چکیده
 
مدیریت بر شرایط گذرای میکروگرید ها، چالش ها و راهکارها
Transient management of microgrids, challenges and strategies
 
به کوشش
تیمور قنبری هاشم آبادی
 
این تحقیق به بررسی شرایط گذرای میکروگریدها اختصاص یافته است. شرایط مورد نظر مشتمل بر گذراهای مربوط به تغییر وضعیت میکروگرید بصورت عادی و غیر عادی است. راهکارها و چالشهای پیش رو در اجرای یک مدیریت مطلوب بر شرایط گذرای میکروگریدها مورد مطالعه قرار گرفته است.
ویژگیهای ذاتی اجزای یک میکروگرید از جمله حساس بودن برخی بارها و نیز ظرفیت پایین واحدهای DG آن، اهمیت حفظ کیفیت توان در سطح مطلوب و تعامل صحیح با شبکه اصلی را در شرایط گذرا مشخص می سازد. در صورتی که پدیدهای گذرا بسرعت تشخیص داده شده و از همان لحظات ابتدایی مدیریت صحیحی برای کاهش اثرات آنها صورت گیرد، بنظر می رسد که هم فرونشاندن آنها راحتتر صورت گرفته و هم اجزای میکروگرید کمترین تاثیر را از این شرایط خواهند پذیرفت. در واقع در یک میکروگرید هر گونه تغییر کوچک در ولتاژ نقاط مختلف شبکه، ممکن است با اضافه جریانهای قابل ملاحظه ای همراه شود. هر عملکرد غیر صحیح از جانب تجهیزات حفاظتی شبکه سبب وخیم تر شدن اوضاع و اضافه جریان بیشتر می شود. هدف اصلی این پایان نامه مطالعه در مورد اعمال یک مدیریت صحیح بر سیکلهای اولیه هر پدیده گذرا مبتنی بر سناریوهای از پیش تعیین شده می باشد، بنحوی که اجازه ندهیم بخشهای حساس شبکه تحت تاثیر این وقایع قرار گیرند. برای این کار دو تکنیک بکار گرفته می شود. در روش اول با تشخیص سریع وقوع و نوع پدیده گذرا، بهترین استراتژی مدیریتی از پیش تعیین شده در شبکه پیاده سازی می شود. در روش دوم با نصب تجهیزات مناسب در مکانهایی از شبکه که احتمال پدیده گذرا در آنها زیاد است، از شرایط حاد پدیده گذرا جلوگیری می شود. این روش شامل استفاده از تجهیزاتی برای جلوگیری اساسی از وقوع پدیده های گذرا و یا بدست فرصت کافی (By some time) در مقابله با شرایط گذرا می باشد. یک روش سریع و مطمئن برای تشخیص و طبقه بندی پدیده های گذرا مبتنی بر فیلتر کالمن و شبکه عصبی ارائه شده است. بکارگیری محدود کننده های جریان خطا (FCL)[1] و مدار شکن های حالت جامد (SSCB)[2] و برخی دیگر از تجهیزات مشابه در مدیریت بر شرایط گذرای میکروگریدها نشان داده شده و توانمندیهای آنها در فرونشاندن پدیده های گذرا بصورت محلی و کلی در میکروگرید بررسی شده است.
 
 
 
فهرست مطالب
 
عنوان                                         صفحه
 
پیشگفتار ز
چکیده ح
فهرست مطالب ط
فهرست جداول ل
فهرست اشکال م
 
فصل اول: مقدمه
1-1- آشنایی با ساختارهای جدید در شبکه های قدرت 2
1-1-1- تولیدات پراکنده 3
1-1-2- میکروگریدها 6
1-1-3- شبکه های هوشمند 10
1-2- مدیریت بر میکروگریدها 11
1-2- 1- مبانی کلی مدیریت بر میکروگریدها 12
1-2-2- مدیریت اولیه بر شرایط گذرای میکروگریدها 13
1-2-3- تعدادی از مهمترین وقایع گذرای میکروگریدها 14
1-2-3-1- خطاها 15
1-2-3-2- جزیره ای شدن 15
1-2-3-3- مغناطیس شدن ترانسفورمر 17
1-2-3-4-کلید زنی خازن 18
1-2 -4- روش های تشخیص و طبقه بندی وقایع گذرا 18
1-2 -5- بررسی تعدادی از تجهیزات مناسب برای مقابله با شرایط گذرا 20
1-2-5-1- واسطه های الکترونیک قدرت 22
1-2-5-2- محدود کننده های جریان خطا 25
1-2-5-3- کلیدهای استاتیکی 26
1-2-5-4- ادوات DFACT 27
 
