بخشی از مقاله
چکیده - افزایش جبرانسازی در شبکه های انتقال مشکلاتی را در سیستم های توربین-ژنراتور ایجاد می کند که از جمله آن ها می توان به ایجاد و تقویت مدهای نوسانی مکانیکی و بروز نوسانات زیرسنکرون در رخدادهای دینامیکی مختلف اشاره کرد. با وقوع حادثه در مزرعه بادی Zorillo Gulf ناشی از نوسانات زیر سنکرون، مدلسازی و ارائه راهکار کاهش اثر پدیده SSR در مزارع بادی جایگاه قابل توجهی پیدا کرد.
راهکارهای ارائه شده کنونی مبتنی بر مقادیر مشخص و ثابت سیستم و شبکه هستند، درحالی که پارامترهای اتصال به شبکه و مزارع بادی دارای تغییرات احتمالی اند. در این جا سعی بر آن است تا با استفاده از روش های کنترلی، کنترلری برای پدیده SSR در مزارع بادی نوع DFIG که از طریق خط انتقال جبرانسازی شده به شبکه وصل شده اند، طراحی گردد بگونه ای که فرآیند کنترل این پدیده از عدم قطعیت های وابسته به سیستم بالادستی مستقل شود.
-1 مقدمه
در سال های اخیر نفوذ انرژی باد در شبکه های قدرت نرخ قابل توجهی داشته است. بسیاری از تاسیسات نصب شده و یا طراحی شده جدید، تکنولوژی سرعت متغیر را پذیرفته اند که از مزایای آن می توان به رفتار تبدیل انرژی بهتر، عملکرد نرم تر، نوسان کمتر و کنترل پذیری بهتر اشاره کرد. یکی از انواع پرکاربرد سیستم های مبتنی بر سرعت متغیر باد 1DFIG نامیده می شود به دلیل مزایای تکنیکی و اقتصادی مورد توجه قرار گرفته است .[1]
فرآیند کنترل مدار روتور DFIG از طریق کانورتر الکترونیکی توان، اتصال مستقیم بین استاتور DFIG و شبکه و همچنین وجود ساختار کنترلی چندگانه و سطح بالا در سیستم های بادی مبتنی بر DFIG ، اثرات دینامیکی ناخواسته ای را بین شبکه و این مزارع ایجاد می کند.[2] این مسئله مخصوصا زمانی که مزرعه بادی در مکان های دور از دسترس نصب می شود و از طریق خطوط ضعیف R - و X زیاد خط به دلیل طول زیاد آن - به شبکه متصل می شود بیشتر نمود پیدا می کند. همچنین برای دریافت توان بیشتر از مزارع بادی بزرگ در نقطه اتصال به شبکه، مرسوم است که خطوط اتصال آن ها به شبکه دارای جبرانساز سری باشد 3]و[4 ، که این نوع جبرانسازی می تواند منجر به ظهور و بروز پدیده نوسانات زیر سنکرون 2SSR شود.
در هنگام رخداد پدیده SSR یکی از مدهای مکانیکی شفت چرخان سیستم به وسیله نوسانات دینامیکی تحریک شده و این امر موجب افزایش اندازه جریان با توجه به افزایش گشتاور سیستم می شود و گشتاور الکتریکی تولیدی در این فرکانس تشدید افزایش می یابد؛ این افزایش گشتاور الکتریکی موجب تقویت نوسانات پیچشی در روتور شده و دامنه گشتاور را بیش از پیش افزایش می دهد تا جایی که این افزایش گشتاور برای روتور قابل تحمل نخواهد بود و می تواند منجر به از هم پاشیدگی سیستم مکانیکی شود .[3] پدیده SSR در سیستم های قدرت به سه دسته کلی تقسیم می شود:
· اثر ژنراتورهای القایی - IGE - 3
· عکس العمل های پیچشی - TI - 4
· تقویت مد های پیچشی.[5] - TA - 5
در دسته بندی اول و دوم پدیده SSR در حالت دائم می تواند ایجاد شود و نوع سوم SSR در حالت های گذرا نمایان می شود. نوع IGE، ناشی از عکس العمل بین ژنراتور - معمولا از نوع القایی - و شبکه الکتریکی است، در حالی که دسته دوم و سوم حالت های گذرای مکانیکی هستند که به وسیله توربین ها ایجاد می شودIGE .[6] معمولا از واکنش متقابل اجزای سیستم الکتریکی ایجاد می شود و قسمت های مکانیکی در ایجاد آن نقشی ندارند. بنابراین این مد نوسانی در همه نیروگاه ها حتی نیروگاه های آبی هم می تواند اتفاق بیفتد.
این پدیده وابسته به تبادل انرژی بین ژنراتور و خط انتقال جبرانسازی شده است که می تواند اثرات مخربی را در واحدهای تولیدی برجا بگذارد. در این حالت مقاومتی که از سمت روتور دیده می شود در فرکانس زیرسنکرون خلاف جهت جریان عمل می کند - مقاومت منفی روتور - ، اما اثر شبکه روی این جریان ها مثبت است - مقاومت مثبت شبکه - . اگر اندازه مقاومت منفی روتور ژنراتور بیشتر از مقاومت شبکه باشد جریان های با فرکانس زیرسنکرون تقویت شده و اثر ژنراتور القایی - IGE - پدیدار می شود.
