شکل۳-۶:بلوک دیاگرام واحد تولید خورشیدی
منحنی جریان بر حسب ولتاژ و همچنین منحنی توان بر حسب ولتاژ سیستم فتوولتائیک بکار رفته در سیستم مورد مطالعه که به شکل منحنی غیر خطی و در دمای استاندارد ۲۵ درجه سانتیگراد است ، بصورت زیر می باشد .
شکل۳-۷:منحنی جریان - ولتاژ
شکل۳-۸: منحنی توان – ولتاژ
۳-۲-۵-۴- مشخصات سیستم ذخیره ساز باتری
همانطور که گفته شد ، جهت بهبود فرکانس سیستم و کاهش نوسانات آن ، از منابع ذخیره ساز انرژی استفاده می کنیم که سیستم ذخیره ساز مورد استفاده در این تحقیق سیستم ذخیره ساز باتری [۵۱]از نوع لیتیوم –یون[۴۲] می باشد. جزییات پارامترهای باتری در شکل ۹-۴ آمده است.این باتری همچنین از نوع جریان مستقیم بوده وبه کمک یک مبدل دوطرفه به شبکه متصل می گردد تا هم در حالت شارژ و هم در حالت دشارژ قادر به کار باشد ، بطوریکه موقع افزایش بار و کاهش فرکانس دشارژ[۴۳] شده و به تولید کمک کند و در هنگام افزایش فرکانس نقش مصرف کننده را داشته بنابراین شارژ گردد. برای کنترل کننده ی پیشنهادی در این واحد، هدف کنترل سیگنال های داده شده به دروازه های این مبدل می باشد، به گونه ای که بهترین کارکرد ممکن را داشته و از حالت خودکار بهتر جبران نوسان کند.
شکل۳-۹: بلوک دیاگرام واحد ذخیره ساز باتری
شکل ۳-۱۰:جزییات پارامترهای باتری مورد استفاده
۳-۲-۶-اندازه گیری فرکانس سیستم
فرکانس سیستم قدرت به کمک تجهیز حلقه ی قفل شده ی فاز[۴۴] که به شین یک متصل است، اندازه گیری می گردد. در تمام نمودارهای فرکانسی ارائه شده در فصل پنجم، واحد اندازه گیری فرکانس این واحد بوده است. ناگفته نماند فرکانس نامی شبکه برابر با ۵۰ هرتز [۴۵]میباشد.
شکل ۳-۱۱: اندازه گیری فرکانس- حلقه ی قفل شده ی فاز
۳-۲-۷- جزئیات عملکرد کنترل کننده
بلوکی که در همه شبیه سازی ها مورد استفاده قرار می گیرد،بلوک کنترل توان حقیقی وموهومی از طرف منبع است که در شکل زیر نشان داده شده است .معمولا مطلوب است که توان موهومی دریافتی از منبع ، صفر باشد تا ضریب توان واحد داشته باشیم. به همین دلیل مقدار مرجع توان راکتیو را صفر قرار می دهیم. مقدار مرجع توان اکتیو هم از طریق کنترلر با توجه به ظرفیت رزرو هر کدام از واحدهای تولید بدست می آید.از مقایسه مقدارتوان تولیدی اندازه گیری شده با مقدار مرجع آن ،خطایی تولید می شود که بعد از عبور از کنترل کننده تناسبی – انتگرالی ،مقدار مرجع را تولید می کند.خطای حاصل از مقایسه جریان و نیز توسط کنترل کننده ای تناسبی –انتگرالی به ولتاژهای مرجع و تبدیل شده و برای تولید سیگنال های مرجع ورودی ، استفاده می شوند. بلوک نیز برای تشخیص فاز ولتاژ منبع به کار می رود که این فاز برای تبدیل های به و برعکس نیاز است.
شکل ۳-۱۲:جزییات پارامترهای کنترلر مورد استفاده در توربین بادی
شکل۳-۱۳: بلوک کنترل توان حقیقی وموهومی دریافتی از منبع
۳-۲-۸-معرفی روش تحلیل مدار به کار رفته
در این قسمت روش حل مداری به کار رفته در محیط شبیه سازی معرفی می گردد. اهمیت انتخاب روش و گام تحلیل از این نظر است که اگر گامهای روش تحلیل بیش از حد کوچک بوده و دقت بیش از نیاز بالا باشد، سرعت انجام شبیه سازی به شدت کاهش می یابد.؛ در چنین وضعیتی بررسی و تحلیل سیستم ممکن نیست. از دیگر سو، استفاده از روشی نامناسب با گامهای حل بسیار بزرگ، منجر به واگرا شدن جوابها و عدم تطبیق آنها با واقعیت می گردد. بنابراین بسیار مهم است که یک روش مناسب به همراه گام حل مناسبی برای مدار در نظر رفته شود. در محیط سیمولینک، وظیفه این کار را یک بلاک اختصاصی [۴۶]به عهده گرفته است. تنظیم ها در این قسمت به قرار زیر است:
زمان نمونه گیری[۴۷] مورد استفاده در شبیه سازی های این پروژه برابر ثانیه میباشد.
