بخشی از مقاله
خلاصه
شناسایی جزیرهای تولیدات پراکنده یکی از جنبههای مهم بهم پیوستن آنها در سیستم توزیع میباشد. در نتیجه، ارائهی یک روش دقیق برای شناسایی حالت جزیرهای، امری مهم به نظر میرسد. در این مقاله، یک روش شناسایی حالت جزیره-ای پسیو در حضور منابع تولید پراکندهی سنکرون و منابع مبتنی بر اینورتر ارائه میشود. روش پیشنهادی بر مبنای تخمین نوسان فرکانس عمل میکند تا پدیدهی جزیرهای را از سایر رخدادهایی که ممکن است در شبکه رخ دهد، تشخیص دهد.
به منظور ارزیابی روش پیشنهادی، عملکرد الگوریتم شناسایی حالت جزیرهای با در نظر گرفتن سناریوهای مختلف تولید و بار نظیر اتصالهای کوتاه، کلیدزنی بار و نابرابری توان تولید و بار با شبیهسازی در محیط نرمافزار Matlab مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج به دست آمده نشان میدهند که روش پیشنهادی پاسخ سریعتر و قابل اطمینانتر با ناحیهی غیرقابل تشخیص کوچکتری را فراهم میکند و سادگی ریاضی آن برای کاربردهای عملی مناسب است.
.1 مقدمه
در دهههای اخیر، تجدید ساختار صنعت برق و همچنین خصوصیسازی این صنعت، مطرح و در برخی کشورها اجرا شده است. طی این مدت، به خاطر بالا بردن بازده بهرهبرداری و تشویق سرمایهگذاران، صنعت برق دستخوش تغییرات اساسی از لحاظ مدیریت و مالکیت گردیده است، به طوریکه برای ایجاد فضای رقابتی مناسب، بخشهای مختلف آن از جمله تولید، انتقال و توزیع از هم مستقل گردیدهاند.
این تغییر و تحولات از یک طرف و عواملی همچون آلودگی محیطزیست، مشکلات احداث خطوط انتقال جدید و پیشرفت فناوری در زمینه اقتصادی نمودن ساخت واحدهای تولیدی در مقیاس کوچک در مقایسه با واحدهای تولیدی بزرگ از طرف دیگر، باعث افزایش استفاده از واحدهای تولیدی کوچک تحت عنوان تولیدات پراکنده که به طور عمده به شبکههای توزیع متصل شده و نیازی به خطوط انتقال ندارند، گردیده است. تاریخچه بهکارگیری DG به اوایل دهه 90 برمیگردد .[1] تا آن زمان در سطح شبکه توزیع، مجوز تولید برق صادر نمیشد؛ اما با پیادهسازی سیاست خصوصیسازی و شکلگیری بازار عرضه و تقاضای برق مجوز حضور DGها در شبکهی توزیع صادر شد.
با همهی مزایایی که منابع تولید پراکنده ارائه میدهند، حضور DG در شبکهی برق، مسائل و مشکلاتی را نیز ایجاد میکنند و نیاز است تا الزامات و شرایط خاصی برای اتصال به شبکه برق رعایت شود. تاثیرگذاری روی سطح اتصال کوتاه و سیستم حفاظتی و به دنبال آن طرح مسئله جزیره شدن از جمله این مسائل است. در اثر وقوع پدیده جزیره شدن اثرات نامطلوبی در شبکه رخ میدهد که لازم است در کمترین زمان ممکن سیستمهای حفاظتی عمل کرده و DG را از مدار خارج کند. پدیدهی جزیرهای حالتی است که یک یا چند منبع تولید پراکنده از شبکهی اصلی جدا شدهاند و بارهای متصل به خود را تغذیه میکنند. این پدیده هم به صورت عمدی و هم به طور ناخواسته میتواند به وجود بیاید. .[4-2]
عملکرد جزیرهای ممکن است مفید و حتی مطلوب باشد. برای مثال در حالت خاموشیهای سراسری و یا قطعیهای طولانی تغذیه فیدرهای توزیع - در اثر مشکلات مهم روی شبکه انتقال - ، عملکرد جزیرهای فیدرهای توزیع امکان تأمین برق مشتریان تا زمان بازسازی مجدد سیستم را فراهم میسازد .[5] در این صورت، پدیدهی جزیرهای به صورت تعمدی ایجاد میگردد. جزیرهای شدن ناخواسته مطلوب نیست؛ چرا که ممکن است باعث تغییرات بزرگی در ولتاژ و فرکانس روی بخش جزیرهای شدهی شبکه گردد و تأمین برق مشتریان تحت شرایط غیرمعمول انجام گیرد تا اینکه یا سیستم مختل شود یا تعادل بین تولید و مصرف ایجاد گردد. همچنین جزیرهای شدن ناخواسته میتواند خطراتی را متوجه کارکنان بهرهبردار شبکه کند.
