بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي اثر ادوات FACT و نيروگاه بادي DFIG بر پايداري گذراي سيستم هاي قدرت ضعيف
چکيده
در تحليل سيستم هاي قدرت ، دو مفهوم پايداري ديناميکي و پايداري گذرا مطرح مي باشد. پايداري ديناميکي مربوط به قابليت بازگشت سيستم به شرايط کاري اوليه در حضور اغتشاشات کوچک بوده اما پايداري گذرا مربوط به قابليت ماشين هاي سنکرون سيستم جهت حفظ سنکرونيزم درحضور اغتشاشات بزرگ از جمله انواع خطاها مي باشد. در اين مقاله اثر اضافه کردن توليد بادي در شبکه بررسي و از يک سيستم ضعيف ١ جهت بررسي مطالعات پايداري گذرا در حضور خطاي سه فاز، استفاده شده است . همچنين تأثير حضور
SVC در شبکه بر عملکرد ديناميک سيستم در نظر گرفته شده ، اثر اضافه کردن يک نيروگاه بادي سرعت متغير (DFIG)2، به يک شبکه انتقال ضعيف مورد بررسي قرار گرفته است . سيستم مورد مطالعه ، سيستم نه شينه IEEE مي باشد. در سيستم نه شينه IEEE اثر همزمان نيروگاه بادي و SVC بر پايداري گذراي سيستم پس از بروز خطا مورد مطالعه قرار گرفته است . در اين تحقيق ، پاسخ ديناميکي سيستم پس از به وقوع پيوستن يک خطا در سيستم و مقايسه تأثير نيروگاه بادي با يک نيروگاه گازي بر پايداري گذراي شبکه مورد بررسي قرار داده شده است .
واژه هاي کليدي : پايداري ، ژنراتور سرعت متغير، شبکه ضعيف ، نيروگاه بادي ، توربين بادي
مقدمه
توربين هاي بادي مي توانند در سرعت هاي ثابت و يا در سرعت هاي متغير کار کنند[١]. براي توربين هاي بادي سرعت ثابت ، ژنراتور
(القايي ) مستقيما به شبکه وصل مي گردد. در اين سيستم اغتشاشات باد روي تغييرات توان و کيفيت توان تاثير مي گذارد و براي يک توربين بادي سرعت متغير، ژنراتور با ادوات الکترونيک قدرت کنترل مي شود. در اين روش نوسانات توان که توسط باد بوجود مي آيند مي توانند با تغيير سرعت رتور جذب شوند. با گسترش استفاده از انرژي باد و توليد برق بادي ، توربين هاي بادي متصل به ژنراتور القايي با تغذيه دوگانه يا DFIG به طور گسترده اي به کار گرفته مي شوند.
اين ژنراتورها به دليل ويژگي خاصي که در کارکرد با سرعت هاي متغير باد دارند، مورد توجه ويژه قرار مي گيرند. سيستم هاي توربين نيروگاه هاي بادي که در حال حاضر مورد استفاده قرار مي گيرند عبارتند از:
١) توربين بادي سرعت ثابت با استفاده از ژنراتور القايي
٢) توربين بادي سرعت متغير با استفاده از ژنراتور القايي
٣) توربين بادي سرعت متغير با استفاده از ژنراتور سنکرون
سرعت رتور از طريق ساختمان و تعداد جفت قطب هاي ژنراتور مشخص مي شود. سيستم هاي توربين بادي سرعت ثابت عموما داراي دو سرعت ثابت هستند. اين امر با استفاده از دو ژنراتور با جفت قطب هاي مختلف يا يک ژنراتور با دو سيم پيچ که داراي قطب هاي مختلف است محقق مي شود.
استفاده از نيروگاه هاي بادي با سرعت متغير مزايايي نسبت به نيروگاه هاي بادي با سرعت ثابت دارد. اگر چه نيروگاه هاي بادي با سرعت ثابت ، مي توانند مستقيما به شبکه متصل شوند، اما محدوده وسيع تري از انرژي ، توسط نيروگاه هاي بادي سرعت متغير، پوشش داده مي شود و تنش هاي مکانيکي کمتري داشته ، نويز صوتي هم در آنها کمتر است . امروزه با پيشرفت هاي الکترونيک قدرت ، ديگر کنترل همه سرعت ها ممکن و به صرفه شده است .
