فرکانس یک سیستم به تعادل توان حقیقی بستگی دارد. در حقیقت زمانی که تغییر در بار یا در تولید رخ می­دهد، این تغییر به صورت لحظه ای در گشتاور خروجی ژنراتور، اثر می­ گذارد که منجر به ایجاد عدم تطابق بین گشتاور مکانیکی و گشتاور الکتریکی می­ شود که به نوبه خود باعث تغییر سرعت می­ شود و نهایتا تغییر فرکانس سیستم را در پی دارد. در واقع می­توان گفت در عملکرد حالت ماندگار سیستم قدرت، تقاضای افزایش یا کاهش بار نخست در شکل انرژی جنبشی ذخیره شده در مجموعه محرک­ها در ژنراتورها تامین می­ شود که نتیجتا تغییرات سرعت در روتور ژنراتورها و تغییر فرکانس را ایجاد می­نماید.
کنترل بار فرکانس که برای چندین سال به عنوان بخشی از کنترل کننده­ها در طرح سیستم­های قدرت استفاده می­ شود و برای بهره برداری ایمن از سیستم قدرت ضروری است[۵۱].
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

۲-۹-۱ اهداف کنترل فرکانس شبکه قدرت
کنترل بار فرکانس یک مسئله بسیار مهم در بهره برداری سیستم­های قدرت و کنترل برای تامین برق مورد نیاز و قابل اعتماد با کیفیت مطلوب است. کنترل ضریب اتوماتیک یک سیستم کنترل بازخورد، تنظیم قدرت خروجی ژنراتور است تا فرکانس را در مقدار تعیین شده­ای تثبیت کند. یکی از اهداف AGC^[6] که حفظ فرکانس سیستم در مقدار اسمی ۵۰ هرتز است. که به منظور کنترل آن در لحظات اولیه پس از وقوع اختلال بار تولید کنترل اولیه فرکانس نیاز می­باشد. هدف از کنترل اولیه فرکانس بازگرداندن فرکانس به محدوده مجاز و حفظ فرکانس در آن محدوده تا زمانی که کنترل ثانویه وارد عمل گردد، می­باشد. وظیفه اصلی کنترل اولیه فرکانس به عهده گاورنر واحدها می­باشد و از آنجایی­که در پی وقوع یک اختلال تمام گاورنرهای شبکه عمل می­نمایند تنظیم مناسب این کنترل کننده­ها از اهمیت ویژه­ای برخوردار است بنابراین با تنظیم پارامترهای گاورنر می­توان سهم هر واحد در کنترل فرکانس و زمان وارد عمل شدن آن را تنظیم نمود.
اهمیت تنظیمات فوق زمانی مشخص می­گردد که بدانیم این کنترل­ کننده­ها در تمام شرایط بهره ­برداری و در پاسخ به تمام اختلالات بار تولید محتمل در شبکه بایستی به طور مناسب عمل نمایند و فرکانس را به بهترین صورت کنترل نمایند. سیستم قدرت به هم پیوسته است و به چند حوزه فرکانس تقسیم می­ شود. فرم یکپارچه برای تمام ژنراتورها در جهت تشکیل یک گروه کنترلی منسجم استراتژی مورد نیاز است که نه تنها حفظ ثبات فرکانس را داشته باشد بلکه قدرت پیوند به حالت خطای صفر ماندگار را دارد و تغییر فرکانس در یک جای شبکه بر دیگر نقاط آن اثر می­ گذارد[۵۱]. با توجه به رشد مداوم سیستم برق در اندازه، پیچیدگی و تنوع منابع مشکل نوسانات فرکانس با توجه به تغییرات غیر قابل پیش بینی بار به موضوعی جدی تبدیل شده است. این تغییرات بار تصادفی در نتیجه عدم تطابق توان تولیدی و مصرفی است، این عدم تطابق باید اصلاح شود زیرا تولید و توزیع برق کافی و قابل اطمینان با کیفیت مطلوب بسیار مهم است و در غیر این آسیبی جدی به تجهیزات وارد می­آیند[۵۲].
با توجه به شبکه دو ناحیه شکل ۷ :[۴۶]
دو نوع مختلف از تجهیزات کنترلی برای بهینه­سازی حالت گذرا AGC استفاده شده است. از جمله این تجهیزات کنترلی افزودن یک واحد فاز شیفتر کنترلی تریستری (TCPS) در Tie line می­باشد .
شکل (۲-۶) تابع کنترلی کنترل کننده TCPS^[7] می­باشد .
out in
شکل ۲-۶: تابع کنترلی کنترل­ کننده TCPS
دیگر تجهیز کنترلی تعبیه واحد­های خازنی ذخایر انرژی (CES) در هر یک از نواحی می­باشد.
