وان الکتریک

شبیه سازی و تحلیل فیدر سرکویر دامغان جهت جایابی بهینه خازن به منظور بهبود پروفیل ولتاژ و کاهش تلفات اهمی....

چکیده

امروزه جلوگيري از ضررهاي ناشي از خاموشي ها و انرژي توزيع نشده از اهميت بسزايي برخوردار است. لذا ازجمله مهم‌ترین مسائل در بهره‌برداري از شبکه توزيع تجديد آرايش بار است که تأثير بسيار زيادي در سرويس دهي دائمي به مشترکين دارد. زمانيکه در شبکه توزيع به دلیل خطا يا برنامه‌ریزی جهت تعميرات، بخشي از شبکه بي برق شود، تمام يا قسمتي از اين بخش بي برق را می‌توان از طريق فيدرهاي سالم يا ريز شبكه ها ، با استفاده از کليدهاي شبکه تغذيه نمود. كه هدف از اين پايان نامه تحليل باز آرايي شبكه توزيع با اهداف فني (كاهش تلفات و بهبود پروفايل ولتاژ ) می‌باشد در حضور ريز شبكه متصل به شبكه توزيع می‌باشد .

ريز شبكه ها: افزایش نیاز براي تولید توان الکتریکی، تجدید ساختار برق، تنگناها و محدودیت هاي ساخت خطوط انتقال جدید براي فاصله هاي دور و مشکلات اقتصادي و محیطی نیروگاههاي بزرگ، موجب افزایش رغبت به تولید پراکنده شده است. از طرفی در قرن اخیر با توجه به قابلیتاطمینان بالاي موردنیاز و با توجه به حضور منابع تولید پراکنده در خطوط توزیع مفهومی جدید به نام ریزشبکه در خطوط توزیع مطرح‌شده است که توجه پژوهشگران زیادي را به خود جلب کرده است. در این راستا وجود منابع تولید پراکنده و ویژگی هاي خاص منابع ذخیره انرژي باعث شده است که مدیریت تولید در ریزشبکه با مفهومی جدید روبه رو شود.

مثلا یک LV یک ریزشبکه را می‌توان به‌عنوان یک شبکه ي ناحیه کوچک شهري، یک مرکز خرید، یا یک منطقه صنعتی با بارهایش و سیستم هاي تولیدي گوناگون کوچک متصل به آن تعریف کرد که این تولیدات ممکن است بتوانند هم توان و هم گرماي بارهاي محلی را تأمین کنند. تحت شرایط عادي سیستم، ریزشبکه به شبکه توزیع وصل است و بار ها از طریق منابع محلی یا در صورت نیاز از طریق شبکهي توزیع تغذیه می شوند. اما در صورت بروز اغتشاش در سیستم، تولید و بار متناظر یک ریزشبکه می‌توانند از شبکهي توزیع جدا شوند تا بارهاي ریز شبکه از اغتشاش مصون بماند. امروزه تغييرات وسيعي در حوزه توزيع سیستم‌های قدرت در حال وقوع است. تراکم حضور منابع تجديد پذير کوچک همانند سلول هاي خورشيدي، سلولهاي سوختي و موتورهاي احتراق داخلي کوچک درسطوح توزيع روز به روز بيشتر می‌شود . اين افزايش حضور منابع تجديد پذير انرژي در سیستم‌های توزيع، ساختار جديدي بنام ریز شبکه را به وجود آورده است تا پيش از اين، سيستمهاي توزيع، سيستمهايي وابسته بودند چون در کنار سي ستم هاي انتقال موجوديت پيدا ميکردند. با پيدايش توليد پراکنده و ريز شبکه، در سيستمهاي توزيع هر دو حالت مصرف و توليد نمود پيدا کرد .

