مقاله بهبود پایداری دینامیکی ولتاژ ریزشبکه با استفاده از پایدار ساز ولتاژ ریز شبکه

بخشی از مقاله

بهبود پایداری دینامیکی ولتاژ ریزشبکه با استفاده از پایدار ساز ولتاژ ریز شبکه

چکیده

در حال حاضر شبکه های توزیع ولتاژ متوسط و پایین برای عملکرد بعنوان بار پسیو طراحی میشوند که توان تولیدی در نیروگاه های بزرگ از طریق شبکه انتقال به شبکه های توزیع منتقل و تحویل مشترکین میگردد . بازار انرژی انگیزه های جدیدی برای منابع انرژی تجدیدپذیر و افزایش توجه به مسائل زیست محیطی موجب افزایش نیاز به تولید مستقیم در شبکه توزیع را بوجود آورده است. در حالی که شبکه های فشار قوی بعلت ساختار حلقویشان برای پذیرش مقدار زیاد DG مناسب هستند در بسیاری موارد شبکه های ولتاژ متوسط و پایین ظرفیت پذیرش مقدار DG بعلت ناکافی بودن بار محلی را ندارند. در نتیجه انرژی تولیدی محلی DG از شبکه ولتاژ متوسط به شبکه فشار قوی برگشت داده میشود و این مسئله ممکن است روی بهرهبرداری شبکه توزیع تأثیر داشته باشد. در این مقاله سعی شده این تاثیرات بررسی گردیده و راهکارهایی جهت اصلاح آن ها ارائه گردد.

واژگان کلیدی: ریز شبکه، تولیدات پراکنده، پایدار ساز ولتاژ ریز شبکه، انرژی های تجدید پذیر، شبکه توزیع

.1 مقدمه

ازدیاد تولید پراکنده همراه با رشد بار، پیشرفتهای فنآوری ذخیرهسازی انرژی و افزایش توقع مصرف کننده تغییر قابل توجهی در نگرش برنامهریزی، طراحی و بهرهبرداری شبکه های توزیع بوجود آورده است. پیشرفتهای اخیر فنآوری های ارتباطات و اطلاعات در توزیع امکان هماهنگی این منابع و کاربردهای پیشرفته را آسان کرده است. کلیه ریسک کنندگان از جمله شرکتهای توزیع، تولیدکنندگان تجهیزات، مهندسین مشاور برق، موسسات تحقیقاتی و پیکره دولت با این مسئله سر و کار دارند. پیشرفت فنآوری سیستمهای تولید اندازه کوچک، نیازهای جدید بهرهوری، امنیت و کیفیت تأمین برق روشنفکران بازار برق را برای سیر تکاملی توزیع برق از غیرفعال (پسیو) به شبکه های توزیع اکتیو تحریک کرده است. بخشی از این الگو جدید شامل امکان کنترل، بهرهبرداری و در نتیجه آن یکپارچگی منابع انرژی پراکنده داخل شبکه برای بهرهبرداران سیستم توزیع و تحت مسئولیت آنها میباشد.

.2 تعاریف

-1 منابع انرژی پراکنده: اصطلاحی است که برای منابع انرژی متصل شده به شبکه توزیع در سطح ولتاژ متوسط 1)تا 69 کیلوولت) یا ولتاژ پایین (زیر یک کیلوولت) بکار میرود.

-2 تولید پراکنده: به تولید متصل شده به شبکه توزیع ولتاژ متوسط 1) تا 30 کیلوولت) یا ولتاژ پایین (زیر یک کیلوولت) گفته می شود. تولید متصل شده به سیستم انتقال فشارقوی (بالای 69 کیلوولت)، شامل مزارع بادی بزرگ، در این مقوله نمیباشد. -3 شبکه توزیع: زیر ساخت برق در جهت تحویل انرژی از سیستم انتقال به کاربر نهایی در سطح ولتاژ متوسط و پایین میباشد. شبکه های توزیع از شبکه های انتقال و فوق انتقال با وظیفه آنها بجای سطح ولتاژ آنها مشخص میشوند و منظور شبکه هایی هستند که انرژی را به مشترکین تحویل میدهند.
-4 بهرهبردار شبکه توزیع: تشکیلاتی است که مسئول برنامهریزی، بهرهبرداری و مدیریت شبکه توزیع میباشد. این اصطلاح مشابه بهرهبردار سیستم توزیع میباشد و میتوانند جای یکدیگر بکار روند.

