پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد " M.sc "
رشته : برق
گرایش : الکترونیک قدرت
چکیده
پایداری ولتاژ به توانایی سیستم قدرت در حفظ ولتاژ های قابل قبول در کلیه باس های سیستم تحت وضعیت عادی و بعد از وارد شدن اغتشاش، مربوط می باشد. سیستم هنگامی وارد حالت ناپایداری می شود که بروز اغتشاش، افزایش در بار مورد نیاز یا تغییر در موقعیت سیستم موجب کاهش فزاینده و غیر قابل کنترل ولتاژ گردد. عامل اصلی ناپایداری ولتاژ، ناتوانی سیستم قدرت در مواجهه با تقاضا برای توان راکتیو می باشد. ناپایداری ولتاژ عموما در سیستم های با بارگذاری شدید رخ می دهد. وضعیت پایداری ولتاژ سیستم قدرت را می توان با استفاده از شاخص های پایداری ولتاژ بررسی کرد. این شاخص ها که می توانند براساس آنالیزهای استاتیکی و یا مدل های دینامیکی سیستم قدرت باشند، توانایی تعیین باس های بحرانی، ارزیابی پایداری هر خط متصل بین دو باس و یا ارزیابی حاشیه پایداری سیستم را دارا می باشند.ناپایداری ولتاژ اساسا یک پدیده محلی می باشد که ابتدا در ناحیه ضعیف ولتاژ رخ می دهد و سپس به بقیه سیستم گسترش می یابد. بنابراین اگر بتوان وقوع ناپایداری ولتاژ را پیش بینی کرد می توان با اقدامات اصلاحی مناسب از گسترش آن جلوگیری نمود. در این پایان نامه روشی ارائه شده است که توانایی پیش بینی وقوع ناپایداری ولتاژ را دارا می باشد. روش ارائه شده از سه فاکتور اندازه ولتاژ، تغییرات ولتاژ و نرخ تغییرات ولتاژ برای پیش بینی وقوع ناپایداری ولتاژ استفاده می کند. شبیه سازی های صورت گرفته در دو سیستم استاندارد 9 باسه و 39 باسهIEEE نشان دهنده عملکرد مناسب این شاخص در پیش بینی وقوع ناپایداری ولتاژ می باشد. از ویژگی های شاخص ارائه شده می توان به بار محاسباتی کم آن اشاره کرد که آن را برای کاربرد های آنلاین مناسب می سازد.برای مقابله با ناپایداری ولتاژ ابزارهای متفاوتی وجود دارد که برخی از آنها عبارتند از: تغییر سریع ولتاژ مرجع ژنراتورها از طریق حلقه کنترل ولتاژ ژنراتور، سوئیچ بانک های خازنی، ناحیه بندی کنترل شده شبکه با هدف تعادل توان راکتیو تولیدی و مصرفی، وارد مدار کردن واحدهای با زمان راه اندازی کم، کنترل تپ ترانسفورماتور ها اعم از مسدود کردن تپ یا کاهش نقطه تنظیم، باز تقسیم سریع توان بین ژنراتورها و حذف بار. در اکثر مراجع حذف بار به عنوان آخرین راه اما روشی بسیار موثر برای مقابله با ناپایداری معرفی شده است. لازم به ذکر است که با گذشت زمان میزان باری که بایستی حذف شود تا سیستم مجدد به شرایط نرمال باز گردد، افزایش خواهد یافت. لذا تعیین زمان مناسب برای حذف بار یکی از نکات مهم در حذف بار کاهش ولتاژی می باشد. همچنین در این تحقیق الگوریتمی ارائه شده است که با استفاده از شاخص پیشنهادی پیش بینی وقوع ناپایداری ولتاژ، زمان مناسب برای حذف بار را تعیین می کند. شبیه سازی های متعدد نشان دهنده عملکرد مناسب این الگوریتم در تعیین زمان مناسب حذف بار می باشد ]1[.
