پایان نامه کنترل بار – فرکانس سیستم های قدرت و تشخیص قطعی در شبکه اصلی بوسیله پایش نوسانات سیگنال ورودی به گاورنر
مقدمه:
هدف اصلي کنترل سيستم قدرت عبارت است از توليد توان الکتريکي و يک سيستم به هم پيوسته به صورتي که تا حد امکان قابل اطمينان و اقتصادي باشد و در عين حال ولتاژ ها و فرکانس در درون حدود مجاز قرار گرفته باشند. قدرت اكتيو هنگام نياز بايد توليد شود و چون مصرف بارها در ساعات مختلف شبانهروز تغيير مينمايد، لذا قدرت توليدي ژنراتورها نيز بايد كنترل گردد. قدرت خروجي يك ژنراتور با تغيير دادن قدرت مكانيكي ورودي آن كنترل ميشود. براي اين كار با باز كردن يا بستن شير بخار و يا دريچة آب، جريان بخار يا آب روي توربين تنظيم شده و باعث كنترل قدرت مكانيكي و در نتيجه قدرت اكتيو خروجي ژنراتور ميگردد. اگر قدرت مصرفي بار افزايش يابد، بايد شير بخار و يا دريچة آب بيشتر باز شود كه به همان ميزان قدرت توليدي ژنراتور افزايش داده شود، و چنانچه قدرت مصرفي بار كاهش يابد، بايد شير بخار و يا دريچة آب تا حدي بسته شود كه بهمان ميزان باعث كاهش قدرت توليدي ژنراتور شده و در نتيجه توازن قدرت اكتيو برقرار گردد.
عدم توازن قدرت، از تأثير آن بر سرعت ويا فركانس ژنراتور حس ميشود. در صورت كاهش بار و اضافه بودن توليد، ژنراتور تمايل به افزايش سرعت و فركانس خود دارد. و در صورت افزايش بار و كمبود توليد، سرعت و فركانس ژنراتور رو به كاهش ميرود. انحراف فركانس از مقدار نامي آن به عنوان سيگنالي جهت تحريك سيستم كنترل خودکار انتخاب ميشود. توازن قدرت اكتيو بمنزلة ثابت بودن فركانس سيستم است كه اين موضوع به نوبة خود داراي اهميت فراواني ميباشد. قدرت اكتيو، زاوية قدرت δ و فركانس در يك كانال كنترل ميشوند كه آنرا كانال كنترل PF[1] ، قدرت فركانس ، و يا مگاوات- فركانس ميناميم. سيستم كنترل مربوطه نيز به سيستم كنترل خودکار بار- فركانس، [2] LFC ،معروف است. حلقة كنترل LFC فقط به تغييرات كمدامنه و آرام بار و فركانس پاسخ ميدهد و در شرايط اضطراري و عدم توازن قدرت ناشي از آن قادر به كنترل نميباشد. كنترل سيستم در شرايط اضطراري و تغييرات ناگهاني با مطالعة پايداري گذرا و حفاظت سيستمها مورد بررسي قرار ميگيرد.
تغيير در توان حقيقي عمدتا بر روي فرکانس سيستم تاثير مي گذارد در حالي که توان راکتيو حساسيت کمي به فرکانس دارد و بطور عمده به تغييرات اندازه ولتاژ وابسته است. بنابراين توان حقيقي و راکتيو به صورت جداگانه کنترل مي شوند. حلقه کنترل بار فرکانس LFC ، توان حقيقي و فرکانس را کنترل مي کند و حلقه تنظيم خود کار ولتاژ [3]AVR ، نيز توان راکتيو و اندازه ولتاژ را تنظيم مي کند. با رشد روز افزون سيستم هاي قدرت بهم پيوسته، کنترل بار فرکانس، اهميت بيشتري پيدا نموده است و با بهره گيري از روش هاي جديد، بهره برداري از اين سيستم ها را مقدور ساخته است. و هم اکنون نيز پايه بسياري از مفاهيم پيشرفته براي کنترل سيستم هاي بزرگ است.
به منظور عملکرد رضايت بخش يک سيستم قدرت ثبات فرکانس امري الزامي است، چرا که کنترل نسبتا دقيق فرکانس ثبات سرعت موتورهاي سنکرون و القايي را به دنبال دارد و تثبيت سرعت بارهاي موتوري، به طور ويژه در عملکرد رضايت بخش واحدهاي توليد اهميت دارد زيرا اين واحدها به شدت به عملکرد تمامي محرک هاي جنبي مربوط به سوخت، آب و سيستم هاي تغذيه هواي احتراق وابسته اند.
