بررسی و ارزیابی شاخص L به منظور پایداری ولتاژ در سیستم های قدرت- …

بنابر این مطالعه سیستم قدرت در شرایط اتصال کوتاه برای حفاظت سیستم و تعیین مقادیر نامی کلیدهای قدرت در رله ها و وسایل حفاظتی و برق گیرها کاملا ضروری می باشد.
بسیاری از اتصال کوتاه ها موقتی بوده و بخودی خود برطرف می گردند. به همین منظور در عمل در بعضی نقاط سیستم از کلیدهای وصل مجدد استفاده می گردد. این کلیدها پس از وقوع اتصال کوتاه یک یا دوبار و یا بیشتر وصل می شوند تا از برطرف شدن اتصال کوتاه مطمئن شوند اگر پس از یک ، دو یا چند باروصل مجدد هنوز اتصال کوتاه برقرار باشد کلید به طور دائمی بازخواهند ماند. زمان کلی عمل این کلیدها ممکن است تا یک ثانیه نیز بطول انجامد.
اتصال کوتاه متقارن باعث می شود تا ظرفیت انتقال توان یک خط به سرعت صفر برسد، اتصال کوتاههای دوفاز باهم و زمین تکفاز بازمین باعث از کارافتادن خط خواهد شد.
اتصال کوتاه هایی که در سیستم روی می دهند نه تنها باعث قطع کامل شارژ انرژی ، باعث افزایش انرژی در بخشهایی از سیستم می شوند. بلکه دامنه خود آنها ممکن است به مراتب بیشتر از جریان نامی ژنراتورها و ترانسفورماتورهای سیستم باشد. که تداوم شارژ چنین جریانهایی باعث بالارفتن دمای تجهیزات و آسیب رساندن به سیستم قدرت وتجهیزات و ژنراتورها می‌باشد.
ج) حالتهای گذرای کند ( پایداری در شرایط گذرا)
یک اتصال کوتاه باعث فروپاشی ولتاژهای باس سیستم است. با کاهش ناگهانی ولتاژهای ژنراتور توان خروجی آن بی آن نیز به سرعت کاهش می یابد. چون در لحظاتی پیش از آنکه کنترل کننده های مکانیکی توربین وارد عمل شوند. توان ورودی به ژنراتور ثابت میماند. در نتیجه هر کدام از ژنراتورها در معرض یک گشتاور شتاب دهنده واقع می شوند که در صورت تداوم میتواند به خطرناک ترین حالتهای گذاری یک سیستم قدرت یعنی نوسانات مکانیکی روتور ماشین سنکرون منجر می شود (SSR) که چنین اتفاقی باعث خاموشی بخشی از سیستم قدرت یا تمامی آن می‌شود.
مطالعه بهنگام و سریع حالت گذرای سیستم‌های قدرت یکی از وظایف ضروری مراکز کنترل شبکه می‌باشد تا در صورت پدید آمدن اغتشاش‌هایی همچون اتصال کوتاه، باز شدن خط، قطع ناگهانی تولید و … ضمن بررسی پایداری گذرای سیستم راه حل مناسب جهت جلوگیری از ناپایداری آنرا ارائه داده و بدین وسیله قابلیت اطمینان سیستم را افزایش دهد. همچنین این مطالعه می‌تواند ابزار مناسبی برای طراحی شبکه‌های پایدارتر و مطمئن‌تر باشد. روش‌های معمول مطالعه پایداری گذرا پس از بدست آوردن مدل ریاضی سیستم در حالت گذرا که یک دستگاه معادلات دیفرانسیل بشدت غیرخطی، تزویج شده و با ابعاد بزرگ می‌باشد به حل عددی آن پرداخته و پس از تجزیه و تحلیل نتایج آن پایداری گذرای سیستم را تشخیص می‌دهد. این روش برای سیستم‌های قدرت واقعی اتلاف وقت زیادی را در بر دارد بطوریکه رسیدن به اهداف فوق را غیرممکن می‌سازد. بدین علت سعی بر آن است از روش‌هایی استفاده شود که بدون نیاز به حل معادلات مربوطه، مستقیما، پایداری سیستم را تشخیص دهد. یکی از این روشها که براساس تئوری پایداری سیستم‌های غیرخطی