۱- مقدمه
یکی از مهم‌ترین مشکلاتی که سیستم‌های قدرت از جمله ریزشبکه ها با آن روبرو هستند، ناپایداری ولتاژ است. طبق تعریف IEEE پایداری ولتاژ عبارت است از توانایی یک سیستم قدرت در نگهداری ولتاژ دائمی در همه باسهای سیستم در شرایط عادی و بعد از بروز اغتشاش. پایداری ولتاژ یکی از فاکتورهای مهمی است که به منظور اجتناب از فروپاشی ولتاژ و خاموشی بخشی از سیستم و یا خاموشی سراسری، باید در برنامه ریزی سیستم قدرت منظور شود. از نقطه نظر پایداری ولتاژ، اپراتورهای سیستم علاوه بر دانستن دقت سیستم خود باید مکانیزم هایی که باعث به وجود آمدن ناپایداری ولتاژ می‌شوند را بشناسند. ناپایداری ولتاژ به این صورت است که اگر ولتاژ از سطح قابل قبولی کمتر شود، شرایط سیستم به سمت فروپاشی ولتاژ سوق پیدا می‌کند. یکی از عمومی‌ترین دلایل ناپایداری ولتاژ کمبود توان راکتیو شبکه یا جذب بالای توان راکتیو توسط خود سیستم است. مساله پایداری ولتاژ می‌تواند در هر دو منظر استاتیک و دینامیک بررسی شود. روش پایداری ولتاژ استاتیک اساساً به مدل حالت دائم در بررسی‌ها مانند پخش بار بستگی دارد. در حالیکه روش پایدارری ولتاژ دینامیکی از مدل‌های مشخص شده با معادلات جبری و دیفرانسیلی که شامل دینامیک ژنراتور,تپ چنجرها و ترانسفورماتورها و غیره است استفاده می‌کند. از آنجایی که تحلیل حالت دائم فقط شامل حل معادلات جبری است، از لحاظ محاسباتی گستردگی کمتری نسبت به محاسبات پایداری دینامیکی دارد.
۲- بررسی پایداری ولتاژ با منحنی‌های P-V و P-Q
ولتاژ به عنوان بخش یکپارچه ای از سیستم قدرت و همچنین یک جنبه مهم در پایداری و امنیت سیستم قدرت درنظر گرفته می‌شود. پایداری ولتاژ یک سیستم، توانایی آن سیستم در حفظ سطح ولتاژ قابل قبول در همه باس‌ها در شرایط عادی و بعد از خطا است. همچنین فروپاشی ولتاژ به عنوان رخدادی که در آن ناپایداری ولتاژ منجر به ایجاد پروفیل ولتاژ خیلی پایین در بخش مهمی از سیستم می‌شود، تلقی می‌شود. معمولاً فروپاشی ولتاژ در سیستم‌هایی که تحت بارگذاری زیادی باشند (استرس زیاد) یا دارای خطا یا کمبود توان راکتیو باشند اتفاق می‌افتد. در سال‌های اخیر مشکل ناپایداری ولتاژ به دلیل حوادث فروپاشی ولتاژ بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. سیستم از نظر ولتاژ ناپایدار است اگر ولتاژ آن به دلیل قطعی تجهیزات، افزایش تقاضای بار یا کاهش عملکرد کنترل کننده‌ها از سطح قابل قبولی کمتر شود. مسأله پایداری ولتاژ می‌تواند به دو دسته تقسیم شود.
- پایداری ولتاژ اغتشاش بزرگ: این مسأله اساساً به توانایی کنترل سیستم کنترل ولتاژ تحت اغتشاش‌های بزرگ شبیه شرایط از دست رفتن یکی از واحدهای تولیدی است.
- پایداری ولتاژ اغتشاش کوچک: این مسأله اساساً به توانایی سیستم در کنترل ولتاژ تحت اغتشاش‌های کوچک نظیر تغییرات بار بستگی دارد.
