تقدیم به پدر و مادر عزیزم.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
تقدیر و تشکّر :
نگارنده بر خود فرض می‌داند تا بدینوسیله مراتب قدردانی و تشکر خود را از زحمات ارزشمند اساتید گرانقدر راهنما و مشاور جناب آقای دکتر عبدالرضا شیخ الاسلامی و سرکار خانم مهندس رویا احمدی آهنگر و نیز جناب آقای دکتر جواد روحی استاد محترم داور صمیمانه ابراز نماید.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
چکیده
در یک شبکه قدرت هر ناحیه موظّف به تأمین بار درخواستی ناحیه به همراه تضمین کیفیت توان تولیدی است. انحراف بیش از حدّ مجاز از فرکانس نامی شبکه، باعث آسیب رسیدن به تجهیزات، کاهش عملکرد بار‌های شبکه، تحمیل اضافه بار بر خطوط ارتباطی، تحریک ادوات حفاظتی شبکه و نقص عملکرد در تجهیزات الکترونیکی گشته و حتی در شرایطی سبب فروپاشی شبکه می‌گردد. هدف اصلی در کنترل بار فرکانس و در پی بروز هر تغییری در بار، بازگرداندن هرچه سریع تر فرکانس به مقدار نامی و کمینه نمودن دامنه نوسانات فرکانسی است. در کنار آن کاهش تغییرات توان انتقالی خطوط انتقال و بازگردانی سریع آن به محدوده قابل قبول دو هدف عمده کنترل خودکار تولید(AGC)  را تشکیل می‌دهند.
در حال حاضر شبکه قدرت مشمول تغییراتی کلی در بدنه و ساختار خود است. این تغییرات نه به سبب مسائل مربوط به تجدید ساختار یافتن شبکه و برنامه‌ریزی‌های رقابتی است، بلکه به علّت ظهور انواع جدید ادوات تولید توان، تکنولوژی‌های جدید و حجم رو به افزایش منابع انرژی تجدیدپذیر نیز می‌باشد. نیاز فزاینده به انرژی الکتریکی در کنار ذخیره محدود سوخت فسیلی و نگرانی روبه گسترش مشکلات زیست‌محیطی ناشی از مصرف سوخت فسیلی، ضرورت استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر نظیر باد و خورشید و ورود آنها را به شبکه قدرت دوچندان می کند. از طرفی با ظهور منابع انرژی تجدیدپذیر نظیر انرژی باد و خورشید علاقه شدیدی به بررسی تاثیرات استفاده از این منابع در بهره‌برداری و کنترل شبکه قدرت بوجود آمده است. یکپارچگی و پیوستن منابع انرژی تجدیدپذیر به شبکه قدرت فعلی گذشته از منافع اقتصادی که به دنبال دارد، اثرات پررنگی بر کیفیت توان و کنترل فرکانس شبکه باقی می‌گذارد.
افزایش استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر نیاز مبرم به بررسی و انجام مطالعات لازم جهت تعیین تاثیر آنها بر کنترل فرکانس سیستم قدرت را در پی داشته و اهمیّت داشتن برنامه‌های کنترلی مناسب را پر رنگ می کند. در این پایان نامه تأثیر شرکت دادن منابع انرژی تجدیدپذیر در کنترل فرکانس شبکه قدرت چند ناحیه ای با ارائه برنامه های کنترلی جدید مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