شکل گرفته است ، روش تابع انرژی می‌باشد. این روش پس از تعیین یک تابع انرژی مناسب که انرژی گذرای سیستم را بخوبی توصیف می‌کند به محاسبه تابع در لحظه برطرف شدن اغتشاش در شبکه می‌پردازد تا بدین وسیله مقدار انرژی تزریق شده به شبکه در حین اغتشاش را بدست آورد. حال چنانچه مقدار این انرژی از حد معینی که انرژی بحرانی نامیده می‌شود کمتر باشد حالتهای سیستم درون ناحیه پایداری یا دامنه جذب نقطه تعادل پایدار پس از اغتشاش قرار داشته و سیستم بصورت مجانبی پایدار می‌باشد و پس از طی شدن حالت گذرا به نقطه تعادل پایدار پس از اغتشاش نشست خواهد کرد ولی آنچه انرژی تزریق شده به شبکه در حین اغتشاش بیش از انرژی بحرانی باشد سیستم ناپایدار خواهد شد. تا این حد روش تابع انرژی بسیار سریع و موفق می‌باشد ولی قسمتی که هنوز تحقیق بیشتری را می‌طلبد تعیین انرژی بحرانی سیستم می‌باشد. انرژی بحرانی سیستم در واقع مقدار تابع انرژی سیستم در نقطه تعادل ناپایدار کنترل کننده (Controlling Unstable Equilibrium Point) سیستم پس از اغتشاش می‌باشد. روشهای مستقیم محاسبه این نقطه تعادل (مثل روش نیوتن رافسن) اگر چه سریع هستند ولی قدرت همگرایی خوبی ندارند و روش‌های غیرمستقیم که در واقع تکنیک‌های حداقل‌یابی می‌باشند (همچون تکنیک حداقل‌یابی نیوتن) اگر چه دارای قدرت همگرایی مناسبی هستند ولی نسبتا” وقت‌گیر می‌باشند. در این پایان نامه استفاده از روش تک خطی کردن معادلات جهت محاسبه نقاط تعادل سیستم قدرت پیشنهاد شده است که دارای قدرت همگرایی خوب و سرعت مناسب می‌باشد. استفاده از روش تابع انرژی منحصر به تشخیص مستقیم پایداری گذرا نمی‌شود بلکه از آن می‌توان جهت یافتن ماشین‌های همسان (Coherent) در سیستم قدرت استفاده نموده و پس از شناسائی دقیق دسته ماشین‌های همسان، هر یک را با ماشین معادل مربوطه جایگزین نمود. بدین ترتیب ابعاد سیستم قدرت در مطالعات دینامیکی، بطور مؤثری کاسته شد و زمان و حجم حافظه کمتری در شبیه سازی مربوطه استفاده خواهد شد.
تحلیل مسایل مهندسی در ابعاد بزرگ و پیچیده بسیار فراتر از توانایی انسان است.بسیاری از مسایل مهندسی در عمل در گروهی قرار میگیرند که نمی توان برای آنها راه حل تحلیلی بدست آورد.یک چنین مشکلی باعث گردید که کامپیوتر و تکنیک های عددی بعنوان یک ابزار قوی محاسباتی راه خود را دربررسی مسایل مهندسی باز کنند[۵].
پیشرفت بسیار سریع در سرعت کامپیوترها که منجر به افزایش سرعت محاسبات شده است باعث گردید که آنالیز عددی نقش مهمی در شبیه سازی مدلهای عناصر قدرت در حالت گذرا پیدا نمایند. در حقیقت بکارگیری و اعمال مؤثر تکنیکهای عددی در برنامه های کامپیوتری ما را قادر ساخت مسائلی را که قبلأ حل آنها امکان پذیر نبود بتوان با دقت بسیار بالایی حل نمود. یکی از مسایل عمده مهندسی قدرت که اینگونه پیشرفتها به حل و بررسی آن بسیار کمک نمود مطالعه حالت گذرا در شبکه های قدرت بود.در این میان با توجه به وجود عناصر غیر خطی و تاثیر آنها در مقادیر ولتاژ و جریان در شبکه های الکتریکی از آنالیز حوزه زمان بجای حوزه فرکانس استفاده می شود.