همچنين در يک شبکه ممکن است افت زياد فرکانس منجر به ايجاد جريان هاي شديد مغناطيسي در موتورهاي القايي و ترانسفورماتورها شود و صدمات جبران ناپذيري وارد نمايد از طرفي استفاده وسيع از ساعت هاي الکتريکي سنکرون و استفاده از فرکانس براي ساير مصارف زمان سنجي، نيازمند نگهداري و حفظ دقيق زمان سنکرون است که با انتگرال فرکانس متناسب است در نتيجه نه تنها فرکانس، بلکه انتگرال آن نيز بايد تنظيم و کنترل شود. ثبات فرکانس يک سيستم قدرت بستگي به تعادل توان حقيقي دارد واز آنجا که فرکانس عامل مشترکي در سرتاسر سيستم است، هر تغييري در تقاضاي توان حقيقي يک نقطه به شکل تغيير فرکانس در سرتاسر سيستم منعکس مي شود.و نظر به اينکه توان مورد نياز يک سيستم قدرت بزرگ، توسط تعداد زيادي ژنراتور تامين مي شود بايد تغيير توان مورد تقاضا را بين واحدها تقسيم نمود. البته تقسيم بار بين ژنراتورها و کنترل اوليه سرعت توسط گاورنرهاي نصب شده بر روي ژنراتورها صورت مي پذيرد، ليکن جهت تنظيم دقيق فرکانس در مقدار نامي، نياز به يک کنترل تکميلي مي باشد که بايد در يک مرکز کنترل اصلي انجام شود. مراکز مدرن کنترل انرژي [4]ECC که با شبکه هاي رايانه اي به هنگام تجهيز شده اند، پردازش اطلاعات و کنترل را توسط اخذ داده از واحدهاي دور، تحت عنوان سيستم SCADA انجام مي دهند. روش هاي ارائه شده براي کنترل ژنراتورهاي مجزا و نهايتا کنترل سيستم هاي به هم پيوسته بزرگ نقش حياتي در مراکز مدرن کنترل انرژي ايفا مي نمايند. در همين راستا تاکنون تحقيقات زيادي در اين خصوص صورت گرفته است. در يک سيستم قدرت بهم پيوسته تجهيزات کنترل بار فرکانس و کنترل خودکار ولتاژ بر روي هر ژنراتور نصب مي شود. شکل شماتيک حلقه کنترل بار فرکانس و حلقه تنظيم خودکار ولتاژ يک ژنراتور را نشان مي دهد.
کنترل کننده ها براي کار تحت شرايط مشخصي تنظيم شده اند و در مقابل تغييرات کوچک بار ، ولتاژ و فرکانس را کنترل مي نمايند. تغييرات کوچک در توان حقيقي عمدتا بستگي به تغيير در زاويه روتورها و به تبع آن فرکانس دارد. توان راکتيو نيز وابسته به اندازه ولتاژ ( يا به عبارتي تحريک ژنراتور ) است. بنابراين با توجه به اينکه تزويج بين حلقه AVRو LFC ناچيز است وهمچنين ثابت زماني سيستم تحريک بسيار کوچکتر از ثابت زماني محرک ژنراتور ( عمدتا توربين ها) مي باشد ، حالت گذراي آن بسيار سريعتر ازآن است که بر روي ديناميک LFC تاثير بگذارد. لذا عموما کنترل بار فرکانس و کنترل تحريک به صورت جداگانه مورد بررسي واقع مي شوند.