در اين مقاله DFIG با سرعت متغير مورد توجه قرار گرفته است که ويژگي مهمي در کارکرد در سرعت هاي متغير باد دارد و سعي شده تأثير اضافه کردن اين نيروگاه بادي سرعت متغير به يک شبکه قدرت ضعيف مورد بررسي قرار گيرد[٢].
در مراجع [٣] و [٤] و [٥] مدل سازي توربين بادي در شبيه سازي ديناميکي سيستم قدرت با سه روش متفاوت بررسي شده است .
مرجع [٦] در مورد کاربرد توربين هاي بادي سرعت متغير با استفاده از تغيير زاويه پيچش پره هاي توربين بحث کرده است . مراجع [٧] و
[٨] و [٩] در مورد مدل سازي ماشين القايي صحبت کرده اند.
در قسمت ٢ از اين مقاله شرح موضوع و روش ها، بيان گرديده و در قسمت ٣ مدل سازي سيستم نه شينه IEEE و اجزاي آن آمده ، در قسمت ٤ تحليل نتايج شبيه سازي در مورد شبکه نه شينه IEEE آورده شده است . سرانجام در قسمت ٥ نتيجه گيري مقاله مطرح شده است .
شرح موضوع و روش ها
در اين تحقيق اثر اضافه کردن توليد بادي در شبکه بررسي و از يک سيستم ضعيف جهت مطالعات پايداري گذرا در مواجهه با خطاي سه فاز، استفاده شده است . شبکه ضعيف ، شبکه اي است که از ژنراتورهاي بزرگ مرکزي فاصله زيادي داشته و روي آن بارهاي بزرگي وجود دارد که باعث شده تا خطوط انتقال متصل شده به آن ضعيف باشند. در اين مقاله ، سيستم نه شينه IEEE بکارگرفته شده است . در اين مقاله تغييراتي در راکتانس خطوط صورت گرفته است .
در اين سيستم يک بار بزرگ قرار داده شده و يک خطاي سه فاز با يک مقاومت کوچک به زمين ، در شين بار رخ داده است که باعث قطع شدن يکي از خطوط موازي بين شين هاي ٣ و ٢ مي گردد.
سيستم کلي قدرت موردمطالعه بوسيله يک دياگرام تک خطي در شکل ١ نشان داده شده است . خطوط موازي بين شين هاي ٢ و ٣ داراي سيستم انتقال فشار قوي مستحکمي است که توان الکتريکي را از يک ژنراتور بزرگ قطب برجسته به يک بار بزرگ مرکزي در شين
٢ منتقل مي کند. ناحيه دور دست ارائه شده در شين ١ به طور ضعيف به يک سيستم از خطوط طويل متصل گرديده است . در شين ١ دو بار بزرگ قرار داده شده است . هيچ ژنراتوري در ناحيه بين شين هاي
١ و ٢ وجود ندارد. در اين مقاله اثر اضافه کردن يک نيروگاه بادي بر روي شين ١ و سپس بررسي پاسخ ديناميکي توربين در اثر اغتشاشات شبکه مورد مطالعه قرارگرفته ، سعي شده قرارگرفتن نيروگاه بادي در شبکه ضعيف بررسي شود. دو بار بزرگ در شين ١ به سيستم ضعيف متصل گرديده است . نيروگاه جديد به شين ١ متصل مي گردد.
نيروگاه هايي که به شين ١ متصل گرديده شامل :
- يک ژنراتور گازي MW١٠٠ ، که مقداري فاصله از اين شين دارد.
- يک نيروگاه بادي در محل شين ١ به شبکه اصلي اضافه شده است .
شکل ٢ (الف ) و (ب ) محل قرار گرفتن هر دو نيروگاه در سيستم و همچنين مدل شماتيک سيستم حين خطا و پس از قطع خط خطادار مي باشد. هر دو نيروگاه در قسمت ضعيف شبکه واقع شده اند.
براي ارزيابي پايداري سيستم يک خطاي سه فاز روي يکي از خطوط بين شين هاي ٢ و ٣ قرار داده و خط خطا دار پس از ١٥ سيکل قطع ، سپس پاسخ آن در شين ١ مشاهده مي شود. مدار معادل تونن قبل و بعد از خطا به صورت شکل ٣ مي باشد.
با توجه به شکل ٣ امپدانس تونن قبل از بروز خطا به صورت زير مي باشد:
پس از اينکه خطا رفع گرديد امپدانس تونن برابر است با:
با قطع خط خطادار سيستم ضعيف تر مي گردد. با توجه به شکل هاي ارائه شده سيستم هاي ضعيف داراي ويژگي هاي زير
مي باشند :
- افت ولتاژ سرتاسر امپدانس تونن بزرگ خواهد بود.