-5 مدیریت طرف تقاضا : وظایف آن قادر ساختن شرکتهای برق برای مدیریت منحنی تقاضا جهت اهداف اضطراری و مدیریت دارایی میباشد. مدیریت طرف تقاضا شامل وظایف کنترل بار و پایش بار (مانیتورینگ) میباشد.

-6 سیستم مدیریت توزیع: ساختار یک سیستم مدیریت توزیع برای بخشهایی از شبکه های توزیع میتواند شامل مدیریت مسائل بهینهسازی، کنترل پخش بار، کنترل ولتاژ و تأمین خدمات کمکی از DG ها و بارها از جمله موارد زیر باشد:

· اصول کنترل برای ادوات جبرانساز به منظور تسکین اغتشاشات شبکه

· امکان تحلیل شرایط اضطراری و رویه های بازیابی
· تحلیل و پیشنهاد سیستمهای حفاظتی ابداعی
-7 منابع طرف تقاضا: منابع نهایی روی کنتور طرف مشترک که می تواند به پاسخ هماهنگ ساختن شرایط سیستم قدرت یا بازار بستگی داشته باشد. این ممکن است شامل تولید پراکنده، ذخیرهسازی، بار قابل توزیع و دیگر منابع در محل که قادر به اثرگذاری روی تقاضا برای عرضه خدمات الکتریکی توسط شبکه میباشد.

-8 ولتاژ پایین: سطوح ولتاژ نامی کمتر از یک کیلوولت میباشد. در برخی شرکتهای برق این تعریف ممکن است متفاوت باشد. همچنانکه ذکر شد تعریف شبکه توزیع بیشتر مربوط به وظایف آن تا سطح ولتاژ می باشد.

-9 ولتاژ متوسط: سطوح ولتاژ نامی کمتر از 30 کیلوولت میباشد. در برخی شرکتهای برق این تعریف ممکن است متفاوت باشد.

.3 ریزشبکهها
ریزشبکه به صورت یک شبکه توزیع وابسته ولتاژ پایین یا ولتاژ متوسط شامل DG های مختلف، منابع ذخیرهسازی انرژی پراکنده و بارهای قابل کنترل تعریف میشود. یک ریزشبکه میتواند به صورت یک زیر سیستم قابل کنترل در نظر گرفته شود که می تواند نیازهای مشتری از قبیل بهبود قابلیت اعتماد محلی، کاهش تلفات فیدر، تنظیم ولتاژ محلی، افزایش بازده از طریق استفاده از حرارت زائد را ارضاء کند. در زمان قطع یا اختلال برق ریزشبکهها می توانند خود را جزیرهای کرده و دسترسی به برق را حفظ کرده و از قطع سراسری جلوگیری کنند. به عنوان یک ساختار شبکه تولید پراکنده، ریزشبکه ها در زمینه افزایش قابلیت اعتماد سیستم، افزایش بهرهبرداری و بکارگیری انرژی های تجدیدپذیر و ذخیره سرمایه نقش مهمی را ایفا میکند. به طور معمول در ریزشبکه ها تولیدات پراکنده شامل پنل های خورشیدی، میکروتوربین، پیل سوختی، توربین بادی و ذخیرهسازهای انرژی را میشود. استفاده از مزایای DG نیازمند پیروی از یک رویکرد سیستمی است. DG نباید در حالت مد مستقل شبکه را تغذیه نماید و باید در شبکه توزیع کاملا یکپارچه باشد و این حاکی از حرکت بسوی یک شبکه اکتیو میباشد. یک شبکه اکتیو، یک شبکه متشکل از یک یا چندین فیدر MV متصل به یک ترانسفورماتور است. فیدرهای MV و سیستمهای ولتاژ پایین آنها به DG و بارها (ترانسفورماتورهای مشترکین MV وغیره) متصل میباشد. اگر انرژی تولیدی توسط ژنراتورهای MV بتواند بصورت محلی توزیع و تعادل بار در این ناحیه حفظ شود، آنها میتوانند مستقل از سیستم اصلی بهرهبرداری شوند. در اینصورت شبکه توزیع اکتیو، مستقل از سیستم انتقال (شبکه (HV میشود که در حالتهای اضطراری بعنوان یک منبع ثانویه تغذیه انرژی میباشد.

