شکل ۴-۲: نمودار پالس اعمالی به بار…………………………………………………………………………………………..۴۶
شکل ۴-۳: مقایسه نوسانات فرکانس با اعمال تغییرات پله ای در بار .صورتی بدون حضور باتری، آبی با حضور ذخیره ساز باتری ……………………………………………………………………………………………………………۴۶
شکل ۴-۴ نمودار سرعت باد ……………………………………………………………………………………………………..۴۷
شکل ۴-۵ :توان تولیدی واحد بادی…………………………………………………………………………………………….۴۷
شکل :۶-۴مقایسه نوسانات فرکانس با وارد شدن واحد تولید بادی .صورتی بدون حضور باتری، آبی با حضور ذخیره ساز باتری……………………………………………………………………………………………………………۴۸
شکل ۷-۴:نمودار تابش خورشید……………………………………………………………………………………………….۴۸
شکل ۴-۸ :توان تولیدی واحد خورشیدی……………………………………………………………………………………۴۹
شکل ۴-۹:مقایسه نوسانات فرکانس با وارد شدن واحد خورشیدی .صورتی بدون حضور باتری، آبی با حضور ذخیره ساز باتری……………………………………………………………………………………………………………۵۰
شکل ۴-۱۰:مقایسه نوسانات فرکانس با وارد شدن واحد خورشیدی و بادی .صورتی بدون حضور باتری، آبی با حضور ذخیره ساز باتری…………………..…………………….…………..……….…………………..۵۱
فصل اول
مقدمه
۱-۱-مقدمه
امروزه با افزایش روز افزون تقاضا برای انرژی الکتریکی، چالشهای جدیدی پیشروی صنعت برق قرار گرفته است؛ یکی از این چالشها رو به پایان بودن سوختهای فسیلی است. از سوی دیگر، قیمت بالا و روبه رشد سوختهای تجدید ناپذیر، مشکلات زیست محیطی و دیگر مشکلات عدیده ی مربوط به این نوع سوخت ها، تمایل برای تولید الکتریسیته از منابع انرژی نوین را افزایش داده است. امروزه استفاده از انرژی های تجدید پذیر^[۱] در شبکه به امری رایج بدل شده و البته چالشهایی را نیز به دنبال خود داشته است.

این منابع تولید انرژی، پدیده های تصادفی محسوب می شوند و تغییرات سریع آب و هوایی و مشخص نبودن میزان تولید آنها سبب ایجاد نوسانات بالایی در توان تولیدی به شبکه ایجاد می کنند. نوسان توان نیز منجر به نوسان فرکانس می گردد .این امر در کیفیت توان و پایداری شبکه تنش هایی را ایجاد خواهد کرد. به همین دلیل روش های کنترل فرکانس و حفظ پایداری شبکه اهمیت خاصی پیدا کرده است. در ادامه این فصل به بررسی لزوم کنترل فرکانس و هدف اجرای این طرح می‌پردازیم و نوآوری این پایان‌نامه و ساختار آن را مطرح خواهیم کرد.
۱-۲-تاریخچه
توسعه شگرف علم و فن‌آوری در جهان امروز ظاهراً آسایش و رفاه زندگی بشر را موجب شده است. لیکن این توسعه یافتگی، مایه بروز مشکلات تازه‌ای نیز برای انسان‌ها شده است که از آن جمله می‌توان به آلودگی محیط زیست، تغییرات گسترده آب‌وهوایی در زمین و غیره اشاره نمود. به ویژه می‌دانیم که نفت و مشتقات آن از سرمایه‌های ارزشمند ملی و حیاتی کشور می‌باشند که مصرف غیربهینه از آنها گاهی زیان‌های جبران ناپذیری را ایجاد می‌کند. از این رو صاحبنظران و کارشناسان به دنبال منابعی هستند که به تدریج جایگزین سوخت‌های فسیلی شوند. سوخت‌های فسیلی آلودگی‌های زیست محیطی بیشماری را ایجاد می‌نمایند. چنانچه افزایش دمای هوا مطابق روند فعلی ادامه یابد بازگرداندن آن به وضعیت سابق تقریباً غیرممکن خواهد بود. بهترین راه حلی که اکثر دانشمندان پیشنهاد کرده‌اند متوقف کردن روند رو به رشد این گازهای مضر است. متخصصان بر این باورند که با بهره گرفتن از انرژی‌های پاک نظیر انرژی خورشیدی، بادی، زمین گرمایی، هیدروژن و ….