۲۹ مهر ۱۳۹۸
بازدیدها: 27
بدون نظر

۱- مقدمه

انحراف فرکانس تاثیر مستقیمی بر نا متعادلی بین بار الکتریکی و منابع تولید توان دارد. یک انحراف فرکانس دائم تاثیر مستقیمی در بهره برداری سیستم, قابلیت اطمینان و راندمان دارد.از آنجایی که فرکانس تولید شده در شبکه برق متناسب با سرعت چرخش ژنراتور است, تغییر سرعت ژنراتور باعث تغییر فرکانس شبکه می شود.در این حالت واحدهای گاورنر تغییر سرعت را حس میکنند و دریچه ورود بخار به توربین را برای بازگشت فرکانس به مقدار نامی تغییر می دهند.

۱-۱- مدهای AGC برای کنترل سیستم قدرت

۱- کنترل اولیه

۲-کنترل تکمیلی

۳-کنترل اضطراری

۱- ۲- کنترل اولیه

توان خروجی واحدهای تولیدی(ژنراتور) توسط کنترل سرعت محرک اولیه آنها که ممکن است توربین بخار, توربین آبی, توربین گاز و یا دیزل موتور باشد کنترل میشود.در اینجا توربین بخار مدنظر است که توان خروجی آن با باز و بسته کردن والو ورود بخار به آن کنترل میشود.برای تطبیق تولید و تقاضا بخار ورودی به توربین باید پیوسته تنظیم شود.شکل زیر بلوک دیاگرام یک ژنراتور سنکرون مجهز به سیستم کنترل اولیه را نشان می دهد.مطابق شکل گاورنر سرعت تغییر سرعت را با حلقه کنترل فرکانس اولیه حس می کند.نیروی مکانیکی لازم به سمت دریچه بخار توسط Hydrolic amlifier تولید میشود.گاورنر سرعت تابع کنترل سرعت اولیه را فراهم می کند.اما حلقه کنترل فرکانس اولیه نمی تواند فرکانس را دقیقا به مقدار نامی باز گرداند.

کنترل اولیه

۳-۱- کنترل تکمیلی

نراتورهای سنکرون بزرگ علاوه بر کنترل فرکانس اولیه ممکن است مجهز به سیستم کنترل تکمیلی هم باشند.در شکل زیر بلوک دیاگرام یک توربین- ژنراتور با دو حلقه کنترل فرکانس مشاهده می شود. حلقه کنترل تکمیلی با یک فیدبک از انحراف فرکانس و از طریق یک کنترلرI  و یا PI به حلقه کنترل اولیه اضافه می شود. سیگنال منتجه از این دو فیدبک برای تغییرات توان مکانیکی را جهت تنظیم فرکانس استفاده می شود.در این صورت پس از یک تغییر بار, مکانیزم فیدبک سیگنالی به گاورنر و در نتیجه به توربین می فرستد تا تولید, تغییرات توان مکانیکی را دنبال کند و فرکانس ثابت شود. در سیستم کنترل تکمیلی به علت اینکه از کنترلر انتگرالگیر یا تناسبی- انتگرالی استفاده می کنیم, خطای حالت دائم صفر می شود و در نتیجه فرکانس دقیقا به مقدار تعیین شده می رسد.کنترل فرکانس تکمیلی یک تابع عمده از سیستم AGC است که به صورت آنلاین فرکانس و تولید سیستم را کنترل می کند.

کنترل تکمیلی

۴-۱- کنترل اضطراری

کنترل اضطراری که شامل حذف بار در شرایط اضطراری است, جهت مینیمم کردن خطر جزیره ای شدن شبکه و خاموشی سیستم استفاده می شود.بار زدایی یک عمل کنترل اضطراری برای تامین امنیت سیستم با محدود کردن بار سیستم است.بار زدایی فقط وقتی که فرکانس سیستم از یک حد مشخصی کمتر شود, استفاده می شود.حذف بار تا زمانیکه تولید موجود بتواند بار باقیمانده را تامین کند انجام می شود.حذف بار هم معمولا به صورت پله ای انجام می شود. هر کدام از مدهای کنترل اولیه, کنترل تکمیلی و کنترل اضطراری برای یک انحراف فرکانس استفاده میشود.

محدوده فرکانس سیستم قدرت

تحت بهره برداری عادی  انحراف فرکانس کوچک میتواند با وجود کمی خطا توسط سیستم کنترل اولیه حذف میشود.برای انحراف فرکانس بزرگ بر اساس مقدار ذخیره چرخان موجود, AGC وظیفه برگردان فرکانس به مقدار تعیین شده را دارد. یک نا متعدلی بزرگ بین بار و تولید با تغییرات سریع فرکانس یک خطای بزرگ تلقی میشود که سیستم AGC با کنترل تکمیلی در این وضعیت ناکارآمد است.در این وضعیت یک طرح کنترلی اضطراری و حفاظتی از AGC با عنوان بارگذاری تحت فرکانس برای کاهش خطا و ریسک به کار می رود. پاسخ سیستم کنترل فرکانس سیستم قدرت با سه انحراف فرکانس ذکر شده در زیر آمده است.