شکل۲-۷ : واحد خازنی ذخایر انرژی (CES)
با سه نوع الگوریتم هوشمند کارایی این دو تجهیز مورد مقایسه قرار گرفته شده است، الگوریتم CRPSO^[8] بهینه­ترین بهره­ها و بهترین پاسخ را نسبت به دو الگوریتم دیگر داده است. با مقایسه تجهیز TCPS و CES^[9] در نتایج مشهود است که قرار دادن واحد کنترلی CES در هر دو ناحیه کارایی حالت گذرا را برای محدوده وسیعتری از اختلالات بار فراهم می­ کند و پاسخ حالت گذرا را بهبود می­دهد[۴۶]. این تجهیز کنترلی توانسته انحراف فرکانس سیستم را بین بازه [۰ -۰.۰۰۸] محدود کند و بعد از ۱۲ ثانیه به مقدار صفر برساند.شکل۱۰[۴۶].
سیستم­­های قدرت امروزی مستلزم افزایش هوش و انعطاف­پذیری در کنترل و بهینه­سازی برای تضمین حفظ تعادل میان بار و تولید به دنبال یک اختلال جدی هستند . ریز شبکه­ ها اکثرا از انرژی­هایی برای تولید الکتریسیته استفاده می­ کنند که به طور طبیعی دستخوش تغییرند. این عدم قطعیت در سیستم­های قدرت باعث ناتوان شدن سیستم­های کنترل کلاسیک شده است. برای حل این مشکل روش ترکیب قواعد فازی بهینه شده با الگوریتم هوشمند ازدحام ذرات برای کنترل کننده PI ارائه شده است[۴۷]. شکل (۲-۸) شبکه ایزوله با کنترل کننده PI می­باشد که متشکل از یک واحد دیزل ، یک واحد خورشیدی و بادی و پیل سوختی به همراه باتری و چرخ طیار می­باشد.
شکل ۲-۸ : شبکه ایزوله با کنترل کننده PI
تعییرات بار را به صورت پله در نظر گرفت با تغییرات ۲% و از سه کنترل کننده PI و PI-Fuzzy و PI-pso Fuzzy استفاده کرده که بهترین نتایج با کنترل­ کننده PI-pso Fuzzy می­باشد به طوری که انحراف فرکانس کل سیستم را بین بازه [۰ -۰.۰۱۲] محدود کرد و ۴ ثانیه طول می­کشد که انحراف فرکانس به صفر برسد. دو استراتژی کنترلی دیگر هم پیاده شده که در استراتژی اول تنها دیزل در کنترل فرکانس شرکت می­ کند و در استراتژی دوم پیل سوختی هم در کنار دیزل در این کنترل مشارکت می­ کند.
شکل (۲-۹) مدل کنترل فرکانسی ریز شبکه می­باشد . [۴۷] .
شکل ۲-۹: مدل کنترل فرکانسی ریز شبکه
با توجه به یافته­های مقاله مشارکت پیل سوختی با دیزل ژنراتور برای کنترل فرکانس پاسخ بهتری را به دست می­دهد چرا که انحراف فرکانس را از -۰.۰۱۲ به -۰.۰۸ هرتز رسانده است[۴۷].
۲-۰۱ کنترل کننده­ها
در مطالعات کنترل­ کننده جهت تنظیم قدرت خروجی سیستم تولید پراکنده به کار می­رود که جهت رسیدن به وضعیت تعادل قدرت بر اساس تغییرات ناگهانی تولید و یا بار استفاده می­ شود. بر اساس کاهش انحراف فرکانس عدم تعادل بین تولید و تقاضا در وضعیت تولید و بار حذف می­ شود و توسط کنترل کننده ها تنظیم میگردند[۱]، [۵۳].
۲-۱۱ کنترل کلاسیک
منظور از کنترل­ کننده کلاسیک برای یک سیستم، تعیین ضرایب K_d،K_iوK_p است. بسته به کاربرد، عملکرد مطلوب خروجی سیستم می­توان به شیوه ­های متفاوتی بیان شود. در این بخش از نوشتار، چهار ویژگی مهم زمانی پاسخ یک سیستم استفاده شده و معیار ما از مطلوبیت خروجی سیستم به واسطه آن­ها تعریف خواهد شد. این ویژگی­ها عبارتند از: زمان صعود، زمان نشست، بیشترین فراجهش و انتگرال قدر مطلق خطا. در ادامه تعریف مختصری از هر یک از این ویژگی­ها بیان شده و از روی آن­ها معیار و بهینگی پاسخ خروجی تعریف می­ شود[۵۴].
۲-۱۱-۱ زمان صعود
زمان صعود^[۱۰] زمانی است که در طی آن پاسخ سیستم از ۱۰ درصد مقدار نهایی خود به ۹۰ درصد آن می­رسد.
۲-۱۱-۲ زمان نشست
زمان نشست^[۱۱] به زمانی اطلاق می­ شود که بعد از آن زمان پاسخ سیستم در فاصله ۲ درصدی از پاسخ نهایی­اش باقی می­ماند.
