• مشخّصه دروپ تمام ژنراتورهای ناحیه که در تأمین بار مشارکت دارند.
  • حسّاسیت بار به تغییرات فرکانس سیستم در ناحیه مورد نظر.

به گونه کلی عدم تعادل بین تولید و مصرف همواره در سیستم قدرت به صورت لحظه ای و دائم هست. کمتر بودن فرکانس از مقدار نامی نشان دهنده کسری تولید در شبکه می باشد و بالعکس. در اقدام حتی بدون وجود خطا در سیستم، بار به صورت پیوسته تغییر می‌‎کند. انحراف فرکانس از مقدار نامی کنترل اولیّه را فعّال می کند. کنترل اولیّه باعث ایجاد یک فرکانس جدید و متفاوت از فرکانس نامی (همراه با خطای حالت ماندگار) در ناحیه می گردد. از آنجائیکه در یک سیستم قدرت، هر ناحیه کنترلی بر اساس توازن بار در ناحیه خود در کنترل بار فرکانس شرکت می‌‎کند، عدم تعادل بین بار و تولید در هر ناحیه باعث تبادل توان بین نواحی کنترلی شده و انحراف از مقدار برنامه ریزی شده را در پی دارد.
شکل 2- 8 مدل خطی سیستم دو ناحیه ای قدرت با حلقه کنترلی تکمیلی [2]
وظیفه کنترل ثانویه که همان کنترل خودکار تولید نامیده می گردد، حفظ توازن توان در تمام ناحیه‌های کنترلی به صورتی می باشد که مقدار فرکانس برابر مقدار نامی و همچنین اندازه توان انتقالی خطوط برابر با اندازه توان انتقالی برنامه ریزی شده آن باشد.
به علاوه دو حلقه کنترلی، کنترل ثالثیه ای نیز هست که عملکرد آن کند تر از کنترل‌های اولیّه و ثانویه می باشد. ساختار کنترل ثالثیه به چگونگی ی مدیریت شبکه و قوانین آن وابستگی دارد. به عنوان مثال، در ساختار سنتی، بهره بردار سیستم پس از انجام پخش بار اقتصادی، مقادیر جدید نقطه کار واحد‌های تولیدی را تعیین می نمود. در واقع، کنترل ثالثیه اندازه توان تولیدی واحدها و نقاط بار گذاری آنها را به گونه ای تعیین می‌‎کند که با برقراری توازن میان توان تولیدی اکتیو و راکتیو واحدها با اندازه مصرف آنها  (به علاوه تلفات شبکه) و ضمن رعایت قیود شبکه، هزینه بهره برداری نیز کمینه گردد.
ورود منابع انرژی تجدیدپذیر در مقیاس بالا اثرات پر رنگی بر قابلیّت کنترل فرکانس سیستم قدرت و سیستم‌های کنترل خودکار همانند دیگر سیستم‌های کنترلی و بهره برداری خواهد داشت. این اثرات در سال‌های آتی که ضریب نفوذ تولیدات تجدیدپذیر طریقه صعودی به خود می‌گیرد نیز افزایش می‌یابد. از سوی دیگر، اکثر منابع انرژی تجدیدپذیر که مورد بهره برداری قرار گرفتند فاقد قابلیّت‌های تنظیم فرکانس می‌باشند. شاید این خصیصه کمک مشخّصی به قابلیّت تنظیم فرکانس شبکه به حساب نیاید، بلکه نیاز به داشتن توان کافی هنگام بروز اغتشاشی در شبکه و برقراری تعادل تولید-مصرف را دوچندان می‌‎کند. ساختار کنترل فرکانس در آینده، می‌بایست از انعطاف اقدام و هوشمندی بیشتری برخوردار بوده تا بتواند این اطمینان خاطر را فراهم آورد که به صورت پیوسته توازن لازم میان تولید و مصرف را در شبکه در پی بروز تغییر در بار شبکه و همچنین نوسانات توان تولیدی منابع تجدیدپذیر مستقر نماید.
برای رسیدن به این مطلوب، بهره‌برداران شبکه بایستی اطلاعات و الگوهای دقیق تولید تجدیدپذیر و بار را در دست داشته باشند. امروزه توازن تولید-مصرف در یک سیستم قدرت بوسیله کنترل خروجی منابع تولید متداول (و نه تولید تجدیدپذیر) جهت دنبال کردن الگوی بار مد نظر قرار دارد. با ورود منابع انرژی تجدیدپذیر به نظر می‌رسد از سهم ظرفیت در دسترس کنترل خودکار تولید در برقراری تعادل تولید و مصرف (کنترل بار فرکانس) کاسته گردد. در نتیجه می‌توان توقع داشت که در آینده ای نزدیک، کنترل خودکار تولید سهم مهّمی در برقراری مجدّد توازن تولید-مصرف در چهار چوب زمانی کوتاه مدت (چند ثانیه تا چندین دقیقه) و اداره کردن خطای پیشبینی بار و تولید متداول، بازی کند. از این رو، بسیار ضروری می باشد بهره‌برداران و طراحان شبکه بروی استراتژی‌های کنترلی بازنگری‌های لازم را به اقدام آورند و به صورت نسبی مرز‌های عملکرد، قابلیّت‌ها و تکنولوژی‌های لازم را برای ارتقای کیفیت توان تحویلی، به روز نمایند.

