بخشی از مقاله
چکیده
جزیرهای شدن تولیدات پراکنده در میکروگریدها، مشکلات زیادی را در بهرهبرداری و مدیریت شبکه ایجاد میکند. بنابراین تشخیص دقیق و سریع این پدیده، یکی از مسائل مهم در حفاظت میکروگریدها میباشد. روشهای اکتیوی که به منظور تشخیص جزیرهای ارائه می گردد عمدتا دارای مشکلاتی از قبیل کاهش کیفیت توان و ایجاد اغتشاش در سیستم قدرت میباشند. در این مقاله یک روش اکتیو جدید با استفاده از ادوات کنترلی موجود در پست های فوق توزیع پیشنهاد شده است. ادوات کنترلی پیشنهادی شامل خازن و تپ چنجر میباشد، که عموما" به منظور کنترل ولتاژ و اصلاح ضریب قدرت بکار میرود. مدت زمان مجاز برای تشخیص جزیره ای 2 ثانیه می باشد در حالیکه سرعت عملکرد تپ چنجر بدلیل مکانیکی بودن آن بین 3 تا 10 ثانیه می باشد. لذا یک تپ چنجر تمام الکترونیکی با سرعت عملکرد بالا - در حد میلی ثانیه - ارائه شده است. با در نظر گرفتن ولتاژ و ضریب قدرت بطور همزمان و با تغییر تپ یا کلید زنی خازن، با مانیتور ولتاژ براحتی با دقت و سرعت بالایی جزیرهای شناسایی میگردد. ارزیابی الگوریتم پیشنهادی بر روی یک شبکه نمونه استاندارد در نرم افزار MATLAB/SIMULINK و مقایسه آن با سایر روشهای موجود حاکی از دقت و سرعت بالا در تشخیص جزیرهای میباشد.
واژههای کلیدی: تشخیص جزیرهای، کلید زنی خازن، تپ چنجر تمام الکترونیکی، پست فوق توزیع، روش اکتیو
-1 مقدمه
تولیدات پراکنده در کنار مزایای بسیاری که دارند، دارای معایبی نیز میباشند، که یکی از مهم ترین آنها عملکرد جزیرهای میباشد. عملکرد جزیرهای به زمانی اطلاق میگردد که شبکه قدرت اصلی شامل بار و تولید از بقیه سیستم جدا شده، اما تولید DG و مصرف بار در بخش دیگری از شبکه ادامه مییابد که تداوم تولید توسط منبع تولید پراکنده، ایمنی کارکنان و تجهیزات شبکه و مصرف کنندگان را به خطر میاندازد. با توجه به اینکه در این حالت کیفیت توان سیستم کاهش مییابد و کنترل مناسبی بر روی ولتاژ و فرکانس وجود ندارد، مشکلاتی برای منابع تولید پراکنده و بارهای متصل شده به آن ایجاد میشود. طبق استانداردIEEE STD 1547 -2003 جزیره ایجاد شده باید حداکثر 2 ثانیه پس از شکلگیری، شناسایی شده و واحد تولید پراکنده از شبکه جدا گردد. تا کنون روشهای بسیاری جهت شناسایی جزیرهای ارائه شده است که به دو گروهاصلی روشهای از راه دور و روشهای محلی تقسیم بندی میشوند. روشهای از راه دور بر اساس ارتباط مخابراتی بین واحد تولید پراکنده و شبکهاستوار است.
این روشها بسیار موثر بوده اما بدلیل هزینه بالای آن چندان مورد توجه قرار نگرفتهاند. روشهای محلی نیز شامل روشهای اکتیو و پسیو میباشند .[1] در روشهای پسیو از طریق اندازهگیری پارامترهای سیستم از قیبل ولتاژ، فرکانس، توان اکتیو، توان راکتیو و... جزیرهای تشخیص داده می شود، لذا تاثیر منفی در عملکرد عادی سیستم قدرت ندارد. اما در شرایطی چون تطبیق توان بین تولید و مصرف قادر به شناسایی جزیرهای نخواهند بود. برخی از این روشهای پسیو عبارتند از: روش فرکانسی [2]، روش ولتاژی [3]، نرخ تغییرات فرکانس [4]، روش مبتنی بر نامتعادلی ولتاژ [5]، نرخ تغییرات اختلاف زاویه ولتاژ و جریان [6]، نرخ تغییرات فرکانس به توان [7] و نرخ تغییرات امپدانس .[8] روشهای اکتیو نیز از تزریق اغتشاش به سیستم قدرت استفاده می کند. اغتشاش تزریقی باعث تغییر پارامترهای سیستم در شرایط جزیرهای میشود، لذا با اندازهگیری پارامترهای سیستم میتوان شرایط را شناسایی کرد. این روشها نسبت به روشهای پسیو موثرتر بوده اما بدلیل ایجاد اغتشاش باعث کاهش کیفیت توان میگردند .[1] برخی از مهمترین روش های اکتیو عبارتند از: زاویه فاز ولتاژ [9]، جبرانسازی توان اکتیو و راکتیو [10]، تزریق سیگنال فرکانس بالا [11]، کنترل توان راکتیو [12]، تزریق جریان توالی منفی [13]، اعوجاج هارمونیکی ولتاژ با فیدبک مثبت [14]، اعمال امپدانس متغیر در سیستم .[15]