نوع شبیه سازی [۴۸]، گسسته انتخاب شده است.
۳-۳- نحوه عملکرد واحد تولید حرارتی مجهز به حلقه کنترل فرکانس
میزان تولید توان حقیقی توسط یک عامل محرکه مکانیکی نخستین کنترل میگردد که بسته به نوع نیروگاه می تواند توربین بخار [۴۹]، توربین گازی [۵۰]، توربین آبی [۵۱]و یا موتور دیزل [۵۲]باشد. با باز شدن دریچه توربین ، بسته به نوع واحد تولید، بخار، گاز یا آب وارد توربین شده و پره های آن را به گردش وا میدارد. برای داشتن سیستمی پایدار باید میزان باز و بسته بودن این دریچه به طور پیوسته تنظیم گردد. تنظیم نادرست دریچه توربین، مستقیما بر مقدار فرکانس شبکه تاثیر منفی خواهد گذاشت و آنرا از مقدار مرجع خود دور میکند. البته در اغلب واحدهای تولید بزرگ، علاوه بر کنترل اولیه فرکانس، حلقه های کنترلی تکمیلی[۵۳] دیگری نیز برای تثبیت فرکانس وجود دارد. در شکل ۳-۱ یک ژنراتور سنکرون مجهز به حلقه کنترل فرکانس نشان داده شده است.
شکل:۱۴-۳ ژنراتور سنکرون مجهز به حلقه کنترل فرکانس [۴۵]
در شکل ۳-۱گاورنر سرعت [۵۴]فرکانس سیستم را اندازه گیری می کند. تقویت کننده هیدرولیکی[۵۵]نیروی لازم برای تغییر مکان شیر اصلی را تامین کرده و تغییر دهنده سرعت[۵۶]، توان خروجی مناسب برای توربین در حالت ماندگار را تامین می نماید. در هنگام به هم خوردن تعادل تولید و مصرف، تمام واحد های تولید با تغییر گاورنر خود، به تنظیم عرضه و تقاضا کمک میکنند . اگرچه این کمک بدون توجه به مکان تغییر بار در شبکه انجام میپذیرد. به همین دلیل است که حلقه کنترلی اولیه، برای تنظیم درست فرکانس کافی نیست.
حلقه کنترل تکمیلی از نوسانات فرکانس پسخور گرفته و آن را از طریق یک کنترل کننده دینامیکی [۵۷]به حلقه کنترل اولیه اضافه می کند، و سپس این سیگنال حاصله (ΔPC) است که برای تنظیم را هسته ی اصلی کنترل » کنترل کننده دینامیکی « فرکانس سیستم به کار میرود. پس تلویحاً میتوان جدید دانست. در عمل و در سیستم های کلاسیک، این کنترل کننده دینامیکی تنها از یک انتگرال گیر ساده و یا کنترل کننده تناسبی انتگرالی [۵۸]تشکیل شده است. طبق آنچه گفته شد و همانگونه که در شکل۳-۲نشان داده شده؛ در پی تغییر در
مقدار به انداز ΔPL یک تغییر گذرا در فرکانس به اندازه Δf ایجاد خواهد شد. پس در چنین حالتی سیستم کنترل وارد عمل شده و سیگنال ΔPm را تولید می کند تا تغییرات بار را به صورتی شایسته دنبال کرده و فرکانس را به مقدار مرجع خود باز گرداند.
شکل ۳-۱۵: تابع تبدیل مدل کننده ژنراتور- بار[۴۵]
۳-۳-۱-مدلسازی واحد تولید حرارتی برای بررسی پاسخ فرکانسی
سیستم قدرت ماهیتی به شدت غیر خطی متغیر با زمان دارد. با این حال برای تجزیه تحلیل مسئله کنترل فرکانس، اغتشاشات تغییر بار شبکه را با یک تابع خطی سازی شده و درجه پایین مدل میکنیم. در مقایسه با دینامیک ولتاژ و زاویه روتور، دینامیک اثرگذار بر فرکانس نسبتا آهسته عمل می کند به طوری که در بازه چند ثانیه تا چند دقیقه میباشد.