مقدمه
افزایش تولیدات پراکنده و استفاده روزافزون از تجهیزات الکترونیک قدرت و همچنین انرژی‌های تجدیدپذیر در سالهای آینده نیاز به مطالعه بیشتر را در مورد پایداری ولتاژ و اثر آنها بر سیستمهای قدرت را دوچندان افزایش می‌دهد.
با تغییر ساختار جدیدی که در سالهای اخیر در سیستمهای قدرت پدید آمده و باعث شده است که واحدهای تولیدی ، توان الکتریکی هرچه بیشتری را از خطوط انتقال عبور دهند،بدین ترتیب انتظار می رود شاهد فروپاشی ولتاژ گسترده تر و بیشتر سیستم های قدرت باشیم. برای مثال عبور توان بیش از حد یک خط انتقال باعث افت ولتاژ بیش از حد و کاهش ظرفیت انتقال توان الکتریکی به بخش مشخصی از سیستم قدرت گردد. در سالهای اخیر اغتشاشات بزرگی در سیستمهای قدرت کشورهای مختلف در گوشه و کنار دنیا رخ داده که این کشورها را از نظر اقتصادی، سیاسی و همچنین قضائی درگیر پرونده‌های زیادی کرده است که هنوز در جاهائی جریان دارد.
از آنجائی که کارائی صنعتی و اقتصادی جهان در گرو برق‌رسانی ایمن به صنایع میباشد، لذا هرگونه اختلال در این امر موجب خسارت‌های سنگین اقتصادی برای آن کشورها میباشد. از این‌رو مدیریت کلان و برنامه‌ریزی صنعت برق به سمت و سوی کاهش این پدیده‌ها در حال حرکت است. ناپایداری ولتاژ یکی از مسائل بااهمیت میباشد و مطالعه در مورد آن از سال‌ها قبل احساس شده است. مهندسین و محققین زیادی در این راه قدم برداشته‌اند و امروزه با تغییر در ساختار سیستمهای قدرت نیز این پدیده محسوس‌تر خواهد بود.
در اواخر قرن میلادی گذشته و همچنین اوایل قرن جدید، ناپایداری ولتاژ موجب بروز چند فروپاشی عظیم در شبکه‌های مختلف شده است که نمونه‌هائی از آن در زیر آمده است:
l اغتشاش سیستم فلوریدا در دسامبر 1982
l اغتشاش سیستم سوئد 1983
l اغتشاش سیستم فرانسه 1987
l اغتشاش سیستم ژاپن 1987
در نتیجه امروزه موضوع بعضی از مقالات و تحقیقات در مجامع علمی و کنفرانس‌ها به موضوع پایداری ولتاژ اختصاص یافته است.
اگرچه ممکن است ولتاژ های پایین ناشی از عدم هماهنگی زوایای رتور بین دو گروه از ماشین ها به °180 نزدیک یا از آن بیشتر شود خارج شدن آرام آرام ماشینها از هماهنگی منجر به ولتاژ های بسیار پایین در نقاط میانی شبکه می شود . اما در چنین حالاتی ولتاژ پایین به علت خارج شدن رتورها از هماهنگی نتیجه آن است . سیستم هنگامی وارد ناپایداری می شود که بروز اغتشاش ، افزایش در بار مورد نیاز ، یا تغییر در موقعیت سیستم موجب کاهش فزاینده و غیر قابل کنترل ولتاژ گردد]2[.
1-1 فروپاشی ولتاژ
عامل اصلی ناپایداری ناتوانی سیستم قدرت در مواجها با تقاضا برای توان راکتیو می باشد . در عمل بهره‌برداران سیستمهای قدرت نیاز به یک شاخص سریع و درست برای پایداری ولتاژ دارند تا به آنها برای نظارت و همچنین اتخاذ تصمیمات درست برای جلوگیری از فروپاشی ولتاژ و از دست دادن کل یا بخشی از سیستم قدرت کمک کند.
