پایان نامه بررسی جامع و کامل تاثیر بار در پایداری سیستم های قدرت

چکیده

سیستم های قدرت بطور پیوسته در معرض اختلالات کوچک یا بزرگ قرار دارند . وقوع اختلال در سیستم قدرت باعث تحریک مودهای سیستم از جمله مود های الکترو مکانیکی شده و در نتیجه کمیتهای کار سیستم دچار نوسانات گذرا می شوند . این نوسانات ، به نوسانات کم فرکانس مشهورند . مستهلک شدن این نوسانات و مستقر شدن سیستم در نقطه کار جدید ، مستلزم وجود میرایی کافی در سیستم قدرت است . عوامل مختلفی بر میرایی نوسانات مود الکترومکانیکی یک سیستم قدرت مؤثر هستند که یکی از  مهمترین آنها پاسخ بارهای سیستم به اختلال است . بکارگیری مدلهای مناسب بار می تواند در مطالعات پایداری تأثیر مهمی داشته باشد . بارهایی که به  اختلال بطور استاتیک پاسخ می دهند ،‌باید با مدلهای استاتیکی مناسب نمایش داده شود و بارهایی که در پی وقوع اختلال دارای رفتار دینامیکی هستند نیز باید با مدلهای دینامیکی مناسب همراه با پارامترهای صحیح مدل شوند . نشان دادن اهمیت و تأثیر مدل بار و پارامتر های آن روی نتیجه مطالعات پایداری سنکرون اختلال کوچک ، موضوع این پروژه می باشد . به این منظور ، ارتباط متقابل بارو سیستم در پریودهای گذاری ناشی از اختلالهای کوچک مدل می شود. جهت بررسی این ارتباط متقابل به عنوان نمونه دو نوع بار دینامیکی مهم یعنی بار دینامیکی وابسته به ولتاژ و مدل بار موتور القایی معرفی و توابع انتقال این دو نوع بار بدست می آید . همچنین مدل سیستم قدرت تک ماشین به باس بینهایت ارائه و توابع انتقال این سیستم نیز استخراج می گردد . با توجه به اینکه هدف این پروژه بررسی جامع نقش مدل بار و پارامترهای آن و همچنین سایر عوامل توأم همچون شرایط کار سیستم ، نوع بار (حقیقی یا راکتیو) ، کنترل کننده های ژنراتور و محل بار است ، نقش پارامتر های دو مدل بار ذکر شده و همچنین پارامتر ها و شرایط کار سیستم قدرت در میزان میرایی نوسانات مود الکترومکانیکی سیستم قدرت تک ماشین به باس بینهایت بررسی و بانمایش بار به صورت استاتیکی مقایسه می شود. استفاده از انواع روشهای تحلیل پاسخ فرکانسی، شبیه سازی زمانی و بهره برداری از توانایی های هر کدام جهت تکمیل مطلب هدف پایان نامه و تحلیل فیزیکی حاصل شبیه سازی برای سیستم قدرت تک ماشین به باس بینهایت ، از ویژگیهای خاص این پروژه است. به علاوه ،‌نقش دینامیکهای سیستم تحریک ، گاورنر سرعت و توربین در میزان میرایی سیستم تک ماشین مورد بررسی قرار می گیرد .

فصل اول

مقدمه

نوسانات مود الکترومکانیکی پدیده ای ذاتی در سیستمهای قدرت می باشد که عواملی همچون شرایط کار ، مشخصه های بار ، امپدانس خطوط ارتباطی ، میزان انتقال توان الکتریکی از خطوط ، خازنهای سری و تنظیم کننده های ولتاژ در کاهش یا افزایش دامنه این نوسانات موثر هستند. هرگاه اختلالی در سیستم قدرت واقع شود ، این نوسانات ، در نتیجه رفتار دینامیکی سیستم در انتقال از نقطه کار قبل از اختلال به نقطه کار ماندگار پس از اختلال ، حاصل می شوند. نوسانات مود اکترومکانیکی ، مربوط به نوسان رتور ماشین های سنکرون سیستم نسبت به هم می باشد. با توجه به اینکه فرکانس این نوسانات در دامنه 2-1/0 هرتز است ، به آن نوسانات فرکانس پایین گفته می شود. در صورتی که مودهای الکترومکانیکی دارای میرایی کافی باشند، این نوسانات پس از گذشت زمانی کوتاه مستهلک شده و سیستم در نقطه کار ماندگار جدید مستقر می شود. اما در صورت کافی نبودن میرایی ، نوسانات برای مدت زمان طولانی ادامه یافته و یا در صورت میرایی منفی ،‌دامنه نوسانات به تدریج افزایش می یابد که این منجر به از دست رفتن سنکرونیزم سیستم می شود.