در[8] مدلی برای بررسی بهتر نوسانات زیرسنکرون در شرایط حضور تولید بادی با اتصال جبرانسازی شده سری ارائه شده است، در اینجا تمرکز بر روی توربین نوع DFIG است و مدل ارائه شده چهار مد نوسانی اصلی سیستم را استخراج می کند و اثر هر کدام از این مدها را روی شرایط مختلف عملکردی سیستم بررسی می کند و مدلی برای عملکرد دینامیکی سیستم با استفاده از آنالیزهای صورت گرفته ارائه می کند که برای پیش بینی رفتار در حوزه زمان کاربرد خواهد داشت.
در مطالعاتی که تا کنون انجام شده است پارامترهای موجود در سیستم احتمالی در نظر گرفته نشده است. با توجه به وجود عدم قطعیت های مختلف در سیستم مورد مطالعه، مدل سیستم در فضای حالت، تعریف شده و حدود تغییرات هر یک از پارامترهای احتمالی شبکه تعیین می گردد. سپس با استفاده از روش های کنترل بهینه یک قانون کنترلی برای پایدار کردن سیستم ارائه می گردد. و پس از آن با استفاده از روش های کنترل مقاوم، کنترلری جهت واکنش به تغییرات ولتاژی شبکه بالادست طراحی و ارزیابی می گردد.
شکل: 1 مدار معادل حالت دائم
در مدار معادل مطرح شده C خازن جبرانساز سری، و مقاومت و سلف خط انتقال، و مقاومت و سلف نشتی سیم پیچ استاتور، اندوکتانس مغناطیس کنندگی، ، و مقاومت و سلف نشتی سیم پیچ روتور، و ولتاژ القا شده در روتور است. نوسانات IGE وابسته به لغزش سیستم هستند که این لغزش در اثر اختلاف فرکانس های اصلی سیستم و فرکانس چرخش ایجاد می شود . افزایش سرعت باد موجب افزایش می گردد و افزایش سطح جبرانسازی، افزایش را به دنبال دارد، پس لغزش تحت تاثیر سرعت باد و سطح جبرانسازی الکتریکی سیستم است[8] و این دو جزء مهمترین دلایل ایجاد SSR در سیستم های دارای توربین بادی نوع DFIG هستند. این دو پارامتر به صورت احتمالی در شبکه تغییر می کنند.
توربین بادی موجود در این شبکه می تواند مدلی تجمعی از چندین توربین بادی و در واقع مدل یک مزرعه بادی باشد .[10] در بسیاری از مطالعات از همین شبکه نمونه و یا مشتقات آن و مدل تجمعی مزرعه بادی به صورت یک تک ژنراتور القایی استفاده شده است11]و[12 و در هر کدام از این موارد توان تولیدی مزرعه بادی و ولتاژ خط اتصال به شبکه متفاوت بوده است. پس می توان گفت این دو پارامتر هم که در تمامی مطالعات مقادیر ثابتی در نظر گرفته شده اند، تغییرات احتمالی دارند.
مدل های مورد استفاده در این تحقیق با توجه به [1] انتخاب شده اند و معادلات فضای حالت و سایر پارامترهای آن در برطبق همین منبع انتخاب شده است. با توجه به زمان تداوم نوسانات در شبکه که کمتر از یک ثانیه است، از اثرات عکس العمل های مکانیکی موجود سیستم صرف نظر شده است.[9] با استفاده از مدل ارائه شده می توان رفتار دینامیکی سیستم را در مواجه با پدیده هایی که موجب تحریک مدهای مکانیکی DFIG و بروز SSR می شوند بررسی کرد. اغلب منابع ایجاد SSR در سیستم احتمالی هستند و عدم قطعیت دارند؛ این عدم قطعیت موجب می شود کنترل این پدیده به سادگی امکان پذیر نباشد. عدم قطعیت ها در حضور DFIG تقویت شده و تعداد پارامترهای متغیر احتمالی را در مدل افزایش می دهد.
-2-2 روش کنترلی مورد استفاده
ابتدا با استفاده از روش کنترل بهینه برای سیستم یک پایدار ساز تعریف می شود که قانون کنترلی آنu=-Kx است. در این مرحله تغییر احتمالی که موجب ایجاد SSR خواهد شد در نظر گرفته نمی شود و فقط پایداری سیستم با شرایط موجود مد نظر قرار می گیرد. بعد از طراحی پایدارساز، در مرحله دوم تغییری که باعث جابجایی قطب های موجود سیستم خواهد شد در نظر گرفته می شود که در اینجا تغییرات مربوط به خطا در باسبار شبکه بی نهایت بررسی خواهد شد به این صورت که فرض می کینم خطایی در سیستم موجب افت ولتاژ این باسبار به مقدار نیم پریونیت بشود.
حال اگر ماتریس C را به گونه ای بیابیم که BC=I باشد دینامیک سیستم برابر x - A BK - x خواهد شد و مسئله کنترل انجام خواهد شد. اما برای اینکه BC=I باشدباید ماتریس C معکوس راست ماتریس B باشد - . - C B R اما از آنجا که Rank ماتریس B پایین است لذا معکوس پذیر نیست. برای رفع این مشکل سیستم یکپارچه فوق را به دو زیر سیستم x g و x n تقسیم کرده و سپس ماتریس C را در جهت حذف اغتشاش ایجاد شده محاسبه می کنیم.
-3-2 نتایج شبیه سازی
با استفاده از مدلی که در قبل اشاره شد و روش کنترلی یاد شده رفتار سیستم با فرض وقوع خطا در ولتاژ شبکه، E B ، بررسی می شود.
