علارغم مزایای زیاد سیستم‌های قدرت مرسوم، مزایای اقتصادی، محیطی و فنی زیر منجر توسعه و یکپارچه‌سازی سیستم‌های DG شده است.

  • به دلیل رشد سریع بار، نیاز به تولید انرژی مرسوم باعث کاهش ذخایر سوخت‌های فسیلی می‌شود. بنابراین، بسیاری از کشورها به دنبال منابع تولید انرژی تجدید پذیری هستند که جایگزین واحدهای تولید مرسوم شوند.
  • کاهش آلودگی‌های محیطی و گرم شدن کره زمین فاکتورهای کلیدی برای استفاده از منابع تجدید پذیر هستند. بر اساس پروتکل کایوتو، اتحادیه اروپا، انگلستان و بسیاری از کشورهای دیگر قطع تولید گازهای گلخانه‌ای را به دلیل تغییر شرایط آب و هوایی و گرم شدن زمین دستور کار خود قرار داده‌اند.
  • DGها امکان تولید چندگانه مانند CHP (تولید همزمان برق و حرارت) را در نیروگاه‌ها بهتر فراهم می‌کنند. این عمل باعث افزایش راندمان و کاهش آلودگی‌های محیطی می‌شود.
  • به دلیل چگالی انرژی کمتر و وابستگی به شرایط جغرافیایی منطقه، به‌طورکلی واحدهای تولید تجدید پذیر واحدهای مدولار با ظرفیت پایینی هستند. این واحدها ازنظر جغرافیایی جایابی می‌شوند و معمولاً در نزدیکی بارها قرار می‌گیرند که این عمل به توجیه فنی و اقتصادی نیاز دارد. به‌عنوان مثال، ازآنجایی‌که انتقال آب گرم به فواصل دور اقتصادی نیست، بنابراین واحدهای CHP باید در نزدیکی بارهای گرمایشی قرار بگیرند.
  • بهره‌برداری مستقل و متصل به شبکه واحدهای تولید توزیع شده به تقویت تولید و بهبود کیفیت توان و قابلیت اطمینان مصرف‌کننده کمک می‌کند. علاوه براین، نگرانی‌های محیطی و دسترسی به سیستم توزیع فرصت بیشتری برای یکپارچه‌سازی DG‌ها ارائه می‌دهند.

دستگاه‌های توزیع الکتریکی مدرن متشکل از مجموعه‌ای از بخش‌ها و نقاط تغذیه متعدد هستند. تعامل آن‌ها با شبکه بالادست باعث تغییرات زمانی در مشخصه‌های توان عرضه‌شده به مصرف‌کنندگان می‌شود. معمولاً این تغییرات به فرم تغییرات کوتاه‌مدت تا تغییرات طولانی قطعی یا مشخصه‌های ولتاژ یا فرکانس غیرعادی در سیستم هستند. کیفیت توان منبع تغذیه به این تغییرات بستگی دارد، درحالی‌که قابلیت اطمینان به فرکانس وقفه‌ها و قطعی‌ها بستگی دارد. به دلیل استفاده گسترده از تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی حساس در بخش‌های تجاری و صنعتی، کیفیت توان و قابلیت اطمینان مسائل مهمی هستند که باید موردتوجه قرار بگیرند. تولید توزیع‌شده و یکپارچه‌سازی منابع انرژی تجدید پذیر در فرم ریز شبکه‌ها می‌تواند برای بهبود کیفیت توان و قابلیت اطمینان استفاده شود. قابلیت‌هایی که توسط DGتا و ریز شبکه‌ها ارائه می‌شوند عبارت‌اند از:

  • استفاده از دستگاه‌های ترکیبی برق و حرارت به افزایش راندمان کلی سیستم کمک می‌کند.
  • تولید توان محلی توسط منابع انرژی تجدید پذیر یا غیرمرسوم شبیه انرژی باد، خورشید و بیوماس ازنظر اقتصادی برای مصرف‌کنندگانی که از شبکه سراسری دور هستند، اقتصادی‌تر است.
  • ژنراتورهای توزیع‌شده می‌توانند برای کاهش تقاضای شبکه محلی در ساعات پیک استفاده شوند. این کاربرد را که با عنوان پیک سایی می‌شناسیم، با کاهش تقاضای پیک هم به کاهش هزینه مصرف‌کننده کمک می‌کند و هم به افزایش ظرفیت سیستم بالادست برای انتقال انرژی به دیگر مصرف‌کنندگان کمک می‌کند.
  • قابلیت بهره‌برداری مستقل از شبکه واحدهای تولید توزیع‌شده این امکان را به آنها می‌دهد که در مواقع قطعی طولانی‌مدت یا خطا در شبکه بالادست، توان مورد نیاز بارهای اولویت‌دار را تأمین کنند. انتقال از مود متصل به شبکه به مود مستقل با استفاده از کنترل‌کننده‌های هوشمند می‌تواند با کمترین گذراها انجام شود بطوریکه کمترین اغتشاش به بارهای حساس وارد شود.
  • ژنراتورهای توزیع‌شده می‌تواند توان‌های باکیفیت بالایی برحسب ولتاژ و فرکانس از طریق واسط‌های الکترونیک قدرت پیشرفته‌شان ارائه دهند. این باعث شده که آنها برای تأمین توان بارهای خیلی حساس مناسب باشند و درنتیجه نیاز به سیستم‌های بدون وقفه در محل مصرف‌کننده از بین می‌رود.

