بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهبود عملکرد سیستم در تشخیص جزیره با ترکیب روشهای پسیو و اکتیو
خلاصه
نصب تولیدات پراکنده در شبکه های توزیع علیرغم مزایایی که دارد، همواره مشکلات و چالش هایی را به همراه داشته است. یکی از مهمترین این چالش ها پدیده ی جزیره ای و حفاظت در برابر این پدیده می باشد. کارکرد تولیدپراکنده در حالت جزیره ای عملکرد نامطلوبی بوده و با توجه به استاندارد های موجود در این زمینه جزیره شدن باید در اسرع وقت شناسایی و تولید پراکنده از شبکه قطع شود. یکی از مهمترین مشکلات اکثر روشهای تشخیص جزیره ای، ناحیه ی غیر قابل تشخیص بزرگ این می باشد در این مقاله سعی شده روش ترکیبی جدیدی برای تشخیص جزیره ای ارائه شود که علاوه بر عملکرد بهتر نسبت به سایر روشها، دارای ناحیه ی غیر قابل تشخیص کوچکتری باشد.
کلمات کلیدی: تولیدات پراکنده، تشخیص جزیره ای، ناحیه ی غیرقابل تشخیص .
1. مقدمه
نصب تولیدات پراکنده(( DG 3 مزایای زیادی را برای شبکه های توزیع به همراه دارد. [1] علاوه بر آن اتصال آنها به شبکه های توزیع چالش ها و مشکلاتی را نیز به دنیال دارد، یکی از این مشکلات پدیده ی جزیره ای و حفاظت در برابر این پدیده می باشد. استاندارد های IEEE 1547، IEEE 929 وUL1741 مجهز شدن تولید پراکنده به حفاظت ضدجزیره ای را امری اجتناب ناپذیر برشمردند[1]،[2]،.[3] برای درک این مطلب که چرا باید عملکرد جزیرهای واحدهای تولید پراکنده تشخیص داده شود، ابتدا مفهوم جزیرهای شدن را بیان میکنیم. یک جزیره زمانی ایجاد می شود که بخشی از شبکه توزیع که شامل یک یا چند تولید پراکنده است از باقیمانده سیستم انرژی از نظر الکتریکی جدا شود، در حالی که بارهای واقع در منطقه ایزوله شده همچنان توسط منابع تولید پراکنده تغذیه شوند یا به عبارت دیگر. بر اساس استاندارد IEEE 929 -2000، جزیره به شرایطی گفته میشود که در آن بخشی از شبکه که شامل تولید پراکنده و بار می باشد از نظر الکتریکی از بقیه سیستم قدرت جداست و بارها انرژی خود را منحصرا از تولیدات پراکنده دریافت میکنند[4]و.[1] برای روشن شدن بیشتر موضوع، بخشی از یک سیستم توزیع بعنوان نمونه در شکل 1 آورده شده است. همان گونه که نشان داده شده است در این سیستم توزیع به طور نمونه اگر کلید C باز شود جزیره به وجود می آید. به طور کلی جزیره ای شدن بر دو نوع می باشد، جزیره ای شدن عمدی و غیر عمدی. در جزیره ای شدن عمدی با توجه به کنترل های پیشرفته، هدف استفاده بهینه از تولیدات پراکنده و افزایش قابلیت اطمینان می باشد[5]و.[6] در این مقاله جزیره ای شدن غیر عمدی مورد نظر می باشد. این نوع از جزیره ای شدن باعث ایجاد مشکلاتی از جمله خراب شدن کیفیت توان شبکه، آسیب رساندن به تجهیزات موجود در جزیره و همچنین به خطر انداختن امنیت پرسنل شبکه می گردد .[7] بنابراین جزیره ای شدن باید به دقت و در کمترین زمان تشخیص داده شود. روش های تشخیص جزیره ای عموما به سه دسته ی ارتباط از راه دور، پسیو و اکتیو دسته بندی می شوند. روش های ارتباط از راه دور مبتنی بر انتقال داده بین تولیدات پراکنده و تجهیزات سیستم می باشند و این روش ها عملکرد بسیار خوبی در تشخیص پدیده -ی جزیره ای دارند اما مهمترین مشکل آنها پیاده سازی پرهزینه و غیر اقتصادی این روشها می باشد .[8] بنابراین روشهای پسیو و اکتیو
بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند روشهای پسیو برمبنای اندازه گیری پارامترهای خروجی تولید پراکنده و بررسی تغییرات آنها بعد از بروز پدیده جزیره ای ، کار می کنند. این روش ها سرعت خوبی در تشخیص جزیره ای دارند اما بزرگترین مشکل این روشها داشتن ناحیه غیر قابل تشخیص ( NDZ1 ) بزرگ می باشد.[9] ناحیه غیرقابل تشخیص شرایطی از بارگذاری است که به ازای آن متد مورد نظر قادر به تشخیص جزیره ای نمی باشد. از مهمترین روشهای پسیو می توان به روش های حفاظت فرکانسی، حفاظت ولتاژی و پرش فاز اشاره کرد.[10] روشهای اکتیو با وارد کردن اغتشاش به بخشی از سیستم و اندازه گیری و بررسی پاسخ سیستم به این اغتشاشات به تشخیص جزیره ای می پردازند.[11] -[13] این روش ها ناحیه ی NDZ کوچکتری نسبت روشهای پسیو دارند ولی مهم ترین مشکل این روشها تاثیر روی کیفیت توان سیستم به دلیل وارد کردن اغتشاش می باشد.[14] از مهمترین روشهای اکتیو می توان به روش های انحراف فرکانس اکتیو [15]، انحراف فرکانس در مد لغزش [16]، انحراف فرکانس ساندیا [17] و تزریق هارمونیک در جریان خروجی تولید پراکنده[18]، اشاره کرد.
شکل -1 سیستم توزیع نمونه شامل سه تولید پراکنده
2. روش ترکیبی ارائه شده
با توجه به مزایا و معایب هریک از روشهای پسیو و اکتیو، با ترکیب کردن این روشها نه تنها می توان از نقاط قوت هریک از این روشها بهره برد بلکه می توان کاستیهای هر یک از این روشها را تا حد زیادی کاهش داد. ایده ی ترکیب کردن روشهای اکتیو و پسیو ایده ی جدیدی است و تا کنون روشهای اندکی در این زمینه ارائه شده است. در این مقاله روشی ترکیبی با استفاده از ترکیب روشهای SFS2 و ROCOF3 ارائه شده است. SFS یکی از مهمترین روشهای اکتیو است که دارای ناحیه ی غیرقابل تشخیص کوچکتری نسبت به سایر روشهای اکتیو است. ROCOF یا همان نسبت تغییرات فرکانس یکی از مهمترین روشهای پسیو است که دارای سرعت و دقت بیشتری نسبت به سایر روشهای پسیو است.
.1-2 روش انحراف فرکانس ساندیا-SFS
عملکرد متد ساندیا را می توان با معادله ی (1) مدل کرد. در این معادله inv زاویه ی فاز اینورتر ، fis فرکانس سیستم جزیره شده، f فرکانس شبکه ی اصلی cf0 اندیس برش و k گین فیدبک مثبت می باشد[21]،.[22]
(1)
روش SFS را به وسیله ی ماتریس انتقال فاز در ساختار کنترل کننده می توان مدل کرد. شکل2 نشان دهنده ی مدل SFS در ساختار کنترل کننده می باشد. همانطور که در شکل2 نشان داده شده است جریان خروجی تولید پراکنده روی محورهای dq، یعنی Id-ref و Iq-ref، به وسیله ی ماتریس انتقال فاز به مقادیر جدید Id*-ref و Iq*-ref تبدیل می شوند. سپس این مقادیر جدید برای تنظیم جریان خروجی تولید پراکنده در سایر قسمت های کنترل کننده استفاده می شوند.[19]
برای اینکه تولید پراکنده دارای عملکرد پایداری باشد زاویه فاز اینورتر در معادله ی (1) باید با زاویه فاز بار در معادله ی (2) برابر باشد[20]،.[21]
از مساوی قرار دادن معادلات (2) و (1) معادله ی جدیدی به دست می آید. به شرایط لازم برای جواب داشتن این معادله معیار فاز گفته می شود.
(3) (4)پ
برای اینکه ناحیه ی غیر قابل تشخیص روش SFS کم شود باید جواب معادله ی((4 نقطه ی ناپایداری شود ، به عبارت دیگر باید:
ی((8 نشان می دهد که برای شرایط مختلف بارگذاری (مقادیر مختلف Qf و ( f0 مقادیر k مناسب باید محاسبه شود که می توان با الگوریتمهای بهینه سازی، مقدار آنرا بدست آورد.