عنوان                                         صفحه
 
1-3- انگیزه اصلی تحقیق 28
1-4- چهارچوب تحقیق 28
 
فصل دوم: تشخیص و طبقه بندی وقایع گذرا در میکروگرید
2-1- تشخیص و طبقه بندی Real time وقایع در یک میکروگرید 31
2-2- مروری بر روش های پیشنهادی 32
2-3- روش پیشنهاد شده در این تحقیق 34
2-3-1- محاسبه مدال 34
2-3-1- تخمین فرکانس 35
2-3-1- فیلترینگ کالمن 35
2-3-1- بیان ریاضی ORBFNN 38
2-4- مطالعه موردی و متدولوژی تکنیک 42
2-5- نتایج شبیه سازی 43
2-6- نتیجه گیری 47
 
فصل سوم: معرفی چند وسیله مناسب برای مدیریت بر شرایط گذرا و مدیریت اولیه بر چندین پدیده گذرای مهم بصورت محلی در میکروگریدها
3-1- تعدیل کننده، محدود کننده و قطع کننده جریان گذرا 49
3-1-1- قطع کننده جریان 49
3-1-2- تعدیل کننده جریان 53
3-1-2- محدود کننده جریان 56
3-2- خطاها 61
3-3- مغناطیس شدن ترانسفورمر 66
3-4- کلید زنی خازن 71
3-5- جزیره ای شدن 81
3-6- نتیجه گیری 93
 
فصل چهارم: مدیریت اولیه کلی بر پدیده های گذرا در میکروگریدها
4-1- جبران سازی سگ ولتاژ با بهره گرفتن از محدود کننده جریان خطا و DVR 95
عنوان                                         صفحه
 
4-1-1- تحلیل سگ ولتاژ در ساختار پیشنهادی برای شبکه 97
4-1-2- ملاحظات طراحی DVR 99
4-1-3- شبیه سازی و نتایج عملی 101
4-2- حفظ هماهنگی حفاظتی شبکه و بهبود کیفیت توان میکروگرید در وضعیت اتصال میکروگرید به شبکه اصلی 105
4-2-1- تاثیر UFCL بر کیفیت توان میکروگرید و هماهنگی حفاظتی شبکه 109
4-2-2- نتایج عددی 112
4-2-3- الگوریتم تشخیص جهت جریان خطا 116
4-3- مدیریت گذرای یک میکروگرید توسط یک سیستم چند عاملی از محدود کننده های جریان خطا 121
4-1-1- طرح مبانی روش پیشنهادی 124
4-1-2- ارزیابی روش پیشنهادی 129
4-4- نتیجه گیری 133
 
فصل پنجم: جمع بندی و پیشنهادات
5-1-نتیجه گیری 136
5-2-پیشنهادات برای تحقیقات آینده 137
 
فهرست منابع و مآخذ 139
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جدول ها
 
 
عنوان                                         صفحه
 
جدول (1-1) انواع تولیدات پراکنده . 4
جدول (2-1) عملکرد ساختارهای مختلف شبکه عصبی در مقایسه با ساختار پیشنهادی 47
جدول (3-1) مشخصات محدود کننده جریان خطای پیشنهادی و مدار آزمایش آن . 63
جدول (3-2) پارامترهای ترانسفورمر مورد آزمایش  69
جدول (3-3) پارامترهای SSCSTL و سیستم آزمایشگاهی برای تست آن 77
جدول (3-4) حالتهای مختلف مطالعه شده در شبکه 91
جدول (3-5) مقادیر شاخصای مبتنی بر انرژی ولتاژ در موارد مختلف 91
جدول (3-6) مقادیر شاخصای مبتنی بر انرژی جریان در موارد مختلف 92
جدول (4-1) مشخصات شبکه شکل (4-1). 101
جدول (4-2) مشخصات شبکه شکل (4-12) 108
جدول (4-3) پارامترهای مدار معادل اتصال کوتاه شبکه شکل (4-13) 111
جدول (4-4) تنظیمات OCR ها قبل از اضافه شدن DG2 114
جدول (4-5) محاسبات هماهنگی حفاظتی رله ها قبل از اضافه شدن DG2 115
جدول (4-6) محاسبات هماهنگی حفاظتی رله ها بعد از اضافه شدن DG2 115
جدول (4-7) محاسبات هماهنگی حفاظتی رله ها بعد از اضافه شدن DG2 و استفاده از یک FCL متداول. 115
جدول (4-8) دامنه سگ ولتاژ در باس 5 در شرایط خطای پایین دست در حالت استفاده از یک FCL متداول و استفاده از UFCL 116
جدول (4-9) تعیین موقعیت خطا در شبکه شکل (4-28) 120
جدول (4-10) تعیین موقعیت خطا در شبکه شکل (4-30) 133
 
