بخشی از مقاله
چکیده _
یکی از نگرانیهای تولیدات پراکنده شرایط جزیرهای است. این حالت از تولیدات پراکنده میتواند مشکلاتی از قبیل به خطر انداختن جان پرسنلهای تعمیر خط و تجهیزات سیستم ایجاد نماید. توربینهای بادی یکی از مهمترین این تولیدات پراکنده است که اکثر ژنراتورهای آنها از نوع القایی است. تاکنون روشهای اندکی برای تشخیص حفاظت ضد جزیرهای این تولیدات ارائه شده است. در این مقاله روشی مناسب بمنظور تشخیص جزیرهای بر اساس تبدیل موجک برای توربینهای بادی پیشنهاد میگردد. در این روش سیگنال فرکانس اندازه گیری شده و نرخ تغییرات فرکانس محاسبه میگردد. این سیگنال که نویزپذیری کمتری نسبت به سیگنالهای ولتاژ و فرکانس دارد، با استفاده از ویولت Symlets تجزیه شده و از روی ضریب d8 شرایط جزیرهای تشخیص داده میشود.
آزمایشهای گوناگونی به ازای شرایط مختلف بار و کلیدزنی، با استفاده از ویولتهای مادر مختلف در تمامی سطوح تجزیه انجام یافته و ضریب d8 ویولت Symlets سیگنال نرخ تغییرات فرکانس به عنوان بهترین سیگنال تشخیص انتخاب شده است. برای اثبات کارایی روش پیشنهادی، سیمولاتور توربین بادی 2 کیلووات اجرا شده و روش پیشنهادی برای حالتهای مختلف شرایط جزیرهای، استارت موتور و کلیدزنی در این سیستم پیاده سازی میگردد. نتایج بدست آمده از این سیستم با روش دیگری مقایسه میشود و برتری الگوریتم پیشنهادی نشان داده میشود. نتایج بدست آمده در هر دو حالت قدرت روش پیشنهادی را در مقابل روشهای دیگر نمایش میدهد.
واژههای کلیدی — تشخیص جزیرهای، سیمولاتور توربین بادی، تبدیل موجک، نرخ تغییرات فرکانس، تولیدات پراکنده
مقدمه
افزایش روز افزون قیمت انرژی فسیلی، نگرانیهای زیاد در مورد نیروگاههای متمرکز و پیشرفت روزافزون تکنولوژیهای مربوط انرژیهای نو همگی از دلایلی هستند که باعث شدهاند تا تعداد منابع تولیدات پراکنده متصل به شبکه در سرتاسر جهان روز به روز افزایش یابد. از جمله از این تولیدات پراکنده فتوولتائیک، پیل سوختی، توربینهای بادی و میکروتوربین-ها هستند که بیشتر مورد توجه قرار گرفتهاند .[1] در بین این گروه از تولیدات پراکنده نیز توربینهای بادی از اهمیت ویژهای برخوردار بوده است به طوری که گفته میشود که مقدار کلی ظرفیت نصب شده تا پایان سال 2010 در حدود 430TWh در سال بوده است که تقریبا 2/5 درصد از کل تقاضای جهان از طریق توربینهای بادی تامین میگردد. انجمن انرژی جهانی پیش بینی میکند که تا پایان سال 2015 ممکن است کل ظرفیت نصب شده به 600 GW برسد .[2]
اما زمانی که این تولیدات پراکنده به صورت موازی با شبکه کار میکنند مشکلات کیفیت توان از قبیل تغییرات فرکانس، نوسانات ولتاژ، هارمونیکها و قابلیت اطمینان سیستم قدرت برای شبکه به وجود میآورند. اما یکی از عمده مشکلات دیگری که خطر آن سیستم را تهدید میکند، پدیده جزیرهای شدن این تولیدات پراکنده است. در این شرایط پیامدهایی که میتوان برای شبکه و تولید پراکنده و تجهیزات بیان کرد عبارتند از: پیچیدگی وصل مجدد تولید پراکنده به شبکه - نیاز به سنکرونسازی و در عین حال نباید بارهای همسایه و تجهیزات در حین اتصال آسیب ببینند - ، کاهش شدید پایداری ولتاژ و فرکانس سیستم تولید پراکنده که ممکن است به بارها آسیب برساند و مهمتر از همه به خطر انداختن جان تکنسینهای تعمیر خط میباشد. برای اجتناب از مشکلات ذکر شده شرایط جزیرهای باید در کمتر از 2 ثانیه تشخیص داده شده و قطع گردد .[3]
جزیرهای زمانی اتفاق میافتد که یک تولید پراکنده به همراه بار محلی خود از شبکه سراسری جدا شده و تولید پراکنده بار محلی خود را تغذیه کند. به عبارتی میتوان گفت که ولتاژ و فرکانس تولید پراکنده در این شرایط در محدوده مجاز باقی میماند .[4] قبل از بیان روش تشخیص به نظر می-رسد که بیان دو مفهوم برای فهم بیشتر جزیرهای ضروری است. یکی از آنها ناحیه عدم تشخیص - NDZ - است که به مفهوم این است که آزمایشها باید در بازهای باشد که عدم تعادل بین تولید و مصرف از یک حد معینی تغییر نکند چرا که باید ولتاژ و فرکانس در محدوده مشخص باقی بماند و باید برای این شرایط جزیرهای تشخیص داده شود .[5]