کلمات کلیدی فارسی: کنترل خودکار تولید، تولید انرژی خورشیدی، تولید انرژی بادی، سیستم ذخیره‌ساز انرژی.
فهرست مطالب
فصل اول: اصول کنترل بار فرکانس سیستم قدرت 1
1-1- مقدمه 2
1-2- ضرورت پایداری فرکانس در شبکه قدرت 3
1-3- ساختار مطالعاتی پایان‌نامه 7
فصل دوم: کنترل خودکار تولید 9
2-1- تعریف مسئله 10
2-2- پیشینه تحقیق 17
2-2-1- وضعیت فعلی استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر 17
2-2-2- نقش تولید خورشیدی در کنترل فرکانس شبکه 19
2-2-3- حضور تولید بادی در کنترل فرکانس 21
2-2-4- استفاده از ذخیره‌سازها 22
2-3- جمع بندی 23
فصل سوم: کنترل فرکانس تولید بادی و خورشیدی 24
3-1- مقدمه 25
3-2- مشارکت تولید بادی ژنراتور القایی دو سو تغذیه در تنظیم فرکانس شبکه 25
3-2-1- کنترل فرکانس توربین بادی سرعت متغیّر 26
3-2-2- مدل توربین بادی 27
3-2-3- مقدارسنجی انرژی چرخشی قابل دسترسی از توربین-ژنراتور 30
3-2-4- کاربرد پشتیبانی موقّت  توان اکتیو DFIG در کنترل فرکانس سیستم قدرت 35
3-2-5- تغییر در تنظیم دروپ واحد‌های تولید بادی توسط DFIG بدون قابلیّت پشتیبانی فرکانس 36
3-2-6- تغییر در ثابت لختی سیستم بدون پشتیبانی فرکانس از طرف تولید بادی 36
3-2-7- تغییر در تنظیم فرکانس و ثابت لختی سیستم در حضور سیستم پشتیبانی فرکانس 36
3-2-8- کنترلر پیشنهادی برای پشتیبانی توان اکتیو از DFIG برای کنترل فرکانس 39
3-3- مشارکت واحد های تولید توان خورشیدی در کنترل فرکانس شبکه 40
3-3-1- مشخّصات پانل‌های خورشیدی و مدلسازی آنها 41
3-3-2- استراتژی کنترلی پیشنهادی برای مزرعه خورشیدی 44
3-3-3- تغییر در تنظیم دروپ واحد‌های تولیدی در حضور تولید خورشیدی با ضریب نفوذ 44
3-3-4- تغییر در ثابت لختی سیستم در حضور تولید خورشیدی 44
3-3-5- مشارکت واحد تولید خورشیدی در تنظیم فرکانس شبکه 45
3-3-6- الگوریتم سطح 2 کنترلی برای کنترل توان اکتیو 46
3-3-7- حالت کنترلی دروپ برای سیستم‌های خورشیدی 47
3-4- استفاده از ذخیره‌ساز‌های انرژی در سیستم قدرت 51
3-4-1- مدل ذخیره‌ساز باتری 51
3-5- الگوریتم بهینه‌سازی نوسان ذرات 53
3-6- شبکه ترکیبی 54
3-7- جمع بندی 55
فصل چهارم: شبیه سازی و ارائه نتایج 57
4-1- مقدمه 58
4-2- حضور DFIG در کنترل فرکانس سیستم قدرت 58
4-3- مشارکت سیستم‌های خورشیدی در کنترل فرکانس سیستم قدرت 67
4-4- مشارکت همزمان تولید بادی DFIG و سیستم‌های خورشیدی در کنترل فرکانس سیستم قدرت 71
4-5- استفاده از ذخیره‌ساز باتری در سیستم قدرت 75
4-6- بهینه‌سازی پاسخ دینامیکی شبکه 76
4-7- جمع بندی 81
فصل پنجم: نتیجه گیری و ارائه پیشنهادهای ممکن 82
5-1- بحث و نتیجه گیری 83
5-2- پیشنهادات 84
ضمائم 85
منابع و مراجع 86
 
