بخشی از مقاله
چکیده _
میرایی ضعیف یا مدهای ناپایدارنوسانات بین ناحیهای، مطلوب نمیباشند زیرا آنها به عملکرد نامناسب سیستمهای قدرت منجر میشوند. بدون اقدامات اصلاحی مناسب، این نوسانها میتوانند به تفکیک سیستمهای قدرت یا خاموشیهای بزرگ منجر شوند. میرایی مناسب این نوسانات یک پیش شرط برای عملکرد مطمئن سیستمهای قدرت است. یک راه حل در دسترس برای میراکردن نوسانات بین ناحیهای افزودن پایدارسازهای سیستم قدرت - PSS - به سیستم تحریک ژنراتوراست.
اگرچه PSSهای معمولی دربسیاری ازژنراتورها وجود دارند، اما اثرشان فقط برای میراکردن نوسانات محلی است و نمیتوانند به طور موثری نوسانات بین ناحیهای را میراکنند. دراین مقاله یک PSS قدرتمند براساس سیگنالهای PMU برای اطمینان از میرایی رضایت بخش نوسانات بین ناحیهای پیشنهادشدهاست که به بهبود پایداری سیستم و افزایش ظرفیت انتقال توان منجر می شود. سیگنال ورودی به PSS پیشنهادی، به وسیله PMU شناسایی شده و فرستاده میشود. نتایج آنالیزمدال و شبیهسازی گذرا درحوزه زمان نشان میدهد که میرایی نوسانات بین ناحیهای با PSS پیشنهادی به طور موثری بهبود یافتهاند.
.1 مقدمه
نوسانات بین ناحیهای فرکانس پایین 0.2 - تا 0.8 هرتز - یک مشکل رایج درسیستمهای قدرت به هم پیوسته بزرگ در سراسر جهان هستند. این نوسانات اساسا به گروهی از ژنراتورها و یا گروهی ازنیروگاهها وابسته هستند. میرایی ضعیف مدهای نوسانات بین ناحیهای درسیستمهای قدرت بههم پیوسته بزرگ که توسط خطوط ارتباطی نسبتا ضعیفی به هم متصل شدهاند مشاهده میشود 1]و.[2 چنین نوساناتی میتواند به اغتشاشات گسترده سیستم منجر شوند درصورتی که خروج آبشاری خطوط انتقال به علت نوسانات توان پیچشی مشابه دوره خاموشی امریکا در اوت 1996 رخ دهد.
بهبود میرایی این نوسانات به عنوان یکی از نگرانیهای عمده برای بهرهبرداری پایدار وقابل اعتماد ازسیستمهای قدرت باقی میماند و این یک موضوع موردعلاقه رایج بین صنعت و دانشگاه است 3] و.[4 میرایی نوسانات بین ناحیه ای نیز برای حفظ حداکثرانتقال توان از طریق خطوط انتقال هوایی بسیارمهم است. به منظورافزایش میرایی نوسانات فرکانس پایین سیستمهای قدرت چندین روش پیشنهاد شده است؛ رایجترین آنها کنترل تحریک از طریق PSS است.
PSSهای امروزه معمولا متکی بر سیگنالهای محلی مانند سرعت روتور ژنراتور یا شتاب توان الکتریکی میباشند. اگرچه این PSSها در بسیاری از ژنراتورها وجود دارند، اما اثرات آن تنها بر روی میرایی نوسانات محلی است [5] و به طورموثرنمیتوانند نوسانات بین ناحیهای را میراکنند. مشکل کلی این است که اندازهگیری محلی سیگنالهای ورودی به PSS معمولی اغلب برای نوسانات بین ناحیهای کافی نیست. تنظیم دقیق PSS براساس سیگنالهای محلی ممکن است قادر به بهبود میرایی نوسانات بین ناحیهای باشد
با تنظیم مناسب PSS موجود، همراه با اندازهگیری منطقه وسیع بر اساس PMU، انتظار میرود که بتوان میرایی نوسانات بین ناحیهای را به طور موثری بهبود داد. PMU پتانسیل زیادی در کاربردهای مختلف سیستم قدرت از جمله پایش نوسانات توان، افزایش میرایی نوسانات فرکانس پایین و پایش پایداری ولتاژ دارد
هدف از این مقاله استفاده از سیگنالهای سراسری PMU در کنترل PSS برای بهبود میرایی مدهای نوسانات بین ناحیهای است. مدل غیر خطی از سیستم دو ناحیهای مورد مطالعه با استفاده از شبیهساز زمان واقعی دیجیتال - RTDS - و شبیه سازی در حوزه زمان که تحت اغتشاش بزرگ انجام شده، توسعه داده شده است. صحت نتایج شبیهسازی شده توسط آنالیز مدال - آنالیز مقادیر ویژه - از مدل فضای حالت خطی سیستم تایید شد.