به جای انرژی‌های حاصل از سوخت‌های فسیلی، از آلودگی‌های زیست محیطی و خطرات مرتبط بر آن جلوگیری خواهد شد. از سوی دیگر انرژی‌های فسیلی مانند نفت، گاز و زغال سنگ سرانجام روزی به پایان خواهند رسید و با پایان گرفتن آنها تمدن بشری که بستگی مستقیم به انرژی دارد دچار چالش جدید و بزرگ خواهد شد. این امر سبب شده است که کشورهای توسعه یافته صنعتی با جدیت هر چه تمامتر استفاده از سایر انرژی‌های موجود در طبیعت و به خصوص انرژی‌های تجدید شونده را مورد توجه قرار دهند. استفاده از انرژی خورشید، باد ، امواج، زمین گرمایی، هیدروژن، زیست توده و … که به انرژی‌های تجدیدپذیر موسومند مستلزم مطالعات و تحقیقات فراوانی می‌باشد که قبل از استفاده باید انجام گیرند. مجموعه انرژی‌های تجدیدپذیر روز به روز سهم بیشتری را در سیستم تأمین انرژی جهان به عهده می‌گیرند. انرژی‌های تجدیدپذیر به ویژه برای کشورهای در حال توسعه از جاذبه بیشتری برخوردار است. لذا در برنامه‌ها و سیاست‌های بین المللی از جمله در برنامه‌های سازمان ملل متحد در راستای توسعه پایدار جهانی نقش ویژه‌ای به منابع تجدید پذیر انرژی محول شده است.
انرژی باد یکی از انواع اصلی انرژی‌های تجدیدپذیر می‌باشد که از گذشته‌های دور همواره مورد توجه انسان‌ها بوده است. اولین گام واقعی برای مهار انرژی باد به ۲۰۰ سال پیش از میلاد باز می‌گردد، هنگامی که ایرانیان باستان از آسیاب‌های بادی قرن ها قبل از کشور‌های اروپایی استفاده می‌کردند. در قرن ۱۸ با ظهور توربین‌های بادی اولیه در ایالت متحده آمریکا با ظرفیت۱۲ کیلووات، این امکان برای تولید برق از این منبع پایدار فراهم شد. مانند منابع تجدیدپذیر دیگر، باد دارای دسترسی وسیع جهانی است، اما به طور قابل‌توجهی نسبت به سایر منابع تجدید‌پذیر با توجه به تجاری بودن آن پیشرفت داشته است، بعلاوه انرژی باد دارای کمترین میزان CO₂ در میان منابع تجدیدپذیر دیگر می باشد. متوسط نرخ رشد استفاده از باد در بین سال‌های ۲۰۰۵ و ۲۰۱۰ ، ۲۷ % بوده است ،دلایل اصلی این رشد قابل توجه بهبود ظرفیت توربین‌های بادی (در برخی موارد تا ۴۰%) و افزایش قابلیت اطمینان و اندازه توربین‌ها می‌باشد.
ظرفیت توربین ارتباط نزدیکی به منطقه روتور دارد، در حال حاضر بزرگترین توربین دارای ظرفیت ۶-۵ مگاوات با روتوری به قطر ۱۲۶ متر می‌باشد. تا به امروز حداقل ۸۳ کشور در حال اجرای استفاده از انرژی باد به طور تجاری می‌باشند.
پیش‌بینی می‌شود که تا سال ۲۰۳۰، ۱۹۰۰ گیگاوات ظرفیت جدید در سراسر جهان نصب خواهد شد. مهم‌ترین علت رشد قابل توجه بازار انرژی باد، قیمت رقابتی آن در مقایسه با سایر منابع انرژی می‌باشد، حتی سوخت‌های فسیلی می‌باشد. قیمت تولید برق بادی به کاهش خود ادامه خواهد داد، در حالیکه هزینه‌ی برق سوخت فسیلی افزایش می‌یابد. همچنین کشور ایران سرشار از منابع تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر می‌باشد. موقعیت جغرافیایی کشور ایران موجب شده است که منبع بسیار بزرگی از انرژی‌های خورشیدی و بادی در آن موجود باشد، بنابراین کشور ایران نیز همواره برنامه‌های ملی ویژه‌ای در دست اقدام داشته و استفاده از انرژی‌های نو و تجدیدپذیر مورد تاکید بوده است.