شکل -1 یک شبکه توزیع اکتیو

از DGها، توقع ارائه خدمات جانبی محلی به شبکه فعال وجود دارد. خصوصا ژنراتورهای مشارکت کننده باید قادر به فراهم نمودن موارد زیر باشند:

- کنترل توان اولیه و ثانویه

- وظایف کنترل توان راکتیو و ولتاژ
- تضمین کیفیت توان

.4 تاثیر گسترش DG بر روی شبکه موجود

.1-4 افزایش سطوح اتصال کوتاه و اشباع تأسیسات موجود

اتصال ژنراتورهای بزرگ به تأسیسات موجود با بارهای زیاد ممکن است سطح اتصال کوتاه را افزایش داده و در همین راستا مقادیر طراحی و هزینه اتصال ادواتی که می بایستی جایگزین شوند، افزایش مییابد. تخصیص هزینه در حالت چندین اتصال به یک پست برق بحث برانگیز و غیرقابل حل میباشد. اغلب متقاضی نهایی در نتیجه اشباع قابلیتهای تأسیسات جریمه میشود.

.2-4 تنظیم توان راکتیو و پروفیلهای ولتاژ

این موضوع در صورتیکه ظرفیت ژنراتور پروفیل ولتاژ بخشی از شبکه را کنترل نماید وارد میباشد. این موضوع خصوصا در نواحی روستایی که به مزارع بادی، متصل هستند میتواند رخ دهد. نوسان توان خروجی و قابلیت توان راکتیو محدود، میتواند این مسئله را بدتر نماید. در حال حاضر بهرهبرداران سیستم توزیع اجازه کنترل مستقیم ضریب قدرت ژنراتورها را ندارند.

.3-4 جزیرهای نمودن عمدی ژنراتورها

استانداردهای فنی واقعی اجازه جزیرهای نمودن عمدی ژنراتورها را در شبکه های توزیع ولتاژ متوسط عمومی نمیدهد. این عمل ممکن است در محل های صنعتی که واحدهای تولیدی مستقل دارند تا زمانیکه مستقل از شبکه عمومی هستند، بکار رود. از نظر علمی این عملکرد مکان های صنعتی با تولید خودی میتواند به شبکه عمومی با DG گسترش داده شود؛ البته در صورتیکه قادر به زمان بندی برنامه ، کنترل و تعادل همزمان بار و تولید و نگهداشتن خدمات قابل اطمینان در زیر سیستم جزیرهای شده باشند. برای این منظور سرمایه گذاری در سیستمهای کنترل از راه دور، ارتباطات و برنامهریزی ضروری خواهد بود.

.5 پایداری دینامیکی و استاتیکی در ریزشبکهها

در یک ریزشبکه منفرد نگرانی اصلی کنترل فرکانس است. در هر لحظه توازن توان در سیستم باید پیوسته بصورت برابر بودن توان تولیدی و مصرفی بدست آید. به منظور حل مسئله ذکر شده در بالا یک تنظیم کننده فرکانس بر اساس یک بار مختلط سه فاز موقتی استفاده میشود. ریزشبکههای تامین شده به سبب تاثیر چشمگیرشان در مقایسه با نیروگاه های کلاسیک، بیش از پیش مورد مطالعه قرار میگیرند. در ریزشبکههای توان پایین منفرد که بارهای سه فاز و تکفاز را تغذیه میکنند، جریانهای نامتعادل ظاهر میشوند. این جریانها افت ولتاژهای نابرابری را روی هر سه فاز ایجاد کرده و در نتیجه ولتاژهای نامتعادل ظاهر خواهند شد که بوسیله حضور بانکهای خازنی (به عنوان منبع توان راکتیو) تقویت میشوند. بنابراین توالی صفر و منفی جریان در خطوط ریزشبکه ظاهر خواهند شد. این نامتعادلی ها تلفات اضافی، حرارت بیشتر، پارازیت، نوسانات گشتاور و فشارهای مکانیکی را در ماگرههای دوار ایجاد میکند. به همین دلیل تکنیک جبرانسازی نامتعادل باید در چنین ریزشبکهای اجرا شود

تا توان تولید شده در یک سطح کیفی قابل قبول باقی بماند. یکی از این روشها شامل ایجاد توازن توان اکتیو بین فازهاست تا ژنراتورهای ریزشبکه با جریانهای متقارن شارژ شوند. در سال های اخیر مبدل الکترونیک قدرت را برای توزیع مجدد توان بین فازهای شبکه پیشنهاد شده است. در این جا ریزشبکه مورد بررسی شامل یک ژنراتور سنکرون (SG1) و یک ژنراتور القایی (IG2) است. ژنراتور سنکرون به صورت ستاره با نقطه خنثی و ژنراتور القایی به صورت مثلث وصل شده است و توربینهای هیدرولیک سرعت ثابت، هر دو ژنراتور را به حرکت در می آورند. دیاگرام ساده شده چنین سیستمی در شکل 2 نشان داده شده است. چنین ریزشبکهای معمولا مصرف کننده های تکفاز داخلی را تغذیه میکند که به نامتعادلی در شارژ فازها منجر میشود.