یکی از عوامل مهم تضعیف میرایی مودهای الکترومکانیکی سیستم قدرت ، عملکرد تنظیم کننده های اتوماتیک ولتاژ در سیستم های تحریک می باشد. این نوع تنظیم کننده های ولتاژ که امروزه اکثر ژنراتور های سنکرون در سیستمهای مدرن به آن مجهزند ، علیرغم افزایش و بهبود پایداری گذرا ، یکی از عوامل کاهش میرایی این نوسانات هستند.

یک سیستم قدرت وقتی پایدار است که در هنگام بروز اختلال همه ژنراتورهای آن ، گشتاور سنکرون کننده و میرا کننده کافی جهت میرا کردن نوسانات و بازگرداندن رتورها به حالت اولیه را داشته باشند. در غیر انی صورت نوساناتی که به طور مؤثر میرا نمی شوند ممکن است تغییرات سرعت معینی را برای یک ماشین یا یک گروه از ماشینهای موجود در یک نیروگاه که نسبت به بقیه سیستم نوسان می کنند، بوجود آورند . فرکانس این نوع از نوسانات در حدود 2-1 هرتز می باشد که به نوسانات محلی معروفند.

نوع دیگر از نوسانات ، به نوسانات بین ناحیه ای معروفند و در شرایطی رخ می دهند که یک یا چند ماشین در یک قسمت از شبکه نسبت به یک یا چند ماشین در قسمت دیگری از شبکه که از هم فاصله دارند نوسان کننند. فرکانس این نوع از نوسانات در حدود 1-1/0 هرتز می باشد.

وجود نوسانات دائمی در سیستم قدرت از دیدگاه تولید کننده و مصرف کننده یک امر نامطلوب است . بنابراین نوسانات ایجاد شده در سیستم باید به سرعت میرا گردد.

تحلیل پایداری سیستم های قدرت و تعیین میزان میرایی نوسانات و در صورت لزوم بکارگیری کنترل کننده های مناسب جهت افزایش کوپل میرا کننده،‌مستلزم مدل کردن اجزای سیستم قدرت است . یکی از مهمترین اجزای یک سیستم قدرت ، ژنراتورها هستند. از آنجاییکه در گذشته ، مقوله پایداری فقط در ارتباط با سنکرونیزم ماشین های سنکرون مورد بررسی قرار می گرفت ، لذا بیشترین تأکید روی نمایش دقیق ژنراتورها و کنترل کننده های آنها قرار داشت . اهمیت مسئله پایداری ولتاژ و نقشی را که دینامیکهای بار در آن ایفا می کنند مدلسازی بارهای سیستم قدرت را بیش از پیش مورد توجه قرار داده است.

1-1- معرفی مسئله

یک سیستم قدرت بطور پیوسته در معرض تغییرات تصادفی و ناگهانی بارهای موجود  در سیستم است. پاسخ سیستم به این اختلالات کوچک منجربه رفتار دینامیکی آن در طی پریودهای گذرا می شود. تغییر متغیرهای حالت در طی این زمانها باعث تغییر کمیتهای کار در سیستم همچون اندازه و زاویه ولتاژ شین آن می شود. از طرفی تغییر اندازه و زاویه ولتاژ های سیستم باعث تغییر در تقاضای بارهای وابسته به ولتاژ و فرکانس می شود. بنابراین بارهای سیستم قدرت با ایجاد یک مسیر فیدبک در سیستم می توانند رفتار کلی سیستم قدرت را تحت تأثیر قرار دهند . به عبارتی پاسخ سیستم قدرت به تغییرات بار ، تحت تأثیر دو عامل بار و سیستم قرار دارد. بنابراین جهت مطالعه دقیق و پیش بینی رفتار دینامیکی یک سیستم قدرت در ازای تغییرات بار، اجزای سیستم و بار باید به طور مناسب مدلسازی شود. مدلسازی سیستم قدرت و به خصوص مدلسازی ژنراتورها از دیرباز مورد توجه بوده است. ولی مدلسازی بار علیرغم اهمیتی که دارد کمتر مورد توجه قرار گرفته است.