.-2-2 نسبت تغییر اندازه فرکانس (ROCOF)
هنگامی که DG در حالت جزیره قرار دارد، نرخ تغیرات فرکانس((df/dt تغییرات زیادی خواهد داشت. رله ROCOF نرخ تغییرات فرکانس ولتاز ترمینال را در چند سیکل محاسبه می کند، سیگنال محاسبه شده بعد از گذشتن از فیلتر برای تشخیص حالت جزیره ای بکار می رود. اگر سیگنال محاسبه شده از مقدار تنظیم رله (β) بیشتر باشد، سیگنال تریپ DG ارسال می گردد. مقدار تنظیمی یک رله ROCOF در فرکانس 60 هرتز بین 0.12 هرتز بر ثانیه تا 1.2 هرتر بر ثانیه و در فرکانس 50 هرتز بین 0.1 هرتز بر ثانیه و 1 هرتز بر ثانیه است. یک پارامتر مهم موجود در این رله، یک تابع سد کننده بر حسب کمترین ولتاژ ترمینال ژنراتور است. بعبارتی چنانچه ولتاژ ترمینال تا حدی کمتر از Vmin معین کاهش یابد سیگنال تریپ رله ROCOF غیر فعال خواهد شد. این ویژگی برای جلوگیری از تریپ رله در هنگام راه اندازی موتورهای بزرگ و یا شرایط اتصال کوتاه است. بلوک دیاگرام رله ROCOF در شکل 3 نشان داده شده است[22]،.[23]
3. سیستم مورد مطالعه
شکل 4 نمای کلی سیستم مورد مطالعه را نشان می دهد که توسط استانداردهای IEEE 929 و IEEE 1547 به منظور مطالعات تشخیص جزیره ارائه شده است. دراین شکل شبکه ی اصلی به وسیله ی یک منبع سه فاز به همراه امپدانس Rs و Ls مدل شده است. تولید پراکنده به وسیله ی یک منبع ولتاژ dc ثابت مدل می شود و از طریق یک اینورتر به باس بار مربوطه متصل می شود. بار نیز به صورت یک RLC موازی مدل شده است. بار و تولید پراکنده به وسیله ی جداکننده ی CB به شبکه ی اصلی متصل می شوند. در واقع با بازشدن جداکننده ی CB، بار و تولید پراکنده از شبکه ی اصلی جدا شده و پدیده ی جزیره شدن مدل سازی می شود. امپدانس Rf و Lf نیز مدل کننده ی یک فیلتر پایین گذر به منظور حذف اغتشاشات فرکانس بالا می باشد .[24] جدول1 پارامترهای سیستم مورد مطالعه را نشان می دهد.
شمای کلی اینورتر تولید پراکنده در شکل 5 نشان داده شده است. اینورتر به وسیله ی کلید های الکترونیک قدرت نظیر IGBT به همراه PWM مدل شده است. فیلتر نشان داده شده به منظور جدا کردن اغتشاشات فرکانس بالا از جریان و ولتاژ می باشد. همچنین ساختار داخلی بلوک کنترل نیز در شکل6 نشان داده شده است. از ویژگی های اصلی کنترل کننده ی جریانی می توان محدود کردن جریان خروجی اینورتر، ایجاد حفاظت اضافه جریان و کاهش مشارکت اینورتر درخطا را نام برد. [26]
در معادلات (9) و VdPCC (10) مقدار پیک ولتاژ PCC1 و همچنین idt و iqt جریانهای برداری اینورتر میباشند. مقادیر برداری dq جریان و ولتاژ در حالت دائمی ثابت هستند. بنابراین کنترل کننده ها میتوانند به صورت کاملا مستقل پارامترهای d و q را کنترل و تنظیم کنند. it نشان گر جریان خروجی تولید پراکنده میباشد. Rf و Lf مقاومت اندوکتانس فیلتر خروجی اینورتر، Vt ولتاژ ترمینال و Vpcc نمایانگر ولتاز نقطهی PCC می باشد. با استفاده از تبدیل پارک و تبدیل معادله فوق به قاب مرجع dq خواهیم داشت :