بنابر توضیحات فوق روشهای اکتیو تاثیر منفی بر کیفیت توان دارند، اما دارای نواحی غیر قابل تشخیص کوچکتری میباشند. از طرفی روشهای پسیو دارای نواحی غیر قابل تشخیص کوچکتری بوده اما هیچ تاثیر منفی در عملکرد سیستم ندارند. لذا با ترکیب این روشها میتوان معایب هریک را توسط دیگری پوشش داد و به یک روش مناسب دست یافت. برخی از روشهای ترکیبی ارائه شده توسط محققان عبارتند از: نامتعادلی ولتاژ و فرکانس [16]، میانگین نرخ تغییرات ولتاژ و شیفت توان اکتیو [17]، نرخ تغییرات توان راکتیو و استراتژی اتصال بار [18]، نامتعادلی ولتاژ و اعوجاج هارمونیکی جریان [19]، نرخ تغییر ولتاژ و سوئیچینگ خازن .[20]
در این مقاله یک روش اکتیو ترکیبی جدید به منظور تشخیص دقیق، سریع و بدون ایجاد اغتشاش در سیستم قدرت ارائه شده است. ایده اصلی این مقاله استفاده از ادوات کنترلی شامل خازن و تپ چنجر ترانسفورماتورهای فوق توزیع میباشد. در پست های فوق توزیع که مرز میکرو گرید و سیستم قدرت اصلی است، از این ادوات به منظور کنترل ولتاژ و اصلاح ضریب قدرت استفاده می گردد. بنابراین، استفاده از این ادوات علاوه بر تشخیص جزیرهای، منجر به بهبود کیفیت توان نیز می گردد. تنها مشکل موجود، مکانیکی بودن تپ چنجر میباشد که دارای سرعت عملکرد پایینی است 10-3 - ثانیه - . برای رفع این مشکل یک مدل تپ چنجر تمام الکترونیکی برای ترانسفورماتورهای فوق توزیع ارائه شده است. این تپ چنجر دارای سرعت عملکرد بسیار بالایی بوده و تغییرات آن میتواند با سرعت قابل قبولی جزیرهای را شناسایی کند.
-2 روش پیشنهادی
پست فوق توزیع 63/20 - کیلوولت - مرز شبکه اصلی و میکرو گرید میباشد. در پستهای فوق توزیع، عموما" بر روی فیدرهای خروجی یک یا چند واحد بانک خازنی - بر حسب نیاز - تعبیه شده است. بانکهای خازنی دارای ظرفیت ثابتی میباشند. در صورت افزایش میزان توان راکتیو - کاهش ضریب قدرت - توسط بهرهبردار پست، یا بطور اتوماتیک خازن وارد مدار می گردد. اما بدلیل ثابت بودن ظرفیت خازن نمیتوان دقیقا ظرفیت متناسب با نیاز را در شبکه کلیدزنی نمود. از طرفی ترانسفورماتورهای موجود در پستهای فوق توزیع مجهز به تپ چنجر های قابل تغییر زیر بار میباشند که میتواند توسط بهره بردار پست یا بطور اتوماتیک جهت کنترل ولتاژ تغییر یابد. بنابراین دو تجهیز کنترلی اساسی در پست های فوق توزیع خازن و تپ چنجر میباشد. کلیدزنی خازن و تغییر تپ ترانسفورماتور، منجر به اصلاح ضریب قدرت شبکه و کنترل ولتاژ و بطور کلی بهبود کیفیت توان میگردد. در ادامه بکارگیری هر یک از روشهای کنترلی ذکر شده، در دو حالت قطع شبکه اصلی - جزیره ای - و برقراری شبکه اصلی - غیر جزیره ای - مورد بررسی قرار گرفته است.
-1-2 کلید زنی خازن
در صورت عملکرد عادی سیستم قدرت، با کلیدزنی خازن در باسبار 20 کیلوولت ضریب قدرت شبکه اصلاح و باعث افزایش ولتاژ باسبار 20 و 63 کیلو ولت میگردد. در لحظه کلیدزنی خازن، ولتاژ باسبار بصورت لحظهای دچار تغییر شده و در حد میلی ثانیه نرمال میگردد. در چنین شرایطی بدلیل اینکه ولتاژ سیستم توسط شبکه اصلی تعیین میگردد، تغییرات لحظه کلید زنی نیز محدود و بلافاصله پایدار میشود.
-2-2 شبکه اصلی قطع باشد
در صورتی که شبکه اصلی قطع گردد و تنها منبع تولید توان - واحدهای تولید پراکنده موجود در میکرو گرید - حضور داشته باشند، با کلیدزنی خازن در باسبار 20 کیلوولت تغییرات ولتاژ بسیار زیاد خواهد بود. در چنین شرایطی واحدهای تولیدپراکنده تعیین کننده ولتاژ شبکه می باشند، که بدلیل محدود بودن ظرفیتشان تغییرات ولتاژ بسیار زیاد و حتی ممکن است ناپایدار باشد. بنابر تحلیل فوق، با کلیدزنی خازن و مانیتور ولتاژ در باسبار20 کیلوولت و تعیین یک آستانه مناسب برای آن، میتوان براحتی وقوع جزیرهای را از رویدادهای غیر جزیرهای تفکیک کرد. محدودیت بکارگیری این روش در میزان ضریب قدرت است. در شرایطی که ضریب قدرت شبکه نزدیک به واحد باشد، با کلید زنی خازن - ظرفیت ثابت - میزان توان راکتیو خازنی افزایش یافته و منجر به کاهش