مسائل مربوط به کنترل و پایداری ولتاژ از دیرباز در صنعت برق وجود داشته‌اند که به طور عمده با سیستمهای ضعیف و خطوط طولانی مربوط بوده. در سالهای اخیر توجه بیشتری به مسأله پایداری ولتاژ سیستمهای قدرت توسعه یافته در شرایط بارگذاری شدید مورد توجه است. از یک سو به دلیل رشد فزاینده مصرف انرژی الکتریکی و از سوی دیگر به دلیل ملاحظات اقتصادی و زیست محیطی، سیاست‌های مدیریتی کلان در صنعت برق دنیا در جهت بهرهبرداری سیستمهای قدرت نزدیکتر به حد مجاز خود میباشد.
تحت چنین شرایطی وقوع ناپایداری ولتاژ در سیستم، محتمل به نظر می‌رسد. این ناپایداری ولتاژ باعث عملکرد ناپایدار سیستم قدرت خواهد شد. در سالهای اخیر، ناپایداری ولتاژ موجب چند فروپاشی عظیم در شبکه‌های قدرت کشورهای مختلف شده که به آنها اشاره شده است.
ناپایداری ولتاژ در سیستمهای قدرت ممکن است بر اثر وقوع یک اغتشاش، کمبود پشتیبانی توان راکتیو سیستم و یا هر دو به وجود آید.
ناپایداری ولتاژ، معمولاً در سیستمهای تحت بارگذاری شدید رخ می دهد. ممکن است فروپاشی ولتاژ دلایل دیگری داشته باشد اما مسئله اصلی ضعف ذاتی سیستم قدرت است. عوامل ذاتی سیستم قدرت است. عوامل اصلی فروپاشی واتاژ عبارتند از: محدودیت های کنترل توان راکتیو یا ولتاژ ژنراتور، مشخصه های بار، مشخصه های وسایل جبران سازی راکتیو، و عمل کرد وسایل کنترل ولتاژ مانند ترانسفورماتورهای دارای تغییر دهنده تپ زیر بار.
هرگاه در یک سیستم قدرت با افزایش تقاضای توان راکتیو مواجه شویم اگر این تقاضای اضافی به کمک ذخیره های توان راکتیو ژنراتورها و جبرانسازها برآورده شود سیستم در یک سطح ولتاژ پادیار استقرار می یابد. اما اگر به علت ترکیب تعدادی از رویدادها در یک زمان و وضعیت سیستم تقاضای توان راکتیو توسط ذخیره سازها و جبران سازها برآورده نشود نهایتاً کاهش ولتاژ در سیستم به فروپاشیدگی ولتاژ تبدیل می شود که خود باعث از کار افتادگی قسمت عمده ای از سیستم یا همه آن خواهد شد]3[ .
چند رویداد فروپاشی ولتاژ در سطح جهان رخ داده است بر اساس این رویدادها فروپاشی ولتاژ را می توان به صورت زیر مشخص نمود.
1 – ممکن است رویداد آغازگر به دلایل مختلفی روی دهد : تغییرات تدریجی کوچک سیستم از قبیل افزایش طبیعی در بار سیستم یا اغتشاش های ناگهانی بزرگ از قبیل از دست دادن یک واحد تولیدی یا یک خط تحت بار شدید . برخی اوقات ممکن است بروز یک اغتشاش اولیه به ظاهر غیر مهم به رویداد های پی در پی منجر شود. که در نهایت موجب فروپاشی سیستم شود.
2 – اصل مسئله ناتوانی سیستم در برآورده کردن تقاضاهای راکتیو خود می باشد . معمولا ، ولی نه همیشه ، فروپاشی ولتاژ مستلزم وضعیتی با خطوط تحت بار شدید است . هنگامی که انتقال توان راکتیو از ناحیه های مجاور مشکل است هر تغییری که مستلزم افزایش توان راکتیو باشد می تواند به فروپاشی ولتاژ منجر شود.