بنابراین، سیستم‌های DG می‌توانند به‌طور بالقوه برای بهبود کیفیت توان و قابلیت اطمینان سیستم‌های توزیع استفاده شوند.

۱- اغتشاشات کیفیت توان

شبکه‌های برق معمولاً توانی با ولتاژ و جریان متناوب با مقادیر دامنه و فرکانس تعیین‌شده تولید می‌کنند. بنابراین بیشتر تجهیزات مورداستفاده مصرف‌کنندگان باید در یک محدوده مشخص ولتاژ و فرکانس عمل کنند و هرگونه انحراف از این محدوده منجر به اختلال در عملکرد تجهیزات می‌شود. اغتشاشات کیفیت توان زمانی اتفاق می‌افتند که انحرافی در شکل موج ولتاژ و فرکانس ایجاد شود. تحلیل و ارزیابی اغتشاشات کیفیت توان با طبیعت و فرکانس رخداد این تغییرات، انواع بارهایی که غالباً به ولتاژ و فرکانس حساس هستند و اندازه‌گیری‌هایی که توسط مصرف‌کنندگان برای حفاظت تجهیزات خودشان اتخاذ می‌شود مرتبط است. اثر نفوذ واحدهای تولید انرژی تجدید پذیری مانند انرژی باد و خورشید که ماهیت متناوبی دارند بر شبکه و کیفیت توان مسئله مهمی است. توانایی سیستم برای جذب این اختلالات به سطح خطا و محل رخداد آن بستگی دارد. امروزه واحدهای تولید انرژی تجدید پذیر که انرژی پاک و مناسبی عرضه می‌کنند، به‌عنوان منابع کارآمدی در کنار سیستم‌های قدرت مرسوم بشمار می‌آیند. علارغم مزایای زیاد این واحدها، اتصال آنها به شبکه بالادست می‌تواند باعث ایجاد مسائل فنی برای سیستم‌های توزیع شود. شدت این مسائل به‌طور مستقیم به فنّاوری واحدهای تجدید پذیر، سطح نفوذ آنها در شبکه و جغرافیای محل نصب بستگی دارد. مسائلی که مشکلات مرتبط با قابلیت اطمینان و کیفیت توان شبکه را براثر نفوذ واحدهای تولید تجدید پذیر به وجود می‌آورند در ادامه توضیح داده می‌شوند.

۲- جریان هجومی

 تفاوت اجتناب‌ناپذیر کوچک میان ولتاژ منابع تولید تجدید پذیر و ولتاژ شبکه می‌تواند جریان هجومی گذرایی تولید کند که در زمان اتصال بین منابع تولید و سیستم توزیع جاری می‌شود. جریان هجومی می‌تواند باعث کمبود ولتاژ موقتی در شین‌های مجاور، استرس حرارتی تجهیزات برقی و یا تحریک سیستم‌های حفاظتی شود. شدت و مدت زمان جریان هجومی تولیدشده به امپدانس سیستم، شار پیوندی ترانسفورماتور کوپلینگ و مشخصه اشباع مغناطیسی غیرخطی ترانسفورماتور کوپلینگ بستگی دارد.

 

۳- افت ولتاژ و اضافه ولتاژ

برخی از منابع انرژی تجدید پذیر شبیه سیستم‌های فتوولتائیک جهت بهینه کردن استفاده از انرژی خورشید، برای بهره‌برداری در حوالی ضریب توان واحد در نظر گرفته می‌شوند. بنابراین، این سیستم‌ها فقط توان اکتیو به شبکه تزریق می‌کنند که این عمل می‌تواند نرخ سیلان توان راکتیو در سیستم را تغییر دهد و شین‌های مجاور به دلیل نداشتن توان راکتیو افت ولتاژ یا اضافه ولتاژ را تجربه کنند.

۴- نوسان توان خروجی

نوسانات توان خروجی واحدهای تولید انرژی تجدید پذیر می‌تواند باعث ایجاد مشکلات زیادی شود. نوسان توان در سیستم‌های توربین بادی و فتوولتائیک ناشی از تغییرات در سرعت باد و میزان تابش خورشید است. شدت این پدیده به شرایط آب و هوایی، محل نصب و توپولوژی سیستم بستگی دارد. نوسانات توان می‌توانند باعث ایجاد فلیکر ولتاژ، اضافه‌بار و یا کاهش بار شوند.