2-2- پیشینه پژوهش

2-2-1- وضعیت فعلی بهره گیری از منابع انرژی تجدیدپذیر

امروزه لزوم بهره گیری ازمنابع انرژی تجدیدپذیر در بسیاری از کشورهای دنیا به اثبات رسیده می باشد. رشد بهره گیری از منابع انرژی تجدیدپذیر در پاسخ به پدیده گرمایش جهانی و نیاز به داشتن منبع سوخت امن و ارزان، دلیلی بر این مدعاست. منابع انرژی تجدیدپذیر در حال حاضر بیش از 14% نیاز به انرژی کل دنیا را فراهم می‌آورد  [3].
در حال حاضر، تکنولوژی استحصال انرژی بادی بیشترین سهم از بکارگیری منابع انرژی تجدیدپذیر در سیستم قدرت را به خود اختصاص داده می باشد. پیش بینی می گردد تا سال 2015 تولید جهانی آن به بیش از 300 گیگاوات رسد. اینگونه پیش بینی شده ‌می باشد که ضریب نفوذ تولید بادی در کل دنیا، تا سال 2020 به  8% کل مقدار توان تولیدی برسد. اتحادیه اروپا نیز رهیافت به ضریب نفوذ 20% را در پایان سال 2020 میلادی در افق چشم انداز خود قرار داده می باشد [4]. به گفته سازمان انرژی بادی اروپا، ظرفیت تولیدی توان بادی به مقدار 180 گیگاوات ارتقا یابد [5]. دپارتمان انرژی ایالات متحده نیز رسیدن به ضریب نفوذ 6% استحصال انرژی بادی در پایان سال 2020 اعلام داشته می باشد [6].
در میان تمامی مصادیق تولید پراکنده، تولید خورشیدی نیز به سبب داشتن خصوصیات دوستدار محیط زیست (سبز)، کاهش افزایشی قیمت ماژول خورشیدی و همچنین مشوّق‌های مالی دولت‌ها به سرعت در حال پیشرفت می‌باشند [7] [8]. فعّالیت‌های متنوعی در جهت بهره گیری از انرژی خورشیدی، باتری‌ها و واحدهای ذخیره‌ساز انرژی انجام یافته می باشد. گزارش‌های منتشره در سال 2011 حاکی از این مطلب می باشد حجم عظیمی از سیستم‌های متصل به شبکه در کشور‌های توسعه یافته نظیر ایالات متحده، آلمان و ژاپن مورد بهره برداری قرار گرفته اند و همچنین برنامه‌های احداث چندین واحد دیگر در سرتاسر جهان در دستور کار قرار دارند [9] [10]. هدف گذاری ژاپن در پایان سال 2010 نصب ظرفیت 28 گیگاوات پانل‌های خورشیدی بوده می باشد [11]. سامسونگ به تازگی اعلام داشته با امضای قراردادی قصد ساختن واحد خورشیدی 100 مگاواتی را دارد که اولین فاز از یک مجموعه 500 مگاواتی به حساب می‌آید [12]. رشد بازار برق منابع انرژی تجدیدپذیر در کشورهای آسیایی نیز چشمگیر بوده می باشد. بر اساس نرخ رشد فعلی، اتحادیه صنعتی منابع انرژی تجدیدپذیر چین، ظرفیتی نزدیک به 50 گیگاوات را تا سال 2015 پیش بینی کرده‌می باشد [13]. به نظر می‌رسد هند نیز نرخ رشد نصب منابع استحصال توان بادی خود را حفظ نموده می باشد. در کره، منابع انرژی تجدیدپذیر نیز رو به رشد می باشد. دولت جایگزینی 5 % تولید متداول با منابع انرژی تجدیدپذیر را تا سال 2011 در دستور کار قرار داده بود [4].
پس از چند سال کاهش نرخ رشد، بازار برق انرژی تجدیدپذیر اقیانوسیه نیز جانی تازه یافته می باشد. در استرالیا، دولت رسیدن به سقف 20% بهره گیری از این منابع را تا پایان 2020 مبنا قرار داده می باشد. همچنین اروپا، آمریکای شمالی، آسیا بالاترین نرخ افزایش به اندازه ظرفیت منابع تجدیدپذیر را دارا هستند. خاور میانه، آفریقای شمالی و آمریکای لاتین نیز ظرفیت منابع تجدیدپذیر نصب شده خود را افزایش داده اند. ظرفیتهای جدیدی در ایران، مصر، مراکش، تونس و برزیل گزارش شده‌اند [13].