 
لیست جداول
جدول 3- 1تغییر در تنظیم دروپ واحد های تولیدی و لختی سیستم برای ضریب نفوذ های متفاوت باد 38
جدول 4- 1سناریو‌های باتری در شبکه و مقدار شایستگی متناسب با ضریب نفوذ منابع و باتری 76
جدول 4- 2 مقادیر بهینه شده توسط الگوریتم PSO 78
جدول  1مشخصات نامی سیستم قدرت مورد مطالعه 85
جدول 2 پارامترهای به کار رفته در الگوریتم PSO 85
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
لیست تصاویر و نمودارها
شکل 2- 1 بلوک دیاگرام مدل توربین ژنراتور 11
شکل 2- 2 مدل ساده شده ی گاورنر 11
شکل 2- 3 مدل ساده شده ی توربین 11
شکل 2- 4 مدل توربین باز گرمکن 12
شکل 2- 5 مدل خطی و ساده شده کنترل فرکانس سیستم قدرت 12
شکل 2- 6 مدل کنترل بار فرکانس سیستم چند ماشینه 13
شکل 2- 7 شماتیک کلی سیستم دو ناحیه ای قدرت 13
شکل 2- 8 مدل خطی سیستم دو ناحیه ای قدرت با حلقه کنترلی تکمیلی 16
شکل 3- 1 بلوک دیاگرام مدل توربین بادی سرعت متغیّر 27
شکل 3- 2 منحنی‌های C_p برای زاویه‌های پره متفاوت 29
شکل 3- 3 توان و سرعت روتور توربین به عنوان تابعی از سرعت باد 29
شکل 3- 4 مدل توربین بادی سرعت متغیّر برای وزش باد با سرعت‌های کم و متوسط (کنترلر زاویه غیر فعّال شده است) 30
شکل 3- 5 توان مکانیکی تأمین شده از طرف DFIG برای سرعت‌های مختلف باد (B=0) 31
شکل 3- 6 مدت زمان تداوم افزایش توان پله ای موقت در خروجی توان الکتریکی توربین بادی برای سرعت‌های کم وزش باد 33
شکل 3- 7 مدت زمان تداوم افزایش توان پله ای موقت در خروجی توان الکتریکی توربین بادی برای سرعت‌های متوسّط وزش باد 34
شکل 3- 8 زاویه شیب پره برای برداشت سطوح مختلف توان اکتیو در سرعت‌های بالای وزش باد 35
شکل 3- 9 کنترلر پیشنهادی برای پشتیبانی فرکانس 40
شکل 3- 10 مدار معادل ماژول خورشیدی 41
شکل 3- 11 ژنراتور خورشیدی متصل به شبکه 42
شکل 3- 12 منحنی V_I ماژول خورشیدی 43
شکل 3- 13 منحنی V_P ماژول خورشیدی 43
شکل 3- 14 ساختار اصلی سیستم کنترلی 45
شکل 3- 15 دیاگرام کنترل دروپ فرکانس 49
شکل 3- 16 کنترل دروپ حالت ماندگار سیستم خورشیدی 50
شکل 3- 17 ساختمان کنترل دروپ پیشنهادی برای سیستم خورشیدی 51
شکل 3- 18 بلوک دیاگرام مدل خطی ذخیره‌ساز باتری 52
شکل 3- 19روند اجرایی تکنیک PSO 54
شکل 3- 20 بلوک دیاگرام سیستم دو ناحیه ای قدرت در حضور مزرعه بادی DFIG و مزرعه خورشیدی و ذخیره ساز باتری 54
شکل 4- 1تغییرات فرکانس ناحیه 1 در حضور سطوح مختلف تولید بادی در سیستم قدرت 59
شکل 4- 2 تغییرات فرکانس ناحیه 2 در حضور سطوح مختلف تولید بادی در سیستم قدرت 60
شکل 4- 3 تغییر توان ژنراتور ناحیه 1 60
شکل 4- 4 تغییر توان ژنراتور ناحیه 2 61
شکل 4- 5 تغییرات توان انتقالی خط ارتباطی بین ناحیه‌ای 61
شکل 4- 6 تغییرات فرکانس ناحیه 1 برای حالت‌های در نظر گرفته شده 62
شکل 4- 7 تغییرات فرکانس ناحیه 2 برای حالت‌های در نظر گرفته شده 63
شکل 4- 8 تغییرات توان انتقالی خطوط 63
شکل 4- 9 تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 1 65
شکل 4- 10  تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 2 65
شکل 4- 11 تغییرات فرکانس ناحیه 1 66
شکل 4- 12 تغییرات فرکانس ناحیه 2 66
شکل 4- 13 تغییرات توان انتقالی بین ناحیه 1 و 2 67
شکل 4- 14 تغییرات فرکانس ناحیه 1 برای حالت‌های در نظر گرفته شده 69
شکل 4- 15تغییرات فرکانس ناحیه 2 برای حالت‌های در نظر گرفته شده 69
شکل 4- 16تغییرات توان انتقالی خطوط برای موارد در نظر گرفته شده 70
شکل 4- 17تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 1 70
شکل 4- 18تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 2 71
شکل 4- 19تغییرات فرکانس ناحیه 1 برای حالت‌های در نظر گرفته شده 72
شکل 4- 20 تغییرات فرکانس ناحیه 2 برای حالت‌های در نظر گرفته شده 73
شکل 4- 21تغییرات توان انتقالی خط ارتباطی 73
شکل 4- 22تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 1 74
شکل 4- 23تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 2 74
شکل 4- 24 تغییرات توان خروجی منابع تجدیدپذیر با بهره گرفتن از برنامه‌های کنترلی پیشنهادی 75
شکل 4- 25 مقایسه انحراف فرکانس ناحیه 1 در حضور مقادیر بهینه باتری و ثات انتگرال گیر ناحیه 78
شکل 4- 26  مقایسه انحراف فرکانس ناحیه 2 در حضور مقادیر بهینه باتری و ثابت انتگرال گیر ناحیه 79
شکل 4- 27  مقایسه تغییرات توان انتقالی خط واسط در حضور مقادیر بهینه در دو ناحیه 79
شکل 4- 28 تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 1 80
شکل 4- 29 تغییرات توان خروجی ژنراتور سنکرون ناحیه 2 80
 