پاسخ سیستم کنترل فرکانس

در انحراف فرکانس اول حلقه کنترل اولیه همه واحدهای تولید در طول چند ثانیه فرکانس را به نزدیکی مقدار نامی می رساند.همانطور که گفته شد سیستم کنترل اولیه دارای مقداری خطا است که این خطا توسط سیستم کنترل تکمیلی خنثی می شود.

اما در انحراف فرکانس دوم میبینیم که فرکانس سریعا افت کرده و به مقدار بحرانی رسیده.در این حالت که فرکانس بیش از حد افت کرده سیستم کنترل اضطراری وترد عمل میشود .در این حالت حذف بار تحت فرکانس انجام میشود .همچنین باید دقت کنیم که طوری برنامه ریزی کنیم که بارهای غیرمهم از مدار خارج شوند.در غیر این صورت ممکن است که به علت سرعت کم ژنراتورها ازمدار خارج شوند و یک خطای آبشاری در شبکه رخ دهد که میتواند باعث خاموشی سراسری (Blachout) شود.

هدف اصلی کنترل سیستم قدرت عبارت است از تولید توان الکتریکی در یک سیستم به هم پیوسته به صورتی که تا حد امکان قابل اطمینان و اقتصادی باشد و در عین حال ولتاژ ها و فرکانس در درون حدود مجاز قرار گرفته باشند.

قدرت اكتیو در هنگام نیاز باید تولید شود و چون مصرف بارها در ساعات مختلف شبانه‌ روز تغییر می‌نمایند، لذا قدرت تولیدی ژنراتورها نیز باید كنترل گردند. قدرت خروجی یك ژنراتور با تغییر دادن قدرت مكانیكی ورودی آن كنترل می‌شود. برای این كار با باز كردن یا بستن شیر بخار و یا دریچه آب، جریان بخار یا آب روی توربین تنظیم شده و باعث كنترل قدرت مكانیكی و در نتیجه قدرت اكتیو خروجی ژنراتور می‌گردد. اگر قدرت مصرفی بار افزایش یابد،‌ باید شیر بخار و یا دریچه آب بیشتر باز شود كه به همان میزان قدرت تولیدی ژنراتور افزایش داده شود، و چنانچه قدرت مصرفی بار كاهش یابد، باید شیر بخار و یا دریچه آب تا حدی بسته شود كه به همان میزان باعث كاهش قدرت تولیدی ژنراتور شده و در نتیجه توازن قدرت اكتیو برقرار گردد.

عدم توازن قدرت،‌ از تأثیر آن بر روی سرعت و یا فركانس ژنراتور حس می‌شود. در صورت كاهش بار و اضافه بودن تولید، ژنراتور تمایل به افزایش سرعت و فركانس خود دارد. و در صورت افزایش بار و كمبود تولید،‌ سرعت و فركانس ژنراتور رو به كاهش می‌رود. انحراف فركانس از مقدار نامی آن به عنوان سیگنالی جهت تحریك سیستم كنترل خودکار انتخاب می‌شود. توازن قدرت اكتیو بمنزله ثابت بودن فركانس سیستم است كه این موضوع به نوبه خود دارای اهمیت فراوانی می‌باشد. قدرت اكتیو، زاویه قدرت δ و فركانس در یك كانال كنترل می‌شوند كه آن را كانال كنترل Power Factor PF قدرت فركانس، و یا مگاوات-فركانس می‌نامیم. سیستم كنترل مربوطه نیز به سیستم كنترل خودکار بار- فركانس، Load Frequency Control LFC معروف است.

حلقه كنترل LFC کنترل بار-فرکانس فقط به تغییرات كم‌دامنه و آرام بار و فركانس پاسخ می‌دهد و در شرایط اضطراری و عدم توازن قدرت ناشی از آن قادر به كنترل نمی‌باشد. كنترل سیستم در شرایط اضطراری و تغییرات ناگهانی با مطالعه پایداری گذرا و حفاظت سیستم‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد.

تغییر در توان حقیقی عمدتا بر روی فرکانس سیستم تاثیر می گذارد در حالی که توان راکتیو حساسیت کمی به فرکانس دارد و بطور عمده به تغییرات اندازه ولتاژ وابسته است. بنابراین توان حقیقی و راکتیو به صورت جداگانه کنترل می شوند. حلقه، کنترل فرکانس بار LFC، توان حقیقی و فرکانس را کنترل می کند و حلقه تنظیم خود کار ولتاژ Automatic Voltage Regulator AVR، نیز توان راکتیو و اندازه ولتاژ را تنظیم می کند. با رشد روز افزون سیستم های قدرت بهم پیوسته،، کنترل فرکانس بار، اهمیت بیشتری پیدا نموده است و با بهره گیری از روش های جدید، بهره برداری از این سیستم ها را مقدور ساخته است. و هم اکنون نیز پایه بسیاری از مفاهیم پیشرفته برای کنترل سیستم های بزرگ است.