 
 
 
 
 
فهرست شکل ها
 
 
عنوان                                         صفحه
 
شکل (1-1) ساختار یک نمونه از میکروگرید 8
شکل (1-2) نمونه ای از یک میکروگرید پیاده سازی شده در یونان 9
شکل (1-3) روند تغییر ساختار در شبکه های قدرت. 11
شکل (1-4) شماتیکی از تشکیل یک جزیره 16
شکل (1-5) ناحیه غیر تشخیصی در تشخیص جزیره ای شدن   17
شکل (1-6) دسته بندی روش های تشخیص و طبقه بندی وقایع شبکه     18
شکل (1-7) مفهوم کلی یک واسطه الکترونیک قدرت ماژولار 23
شکل (1-8) بلوک دیاگرام واسطه های الکترونیک قدرت منابع مختلف 23
شکل (1-9) بخشهای مختلف یک واسطه الکترونیک قدرت ماژولار   24
شکل (1-10) کنترل واسطه الکترونیک قدرت در یک میکروتوربین 24
شکل (1-11) موقعیت های مختلف FCL در شبکه. 25
شکل (1-12) بریکر استاتیکی با بهره گرفتن از تایریستور 27
شکل (2-1) شماتیکی از روند تشخیص و طبقه بندی پیشنهادی    34
شکل (2-2) ساختار شبکه عصبی RBF 39
شکل (2-3) دیاگرام تک خطی میکروگرید مورد مطالعه 42
شکل (2-4) ساختار ORBFNN پیشنهادی 43
شکل (2-5) مدال ولتاژ باس یک و جریان DG1 و تخمین مولفه اصلی آنها با یک فیلتر کالمن، در حالت خطا (بالایی) و تغییر بار (پایینی). 44
شکل (2-6) سیگنال ابداعی ولتاژ و جریان در شرایط خطا و تغییر بار 45
شکل (2-7) فرکانس تخمینی مربوط به شکل موجهای نشان داده شده در شکل (2-5)، خطا (بالایی) تغییر بار (پایینی) . 46
شکل (2-8) انرژی مولفه های مدال جریان و مولفه اصلی مدال ولتاژ مربوط به شکل موجهای نشان داده شده در شکل (2-5)، خطا (بالایی) تغییر بار (پایینی) . 46
شکل (3-1) شماتیکی از مدار بریکر استاتیکی پیشنهادی 51
عنوان                                         صفحه
 
شکل (3-2) a) ساختار پایه کموتاسیون اجباری b) ساختار پل کموتاسیون اجباری . 52
شکل (3-3) تعدیل کننده جریان گذرا 54
شکل (3-4) مدار ساده برای بررسی عملکرد تعدیل کننده جریان گذرا (Vs=50sin314t, Lr=46 mH, Cr=220 µF, and ZL=10 Ω) 54
شکل (3-5) شکل موج جریان خطا a) بدون تعدیل کننده جریان گذرا b) با تعدیل کننده جریان گذرا c) با تعدیل کننده جریان گذرا و در نظر گرفتن مقاومتهای سلف Lr و اجزای دیگر مدار . 55
شکل (3-6) ساختار پیشنهادی محدود کننده جریان خطا در [150]    57
شکل (3-7) ساختار پیشنهادی برای محدود کننده جریان خطا    58
شکل (3-8) مدار معادل محدود کننده جریان پس از عملکرد     59
شکل (3-9) کنترل هایبرید (خودکار و خارجی) 61
شکل (3-10) شماتیکی از مدار آزمایش محدود کننده جریان خطای پیشنهادی . 62
شکل (3-11) تصویری از مدار آزمایش محدود کننده جریان خطای پیشنهادی 63
شکل (3-12) جریان خطا بدون استفاده از FCL 64
شکل (3-13) جریان خطا با بهره گرفتن از FCL . 64
شکل (3-14) ولتاژ دو سر مدار رزنانس موازی در حالت عادی و خطا 64
شکل (3-15) نمونه ساخته شده از بریکر استاتیکی پیشنهادی   65
شکل (3-16) ولتاژ و جریان بار و جریان در بخشهای مختلف بریکر استاتیکی پیشنهادی 65
شکل (3-17) ولتاژ و جریان بار در هنگام عملکرد بریکر استاتیکی 66
شکل (3-18) محدود کننده جریان هجومی با کنترل هایبرید 68
شکل (3-19) شماتیک سیستم پیاده سازی شده برای آزمایش محدود کننده جریان هجومی. 69
شکل (3-20) مشخصه V-I ترانسفورمر مورد آزمایش 69
شکل (3-21) نمونه ای از جریان هجومی بدون حضور محدود کننده جریان هجومی، شبیه سازی (بالایی) و آزمایشگاهی (پایینی) 70
شکل (3-22) نمونه ای از جریان هجومی با حضور محدود کننده جریان هجومی، شبیه سازی (بالایی) و آزمایشگاهی (پایینی) 70
شکل (3-23) محدود کننده گذرای سویچینگ خازن استاتیکی 73
شکل (3-24) مدار معادل SSCSTL در مد محدود کنندگی 74
شکل (3-25) مدار معادل SSCSTL در مد اتصال کوتاه 75
شکل (3-26) سیستم آزمایشگاهی برای تست SSCSTL 76
عنوان                                         صفحه
 