۲-۱۱-۳ بیشترین فراجهش
ماکزیمم فراجهش^[۱۲] به صورت تفاضل مقدار دو پاسخ y_max و y_ss تعریف می شود. y_max و y_ss به ترتیب مقدار بیسینه پاسخ و حد نهایی آن را نشان می­دهد.
۲-۱۱-۴ انتگرال قدر مطلق خطا
انتگرال قدر مطلق خطا به صورت معادله (۲-۱) تعریف می­ شود.
(۲-۱)
به خاطر پیاده سازی زمان گسسته در محاسبه انتگرال حد بالای آن تا حد معین (معمولا تا سه برابر زمان نشست) در نظر گرفته می­ شود که جواب قابل قبولی برای این انتگرال به دست می­دهد.
بیش از ۹۰% کنترل کننده های امروزی کنترل کننده از نوع کلاسیک هستند. علت این امر آسانی و قابل فهم بودن این نوع کنترل کننده­ها، آسانی توضیح آن­ها به دیگران و کاربرد آسان آن­ها است. کنترل­ کننده هر سیستم به عنوان مغز فرمان دهنده در آن سیستم مهم­ترین نقش را در راستای عملکرد مطلوب آن دارد[۵۵]. برای کنترل موثر هر سیستم باید آن سیستم ابتدا درک و مدل سازی گردد. اکثر قریب به اتفاق فرآیندهای کنترلی استفاده از نظریه فیدبک منفی برای رساندن خروجی به یک سطح و یا نگه داشتن آن در یک محدوده مشخص می­باشد. به این صورت سیگنال خطا یا اختلاف بین خروجی فرایند و ورودی آن برای کنترل فرایند استفاده می­ شود و در این میان کنترل کننده دارای نقش اساسی می­باشد.
برای دستیابی به پاسخ سریع با درصد فراجهش کم در سیستم­های حلقه بسته در ابتدای پاسخ یعنی زمانی که سیگنال ورودی تازه اعمال شده است، باید از سیگنال کنترل بزرگ و کنترل سریع استفاده نمود ولی هنگامی که پاسخ به مقدار مطلوب نزدیک شد باید سیگنال کنترل را کوچک نمود و از کنترلی کند استفاده کرد. مهمترین عاملی که در طراحی مورد نظر قرار می گیرد درصد فراجهش است. این مقدار از آن جهت اهمیت دارد که مقدار زیاد آن باعث وارد شدن زیان به سیستم می­ شود اما در بسیاری از سیستم ها برای سرعت بخشیدن به پاسخ سیستم مجبوریم مقداری فراجهش را قبول کنیم. بنابراین هدف اغلب طراحی، کاهش دادن درصد فراجهش بدون لطمه خوردن به پاسخ سیستم می­باشد. متداول­ترین نوع کنترل کننده کلاسیک، کنترل کننده دارای سه بخش تناسبی ، مشتقی و انتگرالی یا PID می­باشد که دارای فرم کلی به صورت معادله (۲-۲) است[۵۵].
(۲-۲)
در این حالت ضریب k_p جهت افزایش سرعت پاسخ سیستم، افزایش دقت به کار می­رود و اگر ضزیب k_p بسیار بزرگ باشد سرعت انحراف بیشتر می­ شود و ممکن است سیستم به حالت ناپایداری برسد. ضریب k_d جهت افزایش و بهبود عملکرد دینامیکی سیستم به کار می­رود و همچنین ضریب k_i جهت حذف خطای حالت ماندگار به کار می­رود ولی اگر مقدار آن بیش از حد زیاد باشد باعث پدیده اشباع در سیستم شده و ناپایداری را در سیستم به همراه می ­آورد. اغلب جهت تنظیم این ضریب در کنترل کننده PID از روش زیگلرنیکولز استفاده می­ شود.
۲-۱۲ تنظیم پارامترهای کنترل­ کننده PID با روش زیگلرنیکولز
در این روش مقادیر انتگرالی و مشتق گیر را برابر صفر قرار داده و k_p را طوری تنظیم می­کنیم که پاسخ مطلوب بدون در نظر گرفتن خطای نهایی به دست آید. سپس k_p را افزایش می­دهیم و T_d را طوری تنظیم می­کنیم که فراجهش سیستم کاهش یابد آنگاه k_i را طوری تنظیم می­کنیم که مقدار خطای حالت ماندگار به حداقل برسد این مراحل را تا حدی ادامه می­دهیم که k_p به اندازه کافی و ممکن بزرگ باشد. ایراد اصلی کنترل کننده­ های PID مدت زمان زیاد جهت تنظیم پارامترها و سختی آن جهت تنظیم نهایی که باید به صورت بهینه باشد است [۵۶-۵۷].
مراحل کار در این روش به صورت زیر است:
K_p را تا حدی افزایش می­دهیم سیستم نوسان کند این گین را k_u می­نامیم.
زمان بین دو پیک خروجی سیستم را اندازه گرفته آن را t_u می­نامیم.
مقادیر گین های کنترل کننده ها را از روی جدول (۳-۱)تنظیم می­کنیم.