به منظور عملکرد رضایت بخش یک سیستم قدرت ثبات فرکانس امری الزامی است، چرا که کنترل نسبتا دقیق فرکانس ثبات سرعت موتورهای سنکرون و القایی را به دنبال دارد و تثبیت سرعت بارهای موتوری، به طور ویژه در عملکرد رضایت بخش واحدهای تولید اهمیت دارد زیرا این واحدها به شدت به عملکرد تمامی محرک های جنبی مربوط به سوخت، آب و سیستم های تغذیه هوای احتراق وابسته اند.

همچنین در یک شبکه ممکن است افت زیاد فرکانس منجر به ایجاد جریان های شدید مغناطیسی در موتورهای القایی و ترانسفورماتورها شود و صدمات جبران ناپذیری وارد نماید از طرفی استفاده وسیع از ساعت های الکتریکی سنکرون و استفاده از فرکانس برای سایر مصارف زمان سنجی، نیازمند نگهداری و حفظ دقیق زمان سنکرون است که با انتگرال فرکانس متناسب است در نتیجه نه تنها فرکانس، بلکه انتگرال آن نیز باید تنظیم و کنترل شود.

در صورت كاهش بار و اضافه بودن تولید، ژنراتور تمایل به افزایش سرعت و فركانس خود دارد. و در صورت افزایش بار و كمبود تولید،‌ سرعت و فركانس ژنراتور رو به كاهش می‌رود.

ثبات فرکانس یک سیستم قدرت بستگی به تعادل توان حقیقی دارد و از آنجا که فرکانس عامل مشترکی در سرتاسر سیستم است، هر تغییری در تقاضای توان حقیقی یک نقطه به شکل تغییر فرکانس در سرتاسر سیستم منعکس می شود. و نظر به اینکه توان مورد نیاز یک سیستم قدرت بزرگ، توسط تعداد زیادی ژنراتور تامین می شود باید تغییر توان مورد تقاضا را بین واحدها تقسیم نمود. البته تقسیم بار بین ژنراتورها و کنترل اولیه سرعت توسط گاورنرهای نصب شده بر روی ژنراتورها صورت می پذیرد، لیکن جهت تنظیم دقیق فرکانس در مقدار نامی، نیاز به یک کنترل تکمیلی می باشد که باید در یک مرکز کنترل اصلی انجام شود.

مراکز مدرن کنترل انرژی Energy Control Center ECC که با شکبه های رایانه ای به هنگام تجهیز شده اند، پردازش اطلاعات و کنترل را توسط اخذ داده از واحدهای دور، تحت عنوان سیستم SCADA انجام می دهند.

روش های ارائه شده برای کنترل ژنراتورهای مجزا و نهایتا کنترل سیستم های به هم پیوسته بزرگ نقش حیاتی در مراکز مدرن کنترل انرژی ایفا می نمایند. در همین راستا تاکنون تحقیقات زیادی در این خصوص صورت گرفته است.

در یک سیستم قدرت بهم پیوسته تجهیزات، کنترل فرکانس بار و کنترل خودکار ولتاژ بر روی هر ژنراتور نصب می شود. شکل شماتیک حلقه، کنترل فرکانس بار و حلقه تنظیم خودکار ولتاژ یک ژنراتور را نشان می دهد.

کنترل کننده ها برای کار تحت شرایط مشخصی تنظیم شده اند و در مقابل تغییرات کوچک بار، ولتاژ و فرکانس را کنترل می نمایند. تغییرات کوچک در توان حقیقی عمدتا بستگی به تغییر در زاویه روتورها و به تبع آن فرکانس دارد. توان راکتیو نیز وابسته به اندازه ولتاژ (یا به عبارتی تحریک ژنراتور) است. بنابراین با توجه به اینکه تزویج بین حلقه AVR و LFC ناچیز است و همچنین ثابت زمانی سیستم تحریک بسیار کوچکتر از ثابت زمانی محرک ژنراتور (عمدتا توربین ها) می باشد، حالت گذرای آن بسیار سریعتر ازآن است که بر روی دینامیک LFC تاثیر بگذارد.

لذا عموما کنترل فرکانس بار و کنترل تحریک به صورت جداگانه مورد بررسی واقع می شوند. اهداف عمده، کنترل فرکانس بار عبارتند از؛ حفظ فرکانس به صورت یکنواخت، تقسیم بار سیستم بین ژنراتورها به نحو مطلوب و ترجیحا اقتصادی و تنظیم توان مبادله شده از خطوط ارتباطی در مقادیر برنامه ریزی شده می باشند.