2-2-2- تأثیر تولید خورشیدی در کنترل فرکانس شبکه

از آنجا که هزینه ی نصب و راه اندازی اولیّه مزارع خورشیدی نسبتاً بالا بوده و منبع انرژی رایگان در اختیار دارند، مزارع خورشیدی جهت دریافت حداکثر بازگشت مالی عموماً به گونه ای مورد بهره برداری قرار می گیرند که بیشینه مقدار توان[1] استحصال گردد [14]. با افزایش ضریب نفوذ مزارع خورشیدی، علاوه بر ظرفیت تنظیم فرکانس (که عموماً توسط ژنراتورهای سنکرون تأمین می گردد) لختی شبکه کاهش می‌یابد، که خود عاملی در جهت انحراف بیشتر فرکانس در قبال اغتشاش وارده به سیستم به شمار می‌رود [15]. از سوی دیگر با ادامه ی طریقه کاهش قیمت پنل‌های خورشیدی و بالطبع تسریع طریقه افزایش ضریب نفوذ سیستم‌های خورشیدی در شبکه قدرت، نیاز به داشتن سرویس‌های‌جانبی مهّم نظیر کنترل فرکانس و ولتاژ بیش از پیش رخ می نماید [16].
رویکردهای متنوعی در بهره‌برداری از تولید خورشیدی موجود می باشد. سه رویکرد عمده را می‌توان اینگونه نام برد [17]:

  1. یک رویکرد متداول جهت کنترل فرکانس تولید خورشیدی به این شکل می باشد که تولید خورشیدی به صورت MPPT تولید گردد و به وسیله سیستم‌های ذخیره‌ساز انرژی (ESS) نوسان‌های توان تولیدی خروجی نیروگاه خورشیدی کاهش یابد [18] [19] [20] [21]
  2. نصب و راه اندازی بانک بار مجازی (بار اضافی) جهت جذب توان مازاد[20].
  3. بهره‌برداری از نیروگاه خورشیدی در حالت توزیع توان بوسیله استراتژی‌های حبس تولید تعمّدی (deliberate curtailment) .
  4. بهره گیری از ذخیره‌سازهای حجیم نظیر تلمبه ای-ذخیره ای، ذخیره‌سازهای باتری یا هوای فشرده، جهت ذخیره انرژی خورشیدی در طول روز و مصرف آن در شب.
این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه ارشد رشته برق کنترل: پیش بینی پلاسمای خورشیدی و بررسی اثرات آن

چندین پژوهش جهت کمینه کردن اثرات نامطلوب اتصال ژنراتور خورشیدی به شبکه ایزوله، که به صورت MPPT مورد بهره برداری قرار گرفته، ارائه شده ‌می باشد [22] [23] [24] [25] [26] [27]. درین مقالات متداول ترین روش اعمالی جهت کنترل فرکانس، بهره گیری از ذخیره‌سازهای انرژی برای نرم کردن توان خروجی، تنظیم فرکانس و در نظر گرفتن ظرفیتی رزرو برای ژنراتور خورشیدی بوده می باشد. هیچکدام از روش‌های ذکر گردیده توان کنترل خروجی ژنراتور خورشیدی هنگام تغییرات بار را ندارند و هیچ گونه استراتژی کنترلی جهت شرکت دادن واحد تولید خورشیدی در تنظیم فرکانس سیستم ارائه نمی‌کنند. در [28] شبکه ای ترکیبی از تولید خورشیدی و باد در نظر گرفته شده ‌می باشد. در این مقاله روشی برای کنترل هر چه بهتر باتری جهت نرم کردن اغتشاشات توان خروجی تولید بادی و خورشیدی پیشنهاد شده ‌می باشد. در مرجع [21] با بهره گیری از منطق فازی و در نظر گرفتن تغییرات فرکانس، نرخ تغییرات فرکانس و تغییرات تابش خورشیدی الگویی برای تعیین خروجی ژنراتور خورشیدی در جهت کاهش نوسانات فرکانسی پیشنهاد گردید. نتایج حاصله با نتایج حاصل از روشMPPT به همراه بهره گیری از ذخیره‌ساز باتری مقایسه گردید. در [20] یک بار مجازی در نظر گرفته شده که در زمان اضافه تولید ژنراتور خورشیدی توان مازاد را مصرف می کند و زمانی که کمبود تولید وجود داشته باشد، از مدار خارج می گردد.
با توجّه به رویکرد مورد توجّه قرار گرفته در [29] می‌توان دریافت، موازنه ای بین جنبه اقتصادی بهره‌برداری از واحد خورشیدی و همچنین قابلیّت تنظیم فرکانس شبکه می‌تواند صورت پذیرد در جهتی که تولید خورشیدی توانایی شرکت در کنترل اولیّه فرکانس شبکه را داشته باشد. وقتی تولید خورشیدی به صورت MPPT مورد بهره برداری قرار می‌گیرد هیچ گونه ظرفیت آزادی برای شرکت در کنترل فرکانس نخواهد داشت. به این دلیل که ظرفیتی برای افزایش تولید در این صورت متصور نخواهد بود. اما اگر سطح توان تولیدی خورشیدی در مقدار بهینه ای از تولید تعدیل گردد، ظرفیتی در دست خواهد بود که با بهره گیری از آن واحد خورشیدی می‌تواند سهمی در کنترل اولیّه فرکانس را عهده دار گردد. به بیانی دیگر می‌توان با داشتن سیستم کنترلی مناسب نظیر سیستم دروپ واحد‌های تولید متداول، مشخّصه دروپی برای تولید خورشیدی در نظر گرفت. بدین ترتیب با بهره گیری از این استراتژی با در دست داشتن داشتن گردیدّت تابش خورشیدی و درجه حرارت محیط و تعیین سقف بیشینه تولید خورشیدی در چهارچوب زمانی کوتاه مدت،  محدوده ای مطلوب جهت بهره‌برداری واحد خورشیدی تعیین نمیود بطوریکه با بهره گیری از آن تعادل میان تولید-مصرف (به همراه تلفات) را مجدّداً مستقر نمود. گرچه در این استراتژی کنترلی نیازی مبرم به بهره گیری از منابع ذخیره‌ساز انرژی محسوس نیست، اما می‌توان به کمک منابع-ذخیره‌ساز‌های توان بالا، مدیرت توان ذخیره شده ی رزرو را بهبود بخشید. با بهره گیری از ذخیره‌سازهایی با پاسخ سریع نظیر ذخیره‌ساز باتری می‌توان علاوه بر پوشش موردها فوق، می‌توان ظرفیت جدیدی نیز برای کمک به قابلیّت تنظیم فرکانس شبکه متصور بود [30].