آنالیز هر مسئله در مهندسی برق در حالت گذرا و بخصوص در گرایش قدرت در ابعاد بزرگ با مدلسازی عناصر قدرت شروع میگردد. مدل هرعنصر الکتریکی در حوزه زمان معمولأ شامل یک دسته معادله دیفرانسیل است که درآن متغییر مستقل زمان و متغییر وابسته یک پارامتر فیزیکی مانند ولتاژ،جریان ،توان و یا انرژی است.
بسیاری از افرادی که با بررسی حالت گذرا در شبکه های قدرت رودررو هستند به تنوع روشهای حل معادلات دیفرانسیل آگاه هستند وجود چنین تنوع بزرگی از روشها که هر کدام دارای مزایا و معایبی نسبت به یکدیگر می باشند باعث ایجاد سر در گمی در انتخاب روش مناسب میگردد. در این گزارش روشن سازی بعضی از مزایا و معایب روشها ما را در تهیه برنامه ای عمومی که قادر به شبیه سازی هر شبکه الکتریکی ( تمامی تجهیزات در یک پست ) باشد یاری می رساند.در حقیقت هدف اصلی ایجاد یکسری قواعد برای انتخاب روش حل است. چون عمده تجهیزات در سیستمهای قدرت بصورت خطی رفتار میکنند تاکید اصلی بر حل شبکه در حالت خطی میباشد لیکن چگونکی حل سیستم با وجود عناصرغیر خطی نیز مورد توجه قرار خواهد گرفت که در گزارشهای بعدی عناصر غیر خطی و روش حل در سیستمهایی که عناصر غیر خطی مانند برقگیر یا منحنی اشباع ترانسفورماتور لازم است شبیه سازی گردند مورد توجه قرار می گیرند.
همچنان که مشخص است تحلیل شبکه‌های قدرت می‌تواند در دو حالت مختلف صورت گیرد. یکی در حالت مانا و دیگری در حالت گذرا . در تحلیل حالت مانا فرض براین است که سیستم به حالت دائمی خود رسیده است اما در حالت گذرا همانطوری که از نام آن پیداست به تحلیل لحظه به لحظه پارامترها در حوزه زمان پرداخته می‌شود.
همانطور که مشخص است پدیده حالت گذرا یکی از مسائل مهم در سیستم‌های قدرت می باشد، چراکه ممکن است بروز یک حالت گذرا نهایتاً منجر به اضافه ولتاژهایی گردد که بر روی تجهیزات بخصوص تجهیزات نصب شده در پستها تاثیر نامطلوبی بگذارد و یا باعث آسیب‌های جدی در دیگر تجهیزات گردد. در این راستا شبیه سازی این حالتهای گذرا می‌تواند کمک بسیار بزرگی در تحلیل شبکه‌های قدرت و مبحث هماهنگی عایقی در پستها باشد.
از سوی دیگر برای تحلیل حالات گذرا می‌بایستی مدل دقیق عناصر استفاده گردد در حالی که در تحلیل حالت مانا بسیاری از عناصر با مدل ساده شده جایگزین می‌گردند.
بسیاری از نرم افزارهای موجوددر شبکه براساس نیاز شبکه های قدرت معمولا به بررسی حالات پایدار می‌پردازند که از آن جمله می‌توان به نرم افزارهای پخش بار ( Load flow) اشاره کرد در حالیکه نرم افزارهای موجود برای شبیه سازی سیستمهای قدرت در حالت گذرا اندک می باشند .