3 – فروپاشی ولتاژ معمولا بصورت یک میرایی کند ولتاژ ظاهر می شود که نتیجه فرایندی تجمعی از عملیات و تداخلهای بسیاری از وسایل کنترلرها ، و سیستم های حفاظتی است. محدوده زمانی فروپاشی در چنین حالاتی ممکن است در حدود چند دقیقه باشد.
البته مدت زمان فروپاشی ولتاژ در برخی موارد ممکن است بسیار کوتاه تر و در حدود چند ثانیه باشد . چنین مواردی معمولا به وسیله مولفه های نامطلوب بار از قبیل موتورهای القایی یا کانورتورهای جریان مستقیم بوجود می آید. محدوده زمانی این رده از ناپایداری ولتاژ همانند ناپایداری زاویه ای رتور است. و جنبه هایی از هردو پدیده وجود داشته باشد. این صورت از ناپایداری ولتاژ را می توان به کمک شبیه سازی های مرسوم پایداری گذرا تحلیل کرد مشروط بر آنکه مدل های مناسبی برای نمایش وسایل بخصوص برای بارهای موتور القایی و کنترلرهای مختلف و حفاظت های همراه با ژنراتورها و وسایل انتقال بکار گرفته شوند.
4 – فروپاشی به شدت تحت تاثیر وضعیت و مشخصه های سیستم قرار دارد.در زیر عوامل اصلی موثر بر ناپایداری و یا فروپاشی ولتاژ آورده شده است :
◘ فاصله زیاد بین تولید و بار
◘ عمل ULTC در طی وضعیت فشار ضعیف
◘ مشخصه های نامطلوب بار
◘ هماهنگی ضعیف ین سیستم های مختلف کنترلی و حفاظتی
5 – مسئله فروپاشی ولتاژ ممکن است با بکار گیری بیش از حد جبرانسازی خازن شنت تشدید شود. لذا می توان با انتخاب عاقلانه مجموعه ای از خازن های شنت سیستم های استاتیکی توان راکتیو و احتمالا کندانسورهای سنکرون ، جبران سازی راکتیو را دارای حداکثر تاثیر نمود.
1 -3 اتفاقات ممکن در هنگام بروز ناپایداری:
ناپایداری ولتاژ اغلب هنگامی رخ می دهد که بروز یک خطا ظرفیت سیستم انتقال یک شبکه قدرت را کاهش می دهند. پس از بروز این خطا، به سرعت بار مصرفی بارهای حساس به ولتاژ افت می کند آنگونه که ولتاژ افت کرد.
این کاهش بارگیری بصورت موقتی باعث می شود که سیستم قدترت پایدار بماند. به هر حال با گذشت زمان توان مصرفی بارها افزایش خواهد یافت چرا که بسیاری از بارها بصورت دستی یا اتئماتیک کنترل میشدند تا بتوانند نیازهای فیزیکی ویژه و تعیین شده ای را برآورده کنند و همچنین نپ ترانسفورماتورهای قدرت به گونه ای تغییر خواهند کرد تا بتوان ولتاژ مورد نیاز را تامین نمود با اینکه ولتاژ در سمت اولیه ترانس (ولتاژ سیستم انتقال) مقدار مطلوب را نداشته باشد و از حد مطلوب پائین تر باشد. از هنگامی که بار به مقدار اولیه خود (قبل از بروز خطا) دست یافت، ممکن است سیستم قدرت وارد مرحله ناپایداری ولتاژ گردد که زمینه فروپاشی ولتاژ نیز هست. در خلال این مرحله بهره برداران (Operators) سیستم قدرت ممکن است کنترل ولتاژ و پخش بار در شبکه را از دست بدهند.