اهداف عمده کنترل بار فرکانس عبارتند از حفظ فرکانس به صورت يکنواخت، تقسيم بار سيستم بين ژنراتورها به نحو مطلوب و ترجيحا اقتصادي وتنظيم توان مبادله شده ازخطوط ارتباطي در مقادير برنامه ريزي شده. در واقع مي بايد تغيير ايجاد شده در فرکانس سيستم و توان حقيقي خطوط ارتباطي توسط تغيير توليد از بين برود. سيگنال هاي خط يا به عبارتي تقويت شده و ترکيب مي گردد و سپس به سيگنال فرمان حقيقي تبديل مي شوند که بايد به محرک اوليه فرستاده شود تا موجب تغيير توان ورودي به نحو مطلوب گردد. بنابراين محرک واحد نيز توان خروجي خودرا به مقدار تغيير خواهد داد و باعث مي شود که تا حد مورد نظر ناچيز شوند. در اينجا دو نمونه از سيستم هاي كنترل خودکار بار- فركانس را مورد بحث و بررسي قرار خواهيم داد كه طراحي سيستم كنترلي آنها بر مبناي تئوري كنترل بهينه ميباشد. براي هر سيستم كنترل معمولاً پايداري مهمترين چيزي است كه بايد مشخص شود. اگر سيستم خطي و مستقل از زمان باشد، معيارهاي پايداري مختلفي وجود دارد، كه از ميان آنها ميتوان معيار پايداري نايكوييست و معيار پايداري روث را نام برد. ولي براي سيستم غيرخطي، يا خطي و متغير بازمان اين معيارها قابل اعمال نيستند. ما در اينجا روش دوم لياپانوف را (كه روش مستقيم لياپانوف خوانده ميشود) استفاده خواهيم كرد. اين روش عام ترين روش تعيين پايداري سيستمهاي غيرخطي و يا متغير با زمان است. صد البته ميتوان اين روش را براي تحليل پايداري سيستمهاي خطي و مستقل از زمان نيز به كار برد. هچنين در حل مسائل كنترل بهينة درجه دوم كه مورد بحث ما ميباشد، نيز روش دوم به كار ميآيد. در ابتدا اصول اساسي كنترل بهينة درجه دو را مطرح خواهيم كرد و در ادامه به بررسي دو نمونه سيستم كنترل فركانس- بار خواهيم پرداخت كه در طراحي آنها از كنترل بهينه بهره گرفته شدهاست.
دراين پايان نامه پس از معرفي مدل رياضي مناسب براي هر يک از قسمت هاي سيستم و استخراج معادلات حالت در فصل اول،با معرفي کنترل بهينه درجه دو و معادله ريکاتي در فصل دوم ، يک کنترل کننده مقاوم بر اساس بحث رابطه ريکاتي در فصل سوم، معرفي مي شود.قسمت اصلي اين پروژه يک بحث کامل در مورد روش کنترل بهينه براي کنترل بار فرکانس سيستم هاي قدرت در فصل چهارم است. در اين قسمت ابتدا ، طرح LFC معمول ، سپس طرح LFC پيشنهادي به وسيله کنترل کنندهPID اصلاح يافته معرفي مي شود. همچنين در پايان مشکل نويز در طرح LFC و آناليز کنترل انرژي اضافي نيز مورد بررسي قرار مي گيرد.
اولين مرحله در تحليل و طراحي يک سيستم کنترل ارائه مدل رياضي مناسب براي سيستم است. دو روش که اغلب مورد استفاده واقع مي شوند عبارتند از: روش تابع انتقال و روش متغير حالت. روش متغير حالت مي تواند هم براي سيستم هاي خطي وهم غير خطي مورد استفاده قرار گيرد. جهت استفاده از تابع انتقال و معادلات حالت خطي بايد معادلات سيستم حول نقطه کار خطي شوند. در اين فصل ابتدا سيستم را با روش تابع انتقال مدل و مطالعه مي کنيم و سپس با استفاده از آن معادلات حالت را استخراج مي نمائيم.
دراين قسمت ابتدا با در نظر گرفتن فرضيات و تقريب هاي مناسب ژنراتور منفردي كه يک ناحيه برق رساني محلي را تغذيه مي کند، مدل مي کنيم و سپس بررسي خود را به چندين ژنراتور که همگي قسمتي از يک ناحيه مي باشند، گسترش خواهيم داد و آن گاه اتصال نواحي قدرت به يکديگر را نيز مطالعه خواهيم نمود.