فهرست علائم و اختصارات
 

 
 
ضریب بایاس فرکانس کنترل تکمیلی ناحیه
 
ثابت تنظیم دروپ گاورنر ناحیه
 
لختی ناحیه
 
عامل میراکنندگی بار ناحیه
 
ثابت زمانی توربین ناحیه
 
ثابت زمانی توربین بازگرمکن ناحیه
 
ثابت زمانی گاورنر ناحیه
 
بهره مدل توربین بازگرمکن
 
بهره انتگرال‌گیر کنتذل تکمیلی ناحیه
 
ضریب توان سنکرون‌کننده خط ارتباطی میان دو ناحیه  و
 
نسبت توان نامی دو ناحیه  و
 
تغییر بار در ناحیه
 
تغییرات توان انتقالی خط ارتباطی میان دو ناحیه  و
 
تغییرات فرکانس ناحیه

فصل اول: اصول کنترل بار فرکانس سیستم قدرت

1-1- مقدمه
عملکرد مطلوب یک سیستم قدرت منوط به برابر بودن میزان توان تولید با توان مصرفی و تلفات می‌باشد. در شبکه قدرت نقطه کار سیستم دائماً تغییر می‌‎کند. بنابر این جهت برقراری توازن میان تولید و مصرف باید سطح تولید واحدهای تولیدی تغییر یابد. در نتیجه فرکانس نامی شبکه و توان اختصاص یافته به واحد‌ها دچار تغییراتی می‌گردد. این انحرافات می‌تواند سبب ایجاد تاثیراتی ناخواسته در شبکه گردد. کنترل بار فرکانس به همراه کنترل خودکار تولید به عنوان یکی از مهّم ترین سرویس‌های جانبی در طراحی و بهره برداری سیستم‌های قدرت به منظور کارایی بهتر، افزایش کیفیت توان و قابلیّت اطمینان شبکه، نقش اصلی در کنترل این نوسانات بر عهده دارد. اهداف اصلی کنترل خودکار تولید را می‌توان در موارد زیر خلاصه کرد:

تعقیب مناسب الگوی بار
به صفر رساندن خطای حالت ماندگار فرکانس
کمینه کردن انحرافات توان خطوط انتقالی توان بین ناحیه ای
کمینه کردن حداکثر فرا جهش و زمان نشست برای انحرافات فرکانس ناحیات و توان انتقالی خطوط.
در حال حاضر شبکه قدرت مشمول تغییراتی کلی در بدنه و ساختار خود است. بخشی از این تغییرات به سبب مسائل مربوط به تجدید ساختار یافتن شبکه و برنامه‌ریزی‌های رقابتی است. تغییری که عملاً سیستم قدرت را از حالتی که در آن تنها یک مالک برای سیستم توزیع، انتقال و تولید وجود دارد، به سمتی سوق می‌دهد که شرکت‌های تولیدی انرژی در رقابت با یکدیگر توان درخواستی مصرف کنندگان را تأمین می کنند. این تراکنش‌های توان مرزبندی جغرافیایی خاصّی نمی‌پذیرد و لزوماً تولید و مصرف در یک ناحیه واقع نمی شوند. علاوه بر آن ورود مصرف کنندگان بزرگ نظیر کارخانه‌های فولاد با نرخ تغییرات توان قابل توجّه به بازار مصرف، می‌توانند سبب بروز اغتشاشات شدید فرکانسی گردند. بخش دیگری از تغییرات را می‌توان به ظهور انواع جدید ادوات تولید توان، تکنولوژی‌های جدید و حجم رو به افزایش بهره برداری از منابع انرژی تجدیدپذیر نیز نسبت داد. نیاز فزاینده به انرژی الکتریکی در کنار ذخیره محدود سوخت فسیلی و نگرانی روبه گسترش مشکلات زیست محیطی ناشی از مصرف سوخت فسیلی، ضرورت استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر نظیر باد و خورشید و ورود آنها را به شبکه قدرت دوچندان می کند. در نتیجه با توجّه به رشد روز افزون تقاضا در سیستم‌های قدرت، در محیط رقابتی و ورود منابع انرژی تجدیدپذیر به سیستم قدرت، هر یک از عملیات های کنترلی خودکار نظیر کنترل خودکار تولید، نقش بسیار مهّمی در حفظ امنیت و پایداری سیستم قدرت پیدا می‌‎کند.