ممکن است توان راکتیو خروجی ژنراتورهای سیستم قدرت کاهش یابد تا از حرارت بیش از حد آنها جلوگیری به عمل آید، این کار باعث میگردد ذخیره توان راکتیو سیستم قدرت کاهش یابد و از دست برود. از طرفی با کاهش یافتن ولتاژ موتورها از حرکت باز می مانند که خود باعث مصرف توان راکتیو بسیاری میگردد که نهایتاً این امر فروپاشی کامل ولتاژ را در پی دارد]4[.
1-4 عوامل بروز فروپاشی ولتاژ در شبکه:
از آنجایی که واحدهای تولیدی در صددذ انتقال توان هرچه بیشتر از خطوط انتقال هستند، وقوع فروپاشی ولتاژ محتمل تر است، چرا که توان راکتیو مصرفی خطهایی که بیش از حد بارگیری شده اند بیشتر است.
تجهیزاتی که بصورت پل به یکدیگر متصل هستند و همچنین موتورهای سرعت ثابت که مقدار مشخصی توان مصرف رمی کنند – حتی در مواقعی که ولتاژ کاهش می یابد – می توانند به طور موثری کاهش بار موقتی و طبیعی را که به سرعت کاهش ولتاژ شبکه رخ داده و می تواعث خروج در سیستم گردد را کاهش دهد. در پی انجام موارد فوق سیستم قدرت بص.رت ناپایدار درخواهد آمد (Whde Less Stable).
تغییر دهنده های تپ بار اثر ناپایدار کننده مشابهی دارند. برای جبران کاهش ولتاژ در اولیه سیستم، آنها با افزایش نسبت سعی در نگهداشتن ولتاژ ثانویه بصورت ثابت خواهد داتش. نتیجتاً ولتاژ در اولیه سیستم در قسمت ثانویه ظاهر نخواهد شد تا زمانی که( LTC (Load Top Changer به حد نهایی خود نرسد. علاوه بر موارد فوق عمل LTC سبب برزو افزایش توان راکتیو مصرفی در اولیه یم گردد، که باعث ناپایداری ولتاژ اولیه سیستم میگردد.
ادوات FACTS مانند SVCها و STAT COM ها می توانند از ظرفیت انتقال توان را با تامین ولتاژ بصورت اکتیو افزایش دهند اما فقط برای یک نقطه. در انتهای رنج کاری، یک تجهیز FACTS بطور ناگهانی توانایی خود را در کنترل از دست می دهد و بصورت یک تجهیز ثابت عمل می کند. توان راکتیو خروجی از یک خازن ثابت با کاهش ولتاژ نیز کم می شود (معمولاً با توان دوم ولتاژ). بدون کنترل ولتاژ راکتیو، ولتاژ خط پایدار باقی نمی ماند یا اینکه به نقطه ای که فروپاشی ولتاژ در آن رخ می دهد نزدیکتر می گردد نسبت به موقعی که کنترل ولتاژ اکتیو صورت می گرفت[7].
به عبارت ساده تر، یک فروپاشی ولتاژ هنگامی رخ می دهد که مقدار توان راکتیو قابل کنترل کافی وجود ندارد و در دسترس نیست تا بتوان توان راکتیو مورد نیاز سیستم قدرت و مصرف کننده را تامین نمود. اگر این نقصان در توان راکتیو به اندازه کافی بزرگ باشد، ولتاژ سیستم کاهش خواهد یافت تا سطحی که برگشت به حالت اولیه غیرممکن گردد.
یک عامل محرک یا آغازگر مورد نیاز است تا فروپاشی ولتاژ واقع گردد. برای مثال ممکن است یک خط انتقال که نقش کلیدی در شبکه ایفا می کند ممکن است به علت برزو خطا از سرویس خارج گردد. از آنجایی که خطوط باقی مانده سعی در انتقال و جبران توان اکتیو و راکتیو مورد نیاز دارند، کمبود توان راکتیو بیشتر شده و ولتاژ سطح پایینتری را به خود اختصاص می دهد. همچنان که کمبود توان راکتیو افزایش یابد، کاهش سطح ولتاژ بیشتر شده و خطوط بیشتری شامل خطا میشوند. در این شرایط بروز فروپاشی ولتاژ ناحیه ای یا کلی امری طبیعی است.