سيستمهاي ریز شبکه داراي اندازه ه اي مختلفی هستند و می‌توانند به شبکه اصلي قدرت متصل شوند و يا به‌طور جزیره‌ای مورد بهره‌برداری قرار بگيرند .هر ریز شبکه از چندين منبع توليد توان الکتريکي کوچک به نام منابع توليد پراکنده تشکیل‌شده است که وظيفه آن‌ها تأمین توان بارهاي محلي است .در مکان‌های حساس همچون ساختمان‌های تجاري - صنعتي و بیمارستان‌ها که عموماً اينرسي کمي دارند و کل بار مصرفي آن‌ها زير يک مگاوات است، وجود يک توليد پشتيبان براي مواقع خاموشي ضروري است. به‌طوری‌که اگر به هر دليلي سيستم توزيع دچار اغتشاشي شود که برق توليدي باکیفیت مناسب به مصرف‌کننده نرسد و از استانداردهاي جهاني پایین‌تر رود، سيستمهاي حفاظتي عمل کرده و ریز شبکه از سيستم توزيع جداشده و وظيفه تأمین توان بارهاي محلي حساس و غیر حساس را به عهده می‌گیرد .به‌عبارت‌دیگر، وظيفه اصلي اين نوع از ریز شبکه‌ها حفظ کيفيت توان مطلوب براي این‌گونه مکان‌های حساس است. منابع توليد پراکنده در سيستمهاي ريز شبکه می‌توانند. ژنراتورهاي بادي، میکرو توربین‌ها، سلول‌های خورشيدي، سلول‌های سوختي و يا منابع ديگر به همراه وسايل ذخیره‌ساز انرژي همچون باتری‌ها، چرخ طيارها و خازن‌های انرژي باشند ریز شبکه‌ها عليرغم مزاياي فراوان از قبيل کاهش مشکلات زیست‌محیطی، کاهش هزینه‌های ناشي از احداث نيروگاه جديد، افزايش قابليت اطمينان سيستم، افزايش بازدهي در اثر کاهش تلفات توان انتقالي ، کاهش تراکم در فیدرهای توزيع، مشکلات جديدي را در سيستمهاي توزيع به وجود آورده‌اند ازجمله اين مشکلات می‌توان به تغيير الگوي پخش بار، افزايش هارمونيکهاي فرکانس بالا در اثر کاربرد ادوات الکترونيک قدرت و نوسانات فرکانس و ولتاژ اشاره کرد در يک ریز شبکه، واحدهاي توليدي کوچکي همراه با يک واسط الکترونيک قدرت اينورتر وجود دارند که ریز منبع ناميده می‌شوند اين منابع در مناطق محلي قرار می‌گیرند و مزايايي از قبيل داشتن هزينه پايين براي مصرف‌کننده و توليدکننده، ولتاژ کم، قابليت اطمينان بالا، افزايش افزونگي و قوت سيستم و انعطاف‌پذیری بالا دارند.

لذا در این پایان‌نامه با بهره‌گیری از روش هوشمند الگوریتم مورچگان سعی در کاهش تلفات توان و اعوجاج ولتاژ در شبکه تست خواهیم داشت.

فهرست مطالب

فصل 1: مقدمه7

1-1- مقدمه8

1-2- اهمیت مساله9

1-3- نتایج پیش بینی شده و اهداف پایان نامه10

فصل 2: مقدمه ای بر بانک های خازنی و جبران سازهای ادوات FACTS12

2-1- دلایل استفاده از خازن و ادوات FACTS در سیستم انتقال13

2-1- انواع جبران سازها15

2-1-1- جبران ساز خازنی15

2-1-2- جبرانساز ایستای توان راکتیو (SVC)19

2-1-3- خازن سری کنترل شونده تایریستوری (TCSC)23

2-1-4- جابجاگر ایستای فاز (csc)24

2-1-5- کنترل کننده میان فاز توان(IPC)27

2-2- معرفی نسل جدید ادوات FACTS30

2-2-1- مبدل منبع ولتاژ(VSC)30

2-2-2- STATCOM32

2-2-3- کنترل کننده یکپارچه پخش توان(UPFC)33

2-3- مقایسه قابلیتهای ادوات FACTS35

2-3-1- بررسی کابرد ادوات FACTSدرشبکه برق موجود وآینده کشور35

2-3-2- ارتباط نیروگاه آبی دز36

فصل 3: خازن گذاري در شبکه توزيع38

3-1- مقدمه39

3-1-1- اهداف جبرانسازي بار39

3-1-2- جبران کننده ايده ال41

3-2- معرفي خازن به عنوان يک جبران کننده41

3-3- تئوري اساسي جبران43

3-3-1- ضريب توان و اصلاح آن44

3-3-2- تنظيم ولتاژ48

3-4- خازنگذاري سري و موازي51

3-4-1- اهداف و مزاياي خازنگذاري موازي52

3-4-2- خازنهاي ثابت54

3-5- افزايش تلفات خط و ميزان افزايش ولتاژ توسط خازن موازي ثابت در زمانهاي کم باري:55