- ظرفيت توان انتقالي کاهش مي يابد.
ظرفيت قابل انتقال از يک شين به شين ديگر به وسيله رابطه زير نوشته مي شود:
در اينجاV1 و V2 به ترتيب ولتاژ شين هاي فرستنده و گيرنده و X و به ترتيب راکتانس و زاويه بين اين دو شين مي باشند.
درست پس از خطا، هنگامي که ولتاژ بازيابي گرديد، به سبب کاهش ولتاژ در شين هاي ابتدا و انتهاي سيستم ، توان انتقالي کاهش مي يابد. بايد در نظر داشت چون به سبب تغيير ساختار شبکه راکتانس سيستم تغيير کرده است ، بنابراين توان قابل انتقال از شبکه نيز تغيير پيدا مي کند. پس از بوقوع پيوستن خطا زاويه انتقال در معادله ٣ افزايش يافته و بنابراين توان انتقالي کاهش مي يابد:
در حالت قبل از خطا زاويه کوچک مي باشد. پس از بروز خطا زاويه تا نزديکي زاويه ٩٠ درجه افزايش يافته ، که اين باعث مي - شود سيستم در معرض ناپايداري قرار گيرد.
نتايج شبيه سازي
نتايج شبيه سازي را در دو قسمت مجزا مورد بررسي قرار مي دهيم :
الف - سيستم قدرت بدون توليد بادي و بدون SVC و با حضور خازن در شين بار
ب - سيستم قدرت با حضور توليد بادي و قراردادن SVC در شين بار
پ - سيستم قدرت با حضور توليد بادي و قراردادن STATCOM
در شين بار
سيستم قدرت بدون توليد بادي و SVC و با حضور خازن در شين بار
در اين حالت با توجه به خطاي سه فاز که در شين بار رخ داده است شبيه سازي صورت گرفته است . در شکل ٤ تغييرات زاويه ژنراتور ديده مي شود. به دليل مرجع قراردادن ژنراتور ١، تغييرات زاويه ژنراتور١ صفر مي باشد و تغييرات زاويه ژنراتور٢ ديده مي شود.
سيستم قدرت با حضور توليد بادي و قراردادن SVC در شين بار
نيروگاه بادي سرعت متغير DFIG يک ژنراتور القايي است که سيم پيچ هاي رتور آن بوسيله يک مبدل منبع ولتاژ AC.DC.AC
تغذيه مي شود. اين سيستم در بين توربين هاي بادي سرعت متغير عموميت بيشتري پيدا کرده است . اين بدين معناست که مبدل الکترونيک قدرت فقط کسري از کل توان (٢٠ تا ٣٠ درصد) را جابجا مي کند. بنابراين تلفات در مبدل کاهش يافته و قيمت آن نيز پايين تر مي آيد.
دو نوع مبدل منبع ولتاژ در اين ژنراتور مورد استفاده قرار گرفته است :
١ – مبدل سمت روتور ٢ – مبدل سمت شبکه . وظيفه مبدل سمت شبکه به عنوان يک فيلتر اکتيو موازي جهت بهبود هارمونيک ولتاژ شبکه و ثابت نگه داشتن ولتاژ DC است و وظيفه مبدل سمت روتور، جهت بهبود هارمونيک و نامتعادلي ولتاژ و کنترل توان اکتيو و راکتيو در استاتور مي باشد. همچنين از اينرسي توربين براي کاهش نوسانات ولتاژ خروجي استفاده مي شود. شکل ٧ مدل شماتيک اين نيروگاه را نشان مي دهد. DFIG طوري طراحي شده تا توان راکتيو را مستقل از توان اکتيو کنترل نمايد و اين کار را با استفاده از يک مبدل توان انجام مي دهد [١٢-١٠]. در زير برخي از مشخصات DFIG آمده است :
– سيم پيچ رتور بوسيله مبدل توان تحريک مي شود.
– بين سرعت شار فاصله هوايي و سرعت رتور لغزش وجود دارد.
– DFIG مي تواند نوسانات مکانيکي رتور را از نوسانات الکتريکي که از طرف شبکه به نيروگاه بادي تحميل گرديده جدا نمايد.
– مبدل توان مي تواند نوسانات مکانيکي را ميرا کند.
– تيغه هاي توربين ميرايي ايروديناميکي را هنگام چرخيدن و برخورد با هوا ايجاد مي کنند[١٥-١٣].