یکی ازنرم افزارهای بسیار کارآمد در حل حالات گذرا نرم افزار EMTP می‌باشد. این نرم افزار با دقت بسیار بالا قادر به شبیه سازی حالات گذرا می باشد، اما این نرم افزار جعبه ابزاری جهت محاسبه استفاده از بانکهای اطلاعاتی و نیز حل تکراری در مبحث هماهنگی عایقی پستها را ندارد. به همین دلیل لازم است برنامه ای با تاکید بر امکان مدلسازی تجهیزات پستها در شرایط گذرا تهیه گردد تا بتوان مبحث هماهنگی عایقی در پستها را براحتی و با سرعت بالا انجام داد. از سوی دیگر با توجه به اینکه این نتایج نیاز به تجزیه تحلیل و پردازش آماری دارند لذا این موارد در تهیه برنامه نیز دیده خواهد شد تا ابزار کاملی در اختیار طراحان و تحلیلگران سیستم قرار داده شود.
۲-۲ پایداری ولتاژ
تعریف IEEE از پایداری ولتاژ عبارتست از توانایی یک سیستم قدرت در نگهداری ولتاژ دائمی در همه باسهای سیستم بعد از بروز اغتشاش در شرایط مشخصی از بهره برداری. اغتشاش ممکن است خروج ناگهانی یکی از تجهیزات باشد یا افزایش تدیریجی بار. هنگامی که توان الکتریکی انتقالی به بار رو به افزایش است تا بتواند بار اضافه شده را تامین کند ، بار ممکن است مکانیکی، حرارتی یا روشنایی باشد[۹]، و هر دو مؤلفه یعنی توان و ولتاژ قابل کنترل بمانند، سیستم قدرت پایداری ولتاژی خواهد بود و اگر سیستم بتواند بار الکتریکی را منتقل کند و ولتاژ از دست برود سیستم ناپایدار ولتاژ است. فروپاشی ولتاژ هنگامی رخ می دهد که افزایش بار باعث غیرقابل کنترل شدن ولتاژ در ناحیه مشخصی از سیستم قدرت گردد. بنابراین ناپایداری ولتاژ در طبیعت خود یک پدیده ناحیه ای است، که میتواند بصورت فروپاشی ولتاژ کلی بدل گردد بدون هیچ پاسخ سریعی.
به عبارت پایداری ولتاژ ، توانائی سیستم در حفظ ولتاژهای قابل قبول در کلیه شین‌های سیستم تحت وضعیت عادی و بعد از وارد شدن اغتشاش. ناپایداری ولتاژ عموماً با از دست رفتن نقطه کار پایدار سیستم قدرت گفته می‌شود که با فروپاشی سطوح ولتاژ در درون و اطراف ناحیه‌ای که دچار ناپایداری شده مشخص می‌شود. فروپاشی ولتاژ، که حالت گسترده ناپایداری ولتاژ است، به شدت تحت تأثیر وضعیت و مشخصه‌های سیستم و بار قرار دارد که معمولاً بر اثر کمبود توان راکتیو در آن ناحیه به وقوع می‌پیوندد و در سیستم انتشار می‌یابد[۲].
۲-۲- ۱ موضوعات پایداری ولتاژ:
آگاهی در مورد مشخصات بار که از شبکه های قدرت بزرگ قابل دسترسی هستند.
روشهای کنترل ولتاژ در ژنراتور ها، دستگاههای کنترل توان راکتیو (مانند خازنهای موازی، راکتورها) در شبکه.
توانایی شبکه در انتقال قدرت، به خصوص توان راکتیو، از نظر تولید به نقاط مصرف
هماهنگی بین رله های حفاظتی و ادوات کنترل سیستم قدرت.
ناپایداری ولتاژ زمانی اتفاق می‌افتد که در اثر بروز یک اغتشاش، افزایش بار و یا تغییر در آرایش سیستم موجب کاهش فزاینده و غیرقابل قبول ولتاژ شود.
ادامه ناپایداری زاویه‌ای رتور نیز ممکن است منجر به ناپایداری ولتاژ سیستم شود اما فروپاشی ولتاژ می‌تواند در جائی رخ دهد که پایداری زاویه‌ای مطرح نباشد.