۵- نوسان فرکانس

نوسان فرکانس یکی از مهمترین پارامترهای تأثیرگذار بر کیفیت توان شبکه‌های برق می‌باشد. هرگونه نامتعادلی بین عرضه و تقاضا می‌تواند باعث ایجاد نوسان فرکانس شود. سیستم‌های تولید انرژی تجدید پذیر کوچک نوسان فرکانس کوچکتری در مقایسه با سیستم‌های تولید انرژی تجدید پذیر بزرگتر تولید می‌کنند. بااین‌وجود، با افزایش نفوذ این واحدها در سیستم، این مشکل بیشتر نمایان می‌شود. نوسانات فرکانس می‌توانند سرعت الکتروموتورها را تغییر دهند و به ژنراتورها آسیب برسانند.

۶- اغتشاش هارمونیکی

اغتشاش هارمونیکی یک از مهمترین مسائل کیفیت توان است که می‌تواند به دلیل حضور مبدل‌های الکترونیک قدرت مربوط به واحدهای انرژی تجدید پذیر اتفاق بیفتد. اغتشاش هارمونیک می‌تواند باعث افزایش گرما در بانک‌های خازنی و ترانسفورماتورها، اضافه جریان سیم خنثی و خطا در عملکرد سیستم‌های حفاظتی شود.

۷- اثر یکپارچه‌سازی DGها

قابلیت اطمینان و کیفیت توان شبکه با استفاده از واحدهای DG و یکپارچه‌سازی آنها بهبود یابند. بهبود کیفیت توان و قابلیت اطمینان مهمترین اثر یکپارچه‌سازی به فرم ریزشبکه هستند. الزامات زیر فاکتورهای اصلی بهبود کیفیت توان و قابلیت اطمینان هستند.

  • پاسخ سریع: بارهای ریزشبکه نیاز به پاسخ سریع سیستم ذخیره‌ساز انرژی برای حفاظت از نوسانات ولتاژ موقتی دارند.
  • سنکرون سازی: در عمل سنکرون سازی و کنترل واحدهای موازی باید عمل کنترلی به‌صورت هموار و با کمترین گذرا انجام شود.
  • انتقال نرم: منبع توان جایگزین باید قابلیت انتقال توان یکپارچه‌ای را داشته باشد.
  • جزیره شدن: ریزشبکه باید به اندازه کافی توانایی جدا شدن از شبکه را در هر پیشامدی داشته باشد.
  • ذخیره کافی: مقدار انرژی ذخیره‌شده باید به اندازه کافی باشد تا ریزشبکه توانایی معاف شدن از هر قطعی را تا زمان بازیابی توان اولیه یا ثانویه داشته باشد.
  • تغذیه بارهای با اولویت: ریزشبکه باید توانایی عرضه توان به بارهای مقدم در سیستم را داشته باشد.
  • توانایی دیسپاچ: ریزشبکه باید توانایی انتقال توان به هر یک از بارهای محلی را داشته باشد.
  • راندمان: ریزشبکه باید در بالاترین راندمان ممکن عمل کند.
  • سوخت: ریزشبکه باید مصرف سوخت واحدهای DG را به‌منظور اثرات محیطی به‌شدت کاهش دهد.

نمونه‌هایی از طرح‌های یکپارچه‌سازی DGها در زیر آمده‌اند.

  1. طرح آماده به کار ساده
  2. سیستم DG ثانویه با پشتیبانی کیفیت توان
  3. سیستم DG اولیه با پشتیبانی کیفیت توان برای بارهای مقدّم
  4. اتصال همواره DG به شبکه با پشتیبانی کیفیت توان برای بارهای مقدّم
  5. DG با پنل‌های خورشیدی در محدوده کیفیت توان
  6. DG با توربین بادی در محدوده کیفیت توان

۸- طرح آماده به کار

یک ژنراتور آماده به کار از بارهای سیستم در برابر قطعی‌های بلندمدت حفاظت می‌کند. این واحد از طریق یک سوئیچ انتقال استاتیک (ATS) به بارها متصل می‌شود. یک کنترل‌کننده منطقی به‌طور خودکار هرگونه قطعی در شبکه را تشخیص داده و توسط ATS فرمان وصل ژنراتور موردنظر را برای تغذیه بارها می‌دهد. مدت‌زمان که طول می‌کشد تا یک دیزل ژنراتور بارها را تغذیه کند، معمولاً ۱۰ ثانیه است. جهت حفظ تغذیه پیوسته بارهای مقدم و جلوگیری از اضافه‌بار شدن ژنراتور، بارها اولویت‌بندی می‌شوند. این طرح فقط بارها را در برابر هرگونه قطعی بلندمدت حفاظت می‌کند و برای حفاظت بارها در برابر اغتشاشات ولتاژ کوتاه‌مدت مناسب نیست. استفاده از دیزل ژنراتورهای کنترل ‌نشده به دلیل آلودگی‌های محیطی و محدودیت‌های کنترل کلید زنی کمتر رایج است. بااین‌وجود، ژنراتورهای سوختی دوستدار محیط با تابلوهای کلید پیشرفته می‌توانند به‌طور گسترده در این طرح استفاده شوند.