هدف این پروژه آنست که با استفاده از مدل دینامیکی ارائه شده برای بارهای مجتمع و همچنین مدل دینامیکی موتورهای القایی ،‌نقشی را که دینامیکهای بار بر روی میرایی نوسانات الکترومکانیکی سیستم قدرت دارند مورد بررسی قرار دهد.

1-2- مروری بر کارهای انجام شده

اهمیت مدلسازی بارها در مطالعات پایداری سیستمهای قدرت همواره مورد بحث بوده است . از جمله در سال 1981 موسسه EPRI فاز اول پروژه RP849 تحت عنوان "تغیین مشخصه های بار جهت مطالعات پایداری گذرا" را به اتمام رسانید. که به نوبه خود سهم عمده ای در بهبود مدلسازی بار بر عهده داشت. علیرغم پیشرفت عمده ای که پروژه فوق در مدلسازی بار ایجاد نمود، بطور گسترده در صنعت به کار گرفته نشد. دلیل این امر آن بود که نتایج حاصله به راحتی در صنعت قابل اعمال نبود.

به منظور ایجاد راهی مناسب برای مهندسین برق جهت فراهم کردن مدلهای مناسبتر بار در مطالعات پخش بار و پایداری گذرا و رفع نقایص پروژه RP894 در سال 1984 موسسه EPRI به همراه شرکت جنرال الکتریک پروژه RP894-7 را تحت عنوان "مدلسازی بار در مطالعات کامپیوتری پخش بار و پایداری گذرا"به انجام رسانید . در پروژه مذکور یک نرم افزار کامپیوتری به کاربران اجازه می داد با کمترین اطالاعات در مورد ترکیب بارهای سیستم و برای هر سیستم قدرت مفروض ، مدلهای بار مناسب را به کار برند.

انواع مختلف بارها معمولاً به صورت امپدانس ثابت ، جریان ثابت ، توان ثابت و یا ترکیبی از آنها و به عنوان تابعی از ولتاژ شین نمایش داده می شود . دقت اینگونه مدلهای استاتیکی برای برخی مطالعات همواره مورد سوال بوده است. با اهمیت یافتن پایداری ولتاژ و نقش اساسی دینامیکهای بار در آن ،‌مدلسازی بارهای سیستم قدرت بیش از پیش مورد توجه قرار گرفت. به علاوه ، این موضوع باعث شد ایده تأثیر مهم مدل بار در مطالعات پایداری سنکرون نیز تقویت شود.