برای در نظر گرفتن دینامیک سیستم در محاسبات، اعم از دینامیک های سریع و آهسته، [۵۲] و با در نظر گرفتن جزییات دقیق دینامیکی تولید و بارها، مدلسازی مشکل شده و به روش های پیچیده ی محاسبات عددی نیاز است. [۵۳] حال اگر از دینامیک سریع روتور و ولتاژ چشم پوشی شود، معادلات ساده تر میگردد. در این قسمت با بهره گرفتن از این ساده سازی ها مدلی کاربردی برای پاسخ فرکانسی ارائه میگردد که در شکل ۳-۳ نشان داده شده است. در این مدل فرض بر داشتن تنها یک ناحیه برای کنترل فرکانس است که سپس در ادامه برای حالات کلی تر تعمیم داده میشود.
رابطه دینامیکی کلی برقرار میان تولید و مصرف بر حسب میزان تفاوت آنها (ΔPm−ΔPL) و بر حسب مقدار نوسانات فرکانس (Δf )به صورت زیر بیان کرد ( را میتوان در رابطه ۳-۱ بصورت زیر بیان کرد:
(۱-۳)
که در آن Δf نوسان فرکانس، ΔPm تغییرات توان مکانیکی [۵۹] ، ΔPL تغییرات بار، H ثابت اینرسی [۶۰]و
D ضریب میرایی بار [۶۱]میباشند. ضریب میرایی معمولا به صورت درصد تغییر در بار، به ازای ۱ % تغییر در
فرکانس بیان میگردد [۴۵] . میتوان معادله ۳-۱ را به کمک تبدیل لاپلاس به صورت۳-۲ بازنویسی نمود:
(۲-۳)
اگر معادله ی۳-۲ را به بلاک دیاگرام تبدیل کنیم؛ این مدل ژنراتور – بار [۶۲]به سادگی می تواند در تابع حلقه بسته ژنراتور سنکرون، ساده سازی کند؛ که این مساله در شکل۳-۱۴ نشان داده شده است.
شکل۳-۱۶: مدل ساده شده شکل ۳-۱۴ [۴۵]
چندین مدل درجه پایین برای نمایش دینامیک توربین و ژنراتور Gt ) و (Gg در مطالعات فرکانس و طراحی کنترل سیستم پیشنهاد شده .[۵۴] به طرف نظر از مواردی مانند دینامک کند دیگ بخار [۶۳]و دینامیک سریع ژنراتور، و لحاظ کردن مدل گاورنر سرعت و توربین، مدل برای تجزیه تحلیل در زمینه کنترل بار- فرکانس آماده می گردد. این مدل در شکل ۴-۳ معرفی شده است . [۵۵] در این مدل ها Rh مشخصه های افتی واحد ها می باشند و سرعت تنظیم انجام شده توسط گاورنر ها را نشان می دهند. ضمنا Tg ، Tt ، Tr ، Ttr ، Tgh و Tth ثابت های زمانی مربوط به توربین-ژنراتور[۶۴] هستند.
شکل ۳-۵ ترکیبی از مدل های ارائه شده در شکل های۳-۲ و۳- (a)4 ارائه میدهد. پس نتیجه گیری این خواهد بود که بلاک دیاگرام شکل۳-۵ مدلی برای یک ژنراتور بخار بدون باز گرم کننده، تلفیق شده با حلقه ی کنترل فرکانس )سیستم کنترل بار- فرکانس( و در بردارنده مدل توربین، ژنراتور،گاورنر، کنترل تکمیلی و بار، ارائه میدهد.
۳-۴-کنترل فرکانس در سیستم قدرت بهم پیوسته[۶۵]
۳-۴-۱- مفهوم ناحیه کنترلی در سیستم قدرت
برای مدیریت کردن پاسخ فرکانسی در یک شبکه ایزوله و در حضور تغییرات ناگهانی بار، اغلب می توان رفتار دینامیکی چند ماشینه را با معادل تک ماشینهی آن، که در شکل ۳-۵ آمد مدل کرد. در چنین حالتی مدل معرفی شده میتواند مدلی معتبر برای کل سیستم چند ماشینه باشد. برای این تعمیم، لازم است از نظریه ناحیه های کنترلی استفاده شود. برای تعریف، ناحیه کنترلی را باید اینگونه توصیف کرد: زمانی که گروهی از ژنراتور ها و بارهای متصل به هم، در مجاورت یکدیگر قرار دارند و شرایط آنها به گونه ای است که پاسخ تمام واحد های تولید آن منطقه به تغییرات بار، هماهنگ و مشابه است. در این حالت فرکانس در تمام این منطقه کنترلی یکسان فرض میگردد؛ پس به این منطقه، ناحیه کنترلی گفته میشود.
شکل ۳-۱۷: مدل توربین-گاورنر سیستم برای(a): واحد بخاری بدون باز-گرم کننده (b)[66] واحد بخاری
دارای باز-گرم کننده و (c ) واحد آبی [۴۵][۶۷]