۱-۳- هدف از انجام پژوهش
با بررسی‌های انجام شده این نتیجه حاصل شده است که در بین انرژی‌های تجدیدپذیر انرژی باد و خورشید از پیشرفت بیشتری برخوردار بوده و اکثریت تولید توان در بین انرژی‌های تجدید‌پذیر توسط این دو منبع تامین می‌گردد.
حضور نیروگاه های وابسته به انرژی های نو، تنش ها و نوسانات شدیدی را در توان حقیقی ^[۲] تزریقی به شبکه، و در نتیجه فرکانس و سایر پارامترهای الکتریکی شبکه به وجود می آورد. همچنین مشخص نبودن میزان تولید و تغییرات سریع این منابع یکی از موانع اساسی در اتصال انرژی نیروگاه‌های تجدیدپذیر به شبکه سراسری می‌باشد. از اینرو برای حصول اطمینان از تعادل میان تولید و عرضه برق مورد تقاضا، محدودیت هایی وجود دارد که سبب پیچیدگی و مشکلات استفاده از انرژی های تجدید پذیر می گردد.در این شرایط باید راهکاری برای کنترل سیستم قدرت اتخاذ شود تا این نوسانات دینامیکی مدیریت شده و دامنه آنها محدود گردد.
هدف اساسی از نگارش این پایان نامه تنظیم نمودن فرکانس شبکه بر روی مقدار مرجع خود، آن هم با دقتی شایسته می باشد؛ به طوری که سیستم در حضور واحدهای بادی ^[۳]و خورشیدی ^[۴] نیز قادر به کارکرد قابل قبول بوده و نوسانات، پایداری شبکه را مورد تهدید قرار ندهند. این مساله نیازمند وجود یک کنترل کننده در سیستم است تا تمام واحدهای تولید را، با تعیین مقداری مرجع برای آنها، کنترل کند.
۱-۴- نوآوری پایان نامه
تاکید ویژه ی این پروژه تلاش برای افزایش پایداری و کیفیت توان ارائه شده در شبکه قدرت مدرنی است که در آن منابعی تجدید پذیر، از جمله نیروگاه بادی و نیروگاه خورشیدی حضور داشته باشند. انتظار می رود تا با طراحی و بهره گیری مناسب از کنترل کننده به روش تزریق توان، تولید انرژی به صورت مناسب و منسجم مدیریت شود و این پروسه، کمینه شدن نوسانات فرکانس را نتیجه دهد. به طوری که نوسان فرکانس^[۵]حول فرکانس مرجع، کمتر شود بدون اینکه بارهای شبکه مدیریت شده و یا در آنها دخالت صورت گیرد.
باید اضافه کرد روش پیشنهادی میتواند تمام واحدهای تولیدی را کنترل کندو هیچ گونه محدودیتی نمی پذیرد و همچنین می تواند برای چند ناحیه کنترلی ^[۶]مختلف به کار رود ،بدین صورت که این نواحی ، از طریق خطوط ارتباطی با هم مرتبط هستند و تعادل بین بار و تولید برقرار می گردد. البته این هدف زمانی تامین می شود که عمل کنترلی دو هدف زیر را برآورده سازد:
-۱فرکانس را در مقدار برنامه ریزی شده قرار دهد.
۲-توان خالص تبادلی با نواحی همسایه را به مقدار برنامه ریزی شده برساند.
۱-۵- ساختار گزارش
پس از مطالعه مقدمه و هدف و نوآوری در این فصل در فصل دوم، ابتدا به معرفی انواع روش‌های کنترل فرکانس و تحقیقاتی که در این زمینه تا کنون انجام گرفته می‌پردازد و سپس بررسی روش کنترلی پیشنهاد شده و جزییات آن پرداخته و مبانی تئوریک لازم بیان میگردد. در فصل سوم ابتدا سیستم مورد مطالعه و اطلاعات مربوط به آن را بررسی کرده و در قسمت بعدی ساختار روش پیشنهادی معرفی می‌گردد. در فصل چهارم به بررسی نتایج شبیه‌سازی می‌پردازد در پایان در فصل پنجم جمع‌بندی و روش‌های پیشنهادی جهت ادامه کار ارائه می‌گردد.