2-2-3- حضور تولید بادی در کنترل فرکانس

از دیگر سو با افزایش حجم تولید بادی و با افزایش ضریب نفوذ توربین‌های بادی در شبکه قدرت ارائه خدمات جانبی نظیر کنترل فرکانس آنها نیز بیش از پیش مهم خواهد گردید. معمولا نگاه غالب بر این می باشد که حضور تولید بادی حجیم در شبکه و جایگزینی آن به جای تولید متداول، موجب کاهش ظرفیت و تاثیرگذاری تنظیم فرکانس شبکه خواهد گردید. پیشرفت‌های اخیر [31] [32] [33] [34] در جهت افزایش ظرفیت‌های کنترلی توربین‌های بادی سرعت-متغیّر نشان داده می باشد که بهره گیری هرچه بیشتر از تولید بادی نه تنها به معنای کاهش لختی شبکه و توانایی کنترل فرکانس شبکه نخواهد بود، بلکه تحت شرایطی شرکت داده شدن آنها در کنترل فرکانس شبکه را میسّر نموده و سبب افزایش استحکام[2] چنین سیستمی نیز خواهد گردید. تحقیقات اولیّه نشان داده می باشد می‌توان از انرژی جنبشی ذخیره شده در پره و قسمت چرخان توربین بادی در کوتاه-مدّت جهت کنترل اولیّه فرکانس بهره جست [34]. توانایی پشتیبانی کوتاه مدت توان اکتیو تولید بادی برای تقویت عملکرد کنترل اولیّه فرکانس در [35] مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. حلقه کنترلی اضافی جهت تطبیق نقطه مرجع گشتاور[3] به عنوان تابعی از تغییرات فرکانس و همچنین نرخ تغییرات فرکانس به مقصود تسهیل بهره گیری از لختی پنهان برای بهره گیری در شبکه فراهم آورده می باشد. همانطور که در [31] یاد شده ‌می باشد، می‌توان با کنترل لختیِ مولّد DFIG از طریق کنترل تکمیلی لختی پاسخ مناسبی، بوسیله تخلیه انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین‌های بادی به عنوان منبع توان اضافی و موقّت  در کنار تولید بادی دریافت نمود. آزاد شدن انرژی موجود در توربین بادی با این شیوه در قیاس با توربین بادی سرعت-ثابت بیشتر خواهد بود. همانطورکه در [32] آمده می باشد، اثر لختی DFIG کاملاً نامعلوم نیست. این اثر به کنترلر جریان روتور وابسته می‌باشد. کنترلر پیشنهادی در [33] براحتی توانسته می باشد به صورت کاملاً پویا، بردار شار القایی روتور DFIG را جهت جلوگیری از بروز تغییرات ناگهانی ولتاژ خروجی کنترل کند. نتیجه بهره گیری از چنین کنترلری کاهش افت فرکانس ناشی از بروز این اغتشاشات و تلفات ناشی از آن می‌باشد. این پیشرفت‌ها ایده بهره گیری کسری از انرژی ذخیره شده در توربین DFIG برای پشتیبانی توان حقیقی کوتاه مدت را میسّر می‌سازد، پشتیبانی که در صورت بروز اغتشاشی نظیر تغییر بار، در جهت کاهش افت فرکانس در شبکه دارای تاثیر خواهد بود [36]. در این مرجع با بهره گیری از DFIG و پیشنهاد حلقه کنترلی جدید در کنترل اولیّه فرکانس، تولید بادی پشتیبانی توان حقیقی اضافی و موقّت  مزرعه بادی در کنار تولید متداول من جمله حرارتی و آبی در یک سیستم دو ناحیه ای قدرت مورد توجّه قرار گرفت. در این مرجع با بهره گیری از برنامه کنترلی ارائه شده، متناسب با ضریب نفوذ ژنراتور بادی و همچنین درصد مشخّصی از پشتیبانی توان حقیقی توسط DFIG و با توجّه به جنس تولید ناحیه (حرارتی یا آبی و یا هر دو) پاسخ گذرای فرکانسی و توان انتقالی خطوط بهبود یافته اند. تحقیقات دیگری نیز جهت کمینه کردن اثرات سوءِ تولید بادی بر شبکه نیز صورت پذیرفته می باشد [37].