1-2- ضرورت پایداری فرکانس در شبکه قدرت
فرکانس در شبکه‌های قدرت نشان دهنده وجود توازن بین توان تولیدی و مصرفی است. اگر این توازن برقرار باشد، فرکانس سیستم  ثابت خواهند ماند. با کاهش توان مصرفی فرکانس شبکه افزایش می‌یابد و با افزایش تقاضای بار فرکانس افت می‌‎کند. تغییرات فرکانس سبب تغییر در بار‌های حسّاس به فرکانس در شبکه نیز خواهد شد [1].
پایداری فرکانس در شبکه به دو دسته کوتاه مدت و بلند مدت تقسیم می‌شود. در پایداری کوتاه مدت، نگرانی عمده تغییرات ناگهانی فرکانس می‌باشد؛ ولی در پایداری بلند مدت کارایی دینامیکی شبکه و باز گرداندن فرکانس به مقدار نامی آن هدف اصلی به حساب می‌آید [2].
سیستم‌های قدرت معمولا در فرکانس نامی (50 یا 60 هرتز) مورد بهره برداری قرار می گیرند. تمام اجزای سیستم قدرت اعم از توربین ژنراتورها، ترانسفورماتورها، موتور‌ها، تجهیزات الکترونیکی و غیره برای کار در این فرکانس نامی طراحی و ساخته شده‌اند. انحراف فرکانس شبکه از مقدار نامی خود باعث دور شدن آنها از حالت نرمال کاری شان می‌گردد. گرچه که میزان حسّاسیت این ادوات به تغییرات فرکانس متفاوت است. افت فرکانس در شبکه تاثیرات مشخّصی بر عملکرد این ادوات باقی می‌گذارد. به برخی از پیامدها در زیر اشاره شده ‌است:

ترانسفورماتورها بر اساس رابطه  ، به نحوی طراحی و ساخته شده‌اند که بدون اشباع هسته، از حدّاکثر چگالی شار آن استفاده شود. در واقع هسته در نقطه زانویی و نزدیک به اشباع کار می‌‎کند. در پی بروز کاهشی در فرکانس و با توجّه به رابطه فوق، لازم است جهت حفظ سطح ولتاژ القایی، شار مغناطیسی از مقدار نامی بیشتر گردد. در پی بروز چنین وضعیتی، احتمال به اشباع رفتن هسته ترانسفورماتور قریب الوقوع می کند. اشباع هسته جریان‌های مغناظیس کنندگی بزرگ و غیر سینوسی را نیز به دنبال دارد.
سرعت چرخش ماشین‌های القایی و سنکرون با فرکانس شبکه متناسب است و بالطبع بروز هر انحرافی در فرکانس، تغییر سرعت ماشین‌ها را در پی دارد. این تغییر می‌تواند عملکرد نامطلوب در بار متصّل به شفت ماشین را در پی داشته باشد. علاوه بر آن پدیده اشباع هسته نیز همانند ترانسفورماتورها، محتمل است.
ساعت‌های الکترونیکی و ثوابت، با فرکانس شبکه نسبت مستقیم دارند و هر گونه تغییری در فرکانس مستقیماً بر عملکرد صحیح آنها تاثیر می‌گذارد. در نتیجه تغییر فرکانس، موجب ضعف عملکرد این ادوات خواهد شد.
توربین‌های شبکه قدرت و بالاخص توربین‌های بخار را میتوان حسّاس‌ترین اجزاء شبکه نسبت به تغییرات فرکانس دانست. هر توربین بخار دارای روتوری کشیده است که معمولا از چندین بخش تشکیل شده است. هر بخش شامل مجموعه ای از پره‌های ثابت و متحرک است. تنش‌های مکانیکی وارده به روتور در قسمت‌های مختلف یکسان نیست. این ساختار پیچیده دارای مجموعه وسیعی از فرکانس‌های تشدید مکانیکی است. تغییر در فرکانس می‌تواند موجب بروز پدیده تشدید زیرسنکرون در توربین گردد. طراحی توربین باید به صورتی انجام پذیرد که در پی بروز انحراف فرکانس در سیستم قدرت، فرکانس حاصله به اندازه کافی با فرکانس‌های تشدید فاصله داشته باشد. هرگونه افت فرکانس سبب کاهش سرعت توربین شده و مرز مضارب سرعت با فرکانس‌های تشدید را کم می‌‎کند. بر اثر نزدیک شدن سرعت توربین به یکی از این فرکانس‌های تشدید، دامنه ارتعاشات توربین افزایش می‌یابد و خطر بروز تشدید زیر سنکرون را افزایش می‌دهد [1].
از آن جا که تغییر فرکانس شبکه نتیجه وجود عدم تعادل بین توان تولیدی و مصرفی (به اضافه ی تلفات) است، هر گونه اقدام اصلاحی تغییر سطح تولید و یا مصرف را در پی دارد. برای حفظ فرکانس شبکه راهکارهایی وجود دارند که در زیر به بعضی از آنها اشاره می‌شود:

واحدهای آبی و یا گازی واکنش سریع که قادرند طی زمان محدودی (در چند دقیقه) وارد مدار شده و کمبود شبکه را جبران سازند.
استفاده از ظرفیت آزاد نیروگاه‌ها (رزرو گردان) که مستلزم عملکرد صحیح سیستم کنترل سرعت توربین، موسوم به گاورنر است. ثابت زمانی پاسخ گاورنر در نیروگاه‌های مختلف متفاوت است. به عنوان مثال واحد‌های بخاری که در آن تغییر سریع فشار دیگ بخار مجاز نیست، نیازمند چند ده دقیقه زمان جهت تنظیم بارند. با عملکرد گاورنر نیروگاه‌های شبکه، اضافه بار متناسب با تنظیم دروپ سیستم گاورنر سرعت، بین واحد‌های تولیدی توزیع می‌شود.
از آنجا که توان مصرفی شبکه به سطح ولتاژ آن وابسته است، می‌توان با کنترل ولتاژ شبکه ی توزیع تا حدی تقاضای بار را کنترل کرد. کاهش ولتاژ توزیع منجر به تغییر در بار خانگی می‌گردد. اعمال این تغییرات از طریق تغییر تپ چنجر ترانسفورماتور‌های شبکه میسّر است و نیازمند محدوده زمانی در حدود چند دقیقه است.
یکی دیگر از راه‌های حفظ فرکانس سیستم، حذف بار است. حذف بار یکی از سریع‌ترین راه‌های جبران کمبود توان حقیقی در سیستم قدرت به حساب می‌آید. فاصله زمانی صدور فرمان حذف بار تا انجام آن بسیار محدود بوده و در واقع زمان عملکرد کلیدهای قدرت شبکه تعیین کننده سرعت عمل حذف بار است. زمان لازم برای عملکرد کلید قدرت معمولاً چند سیکل الکتریکی است. صدور فرمان می‌تواند به صورت دستی توسط بهره بردار شبکه و یا توسط مکانیزمی هوشمند و خودکار صادر می‌شود. حذف بار دستی جهت افت ماندگار فرکانس شبکه صورت می‌گیرد و میزان آن در حدود 5% است. حذف بار دستی در واقع زمانی عمل می‌‎کند که ذخیره گردان یا واحد‌های راه اندازی سریع، در کوتاه مدت قادر به جبران عامل افت فرکانس نباشند و وضعیت شبکه به حالت هشدار وارد شده باشد. در برابر حذف بار دستی از حذف بار خودکار برای حذف لااقل چند ده درصد بار شبکه در زمانی بسیار کوتاه استفاده می‌شود. زمان عملکرد حذف بار خودکار مجموع زمان تشخیص افت فرکانس و زمان قطع کلید قدرت است و حداکثر چند ده سیکل الکتریکی به طول می انجامد.
از میان روش‌های فوق، از رزرو گردان در حضور واحد کنترل فرکانس برای جبران نوسانات فرکانسی شبکه که دارای دامنه ای محدود هستند، استفاده می‌شود. در این حالت معمولاً تعادل توان با عملکرد گاورنر واحدهای تولیدی شبکه برقرار می‌شود. حذف بار دستی و کنترل ولتاژ شبکه پس از رسیدن سیستم به وضعیت پایدار مورد استفاده قرار می‌گیرند و به صورت عمده خطاهای ماندگار شبکه را اصلاح می‌کنند. حذف بار خودکار هر چند سریع‌ترین مکانیزم محسوب می‌شود اما آخرین راه حل برای پاسخ به عدم توازن توان حقیقی شبکه است. این راه حل تنها زمانی انتخاب می‌شود که عدم تعادل به قدری بزرگ باشد که گاورنر‌ها فرصت لازم برای پاسخ به آن را نداشته باشند. در این حالت فرکانس شبکه به سرعت افت می‌‎کند و از محدوده ی مجاز کار دائمی خارج می‌شود. با رسیدن وضعیت شبکه به آستانه ی خطر، این مکانیزم سریعاً بار اضافی سیستم را حذف می‌‎کند. مهّم‌ترین اشکال این روش آنست که هزینه ی حفظ انسجام سیستم و حفظ پایداری، قطع برق و انرژی الکتریکی و ضرر مالی منتج به آنست.