1 -5 انواع مختلفی از فروپاشی ولتاژ:
1 -5-1 فروپاشی ولتاژ در درازمدت:
این نوع فروپاشی هنگامی رخ می دهد که ژنراتورها و تولید کننده های توان الکتریکی از منابع بار بسیار دور هستند و خطوط انتقال به میزان زیاد بارگیری میشدند و سیستم نمی تواند ولتاژ قابل قبول را در منابع بار ارایه دهد. هنگامی که سیستم نمی تواند مقدار کافی توان راکتیو به منطقه بار انتقال دهد، برای مثال، وقتی با کاهش تولید با انتقال مواجه هستیم فروپاشی ولتاژ می تواند حادث گردد. ممکن است بروز این فروپاشی ولتاژ از چند دقیقه تا چند ساعت به طول بینجامد.
1 -5-2 فروپاشی ولتاژ کلاسیک:
این مورد هنگامی رخ می دهد که در یک سیستم قدرت بهم پیوسته با تولید پراکنده یک خطا باعث جدا شدن سیستم گردد و سیستم قدرت دارای ذخیره توان راکتیو کافی نباشد تا بتواند نیازهای سیستم و بار مصرف کنندگان را تامین کند. هر چقدر کمبود توان راکتیو بیشتر باشد کاهش ولتاژ نیز بیشتر خواهد بود. نهایتاً ولتاژ به نقطه ای می رسد که بازگشت به حالت اولیه امکان پذیر نمی باشد و سیستم دچار فروپاشی میگردد. این واقعه می تواند بین 1 تا 5 دقیقه بعد از بروز خطا رخ دهد.
Abstract
Voltage stability is concerned to the power system to maintain acceptable voltages at all buses in the system under normal condition and after entering into anarchy. Turbulence occurs when the system enters an unstable state, an increase in the time required to change the voltage of the system is to reduce the growing and uncontrollable. The main cause of voltage instability, inability to meet the demand for reactive power is the power system. Voltage instability generally occurs in systems with heavy load. Voltage stability of the power system can be assessed using indicators. The indicators that are based on static analysis and dynamic model of the power system, the ability to determine the critical bass, sustainability assessment or evaluation of any line connected between bus and have the system stability margin. Voltage instability is essentially a local phenomenon that occurs primarily in the area of low voltage and then spreads to the rest of the system So if the voltage instability can be predicted we can try to prevent its spread with reasonable corrective measures. In this thesis a method is presented which is able to predict the occurrence of voltage instability. The proposed method consists of three voltage scale factor, and the rate of change of voltage changes, voltage to voltage instability prediction uses. Simulations were carried out on two standard 9-bus system and IEEE 39-bus indicates proper performance of the index is to predict the occurrence of voltage instability. The characteristics of the proposed index can be used to reduce the computational time, which makes it suitable for online application. Voltage instability is to deal with different tools, some of which include: Rapid change of the reference voltage generator through the generator voltage control loop, switch capacitor banks, zoning control network aims to balance production and consumption of reactive power, units with low startup circuit, the control pulse transformer tap either blocking or reducing the set point, the rapid division of power between the generator and remove the load. In most references, Remove load is the last time, but very effective way and introduced to deal with instability. It should be noted that, over time, the amount of time that must be removed to return the system back to normal operating conditions, will increase. So the best time to remove once one of the most important is the low voltage load shedding. Also, the proposed algorithm is proposed to predict the occurrence of voltage instability using indicators, to determine the appropriate time for removal of the load. Several simulations show the good performance of this