شکل -2 پیکربندی سیستم

.6 بهبود پایداری ریزشبکه

در این قسمت شش نمونه از اقدامات انجام شده در زمینه بهبود پایداری ریزشبکه و دیدگاههای ارئه شده معرفی می گردد:

الف) افزایش پایداری دینامیکی ولتاژ ریزشبکه با استفاده از پایدار ساز ولتاژ ریزشبکه(3SVG )M

ب) بهبود پروفیل ولتاژ ریزشبکه با استفاده از کنترل کننده ولتاژ ریزشبکه

ج) تثبیت کننده جریان قدرت و کنترل ریزشبکهها به وسیله ابررسانا ذخیرهسازی انرژی مغناطیسی

د) کنترل پایداری ولتاژ ریزشبکه بر اساس ابرخازن ذخیره ساز انرژی

ه) استفاده از UPFC برای بهبود پروفیل ولتاژ ریزشبکه

و) بهبود پایداری ولتاژ ریز شبکه با استفاده از ادوات FACTS

موضوعات فنی بسیاری در ارتباط با عملکرد ریزشبکه وجود دارد که شامل طرحهای اتصال ریزشبکه به شبکه اصلی، طرحهـای کنترل ولتاژ درون یک ریزشبکه و کنترل فرکانس در طول عملکرد جزیره ای است. در صورت خرابی ریـز شـبکه از حالـت کـار عادی (موازی با شبکه ملی) به حالت اظطراری ( موازی با شبکه ملی با محدودیت برخی از تجهیزات) یا حالت جزیره ای (بـدون اتصال به شبکه) سوئیچ می شود. سنکروزاسیون با شبکه ملی منجر می شود که شبکه جزیره ای به حالت مـوازی برگـردد. بـه طور کلی : - 1 در حالت موازی: هدف کنترل توان، توازن توان راکتیو و به حداکثر رسـاندن منـابع تجدیـد پـذیر اسـت، -2 در حالت جزیره ای: هدف تنظیم فرکانس و ولتاژ حالت جزیره ای است. در این مقاله بهبود پایداری دینامیکی ولتـاژ ریزشـبکه بـا استفاده از پایدار ساز ولتاژ ریزشبکه مورد مطالعه و آنالیز قرار گرفته است.

شکل-3 حالتهای کاری یک ریز شبکه

.7 افزایش پایداری دینامیکی ولتاژ ریزشبکه با استفاده از پایدار ساز ولتاژ

مفهوم ریزشبکه پتانسیلی برای حل مشکلات عمده ناشی از نفوذ زیاد تولیدهای پراکنده در سیستمهای توزیع دارد. ریزشبکه در مقایسه با یک سیستم قدرت، سیستمی قوی نمیباشد بنابراین استراتژی های کنترل مناسب باید برای یک عملیات موفقیت آمیز آن اجرا شود. استفاده از یک کنترل هماهنگ از منابع راکتیو برای بهبود پایداری ولتاژ دینامیکی در ریزشبکه پیشنهاد میشود. حوادث دینامیکی عبارتند از: قطع خط، اتصال کوتاه سه فاز و کلیدزنی بار. کنترل کننده همراه به عنوان یک پایدارساز ولتاژ ریزشبکه نامیده میشود. پایدار ساز کنترل کننده سطح ولتاژ ثانویه است که میانگین وزنی کمبود ولتاژ در باس بار را در نظر گرفته و سیگنال کنترل را تولید میکند. این سیگنالهای کنترل در میان منابع توان راکتیو در ریزشبکهها نسبت به ظرفیت های موجود خود تقسیم شده است. در نتیجه هر منبع برای تولید مقدار معینی از توان راکتیو مورد نیاز خواهد بود. شبیهسازی دینامیکی سیستم تست در موارد با و بدون پایدار ساز ولتاز ریز شبکه برای اختلالات مختلف انجام شده است و هر دو عملکرد حالت شبکه متصل شده و جزیرهای در نظر گرفته شده است.