افزایش ضریب نفوذ انرژی تجدیدپذیر در سیستم قدرت شاید به معنی ارتقای عدم قطعیت‌ها، موانع جدید در بهره برداری و پیدایش سوال‌های جدید در باب چگونگی کنترل این منابع در کنار ساختار‌هایی مانند کنترل خودکار تولید به نظر آید. سوال مهّمی که در بدو امر نظر مخاطب را به خود معطوف می‌دارد این است که در صورت افزایش ضریب نفوذ منابع انرژی تجدیدپذیر در شبکه، ملزومات کنترل خودکار چگونه با شرایط جدید مطابقت داده می‌شوند؟
اثرات ورود این منابع با ضریب نفوذ بالا در شبکه را، باید در چهارچوب‌های زمانی مناسب دید. در چهارچوب‌های زمانی چند ثانیه تا چندین دقیقه، قابلیّت اطمینان کلی سیستم قدرت تماماً بوسیله ادوات کنترلی خودکار و سیستم‌های کنترلی نظیر کنترل خودکار تولید، سیستم گاورنر سرعت ژنراتور‌ها و سیستم‌های تحریک آنها، پایدارسازهای سیستم قدرت، تنظیم کننده‌های خودکار ولتاژ، رله‌ها و برنامه‌های ‌حفاظتی مخصوص و سیستم‌های تشخیص و عملیاتی خطا در شبکه کنترل می‌شوند. در چهار چوب زمانی چند دقیقه تا یک هفته، بهره‌برداران سیستم می بایست تولید توان را به نحوی مدیریت نمایند تا با برقراری سطحی منطقی و اقتصادی از قابلیّت اطمینان، تولید نیروگاهی را با توجّه الگوی بار مصرف کنندگان و همچنین قیود عملیاتی شبکه تطبیق دهند.
واحدهای تولیدی انرژی تجدیدپذیر باید ملزومات فنی لازم جهت کنترل ولتاژ و فرکانس را در خود داشته باشد و نیز در صورت بروز شرایط هشدار در شبکه از خود انعطاف لازم را نشان دهند. در کنار آن واحدهای تولیدی انرژی تجدیدپذیر می باید سرعت عمل لازم جهت ایزوله ساختن واحد تولیدی در صورت بروز وضعیتی بحرانی در شبکه را از در خود ملحوظ دارد. آنها باید به عنوان عضوی از شبکه الکتریکی به صورت موثری فرمان پذیر باشند و به خصوص بتوانند در زمان بروز اغتشاشی در شبکه زمانیکه امنیت شبکه برق در معرض خطر باشد از خود انعطاف لازم را نشان دهند. ضریب نفوذ بالای تولیدات تجدیدپذیر به خصوص در مکان‌هایی دور از مراکز بار و تولیدات متداول انرژی، خطر اضافه بار بر روی خطوط انتقال توان را افزایش می‌دهد و در نتیجه بازنگری در طراحی شبکه و احیاناً اضافه نمودن خطوط ارتباطی جدید جهت پیش گیری از بروز اضافه بار بروی ارتباطی را طلب می‌‎کند. علاوه برآن به روز کردن کد‌های شبکه در حضور ضریب بالای تولیدات تجدیدپذیر نیز ضروری به نظر می‌رسد.

