بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهبود عملکرد دینامیکی سیستم قدرت به کمک SMES
چکیده:
در این مقاله تاثیر SMES بر پایداري گذراي ژنراتور سنکرون و بهبود نوسانات LFC در سیستم قدرت دو منطقهاي، به طور جداگانه مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین SMES به اختصار معرفی شده و تاثیر آن بر کنترل بار- فرکانس بررسی شده است. در این قسمت ضمن محاسبه مقدار بهینه بهره انتگراتور درحلقه ALFC ، نشان داده شده است که SMES نه تنها بطور موثري میرایی نوسانات سیستم را بهبود بخشیده ، بلکه به طور کلی، کاربرد آن کاهش حساسیت نسبت به تغییر پارامترها را نیز به دنبال داشته است. در قسمت آخر، تحلیل پایداري گذراي یک ژنراتور سنکرون متصل به شین بی نهایت بررسی شده است.
-1 مقدمه
در چند دهه اخیر سیستمهاي ذخیره ساز انرژي با انگیزه هاي متفاوتی به منظور بهبود عملکرد سیستم قدرت مورد توجه قرار گرفته اند. بطور معمول در سیستم قدرت، بین قدرتهاي الکتریکی تولیدي و مصرفی تعادل لحظه اي برقرار است و هیچگونه ذخیره انرژي در آن صورت نمی گیرد. بنابراین لازم است میزان تولید شبکه، منحنی مصرف منطقه را تعقیب کند. واضح است بهره برداري از سیستم بدین طریق، با توجه به شکل متعارف منحنی مصرف غیر اقتصادي است.
استفاده از ذخیره سازهاي انرژي با ظرفیت بالا به منظور ترازسازي منحنی مصرف و افزایش ضریب بار، از اولین کاربردهاي ذخیره انرژي در سیستم قدرت در جهت بهره برداري اقتصادي می باشد.
علاوه بر این بروز اغتشاشهاي مختلف در شبکه (تغییرات ناگهانی بار، قطع و وصل خطوط انتقال) خارج شدن سیستم از نقطه تعادل را به دنبال دارد. در این شرایط ابتدا از محل انرژي جنبشی محور ژنراتورهاي سنکرون انرژي برداشت می شود، سپس حلقه هاي کنترل سیستم فعال شده و تعادل را برقرار میسازند. این روند، نوسان متغیرهاي مختلف مانند فرکانس، توان الکتریکی روي خطوط را موجب می شود که مشکلات مختلفی را در بهره برداري از سیستم قدرت به دنبال دارد. هرگاه درسیستم مقداري انرژي ذخیره شده باشد، با مبادله سریع آن با شبکه در مواقع مورد نیاز به حد قابل توجهی می توان مشکلات فوق را کاهش داد. به عبارت دیگر ذخیره ساز انرژي را میتوان در بهبود عملکرد دینامیکی سیستم نیز بکار برد.
از اوایل دهه هفتاد مفهوم ذخیره سازي انرژي الکتریکی به شکل مغناطیسی مورد توجه قرار گرفت(.(2 با ظهور تکنولوژي ابر رسانایی، کاربردهاي گوناگونی براي این پدیده فیزیکی مطرح شد. از معروفترین این کاربردها می توان به SMES اشاره کرد. در SMES انرژي در یک سیم پیچ با اندوکتانس بزرگ که از ابررسانا ساخته شده است, ذخیره میشود. ویژگی ابررسانایی سیم پیچ موجب می شود که راندمان رفت و برگشت فرآیند ذخیره انرژي بالا و درحدود %95 باشد. ویژگی راندمان بالاي SMES آن از سایر تکنیکهاي ذخیره انرژي متمایز می کند. همچنین از آنجایی که در این تکنیک انرژي از صورت الکتریکی به صورت مغناطیسی و یا برعکس تبدیل می شود، SMES داراي پاسخ دینامیکی سریع می باشد. بنابراین می تواند در جهت بهبود عملکرد دینامیکی نیز بکار رود. معمولا واحدهاي ابررسانایی ذخیره ساز انرژي را به دوگونه ظرفیت بالا جهت ترازسازي منحنی مصرف، و ظرفیت پایین (چندین مگاژول) به منظور افزایش میرایی نوسانات و بهبود پایداري سیستم می سازند.