1-2 : مدل ژنراتور
معادله نوسان يک ماشين سنکرون، به ازاي اغتشاش کوچک عبارت است از:
(1-2)
که در آن H ثابت اينرسي ماشين در قدرت مبناي سيستم است و از رابطه ي (2-2) به دست مي آيد. به ترتيب تجهيزات توان مکانيکي ورودي و توان الکتريکي خروجي ژنراتور،وات مي باشد. زاويه قدرت بر حسب راديان الکتريکي و نيز سرعت زاويه اي بر حسب راديان الکتريکي بر ثانيه است. معادله (1-2) به ازاي انحراف کوچک در سرعت به صورت معادله(2-2) نوشته مي شود:
(2-2)
و با قرار دادن فرکانس به جاي سرعت زاويه اي داريم:
(3-2)
که در آن فرکانس نامي سيستم بر حسب مي باشد. با گرفتن تبديل لاپلاس از دو طرف رابطه بالا می توان نتيجه را به صورت نمایش بلوکی زیر نشان داد :
شکل 1-2 نمايش بلوکي ژنراتور
2-2 : مدل بار
بار يک سيستم قدرت در برگيرنده طيف وسيعي از ادوات الکتريکي براي بارهاي مقاومتي از قبيل بارهاي روشناي و گرمايي توان الکتريکي مستقل از فرکانس مي باشد. اما بارهاي موتوري به تغيير در فرکانس حساس مي باشند و اين که چقدر به فرکانس حساسيت دارند، بستگي به ترکيب مشخصه هاي بار و سرعت همگي آنها دارد. که تغييرات بار غير حساس به فرکانس است و ، تغييرات بار حساس به فرکانس را نشان مي دهد . D نيز مطابق رابطه (4-2) تعريف مي شود:
(4-2)
با فرض اين که نسبت به فرکانس به صورت خطي تغيير مي کند، D برابر است با درصد تغيير در بار نسبت به درصد تغيير در فرکانس. براي مثال اگر بار به ازاي يک درصد تغيير در فرکانس، 6/1 درصد تغيير کند، D مساوي 6/1خواهد بود. به انضمام مدل بار، به نمايش بلوکي ژنراتور و حذف شاخه ي پس خور، به نمايش بلوکي نشان داده شده در شکل 2-2 مي رسيم.
شکل 2-2 نمايش بلوکي بار و ژنراتور
3-2 : مدل محرک
منبع توان مکانيکي که عموما تحت عنوان محرک اوليه شناخته مي شود مي تواند توربين هاي آبي نصب شده در آبشار ها و رودخانه ها باشد و يا توربين هاي بخاركه انرژي آنها از طريق سوزاندان زغال گاز و يا سوخت هسته اي تامين مي گردد، همچنين ممکن است از توربين هاي گازي استفاده شود. مدل توربين بايد تغييرات توان مکانيکي خروجي را به تغيير موقعيت شير بخار مرتبط نمايد. توربين هاي مختلف از نظر مشخصات بسيار متنوع اند. ساده ترين مدل محرک اوليه مدل توربين بخار بدون پيش گرمايش است که سيستمي از درجه يک با ثابت زماني مي باشد و به صورت تابع انتقال زير نشان داده مي شود.
(5-2)
ثابت زماني در حدودS 3/0 تا S 2 مي باشد تابع تبديل انواع ديگر توربين ها بسيار پيچيده ترند. نمايش بلوکي يک توربين ساده در شکل 3-2 ارائه گرديده است.
شکل 3-2 نمايش بلوکي يک توربين بخار ساده
4-2 : مدل گاورنر سرعت
هنگامي که بار الکتريکي ژنراتور به طور ناگهاني افزايش مي يابد توان الكتريكي بيشتر از توان مکانيکي ورودي خواهد شد و اين کمبود توان مکانيکي توسط انرژي جنبشي ذخيره شده در سيستم دوار رتور جبران خواهد شد ، اما کاهش انرژي جنبشي منجر به کاهش سرعت توربين و به تبع آن کاهش فرکانس ژنراتور خواهد شد. تغيير سرعت توسط گاورنر توربين حس خواهد شد و گاورنر دريچه ورودي توربين را طوري تنظيم مي کند که توان مکانيکي خروجي توربين به مقدار کافي افزايش پيدا نمايد ، تا سرعت به يک حالت دائمي جديد برسد. ابتدايي ترين گاورنرها که به گاورنر وات معروفند سرعت ژنراتور را توسط گوي هاي چرخان حس مي نمايند و به ازاي تغيير سرعت يک جابجايي مکانيکي ايجاد مي نمايند. اگر چه امروزه گاورنرهاي پيشرفته که اکثرا جهت حس کردن تغييرات سرعت از ادوات الکترونيکي استفاده مي کنند ، موجود مي باشند اما گاورنر فوق همچنان در بسياري از سيستم هاي قدرت به کار برده مي شود. به طور کلي يک سيستم گاورنر در برگيرنده قسمت هاي اصلي زير مي باشد
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.