1-3- ساختار مطالعاتی پایان‌نامه
برای غلبه بر موانع نامطلوب در استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر نظیر باد و خورشید با ضریب نفوذ بالا در شبکه چند ناحیه ای قدرت، داشتن برنامه کنترلی مناسب جهت کنترل فرکانس شبکه ضروری است. از اینرو موضوعی که این پایان‌نامه سعی در پوشش آن دارد، به کنترل فرکانسِ تولید بادی و تولید خورشیدی و مشارکت آنها در کنترل اولیّه فرکانس باز می‌گردد. به طور کلی می‌توان حوزه ی دید کار حاضر را در چند بند زیر خلاصه کرد:

ارائه طرح کنترلی جدیدی برای شرکت دادن تولید خورشیدی در تنظیم فرکانس ناحیه در سیستم چند ناحیه ای قدرت.
مشارکت دادن تولید خورشیدی در کنترل اولیّه فرکانس.
پیشنهاد برنامه کنترلی مناسب جهت استخراج انرژی جنبشی ذخیره شده در جرم چرخان توربین، در پی بروز اغتشاش باری در شبکه و کمک گرفتن از این توان اضافی جهت کم کردن افت اولیّه فرکانس در پی بروز آن انحراف بار در سیستم چند ناحیه ای قدرت.
مشارکت دادن تولید بادی DFIG در کنترل اولیّه فرکانس .
بررسی پاسخ دینامیکی سیستم دو ناحیه قدرت متشکّل از واحد‌های حرارتی در حضور تولید خورشیدی/بادی/ هر دو، در سیستم قدرت.
استفاده از ذخیره‌ساز‌های انرژی برای کاهش نوسانات توان خروجی در سمت تولید بادی و برای کمک به قابلیّت تنظیم فرکانس و جلوگیری از بروز تغییرات شدید توان در سمت تولید خورشیدی.
بهینه‌سازی بهره انتگرال‌گیر‌های کنترل تکمیلی دو ناحیه، ضرایب نفوذ بهینه تولیدات تجدیدپذیر(جهت تأمین سطح بهینه ای از پشتیبانی فرکانس) و همچنین تعیین ظرفیت ذخیره‌ساز در دو ناحیه، برای داشتن کمترین نرخ تغییرات فرکانس دو ناحیه و توان انتقالی خط واسط دو ناحیه.
به این صورت می‌توان مطالبی را که در فصل‌های بعدی بیان می‌شود، سازماندهی کرد. در فصل دوم پیشینه تحقیق مفصلاً بررسی می‌گردد. در فصل سوم به مطالعه و بررسی چگونگی استحصال توان بادی بوسیله DFIG پرداخته می شود. ایده ی استفاده انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین بادی و تزریق آن به شبکه جهت کاهش افت اولیّه فرکانس در زمان وقوع افزایش باری در شبکه مورد توجّه قرار می‌گیرد. در ادامه ساختار اصلی واحد تولید خورشیدی معرفی می‌شود. پس از آن برنامه کنترلی مناسبی جهت شرکت دادن تولید خورشیدی در کنترل اولیّه فرکانس بیان می‌شود. فصل چهارم به ارائه نتایج شبیه سازی اختصاص دارد. سیستم دو ناحیه ای حرارتی به عنوان مدل پایه در نظر گرفته می‌شود و پاسخ دینامیکی آن به انحراف بار در هر ناحیه شبیه سازی می گردد. اثر ورود تولید DFIG به شبکه با ضریب نفوذ مشخّصی در حضور برنامه کنترلی جهت پشتیبانی موقّت توان اکتیو و بدون حضور آن، بررسی می‌شود. تاثیرات ورود تولید خورشیدی با ضریب نفوذ بالا در شبکه در حضور استراتژی کنترلی پیشنهادی و عدم حضور آن بررسی می‌شود. در مرحله آخر تاثیرات توأماً ورود تولیدات باد و خورشید، در حضور برنامه‌های کنترلی مربوطه شان و در نبود آنها با مدل اصلی مقایسه می‌شود. در گام بعد با احتساب اثر ورود ذخیره‌ساز پارامترهای مهّم شبکه بهینه‌ می گردند. در فصل پنجم، اقدامات صورت گرفته جهت مطالعه تأثیرات ورود تولیدات بادی DFIG و تولید خورشیدی به شبکه جمع بندی شده و در انتها گام‌ها و پیشنهادهای ممکن در ادامه ی مسیر حاضر بیان می شوند.
 

فصل دوم: کنترل خودکار تولید