عوامل اصلی که منجر به فروپاشی ولتاژ می‌شوند عبارت‌اند از:
- ناتوانی سیستم در تأمین تقاضای توان راکتیو
- محدودیت توان راکتیو ژنراتور
- پارامترهای خط انتقال(خط کوتاه و بلند)
- عملکرد تپ چنجر ترانسفورماتور
- مشخصات بار
تنظیم ولتاژ در ریزشبکه برای دستیابی به قابلیت اطمینان و پایداری در سیستم ضروری است. بدون کنترل ولتاژ محلی، زمینه نوسان توان راکتیو/ ولتاژ در سیستم‌های با نفوذ بالای منابع میکرو فراهم می‌شود. الزامات کنترل ولتاژ در میکروگرید این را تضمین می‌کنند که چرخش جریان راکتیو بین منابع موجود در ریزشبکه وجود ندارد. در شبکه‌های قدرت از آنجایی که امپدانس بین ژنراتورها معمولاً به اندازه کافی بزرگ است، این مساله می‌تواند امکان چرخش جریان راکتیو بین منابع را کاهش دهد. در ریزشبکه ها که شبکه‌های توزیع شعاعی هستند، مشکل بزرگ چرخش جریان راکتیو بین منابع زیاد است. با خطاهای کوچک در ولتاژ ریزشبکه، این جریان‌های چرخشی می‌توانند از مقدار مجاز خود بیشتر شوند. در این شرایط به کنترل کننده افت ولتاژ/ توان راکتیو نیاز است. همانطور که قبلاً ذکر شد مسأله پایداری ولتاژ می‌تواند به دلایل مختلفی از قبیل: محدودیت توان راکتیو، دینامیک بار و عمل تپ چنجر ظاهر شود. مسأله پایداری ولتاژ در ریزشبکه می‌تواند با استفاده از منحنی‌های و نشان داده شود. منحنی حداکثر قابلیت بارپذیری را نشان می‌دهد در حالیکه منحنی مقدار توان راکتیو مورد نیاز بار برای پروفیل ولتاژ مطلوب را نشان می‌دهد.
۱-۲- بررسی منحنی P-V
تحلیل منحنی P-V برای تعیین پایداری ولتاژ سیستم‌های شعاعی و همچنین سیستم‌های حلقوی بزرگ استفاده می‌شود. به عنوان مثال در این تحلیل توان P در یک ناحیه خاص افزایش می‌یابد و ولتاژ V در بعضی از باسهای بحرانی مشاهده شده و سپس منحنی برای آن باسبارهای خاص جهت تعیین پایداری ولتاژ سیستم با روش تحلیل استاتیک رسم می‌شود. یک سیستم دو باسه با یک ژنراتور و خط انتقال و بار مانند شکل زیر درنظر بگیرید.
۲-۲- بررسی منحنی Q-V
این منحنی ارتباط بین تأمین توان راکتیو و ولتاژ سمت دریافت در ریزشبکه را برای مقادیر مختلف توان اکتیو (P) نشان می‌دهد. با درنظر گرفتن همان سیستم دوباسه می‌توان منحنی‌های Q-V را به دست آورد. به این صورت که یک توان P و ولتاژ بار مشخصی را درنظر می‌گیریم و سپس به ازای آن‌ها مقدار Q را محاسبه می‌کنیم. این کار را برای مقادیر مختلف ولتاژ بار جهت به دست آوردن منحنی‌های Q-V مختلف انجام می‌دهیم. یکی از اطلاعاتی را که می‌توان از این منحنی دریافت کرد، حساسیت بارها به منابع توان راکتیو است. این روش‌های برای درک و بررسی پایداری ولتاژ مفید هستند اما از آنجایی که نیاز به محاسبات طولانی دارند، برای شبکه‌های مختلط بزرگ روش کارآمدی نیستند.