3-5-2- خازن گذاري سوييچ شونده57

3-6- جريان هجومي:58

3-6-1- اضافه ولتاژ شينه:58

3-6-2- افزايش ولتاژ:58

3-6-3- اضافه ولتاژ گذراي سريع:59

3-6-4- اضافه ولتاژ درترانسفورماتور تغذيه شعاعي و انتهاي خطوط باز:59

3-7- روشهاي کنترل گذراهاي ناشي از کليد زني بانکهاي خازني موازي:60

3-7-1- روش کنترل بستن همزمان با بيشينه ولتاژ60

3-7-2- روش کليد زني در صفر ولتاژ Voltage zero synchronous closing) )62

3-7-3- استفاده از کليدهاي همراه امپدانس62

3-7-4- استفاده از برقگير65

3-7-5- هارمونيک هاي سيستم و ايجاد رزونانس در اثر وجود خازن در مدار65

3-8- انواع روش هاي بكار رفته جهت خازن گذاري در شبكه توزيع66

3-9- نتيجه گيري68

فصل 4: بررسی کارهای انجام شده در زمینه بهبود کیفیت توان69

فصل 5: مطالعه الگوریتم بکاررفته و نتایج شبیه‌سازی76

5-1- مقدمه77

5-2- معرفی الگوریتم مورچگان77

5-2-1- جایگاه الگوریتم در بهینه‌سازی77

5-2-2- تشریح نحوه عملکرد الگوریتم به‌صورت توصیفی78

5-2-3- تابع هزینه80

5-2-4- فلوچارت الگوریتم مورچگان برای تجدید آرایش شبکه قدرت80

5-3- معرفی شبکه‌ تست استفاده‌شده81

5-4- شبکه 14 باسه82

5-4-1- اطلاعات باس های شبکه82

5-4-1- نتایج شبیه سازی برای سیستم 14 باسه84

5-5- شبکه 30 باسه85

5-5-1- اطلاعات باس های شبکه85

5-5-2- نتایج شبیه سازی برای سیستم 30 باسه88

5-6- معرفی فیدر سرکویر دامغان89

5-6-2- مقادیر عددی برای میزان بارها89

5-6-3- توپولوژی شبکه91

5-6-4- نتایج شبیه سازی92

فصل 6: نتیجه‌گیری و پیشنهاد‌ها94

فصل 7: مراجع97

فهرست شکل‌ها

شکل (2-1) شمای یک SVC22

شکل (2-2) دیاگرام فازوری SVC23

شکل (2-3) در وسط خط انتقالSVC24

شکل (2-4) طرح امپدانسی شبکه24

شکل (2-5) مشخصه انتقال SVC24

شکل (2-6) CSC در وسط خط انتقال26

شکل (2-7) دیاگرام فازوری CSC26

شکل (2-8) مشخصه های انتقال CSC27

شکل (2-9) مشخصه های انتقال28

شکل (2-10) دیاگرام فازوری جابجاگر نوع QBT29

شکل (2-11) اثر تغییر پارامتر کنترلی ( ) بر روی مشخصه انتقال29

شکل (2-12) ساختار کلی IPC در خط انتقال30

شکل (2-13) دیاگرام فازوری IPC30

شکل (2-14) مشخصه انتقال IPC30

شکل (2-15) مدار معادل IPC31

شکل (2-16) طرح VSC در کاربرد STATCOM33

شکل (2-17) طرح پایه ای مدل VSC33

شکل (2-18) مشخصه های جبران کننده های ایستا با کنترل حلقه بسته ولتاژ . الف) SVC ، ب) STATCOM35