فصل دوم
بررسی روش های کنترل فرکانس و روش پیشنهادی
۲-۱-مقدمه
با افزایش تقاضای انرژی الکتریکی ،نظر متخصصین ومهندسین بیش از پیش به سمت منابع تجدید پذیر جلب شده است بطوریکه تا کنون تحقیقات ومطالعات زیادی در این حوزه انجام شده است .مطالعات انجام شده به محققان اجازه داده تا کنترل و بهینه سازی شرایط کارکرد تجهیزات و ادوات پیچیده امروزی را در دست گیرند .تا کنون مطالعات متعددی برای بهبود ومعرفی تکنیک‌های کنترل فرکانس توسط محققان در این زمینه انجام شده است. تعدادی از این مدل‌ها در سیستم های قدرت کوچک و مجزا در سراسر جهان راه‌اندازی شده و توسعه یافته‌اند . این مدل‌ها بر اساس روش‌های کنترل زاویه گام، پیش بینی سرعت باد، تخمین بار و به کمک الگوریتم ژنتیک ، منطق فازی و شبکه های عصبی و بکارگیری ذخیره سازها توسط کاربران برای بهبود خطوط و برای ارزیابی در مقیاس محلی، منطقه‌ای و ملی اجرا شده‌اند. با بررسی این روش‌ها ، استفاده از ذخیره سازها یکی از بهترین روش برای تنظیم فرکانس معرفی شده است، که با کمک کنترل کننده می توان به نتایج قابل‌قبولی دست یافت. این فصل پس از بررسی اهمیت تنظیم فرکانس و روش‌های کنترل فرکانس به معرفی روش مورد استفاده در این پایان‌نامه می‌پردازد .
۲-۲-اهمیت تنظیم فرکانس
همانگونه که پیش تر اشاره شد؛ سیستمهای قدرت امروز تحت استرس و تنشهای روزافزون در حال کار هستند که نتیجه روند رو به رشد تعداد مصرف کنندگان و تنوع گسترده در نوع مصرف است.
حساس تر شدن بارها به کیفیت توان شبکه از یک سو، و تنش زا شدن بارها از سوی دیگر، منجر به بروز چالشهایی در راه داشتن یک شبکه قابل اطمینان و با کیفیت به وجود آورده، علاوه بر این تغییرات پی در پی الگوی مصرف نیز مشکلات جدیدی در راه پایداری تولید نموده است. در سیستمهای قدرت وسیع ^[۷]، تغییرات فرکانس نتیجه مستقیم عدم تعادل میان بارهای الکتریکی شبکه و توان تولید شده توسط ژنراتور ها میباشد. هرگونه عدم تعادل در این عرضه و تقاضا، به تغییرات آنی در فرکانس شبکه منجر میگردد؛ چرا که. در چنین شرایطی اگر واحدهای تولید پاسخ مناسبی به این کمبود تولید ندهند، این مساله به کاهش شدیدتر در فرکانس منجر شده و شرایط را به حالتی خارج از محدوده کاری نیروگاه ها منتقل میکند. انحراف از فرکانس مرجع میتواند رله های فرکانس بالا/پایین^[۸] را فعال نموده و منجر به جدا شدن بارها یا ژنراتور ها از شبکه گردد. بروز این مساله در شرایط نامساعد میتواند به بروز خطاهای زنجیره ای شده و خاموشی سیستم را نتیجه دهد .[۱] در دو دهه گذشته مطالعات مفصلی درباره کنترل میرا کنندگی و پایداری ولتاژ انجام گشته اما بر روی کنترل فرکانس شبکه کمتر کار شده است و این در حالی است که نیاز به کنترل فرکانس مهمترین علت شناخته شده در خاموشی های اخیر است [۲] . دربسیار از تحقیقات منتشر شده مسایل ناشی از عدم قطعیتهای نوظهور [۳] و قید های خاص موجود در سیستم های جدید [۴] را نادیده گرفته اند و نیز ساختارهای کنترلی پیچیده ای را نیز معرفی می کنند که پیاده سازی آنها غیر عملی است.
۲-۳-بررسی روش های کنترل تولید و فرکانس
امروزه با پیشرفت تکنولوژی و افزایش نفوذ این نوع منابع ،بخصوص نیروگاه بادی و خورشیدی در شبکه های قدرت، تاثیر آنها بر پایداری، کیفیت توان و قابلیت اطمینان^[۹] شبکه به یک چالش تبدیل شده است. جهت بررسی و رفع این مشکلات مطالعات و تحقیقات گسترده ای صورت گرفته است، بطور مثال,[۵] [۶] در مورد اتصال آرایه های خورشیدی و در [۸],[۷] نیروگاه بادی دو سو تغذیه مورد بررسی قرار گرفته است و در [۹] درباره ی بررسی تاثیر اتصال نیروگاه بادی به سیستم و تاثیر آن بر پاسخ فرکانسی شبکه بحث شده است.
