ی
انحراف ماندگار فرکانس در حالت دائمی، تابع دامنه اغتشاشات وارده و مشخّصه پاسخ فرکانسی شبکه می‌باشد. مشخّصه فرکانسی سیستم تابع مسائل زیر است:
- مشخّصه دروپ تمام ژنراتورهای ناحیه که در تأمین بار مشارکت دارند.
- حسّاسیت بار به تغییرات فرکانس سیستم در ناحیه مورد نظر.
به طور کلی عدم تعادل بین تولید و مصرف همواره در سیستم قدرت به صورت لحظه ای و دائم وجود دارد. کمتر بودن فرکانس از مقدار نامی نشان دهنده کسری تولید در شبکه است و بالعکس. در عمل حتی بدون وجود خطا در سیستم، بار به صورت پیوسته تغییر می‌کند. انحراف فرکانس از مقدار نامی کنترل اولیّه را فعّال می‌کند. کنترل اولیّه باعث ایجاد یک فرکانس جدید و متفاوت از فرکانس نامی (همراه با خطای حالت ماندگار) در ناحیه می‌شود. 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 شود، حفظ توازن توان در تمام ناحیه‌های کنترلی به صورتی است که مقدار فرکانس برابر مقدار نامی و همچنین میزان توان انتقالی خطوط برابر با میزان توان انتقالی برنامه ریزی شده آن باشد.
علاوه بر این دو حلقه کنترلی، کنترل ثالثیه ای نیز وجود دارد که عملکرد آن کند تر از کنترل‌های اولیّه و ثانویه است. ساختار کنترل ثالثیه به نحوه 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 کرد. در واقع، کنترل ثالثیه میزان 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 میزان مصرف آنها (به علاوه تلفات شبکه) و ضمن رعایت قیود شبکه، هزینه بهره برداری نیز کمینه شود.
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 روند 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 عمل 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 برقرار نماید.
برای رسیدن به این مطلوب، بهره‌برداران شبکه می بایست 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 شود. 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 است بهره‌برداران و طراحان شبکه بروی استراتژی‌های کنترلی بازنگری‌های لازم را به عمل آورند و به صورت نسبی مرز‌های عملکرد، قابلیّت‌ها و تکنولوژی‌های لازم را برای ارتقای کیفیت توان تحویلی، به روز نمایند.
2-2- پیشینه تحقیق
2-2-1- وضعیت فعلی استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر
امروزه لزوم استفاده ازمنابع انرژی تجدیدپذیر در بسیاری از کشورهای دنیا به اثبات رسیده است. رشد استفاده 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 است. پیش بینی می‌شود تا سال 2015 تولید جهانی آن به بیش از 300 گیگاوات رسد. اینگونه پیش بینی شده است 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 است [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 است [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 استفاده از انرژی خورشیدی، باتری‌ها و واحدهای ذخیره‌ساز انرژی انجام یافته است. گزارش‌های منتشره در سال 2011 حاکی از این مطلب است 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 است [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 است. بر اساس نرخ رشد فعلی، اتحادیه صنعتی منابع انرژی تجدیدپذیر چین، ظرفیتی نزدیک به 50 گیگاوات را تا سال 2015 پیش بینی کرده‌است [13]. به نظر می‌رسد هند نیز نرخ رشد نصب منابع استحصال توان بادی خود را حفظ نموده است. در کره، منابع انرژی تجدیدپذیر نیز رو به رشد است. 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 است. در استرالیا، دولت رسیدن به سقف 20% استفاده از این منابع را تا پایان 2020 مبنا قرار داده است. همچنین اروپا، آمریکای شمالی، آسیا بالاترین نرخ افزایش به میزان 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- نقش 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 می‌شود) 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 روند کاهش قیمت پنل‌های خورشیدی و بالطبع تسریع روند 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 است. سه رویکرد عمده را می‌توان اینگونه نام برد [17]:
- یک رویکرد متداول جهت کنترل فرکانس تولید خورشیدی به این صورت است که تولید خورشیدی به صورت MPPT تولید شود و به وسیله سیستم‌های ذخیره‌ساز انرژی (ESS) نوسان‌های توان تولیدی خروجی نیروگاه خورشیدی کاهش یابد [18] [19] [20] [21]
- نصب و راه اندازی بانک بار مجازی (بار اضافی) جهت جذب توان مازاد[20].
- بهره‌برداری از نیروگاه خورشیدی در حالت توزیع توان بوسیله استراتژی‌های حبس تولید تعمّدی (deliberate curtailment) .
- استفاده 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.
چندین تحقیق جهت کمینه کردن اثرات نامطلوب اتصال ژنراتور خورشیدی به شبکه ایزوله، که به صورت MPPT مورد بهره برداری قرار گرفته، ارائه شده است [22] [23] [24] [25] [26] [27]. درین مقالات متداول ترین روش اعمالی جهت کنترل فرکانس، استفاده از ذخیرهسازهای انرژی برای نرم کردن توان خروجی، تنظیم فرکانس و در نظر گرفتن ظرفیتی رزرو برای ژنراتور خورشیدی بوده است. هیچکدام از روش‌های ذکر شده 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 است. در این مقاله روشی برای کنترل هر چه بهتر باتری جهت نرم کردن اغتشاشات توان خروجی تولید بادی و خورشیدی پیشنهاد شده است. در مرجع [21] با بهره گرفتن 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 شد. نتایج حاصله با نتایج حاصل از روشMPPT به همراه استفاده از ذخیره‌ساز باتری مقایسه شد. در [20] یک بار مجازی در نظر گرفته شده که در زمان اضافه تولید ژنراتور خورشیدی توان مازاد را مصرف می‌کند و زمانی که کمبود تولید وجود داشته باشد، از مدار خارج می‌شود.