شکل (2-19) طرح UPFC36

شکل (2-20) مشخصه های مختلف جبران سری36

شکل (2-21) خطوط ارتباطی نیروگاه آبی دز39

شکل (3-1) ساختمان داخلي خازن44

شکل (3-2) قسمتهاي مختلف يک بانک خازني45

شکل (3-3) اصلاح ضريب توان46

شکل (3-4) مدار معادل بار دو شبکه تغذيه (شامل دياگرام فازور شکل جبران نشده و شکل جبران شده)50

شکل (3-5) شبکه توزيع ساده شده57

شکل (3-6) نمودار فازور براي شبکه شکل 1-257

شکل (3-7) شبکه توزيع به همراه خازن جبرانساز موازي58

شکل (3-8) کليد با مقاومت65

شکل (3-9) کليد با سلف65

شکل (5-1) فلوچارت الگوریتم مورچگان در تجدید آرایش بهینه83

شکل (5-2) ولتاژ باس ها قبل و بعد از جایگذاری87

شکل (5-3) ولتاژ باس ها قبل و بعد از جایگذاری90

شکل (5-4) نمودار تک‌خطی فیدر دامغان91

شکل (5-5) نمودار ولتاژ باس های شبکه94

شکل (5-6) نمودار توان اکتیو شبکه95

شکل (5-7) نمودار توان راکتیو شبکه95

فهرست جداول

جدول (3-1) توان راکتيو لازم جهت جبران کامل در ضريب توانهاي مختلف49

جدول (5-1) اطلاعات باس های مربوط به سیستم 14 باسه85

جدول (5-2) اطلاعات مربوط به توپولوژی شبکه در سیستم 14 باسه86

جدول (5-3) اطلاعات مربوط به باس ها برای سیستم 30 باسه88

جدول (5-4) اطلاعات مربوط به توپولوژی شبکه در سیستم 30 باسه89

فصل 1: مقدمه

1-1- مقدمه

انرژی الکتریکی از تأثیر گذار ترین و انعطاف پذیر ترین گونه های انرژی است این انرژی می تواند با روش های گوناگونی تولید به آسانی منتقل گردد و در نهایت به شکل های مفیدی از انرژی های سودمند مانند نور، گرما و برق تبدیل گردد. درصورت نبود این انرژی،تجهیزات صنعتی بزرگ یا وسایل الکترونیکی بسیار کوچک نیز وجود نخواهد داشت. هدف نهایی از طراحی و کارکرد سیستم الکتریکی رساندن انرژی الکتریکی با اقتصادی ترین بها و بهترین کیفیت در شرایط ایمن به مصرف کنندگان است در صنعت برق به برقراری و تداوم تغذیه ی مصرف کننده اهمیت زیادی داده شده است زیرا امروزه با پیشرفت تکنولوژی و مدرنتر شدن زندگی اجتماعی لزوم پیوستگی جریان الکتریکی مورد نیاز مصرف کنندگان در تمام طول شبانه روز و سال امری است حیاتی و روز به روز بیشتر احساس می شود. با توجه به رشد افزاینده تقاضای برق و گسترش بیشتر استفاده از وسایل برقی در جوامع امروزی نیاز به افزایش تولید انرژی الکتریکی بیش از پیش احساس می گردد. بر اساس گزارش EAI مقدار مصرف برق در سال 2030 با 45 درصد رشد مواجهه خواهد شد.رشد مصرف انرژی الکتریکی در کشور سالانه10 درصد می باشد[1]