روش‌های کنترل فرکانس به انواع مختلفی تقسیم می‌شود که در ادامه، این روش‌ها و مقالاتی از این نوع ارائه خواهد شد.
۲-۳-۱- کنترل فرکانس به کمک زاویه گام
به منظور تنظیم فرکانس شبکه و کاهش نوسانات ،تحقیقاتی صورت گرفته است بطوریکه در[۱۱],[۱۰] به تصحیح فرکانس با استراتژی کنترل زاویه گام^[۱۰] پرداخته است. در این روش زمانی که سرعت باد به حداکثر مقدار مجاز می رسد یا از آن بیشتر می شود، میزان تولید باد در حد بالایی قفل می شود، در این حالت نیروگاه باد نمی تواند کمکی به تنظیم فرکانس انجام د÷هد. اگرچه معمولا این مساله تاثیر منفی بر شبکه ندارد. در [۱۲] به مدلسازی توربین بادی بر اساس نظریه تزریق توان^[۱۱] اشاره شده است.
۲-۳-۲-کنترل فرکانس به کمک ذخیره سازهای انرژی
به منظور جبران نوسانات شبکه در حضور منابع انرژی تجدید پذیر روش های مختلفی ارائه شده است، یکی از این روش ها استفاده از ذخیره ساز های انرژی می باشد،بطور مثال دربسیاری از موارد از جمله[۱۳] [۱۵] [۱۴] چرخ طیار^[۱۲] به عنوان یک سیستم ذخیره ساز مناسب انرژی و تنظیم کننده فرکانس معرفی گشته، همچنین در بعضی منابع از جمله [۱۶] سیستم ذخیره ساز ابررسانای مغناطیسی^[۱۳] به منظور کاهش نوسانات فرکانسی بکار رفته است. در تعدادی از پژوهش ها [۱۷] سیستم ذخیره ساز باتری^[۱۴] برای تنظیم فرکانس توصیه می گردد برای مثال در [۱۸] باتری وانادیوم ردوکس^[۱۵] ،به عنوان یک باتری حامی محیط زیست با مزایای بسیاری در ذخیره سازی انرژی استفاده شده است .همچنین دو یا چند ذخیره ساز را میتوان ترکیب نمود، به عنوان مثال [۱۹]به منظور جبران نوسانات توان مزرعه بادی در مقیاس بزرگ، ترکیب باتری و چرخ طیار را پیشنهاد داده است بطوریکه چرخ طیار پاسخ سریع و ظرفیت توان پایین و در مقابل سیستم ذخیره ساز باتری قابلیت پاسخ دهی کمتر و ظرفیت توان بالاتری در مقایسه با چرخ طیار دارد.
روش های دیگری نیز برای کاهش نوسانات فرکانسی وجود دارد ،از جمله کنترل فرکانس از طریق مشخصه افتی^[۱۶] می باشد که در [۲۰] به آن اشاره شده است، بدین ترتیب که در روش مشخصه افتی استاندارد، با وادار کردن ژنراتورها برای به اشتراک گذاشتن بار با توجه به نیروی باد، ژنراتورها بخش قابل توجهی از بار را تغذیه می کنند.
۲-۳-۳-کنترل فرکانس به کمک روش های مبتنی بر پیش بینی
مشخص نبودن میزان تولید باد و تغییرات سریع آن یکی از موانع اساسی در اتصال انرژی نیروگاه‌های بادی به شبکه سراسری می‌باشد. همچنین امروزه با دائر شدن بازار رقابتی برق در کشور‌های مختلف، تولیدکنندگان بایستی میزان توان تولیدی خود را چندین ساعت جلوتر به واحد تنظیم بازار ارائه نمایند. بنابراین لزوم در دست داشتن ابزارهای پیش‌بینی میزان توان تولیدی باد، بیش از پیش احساس خواهد شد. با در اختیار داشتن یک پیش‌بینی دقیق از میزان توان تولیدی این عدم اطمینان کاهش می‌یابد و جایگاه رقابتی انرژی بادی در بازار تجدید ساختار شده بالا می‌رود.
مثلا [۲۱] کنترل فرکانس شبکه به کمک پیشبینی بار^[۱۷] ، پیش بینی آب و هوا [۲۲] و یا در هنگام حضور نیروگاه بادی؛ به کمک پیش بینی سرعت باد [۲۳]^[۱۸] اشاره کرد. معمولا این کار به کمک دو عامل، یکی