دیگری نوع باری است که باید برای شرایط جزیرهای در نظر گرفته شود که در اینجا بار به صورت RLC برای تولیدات پراکنده در نظر گرفته خواهد شد. زیرا که این بارها مشکلات تشخیص را دو چندان میکنند. برای بارهای غیرخطی به صورت طبیعی شرایط جزیرهای قابل تشخیص است چون این بارها در سیستم ایجاد هارمونیک خواهند کرد و نیازی به این آزمایشها در شرایط جزیرهای وجود ندارد. همچنین بارهای توان ثابت نیز برای تشخیص مشکلی ایجاد نمیکنند. روشهای اندکی برای تشخیص جزیرهای توربینهای بادی پیشنهاد شده است که این روشها اکثرا ناحیه عدم تشخیص بزرگی دارند و یا ممکن است تشخیص آنها برای بارهای متفاوت از نیم ثانیه تا 2 ثانیه باشد. پس در این شرایط فرصتی برای قطع سیستم وجود نخواهد داشت .[5]
در حالت کلی، روشهای تشخیص به دو گروه عمده مخابراتی و محلی تقسیمبندی میشوند. روشهای مخابراتی برای تشخیص، روشهای ایمن و تقریبا با اشتباه خیلی پایین هستند. این روشها بر اساس مخابره سیگنال بین تولید پراکنده و شبکه سراسری عمل میکنند . اما مشکل عمده این روشها هزینه بسیار بالای آنها است. زیرا که فراهم کردن بستر مخابراتی برای هر تولید پراکنده با هر ظرفیتی کاری بسیار غیر منطقی و نامعقول است. از جمله این روشها میتوان به ارسال سیگنال با خطوط قدرت [6] و فرمان قطع از راه دور [7] را اشاره کرد. روشهای محلی نیز به دو گروه عمده فعال و غیرفعال تقسیمبندی میگردد . روشهای فعال بر اساس اعمال یک اغتشاش به سیستم و پاسخ سیستم به ورودی اغتشاش استوار هستند .[8] روشهای اکتیو برای سیستمهایی که در آنها کنترل روی توان خروجی انجام میگیرد مطرح است. اکثرا این سیستمها برای منابع تولید پراکنده DC که به همراه کنترلکنندههای منبع ولتاژ به شبکه متصل میگردند، پیشنهاد میشود.
این روشها مستلزم طراحی مدارات پیچیدهای برای ایجاد نوسان در خروجی تولیدات پراکنده هستند، تا به محض اینکه شبکه از دست رفت این نوسانات در خروجی بیشتر و بیشتر شود تا اینکه رلههای ولتاژ و فرکانس تولیدات پراکنده این تغییرات را حس کرده و باعث قطع آنها از مدار شوند . اما زمانی که تولید پراکنده متصل به شبکه است این نوسانات باید در حد بسیار کوچک باشد تا علاوه بر این که سیستم دچار اشتباه نگردد باید بر روی کیفیت توان خروجی نیز تاثیر زیادی نگذارد. یکی از مزایای مهم روشهای اکتیو کوچک بودن ناحیه عدم تشخیص آنهاست. برخی از زوشهای اکتیو عبارتند از: اندازهگیری امپدانس، شیفت فرکانسی ، شیفت فرکانسی فعال [9]، شیفت ولتاژ و فرکانس ساندیا [10]، تزریق جریان .[11] روشهای اکتیو برای شرایط مختلف عملکرد مطلوبی دارند و برای تولیدات پراکنده قابل کنترل کارایی دارند. اما روشهای پسیو برای تولیدات پراکنده غیر قابل کنترل از جمله توربین بادی با ژنراتور القایی کاربرد دارد. روش اعوجاج هارمونیک کل [7]، نرخ نغییرات فرکانس [12]، روش تغییرات زاویه فاز [12]، نرخ تغییرات فرکانس به توان بار [13]، نرخ تغییرات توان خروجی [3]، تبدیل موجک [14]، روش های فازی و عصبی [15]، از جمله این روشها هستند.
در بین این روشها تبدیل موجک میتواند یک روش کارا برای تشخیص حفاظت ضد جزیرهای باشد. در مقاله [14] یک روش تبدیل موجک برای تشخیص حفاظت ضدجزیرهای پیشنهاد شده است. این روش از تبدیل موجک سیگنالهای ولتاژ و جریان فیدبک گرفته و برای تشخیص حفاظت ضدجزیرهای از آنها استفاده میکند. روش پیشنهادی بسیار کارا بوده و ناحیه عدم تشخیص کوچکی دارد . اما متاسفانه در این روش نیز چارهای برای توربین بادی اندیشیده نشده و برای تولیدات پراکنده که با اینورتر به شبکه متصل شده است طراحی شده است. روش بیان شده در مقاله [2] برای توربینهای بادی نیز روش خود را پیشنهاد داده که بر اساس تبدیل موجک گسسته است. در این روش نیز معیار اندازهگیری سیگنالهای ولتاژ و جریان است. در سیستم قدرت حالاتی ممکن است پیش آید که پس از جزیرهای تعادل ولتاژ به هم نخورد ولی ناتعادلی کوچکی در فرکانس پیش آید. به نظر میرسد که در ارائه این الگوریتم به پاسخ گذرای فرکانس اشاره-ای نشده است و فقط از روی پاسخهای گذرای ولتاژ و جریان شرایط جزیرهای تشخیص داده شده است. مقاله [16] نیز با استفاده از روش تبدیل موجک ولتاژ به تشخیص حفاظت ضدجزیرهای پرداخته است که در این مقاله نیز نگاهی به فرکانس نشده است.