عوامل اصلی ناپایداری ولتاژ عبارتند از:
۱- فاصله بین منابع ولتاژ از منابع بار (فاصله زیاد بین تولید و مصرف)
۲- عملکرد نادرست ترانسفورماتورهای با تغییردهنده خودکارتپ (TALTC)[4]
۳- مشخصه‌های نامطلوب بار
۴- هماهنگی ضعیف بین سیستم‌های مختلف کنترلی و حفاظتی
نکات بالا ما را به این موضوع رهنمون می‌کند که توانائی سیستم قدرت در مواجهه با تقاضای توان راکتیو در ناپایداری ولتاژ از درجه اول اهمیت برخوردار می‌باشد.
۲-۳ طبقه‌بندی پایداری ولتاژ
بر اساس تحلیل و بررسی وقایع منجر به فروپاشیدگی ولتاژ در سطح جهان این پدیده به دو دسته قابل تفکیک است که هر دسته روش بررسسی متناسب با شرایط خود را طلب می کند.
تقسیم پایداری ولتاژ به دو دسته زیر سودمند است : پایداری ولتاژ اغتشاش بزرگ و پایداری ولتاژ اغتشاش کوچک . این دسته بندی پایداری را به دو قسمت تفکیک می کند. قسمتی که باید با تحلیل دینامیک غیر خطی بررسی گردد و قسمتی که به کمک تحلیل حالت ماندگار بررسی گردد .این دسته بندی می تواند طراحی وکاربرد ابزار محاسباتی را ساده کند و به عنوان ابزاری در نظر گرفته شود که اطلاعات مکمل را فراهم می کند. در نتیجه پایداری ولتاژ به دو دسته زیر تقسیم می شود :
پایداری ولتاژ اغتشاش بزرگ
پایداری ولتاژ اغتشاش کوچک
۲-۳-۱ پایداری ولتاژ اغتشاش بزرگ
پایداری ولتاژ اغتشاش بزرگ توانایی سیستم را در کنترل ولتاژ به دنبال بروز اغتشاشهای بزرگ از قبیل : خطاهای سیستم ، از دست دادن بار ، یا از دست دادن تولید در نظر دارد. تعیین این صورت از پایداری مستلزم بررسی عملکرد دینامیکی سیستم در دوره ای از زمان است که آن زمان برای مطالعه تداخل بین وسایلی از قبیل ULTC ها و محدود کننده های جریان تحریک ژنراتور کافی باشد.  این نوع از پایداری به قابلیت سیستم در حفظ ولتاژهای قابل قبول پس از وقوع اغتشاش‌های بزرگی نظیر خطاهای اتصال کوتاه، خروج واحدهای تولید یا خروج خطوط انتقال تحت بارگذاری شدید اطلاق می‌شود. این قابلیت توسط مشخصه‌های سیستم و بار، تداخل بین سیستم‌های کنترلی و حفاظتی سیستم تعیین می‌شود. این ارزیابی نیازمند بررسی پاسخ غیرخطی سیستم برای فاصله زمانی‌ای که اغتشاش آغاز شده و تداخل بین تجهیزاتی نظیر موتورها، ترانسفورماتورهای دارای تپ اتوماتیک TALTC و محدودکننده‌های فوق تحریک ژنراتورها (OEL)[5] امکان‌پذیر باشد، است. این فاصله زمانی می‌تواند از چند ثانیه تا ده‌ها دقیقه به طول انجامد.
توانایی سیستم قدرت در کنترل ولتاژ به دنبال بروز اغتشاش های بزرگ از قبیل خط های سیستم، از دست دادن بار، از دست دادن تولید در این دسته مد نظر خواهد بود و برای بررسی آن از تحلیل های دینامیکی و غیر خطی استفاده می شود. علت این امر نیز بررسی عملکرد تغیری دهنده های تپ زیر بار و محدود کننده های جریان تحریک ژنراتورها و … در مدت زمان کافی است. به کمک شبیه سازی های غیرخطی در حوزه زمان با بکار بردن مدل سازی مناسب پایداری ولتاژ اغتشاش بزرگ را بررسی نمود. شامل دو بخش گذرا و میان مدت میشود.

برای دانلود متن کامل پایان نامه به سایت azarim.ir مراجعه نمایید.