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. ولی اگر سطح توان تولیدی خورشیدی در مقدار بهینه ای از تولید تعدیل گردد، ظرفیتی در دست خواهد بود که با بهره گرفتن از آن واحد خورشیدی می‌تواند سهمی در کنترل اولیّه فرکانس را بر عهده گیرد. به عبارت 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 گرفتن از این استراتژی با در دست داشتن داشتن شدّت 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 گرفتن از آن تعادل میان تولید-مصرف (به همراه تلفات) را مجدّداً برقرار نمود. گرچه در این استراتژی کنترلی نیازی مبرم به استفاده 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 گرفتن از ذخیره‌سازهایی با پاسخ سریع نظیر ذخیره‌ساز باتری می‌توان علاوه بر پوشش موارد 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 حائز اهمیت خواهد شد. معمولا نگاه غالب بر این است که حضور تولید بادی حجیم در شبکه و جایگزینی آن به جای تولید متداول، موجب کاهش ظرفیت و تاثیرگذاری تنظیم فرکانس شبکه خواهد شد. پیشرفت‌های اخیر [31] [32] [33] [34] در جهت افزایش ظرفیتهای کنترلی توربین‌های بادی سرعت-متغیّر نشان داده است که استفاده 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 شد. تحقیقات اولیّه نشان داده است 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 است. حلقه کنترلی اضافی جهت تطبیق نقطه مرجع گشتاور[3] به عنوان تابعی از تغییرات فرکانس و همچنین نرخ تغییرات فرکانس به منظور تسهیل استفاده از لختی پنهان برای استفاده در شبکه فراهم آورده است. همانطور که در [31] عنوان شده است، 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 است، اثر لختی DFIG کاملاً نامعلوم نیست. این اثر به کنترلر جریان روتور وابسته می‌باشد. کنترلر پیشنهادی در [33] براحتی توانسته است به صورت کاملاً پویا، بردار شار القایی روتور DFIG را جهت جلوگیری از بروز تغییرات ناگهانی ولتاژ خروجی کنترل کند. نتیجه استفاده از چنین کنترلری کاهش افت فرکانس ناشی از بروز این اغتشاشات و تلفات ناشی از آن می‌باشد. این پیشرفت‌ها ایده استفاده 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 مثمر ثمر خواهد بود [36]. در این مرجع با بهره گرفتن 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 گرفتن 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 است [37].
2-2-4- استفاده 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 است. در [40] با بهره گرفتن از ذخیره‌سازی انرژی جنبشی (لختی[5] موجود در پره و ماشین) شرکت تولید بادی در کنترل اولیّه فرکانس مورد مطالعه قرار گرفته است. در مرجع [41] روشی برای تعیین سقف مجاز نوسانات تولید بادی در حضور تولید حرارتی عنوان شده است. همچنین با بهره گرفتن از تکنیک‌های مُدال[6] تاثیرات دینامیکی تولید بادی بر کنترل فرکانس اولیّه و ثانویه (تکمیلی) مورد مطالع قرار گرفت است [42] [43] تحقیقات مشابه دیگری نیز جهت مطالعه و بررسی تاثیرات RESs بر بهره‌برداری از شبکه و کنترل ثانویه صورت پذیرفته است [44] [45] [46].
2-3- جمع بندی
در این فصل ابتدا به تبیین مبانی کنترل خودکار تولید پرداخته شد. ورود منابع انرژی تجدیدپذیر به شبکه در مقیاس بالا منوط به برقرار ماندن توانایی شبکه جهت کنترل مطلوب فرکانس عنوان شد. در ادامه مطالب، سابقه تحقیق مورد بررسی قرار گرفت. در بخش کنترل فرکانس سیستم های خورشیدی، عمدتاً توانایی لازم برای کنترل فرکانس شبکه از طریق استفاده از ذخیره ساز ها صورت می پذیرد. علاوه بر آن در اکثر مطالعات صورت گرفته، واحد خورشیدی فاقد کنترلی جهت شرکت در کنترل فرکانس است. در بخش تولیدات بادی مطالعات اخیر نشان می دهد رویکرد غالب جهت کنترل فرکانس شبکه، استفاده از انرژی ذخیره شده در جرم چرخان (پره) توربین در صورت لزوم برای ایجاد قابلیت کنترل اولیّه فرکانس می باشد. نشان داده شد اگرچه که این توانایی موقتی و متناسب با انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین است، این انرژی پنهان قابل آشکارسازی و الحاق به شبکه است.
در فصل بعدی ایده های جدیدی برای کنترل بهت