شکل :1 اتصال PMU
همانطور که درمقدمه ذکرشد هدف ازاین مقاله بهبود میرایی نوسانات بین ناحیهای با استفاده از سیگنالهای سراسری برگرفته شده از PMU است. این رویکرد سودمند در شبکه هوشمند برق آینده شورای همکاری خلیجفارس - GCC - مورد استفاده قرار میگیرد که در شکل 3 نشان داده شده است.
.2 واحد اندازهگیری فازوری
یکی از دستگاههای مهم اندازهگیری درشبکه هوشمند برق واحد اندازهگیری فازوری - PMU - است. انتظار میرود PMU به یک عنصرکلیدی پایش، حفاظت و کنترل عملکردها درشبکه هوشمند برق تبدیل شود. یکی از رایج ترین عملکرد PMUها نظارت برسیستم قدرت به خصوص برای پایش اغتشاشات منطقه وسیع و نوسانات الکترومکانیکی فرکانس پایین - مدهای محلی نوسانات - و نوسانات بین ناحیهای میباشد.
PMUها مبنایی برای پیاده سازی نسل بعدی سیستمهای پایش منطقه وسیع - WAMS - شبکههای هوشمند برق خواهند بود. شکل 1 نشان میدهد که PMU میتواند سنکرونسازی فازور ولتاژ وجریان را معمولا همراه با اندازهگیری فرکانس و نرخ تغییرات فرکانس انجام دهد. سنکرونسازی، توسط نمونهگیری هم زمان از شکل موج ولتاژ و جریان با استفاده از سنکرونبودن با سیگنالهای ماهواره موقعیت یاب جهانی - GPS - انجام میشود.
یکی از ویژگیهای اصلی PMU این است که اندازهگیری هماهنگ و دقیق همه این مقادیر را با یک نرخ گزارش بسیار بیشتر از سیستمهای اندازهگیری معمول ارائه میدهد. WAMS برپایه PMU میباشد که پتانسیل زیادی درعملکردهای مختلف سیستم قدرت از جمله پایش نوسانات توان و پایش میرایی توان دارد .[9-6] سیگنالهای انتخاب شده به ورودی PSS بر اساس PMU پیشنهاد شده در 6]و[7 نمیتوانند به طور موثری نوسانات بین ناحیهای را در مقایسه با سیگنالهای محلی در PSS معمولی میرا کنند.
شکل :2 شبکه برق پیوسته GCC
شکل :3 ساختار پیشنهادی شبکه هوشمند برق GCC
.3 شبکه هوشمند برق GCC
شکل 2 نمودار تک خطی ساده شده نشان دهنده سطوح توان جاری - - MW در شبکه برق GCC را فراهم کرده است.درشکل 2 شبکه قدرت به هم پیوسته 6 کشور GCC ، شامل قطر، پادشاهی عربستان سعودی، امارات متحده عربی، عمان، کویت و بحرین میباشد. مشاهده میشود که این 6 شبکه قدرت به هم پیوسته خطوط انتقال طولانی - خطوط ارتباطی ضعیف - دارند، که مدهای ناپایدار نوسانات بین ناحیهای را به بوجود خواهند آورد.
به همین دلیل، این مطالعات میتواند به صورت موثری در شبکه برق GCC به کار گرفته شود. شکل 3 ساختار ارائه شده ازشبکه هوشمند برق برای GCC را نشان میدهد. همان طور که در شکل 3 نشان داده شده است، شبکه هوشمند ارائه شده شامل PMUهایی در سراسر شبکه و متمرکزکننده دادههای فازوری - PDC - خواهد بود که معمولادرمراکز کنترل قراردارند.