با استفاده از این ایده که دینامیکهای بار در سیستم قدرت با فراهم کردن یک مسیر فیدبک دارای این قابلیت هستند که میرایی نوسانات ایجاد شده در سیستم را تحت تأثیر قرار دهند ، نقشی را که پارامترهای مدل بار وابسته به ولتاژ بر روی میرایی نوسانات ایجاد شده در سیستم را تحت تأثیر قرار دهند، نقشی را که پارمترهای مدل وابسته به ولتاژ بر روی میرایی نوسانات یک سیستم قدرت تک ماشین دارند مورد بررسی قرار گرفته است. در این مرجع با بکار بردن مدل مرتبه اول بار وابسته به ولتاژ ، توان حقیقی بار به صورت دینامیکی و توان راکتیو بار به صورت استاتیکی مدل شده است. همچنین مدل ماشین سنکرون که در این مرجع از آن استفاده شده است، از مرتبه سوم بوده و سیستم تحریک ، گاورنروتوربین در آن در نظر گرفته نشده است. با بکار بردن مدل مرتبه اول بار وابسته به ولتاژ برای توانهای حقیقی و راکتیو بار ، به بررسی نقش پارامترهای این مدل بر روی میرایی نوسانات الکترومکانیکی یک سیستم چهار ماشینه پرداخته شده است. در این مرجع نیز از مدل مرتبه سوم برای ماشین های سنکرون استفاده شده و تأثیر سیستمهای کنترل ژنراتور بر نتایج حاصل ، مورد بررسی قرار نگرفته است.  با استفاده از مدل بارهای مجتمع به نقش پارامترهای این مدل بر روی میرایی نوسانات الکترومکانیکی یک سیستم قدرت تک ماشینه پرداخته شده است. در این مرجع از مدل مرتبه اول بارهای مجتمع جهت بررسی میرایی نوسانات استفاده شده است. علاوه بر این مدل ، مدلهای دیگری نیز برای بار دینامیکی در مطالعات پایداری پیشنهاد شده است . یکی از مهمترین این مدلها، مدل موتورهای القایی هستند که به وفور در صنعت از آنها استفاده می شد. بارهای موتور القایی بارهایی هستند که توان مصرفی آنها به صورت دینامیکی به دامنه و زاویه ولتاژ ترمینال مربوط می شوند.

نقش بارهای موتور القایی در ناپایداری ولتاژ مورد بررسی قرار گرفته است.

در پروژه حاضر جهت بررسی تأثیر دینامیکهای بار بر روی پایداری اختلال کوچک سیستم قدرت  از مدل بار دینامیکی مرتبه اول وابسته به ولتاژ و مدل موتور القایی که در مراجع مورد توجه قرار گرفته اند  استفاده می شود. مدل بار دینامیکی وابسته به ولتاژ ، مدلی است که برای رفتار دینامیکی بارهای مجتمع معرفی شده است و در بسیاری از مراجع جهت بررسی پایداری ولتاژ و پایداری سنکرون بکار رفته است . از طرفی چون بار عمده بسیاری از صنایع بزرگ ، موتور القایی است،‌در بسیاری از موارد می توان این بارهای بزرگ را بوسیله یک موتور القایی بزرگ مدل نمود . با انتخاب مناسب پارامترهای مدل مرتبه اول از قبیل ثابت زمانی و نماهای ولتاژ می توان انواع مختلف بارهای سیستم که دارای رفتار دینامیکی هستند را مدل نمود . نقش این پارامتر ها در میرایی نوسانات الکترومکانیکی سیستم مورد بررسی قرار خواهد گرفت . کلیه تحلیلها بر روی یک سیستم قدرت تک ماشینه به باس بینهایت انجام خواهد شد. ماشین سنکرون با مدل مرتبه سوم نشان داده شده و خط انتقال بدون تلف فرض می شود. همچنین تأثیر وجود سیستم تحریک ، گاورنر سرعت و توربین نیز به همراه دینامیکهای بار در بررسی میرایی مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

در مدل موتور القایی دو پارامتر ثابت لختی و ثابت زمانی رتور از جمله پارامتر هایی هستند که معمولاً در دینامیک موتورهای القایی نقش به سزایی دارند . بنابراین نقش دو پارامتر مهم نیز در میرایی نوسانات الکترومکانیکی مورد بررسی قرار خواهد گرفت . برای سیستم تک ماشین به باس بینهایت ، سعی بر این است که بطور جامع نقش مدلسازی بار حقیقی و راکتیو (استاتیکی ، دینامیکی و نوع مدل) همراه با نقش پارامترهای سیستم، ‌شرایط کار سیستم و تجهیزات کنترلی ژنراتورها روی پایداری سنکرون اختلال کوچک بررسی شود. جهت تحلیل تأثیر این عوامل از روشهای بررسی مختلف همچون روش پاسخ فرکانسی ، شبیه سازی زمانی استفاده شده و نتایج حاصل مورد تجزیه و تحلیل دقیق فیزیکی قرار می گیرند .