به طور خلاصه مهمترین قابلیت SMES جداسازي و استقلال تولید از مصرف است که این امر مزایاي متعددي از قبیل بهره برداري اقتصادي، بهبود علمکرد دینامیکی و کاهش آلودگی((3 را به دنبال دارد.
SMES -2 و مدلسازي آن
یک واحد SMES که در سیستمهاي قدرت بکار گرفته می شود از یک سیم پیچ بزرگ ابررسانا و یک سیستم سردکننده هلیم به منظور نگهداري دماي هلیم در زیر دماي بحرانی، تشکیل شده است. سیم پیچ ابررسانا از طریق دو مبدل AC/DC شش تایریستوري و یک ترانسفورماتور قدرت سه سیم پیچه کاهنده مطابق شکل (1) به سیستم قدرت متصل است. در این شکل اندوکتانس L به عنوان بار در قسمت DC ، در منطقه کنترل دما قرار می گیرد و مبدلهاي AC/DC درخارج این منطقه قرار می گیرند. با کنترل زاویه آتش تایریستورها ولتاژ DC دو سر سیم پیچ ابر رسانا را می توان بطور پیوسته دربازه وسیعی از مقادیر ولتاژهاي مثبت و منفی کنترل کرد. اگر از تلفات جزئی سیستم صرفنظر کنیم، براساس تئوري مبدلها داریم(.(4
که در آن Ed ولتاژ دو سرسیم پیچFd ولتاژ ماکزیمم دو سرسیم پیچ در بی باري، Id جریان سیم پیچ ابررسانا، Xc راکتانس کموتاسیون همگی برحسب pu و α زاویه آتش می باشد. مشخصه کاري SMES داراي دو حالت یکسو سازي و اینورتري می باشد. درحالت یکسو سازي انرژي در واحد ذخیره می گردد. معمولا این پریود در زاویه آتش صفر یعنی حداکثر ولتاژ انجام می شود. در حالت اینورتري، انرژي مغناطیسی ذخیره شده در سیم پیچ به شکل الکتریکی وارد شبکه می گردد.
شکل (2) بلوك دیاگرام مدل SMES را نشان میدهد. ولتاژEd دو سرسیم پیچ به عنوان عامل کنترل توان مورد استفاده قرار میگیرد. بسته به مورد کاربرد SMES یکی از کمیتهاي تغییر فرکانس شبکه، تغییر سرعت زاویه اي ماشین سنکرون تغییرات ولتاژ شبکه و … به عنوان ورودي به SMES انتخاب می شود. خروجی SMES نیز توان دریافتی می باشد. در این شکل Tdc و تاخیرزمانی مبدل، Kf بهره حلقه کنترل و L اندوکتانس سیم پیچ می باشد. معمولا پس از تخلیه انرژي SMES زمان زیادي لازم است تا جریان به حالت اولیه برگردد به منظور رفع این مشکل می توان از یک فیدبک تغییر جریان استفاده کرد. بدین ترتیب SMES را در مطالعات دینامیکی می توان با این مدل غیر خطی مرتبه دوم توصیف کرد.
-3 کاربرد SMES در بهبود (5)LFC
جهت مطالعه اثر SMES در عملکرد حلقه کنترل بار-فرکانس،یک سیستم قدرت دو منطقه اي با ظرفیت هاي متفاوت MW 1000و 3000MW انتخاب شد. مدل بکار برده شده براي سیستم همان مدل خطی سیستم قدرت دو ناحیه اي به کار رفته در((6می باشد.در شکلهاي(-3الف)و(-3ب)نتایج پاسخ سیستم قدرت به اغتشاش بار 0/1pu در ناحیه1 در دو حالت بدون SMES وبا وجود SMES در ناحیه1 آورده شده است. مقایسه تغییرات فرکانسهاي دوناحیه و توان انتقالی بین دو منطقه به وضوح اثر SMES در کاهش حداکثر جهش این کمیتها (به ترتیب به میزان %30 , %40 و (%35و بهبود میرایی نوسانات را نشان میدهد.
همانطور که گفته شد انتظار داریم پس از رفع اغتشاش جریان در سیم پیچی ابر رسانا با سرعت قابل قبولی به مقدار اولیه(نامی)خود بازگرددتا SMES از قابلیت پاسخگویی به اغتشاشات بعدي سیستم برخوردار گردد. شکل((4جریان سیم پیچی را در دو حالت با و بدون فیدبک جریان در SMES نشان میدهد. بهره فیدبک با استفاده از روش سعی و خطا انتخاب شده است.