2-2-4- بهره گیری از ذخیره‌سازها

انواع ذخیره‌سازها نظیر ذخیره‌ساز ابررسانای مغناطیسی[4] و همچنین ذخیره‌ساز دو سوی خازنی برای کنترل خروجی تولید بادی پیشنهاد شده‌اند. اثرات سوء تغییرات توان تولیدی نیروگاه بادی بر کنترل فرکانس شبکه در [38] [39]مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. در [40] با بهره گیری از ذخیره‌سازی انرژی جنبشی (لختی[5] موجود در پره و ماشین) شرکت تولید بادی در کنترل اولیّه فرکانس مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. در مرجع [41] روشی برای تعیین سقف مجاز نوسانات تولید بادی در حضور تولید حرارتی یاد شده ‌می باشد. همچنین با بهره گیری از تکنیک‌های مُدال[6] تاثیرات دینامیکی تولید بادی بر کنترل فرکانس اولیّه و ثانویه (تکمیلی) مورد مطالع قرار گرفت می باشد [42] [43] تحقیقات مشابه دیگری نیز جهت مطالعه و مطالعه تاثیرات RESs بر بهره‌برداری از شبکه و کنترل ثانویه صورت پذیرفته می باشد [44] [45] [46].

2-3- جمع بندی

در این فصل آغاز به تبیین مبانی کنترل خودکار تولید پرداخته گردید. ورود منابع انرژی تجدیدپذیر به شبکه در مقیاس بالا منوط به مستقر ماندن توانایی شبکه جهت کنترل مطلوب فرکانس عنوان گردید. در ادامه مطالب، سابقه پژوهش مورد مطالعه قرار گرفت. در بخش کنترل فرکانس سیستم های خورشیدی، اکثراً توانایی لازم برای کنترل فرکانس شبکه از طریق بهره گیری از ذخیره ساز ها صورت می پذیرد. علاوه بر آن در اکثر مطالعات صورت گرفته، واحد خورشیدی فاقد کنترلی جهت شرکت در  کنترل فرکانس می باشد. در بخش تولیدات بادی مطالعات اخیر نشان می دهد رویکرد غالب  جهت کنترل فرکانس شبکه، بهره گیری از انرژی ذخیره شده در جرم چرخان (پره) توربین در صورت لزوم برای ایجاد قابلیت کنترل اولیّه فرکانس می باشد. نشان داده گردید اگرچه که این توانایی موقتی و متناسب با انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین می باشد، این انرژی پنهان قابل آشکارسازی و الحاق به شبکه می باشد.
در فصل بعدی ایده های جدیدی برای کنترل بهت

دسته‌ها: مهندسی برق