6] به خاطر همین اثرات منفی جزیرهای شدن ناخواسته، استانداردهایی نظیر IEEE-1547، IEC-61727 و IEEE 929-2000 شناسایی و تشخیص پدیدهی جزیرهای را امری لازم و اجباری میدانند .[9-7]
امکان بهرهبرداری جزیرهای با توجه به تعداد، اندازه و نوع منابع تولید پراکنده تعیین میشود. با بهرهبرداری جزیرهای مصرفکنندگان به طور مستقیم و با افزایش قابلیت اطمینان از مزایای این طرح بهرهمند میشوند و مالکان شبکه نیز به طور غیرمستقیم و با کاهش هزینههایی که میبایست جهت غرامت قطعی برق به مصرفکنندگان میپرداختند، از مزایای این روش سود خواهند برد . بنابراین با توجه به مطالب گفته شده، لازم است هر چه سریعتر پدیدهی جزیرهای شناسایی و تصمیمات لازم بعدی اتخاذ شود. در حوزه حفاظت ضدجزیرهای تاکنون تلاشهای زیادی صورت گرفته که منجر به ارائه روشهایی شده است که در سه دسته کلی طبقه بندی میشوند که عبارتاند از:
-1 روشهای پسیو
-2 روشهای اکتیو
-3 روشهای مبتنی بر ارتباط.
در روشهای ضدجزیرهای مبتنی بر ارتباط از سیستمهای ارتباطی مختلف استفاده میشود. این روشها در تشخیص جزیره بسیار موثر میباشند و عموما ناحیه غیر قابل تشخیص - NDZ - هم ندارند؛ ولی به دلیل پیچیدگیهای موجود در پیادهسازی این روشها و به صرفه نبودن اقتصادی آنها، کمتر مورد توجه هستند .[10] ایده اصلی برای روشهای اکتیو، تزریق یک سیگنال اغتشاش به سیستم توزیع میباشد. تشخیص جزیره مبتنی بر پاسخی است که DG به این اغتشاش نشان میدهد.
[11] روشهای اکتیو وابستگی زیادی به نوع DG مورد استفاده دارند. به عنوان نمونه روش اندازهگیری امپدانس [12] و روش تغییرات ولتاژ ترمینال [13] DG، مناسب برای DG های سنکرونی هستند. در حالی که روش انحراف فرکانس اکتیو و روشهای شیفت فرکانس و ولتاژ سندیا [ 14] بیشتر برای DG های با واسط اینورتری مورد استفاده قرار میگیرند. روشهای اکتیو اگر چه کارایی خوبی دارند، ولی این روشها مشکلات کیفیت توان را به همراه دارند.
روشهای پسیو مبتنی بر اندازهگیری پارامترهای محلی هستند؛ بنابراین در صورتیکه کمیتهایی مثل فرکانس، ولتاژ، توان اکتیو و غیره به شکل قابل توجهی بعد از فقدان شبکه اصلی تغییر کنند، حالت جزیرهای تشخیص داده میشود. رلههای فرکانسی و ولتاژی به شکل گسترده در روشهای پسیو مورد استفاده هستند .[18-15] معمولا پیادهسازی روش های پسیو نسبت به بقیه روشها ارزانتر و سادهتر هستند؛ ولی اگر تغییرات توان اکتیو و راکتیو ناچیز باشد، حفاظت ضد جزیرهای مشکل خواهد شد و این امر باعث بزرگ شدن ناحیه غیر قابل تشخیص این روشها میشود.
در این مقاله، یک روش پسیو بهبودیافته جهت حفاظت ضد جزیرهای با حداقل ناحیه غیر قابل تشخیص ارائه خواهد شد؛ بهطوریکه روش پیشنهادی با جلوگیری از جزیرهای شدن ناخواسته و کیفیت توان مطلوب، پایداری دینامیکی ژنراتور سنکرون را در پی خواهد داشت. عملکرد روش پیشنهادی با روشهای مرسوم برای تشخیص پدیده جزیرهای مقایسه میشود. در نظر گرفتن منابع تولید پراکنده ترکیبی مبتنی بر اینورتر در شبکه توزیع از نوآوریهای این پژوهش است.
ساختار این مقاله به صورت ذیل سازماندهی شده است. در بخش بعدی، مدل ژنراتور سنکرون با استفاده از روابط ریاضی ارائه میگردد. سپس عملکرد بخشهای کنترلی ژنراتور شامل سیستم تحریک وگاورنر توضیح داده میشود. در بخش چهارم نیز ساختار اینورتر و مدار کنترلی آن با ارائه روابط ریاضی تشریح میگردد. در بخش پنجم به ارائه روش پیشنهادی و توضیح عملکرد الگوریتم شناسایی حالت جزیرهای پرداخته میشود. همچنین به منظور ارزیابی عملکرد روش پیشنهادی، نتایج شبیهسازی در محیط نرمافزار Matlab/Simulink ارائه میگردد.
.2 مدل ژنراتور
ژنراتورهای سنکرون ماشینهای الکتریکی دواری هستند که برخلاف ماشینهای القایی قابلیت جذب و تولید توان راکتیو را دارند و میتوانند متناسب با نیاز بار توان راکتیو تحویلی یا تولیدی خود راتغییر دهند؛ اما تغییرات توان راکتیو تولیدی و جذبی ژنراتور در محدودهی خاصی انجام شده و ممکن است در برخی موارد توان اکتیو خروجی ژنراتور پایداری آن را تحت تاثیر قرار دهد. شکل 1 مدار معادل ژنراتور سنکرون را نشان میدهد.