روش ارائه شده در این مقاله در جهت تکمیل روشهای ارائه شده در مقالات قبلی با استفاده از تبدیل موجک است. در اکثر مقالات قبلی تصمیم-گیری بر اساس سیگنال ولتاژ یا جریان یا سیگنال حاصل شده از ایت دو سیگنال است. در این مقاله سعی بر آن است که شرایط جزیرهای بر اساس سیگنال فرکانس که نویزپذیری کمتری دارد به جای سیگنال ولتاژ یا جریان تشخیص داده شود. در این روش نرخ تغییرات فرکانس در هر لحظه از زمان سنجیده شده و در صورت بروز هرگونه حالت گذرا، این سیگنال از طریق تبدیل موجک مورد مطالعه قرار میگیرد و نشان داده میشود که تبدیل موجک سیگنال برای حالت جزیرهای با شرایط سوئیچینگ دیگر در شبکه متفاوت میباشد. تبدیل موجک استفاده شده، ضریب d8 ویولت Symlets است که تا کنون در مقالات قبلی مورد تحلیل قرار نگرفته است. این سیگنال تشخیص بر اساس انجام آزمایشهای مختلف سیستم در شرایط کلیدزنی، تغییرات بار، استارت موتور، جزیرهای و اعمال تمامی ویولتهای مادر در سطوح تجزیه مختلف انتخاب شده است. برای نشان دادن هرچه بیشتر کارایی روش، سیستم سیمولاتور توربین بادی با توان 2 کیلووات به شکل آزمایشگاهی اجرا شده و نتایج الگوریتم پیشنهادی در این سیستم نیز به دست آمده است.
این نتایج شبیهسازی و آزمایشگاهی با روش پیشنهادی در مرجع [2] مورد مقایسه قرار میگیرد. در این مقایسه، یک فاکتور قابلیت اطمینان تعریف میگردد و نتایج هر دو روش با استفاده از این فاکتور کارایی مقایسه میشود. نتایج نشان میدهد که روش پیشنهادی احتمال اشتباه پایینی در تشخیص جزیرهای شدن توربین بادی دارد. از لحاظ زمان تشخیص نیز روش پیشنهادی در این مقاله سریعتر از روش تشخیص با استفاده از روش-های پیشین است. در بخش بعدی مقدمهای برای تبدیل موجک بیان خواهد شد. روش مورد مطالعه که مناسب برای ژنراتورهای القایی است در قسمت 3 توضیح داده شده است. در بخش 4 پیادهسازی سیستم سیمولاتور توربین بادی شرح داده خواهد شد. در قسمت نتایج که در بخش 5 آمده است نتایج مربوط به شبیهسازی و سیستم عملی به همراه مقایسه آن با روش ولتاژ آمده و در بخش آخر نیز نتیجهگیری از مقاله بیان شده است.
تبدیل موجک
تبدیل موجک یکی ابزار ریاضی مانند تبدیل فوریه است که سیگنال مورد نظر را به یک سری سیگنالهای پایه تجزیه میکند. ای ابزار برای تحلیل سیگنال مورد استفاده قرار میگیرد .[17] در این تئوری بر خلاف سری فوریه اطلاعات زمانی از بین نمیرود همچنین بر خلاف تبدیل فوریه کوتاه زمان که عرض پنجرههای تحلیل ثابتی دارند، تبدیل موجک عرض پنجره متغیری دارد و میتواند توسط تئوری بانک فیلتر توصیف گردد .[4] شکل - - 1 شمای کلی تئوری تبدیل موجک را نشان میدهد. مراحل تجزیه سیگنال ورودی از مرحله jام شروع شده و در مرحله صفر تمام میگردد. در مرحله j-1 سیگنال ورودی با عبور از یک فیلتر بالا گذر و یک فیلتر پایین گذر سری بترتیب به دو مولفه فرکانس بالا و فرکانس پایین تجزیه میگردد. سیگنال فرکانس پایین تخمین و سیگنال فرکانس بالا جزئیات نامیده میشود .[18] مولفه فرکانس پایین خود به دو قسمت فرکانس بالا و فرکانس پایین تجزیه میگردد و بسته به اینکه تعداد مراحل - j - چند انتخاب گردد این تجزیه ادامه خواهد یافت. ضرایب تخمین و جزئیات به ترتیب از رابطه زیر قابل محاسبه است.