شکل (3-27) ولتاژ MOV3 (بالایی) و جریان خازن (پایینی) در کلیدزنی خازن a) نتایج شبیه سازی b) نتایج عملی 78
شکل (3-28) ولتاژ راکتور DC (بالایی) و سیگنال درایو Th (پایینی) در کلیدزنی خازن a) نتایج شبیه سازی b) نتایج عملی 78
شکل (3-29) جریان بانک خازنی 120 µF با (بالایی) و بدون (پایینی) SSCSTL در کلیدزنی خازن a) نتایج شبیه سازی b) نتایج عملی    79
شکل (3-30) جریان بانک خازنی 240 µF با (بالایی) و بدون (پایینی) SSCSTL در کلیدزنی خازن a) نتایج شبیه سازی b) نتایج عملی    80
شکل (3-31) ولتاژ گذرای de-energization با SSCSTL (بالایی) و با کلید مکانیکی (پایینی) a) نتایج شبیه سازی b) نتایج عملی   81
شکل (3-32) الگوریتم پیشنهادی برای تشخیص شرایط جزیره ای شدن 85
شکل (3-33) انتخاب th1 و th2 بر اساس اطلاعات بدست آمده از شبیه سازی متعدد شبکه . 86
شکل (3-34) شبکه مورد مطالعه برای بررسی شرایط جزیره ای شدن   86
شکل (3-35) طیف فرکانسی زمان-فرکانس ولتاژ و امپدانس توالی منفی مربوط به کلیدزنی بار L4 . 88
شکل (3-36) مشخصه ای هارمونیکی انرژی ولتاژ باس یک مربوط به کلیدزنی بار L4 . 88
شکل (3-37) مشخصه ای هارمونیکی انرژی جریان DG1 مربوط به کلیدزنی بار L4 88
شکل (3-38) طیف فرکانس-زمان ولتاژ، امپدانس توالی منفی، مشخصه های هارمونیکی انرژی ولتاژ و جریان در حالت خطای تکفاز به زمین (F1) 89
شکل (3-39) طیف فرکانس-زمان ولتاژ، امپدانس توالی منفی، مشخصه های هارمونیکی انرژی ولتاژ و جریان در حالت جزیره ای شدن وقتی که B1 و B5 قطع شوند 90
شکل (3-40) سیگنال جریان و امپدانس توالی منفی آن در مورد 6   92
شکل (3-41) سیگنال جریان در شرایط جزیره ای شدن و اتصال به شبکه وقتی شرایط مشابه هم باشند. 92
شکل (4-1) مدار تک خطی شبکه توزیع مورد مطالعه (بالایی)، مدار معادل توالی مثبت شبکه در شرایط خطا . 97
شکل (4-2) شماتیکی از DVR و شیوه کنترل آن 100
شکل (4-3) ولتاژ PCC با و بدون FCL در شرایط خطا 102
شکل (4-4) جریان F3 با و بدون FCL در شرایط خطا 102
شکل (4-5) تغییرات زاویه فاز ولتاژ PCC با و بدون FCL در شرایط خطا 102
عنوان                                         صفحه
 
شکل (4-6) جبرانسازی تکمیلی توسط DVR . 103
شکل (4-7) توان تزریقی توسط DVR در شرایط خطا با و بدون FCL   103
شکل (4-8) جریان تزریقی توسط DVR در شرایط خطا با و بدون FCL  104