستم دچار ناپایداري ولتاژ می شود که علاوه بر تنزل دامنه ولتاژ بـه حـدي کمتر از مقدار آستانه تعیین شده، تغییرات ولتاژ و نرخ تغییـرات ولتاژ نیز مقداري منفی داشته باشـند. در ادامـه تعـدادي از شـبیه سازي هاي انجام شده، مرور شده است. شبیه سازي ها بـه ازائ رخداد هـاي متعـدد و در ضـرایب بارگـذاري متفـاوت در دو سیستم 14 باسه IEEE و 39 باسه IEEE انجام گرفته است.

1-2 سیستم 14 باسه IEEE

اولین سیستم در نظر گرفته شده سیسـتم اسـتاندارد 14 باسـه IEEE مـی باشـد. ایـن سیسـتم داراي 2 ژنراتـور،3 کندانسـور مجموعسنکرون و 11 بار با و 259 مگاوات 81/3 مگـاوار مـی باشـد. سـایر اطلاعــات دینـامیکی ایــن سیسـتم از مرجــع [6]
استخراج شده است. این سیستم در شکل زیر نشـان داده شـده است.

شکل -1 دیاگرام تک خطی سیستمباسه IEEE 14

1-1-2 رخداد اول: خروج ژنراتور

اولین رخـداد در نظـر گرفتـه شـده درایـن حالـت خـروج ژنراتور باس دو در در لحظه 0/1 ثانیـه مـی باشـد. ناپایـداري ولتاژ عموما در سیستمهاي با بارگذاري شدید رخ میدهـد. بـه همین دلیل شبیه سازي در ضرایب بارگـذاري مختلـف انجـام شده است. ضرایب بارگذاري به ترتیـب 1 ،  1/ 5 و  1/ 7 در نظر گرفته شده است. شکل موج ولتاژ باسها به ازائ مقادیر مختلف ضریب بار گذاري در شـکل زیـر نشـان داده شده است:

در حالت بار پایه (شکل -2 الف) بعد از خـروج ژنراتـور، ولتاژ تمامی باس ها افت می کند اما به واسـطه وجـود AVR این افت ولتاژ به سـرعت جبـران مـی شـود. در ضـریب بـار  1/ 5 این افت ولتاژ شدید تر بـوده، امـا کماکـان سیسـتم پایدار ولتاژ مـی مانـد. امـا در ضـریب بارگـذاري  1/ 7 ،همانطور که شکل -2) ج) مشاهده می شود، سیستم درلحظه t 0/25 ثانیه ناپایدار ولتاژ می شود. بـا اسـتفاده از تحلیـل مدال و بدست آوردن مقادیر ویژه ماتریس ژاکوبین پخش بـار می توان مشاهده کرد که در این حالت یکـی از مقـادیر ویـژه مـاتریس ژاکـوبین پخـش بـار کـوچکتر از صـفر مـی باشـد. کوچکترین مقدار ویژه مـاتریس ژاکـوبین پخـش بـار در ایـن حالت  0/ 20911 می باشد که موید ناپایـداري ولتـاژ می باشـد. در شـکل (3) میـزان مشـارکت هـر بـاس در مـود ناپایدار نشان داده شده است:

درشکل((4 تغییرات ولتاژ نسـبت بـه زمـان در تعـدادي ازباس هاي بار که بیشترین مشـارکت را در ایـن مـود ناپایـدار دارند ( و 10 9و (14 رسم شده است:
با توجه به شکل ها می توان وجه تمـایزي بـین دو حالـت پایدار ولتاژ و حالت ناپایدار ولتاژ یافت. تنها حالتی که سیستم دچار ناپایداري می شود حالتی است کـه هـم تغییـرات ولتـاژ (مشتق ولتاژ) مقداري منفی داشته باشد و هـم نـرخ تغییـرات ولتاژ (مشتق دوم ولتاژ) کوچکتر از صفر باشد.
2-1-2 رخداد دوم: خروج خط انتقال

دومین رخداد در نظر گرفته شده خروج خـط انتقـال بـین باس یک و باس پنج می باشد. شکل موج ولتاژ هـا بـه ازائ ضریب بارگذاري  1 ،  1/ 5 و  1/ 8 در شـکل (5) رسم شده است. همانطورکه مشاهده می شود سیستم در حالـت بـار پایـه و
ضـریب بارگـذاري  1/ 5 سیسـتم پـس از وقـوع رخـداد سیستم پایدار باقی می ماند و بـا عملکـرد تجهیـزات کنترلـی ولتاژ، ولتاژ باسها در محـدوده مجـاز بـاقی مـی مانـد. امـا در ضریبدچاربار  1/ 8 سیستمولتاژ میناپایداري شود.

با بکار بردن تحلیل مدال در این حالـت و محاسـبه مقـادیر ویژه ماتریس زاکـوبین پخـش بـار، کـوچکترین مقـدار ویـژه ماتریس ژاکوبین پخش بار در این حالـت  0/01349 بدست می آید که مقـداري کـوچکتر از صـفر بـوده و نشـان دهنده ناپایداري ولتاژ می باشد. میزان مشارکت هریک از باس ها در این مود ناپایدار در شکل((6نشان داده شده است:

تغییرات ولتـاژ نسـبت بـه زمـان در باسـهایی بـا بیشـترین مشارکت در مود ناپایـدار (بـاس 9، بـاس 12 و بـاسدر(14

شکل (7) رسم شده است
به ازائ این رخداد نیز مشاهده می شـود سیسـتم هنگـامی ناپایدار ولتاژ می شود که تغییرات ولتاژ و نرخ تغییرات ولتـاژ مقداري منفی داشته باشند.

2-2 سیستم 39 باسه IEEE

دومـین سیسـتم در نظـر گرفتـه شـده بـراي تسـت روش پیشنهادي سیستم 39 باسـه IEEE مـی باشـد کـه نسـبت بـه سیستم 14 باسهIEEE هم از نظـر تعـداد بـاس و هـم از نظـرتولید سیستم بزرگتري می باشد. این سیستمژنراتوداراي 10 بــا مجمــوع 6150 مگــاوات تولیــد، 36 خــط انتقــال، 12 ترانسفورماتور و 19 بار می باشد. سـایر اطلاعـات دینـامیکی این سیستم از مرجع [7] استخراج شـده اسـت. دیـاگرام تـک خطی این سیستم در شکل زیر نشان داده شده است.

1-2-2 خروج همزمان دو خط

رخداد در نظر گرفته شده براي این سیستم خروج همزمان دو خط انتقال بین باس هاي سه و چهار و باس هاي چهـار و چهارده می باشـد. ایـن رخـداد بـه ازائ ضـرایب بارگـذاري مختلف شبیه سازي شده است. شکل موج ولتاژ باس هاي بار به ازائ ضرایب بارگـذاري  1 ،  1/ 2 و  1/ 25 در شکل (9) نشان داده شده است. در دو حالـت اول بعـد از وقوع رخداد ولتاژ ها افت کـرده، امـا بـا عملکـرد تجهیـزات کنترلی ولتاژ، سیستم دچار ناپایداري ولتاژ نمـی شـود. امـا در حالت سوم سیستم دچار ناپایداري ولتاژ می شود.