PDCها اطلاعات تعداد زیادی از PMU ها را از طریق کانالهای ارتباطی دیجیتال، و ازداده های زمان واقعی منطقه وسیع PMUها گردآوری میکند، اپراتورهای شبکه میتوانند اطلاعات دینامیکی سیستم به هم پیوسته در شبکه را مانند مدهای نوسانات بین ناحیه ای که عمدتا به واسطه خطا در شبکه انتقال با سطوح ولتاژ 220 کیلو ولت یا 400 کیلو ولت تشدید میشود استخراج کنند. این اطلاعات همچنین میتوانند برای کاربردهای حفاظت و کنترل مورد استفاده قرار بگیرند. مزیت این نوع ارتباط دستیابی به اطلاعات سیستم، آمادهشدن برای عملکرد خودکار هرکجا که مشکلی رخ دهد و توزیع کردن اطلاعات به تمام مکانها است.
.4 مدلسازی سیستم قدرت و روشهای آنالیز
یک سیستم قدرت دو ناحیه ای برای مطالعه در نظر گرفته شده است. آنالیزمدال - به عنوان مثال آنالیز مقادیر ویژه یا آنالیز سیگنال کوچک - که توسط شبیهسازی غیر خطی در حوزه زمان تکمیل شده، موثرترین روش مطالعه نوسانات سیستم قدرت است. بهبود میرایی نوسانات بین ناحیهای با استفاده از PSS بر مبنا PMU توسط شبیهسازی در حوزه زمان مورد بررسی قرارگرفته است.
علاوه بر این آنالیز مقادیرویژه و فاکتورمشارکت یک رویکرد قویتر برای تعیین و شناسایی مدهای مقادیرویژه مرتبط با نوسانات بین ناحیهای هستند. سیستم دوناحیهای موردمطالعه با استفاده از شبیهساز دیجیتال زمان واقعی - RTDS - مدلسازی و شبیهسازی شده است. RTDS اندازهگیری آنالوگ از ولتاژها و جریانهای سیستم را تولید میکند که بطور مستقیم برای PMU استفاده میشوند. مدل فضای حالت خطی سیستم برای آنالیز مدال توسعه یافته است.
.4.1 مدل زمان واقعی از سیستم دو ناحیهای
شکل 4 نمودار تکخطی سیستم آزمون دو ناحیهای را نشان میدهد. این سیستم یک محک برای مطالعه نوسانات بین ناحیه ای است ودرچندین تحقیق و مقالات مورد مطالعه قرارگرفته است. سیستم شامل 11 باس و 2 ناحیه، متصل شده توسط خطوط ارتباطی ضعیف است.هر ناحیه شامل 2 ژنراتور، که دارای مقادیر نامی 900 MVA و 20 KV میباشند. در حالت پایدار، ناحیه 1، 400MW به ناحیه 2 از طریق خطوط ارتباطی ارسال میکند. هر ژنراتور توسط مدل تک محوری - فروپاشی شار - مدلسازی شده است و همچنین هر ژنراتور با یک تحریک استاتیکی سریع و یک پایدارسازسیستم قدرت پیش فاز / پس فاز که در شکل 5 نشان داده شده، مجهز شدهاند. دادههای سیستم، ثابت زمانی و بهره PSS پیش فاز/ پس فاز از [3] در نظر گرفته شده است. سیگنالهای ورودی به PSS از سمت
PMU هستند همانطورکه درشکل 5 نشان داده شده است.
شکل :4 دیاگرام تک خطی سیستم قدرت دو ناحیهای
شکل :5 سیستم تحریک همراه با پایدارساز سیستم قدرت
.4.2 مدل فضای حالت سیستم دو ناحیهای
سیستم دو ناحیهای یک سیستم غیرخطی مرتبه بالا است. با این حال، برای اغتشاشات کوچک، ما میتوانیم سیستم را اطراف نقطه کارخطی در نظربگیریم. اثرات سیم پیچ دمپر در نظر گرفته نمیشود بنابراین مدل مرتبه3 - مدل فروپاشی شار - دراین مطالعه مورد استفاده قرار گرفته است. سیستم خطی را میتوان به فرم فضای حالت زیر ساده کرد که درآن x و u متغیرهای حالت خطی و ورودی 4 ژنراتور برای بردار تعریف شده در - 1 - میباشند.