به طور معمول برای تأمین این مقدار افزایش در تقاضا باید هم به ظرفیت تولید افزوده و هم به ظرفیت خط انتقال بیافزاییم . با این وجود نبود اطمینان کافی از برگشت سرمایه گذاری باعث کاهش نسبت سطح ظرفیت تولیدی و تقاضای بار شده است این امر موجب کاهش سطح ذخیره تولید شبکه گشته است که این خود سبب آسیب پذیری بیشتر سیستم قدرت در برابر شرایط اضطراری می گردد.علاوه برآن، فرسودگی شبکه نیز آسیب پذیری آنرا در برابر فرو پاشی ولتاژ به شدت افزایش می دهد. خاموشی 24 ساعته 24 آگوست سال 2003 در آمریکا نیز خود شاهدی بر این ماجرا است. این حادثه و حوادث مشابه دیگر علاقمندی به ثبات در پروفیل ولتاژ و تأثیر هزینه های سرمایه گذاری را افزایش می دهد. [2] در کشور ما ایران نیز دو نوع خاموشی وجود دارد که یکی در 30 اردیبهشت سال 80 و دیگری در 12 فروردین 82 رخ دادند که آسیب پذیری سیستم های قدرت را در مقابل بروز خطاها نشان دادند . مطالعات نشان می دهد که بیشترقطعی ها و خاموشی های مصرف کننده گان (حدود 80 درصد) ناشی از ناپایداری می باشد. بنابراین ثبات در پایداری ولتاژ در دهه های اخیر مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. [3]

با پیشرفت تکنولوژی و مطالعات روی قطعات نیمه هادی، نیمه هادی ها کاربرد وسیعی در صنعت برق پیدا کرده اند و پایدار شدن توانایی نیمه هادی ها و ساخت رابط ها و مبدل های الکترونیک قدرت و همچنین بوجود آمدن تمایلات اقتصادی و زیست محیطی گزینه ای دیگر جهت افزایش ظرفیت انتقال فرا روی مهندسین شبکه و سیستم های قدرت قرار گرفته است که این همان ادواتFacts می باشد استفاده از ادوات Facts و خازن گذاری در سال های اخیر رونق یافته و پیش بینی ها نشان می دهد ادوات Facts در آینده ای بسیار نز دیک نقش بسیار مهمی را در سیستم های قدرت ایفا می کند. [2و3]

وظیفه و هدف اصلی یک سیستم قدرت پیشرفته، تولید برق به اقتصادی ترین شکل ممکن و انتقال آن از طریق خطوط انتقال با کمترین هزینه و توزیع با بازده بالا به منظور تحویل به مصرف کنندگان در سطح قابل قبولی از ولتاژ و فرکانس می باشد. یک سیستم قدرت شامل سه بخش تولید، انتقال و توزیع می باشد. امروزه با پیشرفت تکنولوژی و مدرنتر شدن زندگی، لزوم پیوستگی سرویس دهی به مشترکین ومصرف کنندگان انرژی الکتریکی هر چه بیشتر احساس می گردد اما برآوردن چنین درخواستی با وجود مصرف کنندگان متفاوت (صنعت، تجاری، خانگی) در نظر گرفتن بُعد مسافت که اغلب طولانی می باشد و از کنترل مهندسین نیز خارج می باشد امکان پذیر نمی باشد جهت بررسی این مسأله و سنجش عملکرد این سیستم از نظر پیوستگی در سرویس دهی به مصرف کنندگان معیاری مورد استفاده قرار می گیرد که از آن به پروفیل ولتاژ یاد می شود. [4]

1-2- اهمیت مساله

در سیستم های قدرت، به دلایل مختلف از جمله محدودیت های ولتاژ و انواع پایداری ها، بهره برداری از ظرفیت کامل خطوط امکان پذیر نیست ایجاد بازار آزاد رقابتی در سیستم های تجدید ساختار یافته ایجاب می کند که از حداکثر ظرفیت خطوط استفاده شود.استفاده حداکثر از ظرفیت خطوط ممکن است باعث ایجاد اضافه بار در برخی خطوط، خارج از ظرفیت مجاز آنها شود. این پدیده به عنوان فرو پاشی ولتاژ در خطوط انتقال مطرح می شود. یکی از راه های پیشنهادی برای بهبود فرو پاشی ولتاژ استفاده از خازن در شبکه قدرت است. استفاده حداکثر ظرفیت سیستم های قدرت به همراه حفظ قابلیت اعتماد و امنیت آن یکی از مهمترین اهداف طراحان و بهره برداران این سیستم می باشد و از طرفی پیشرفت سریع فن آوری الکترونیک قدرت، امکانات زیادی را برای توسعه تجهیزات جدید به منظور بهره برداری بهتر از سیستم های موجود فراهم آورده است. به این منظور در دهه های گذشته تجهیزات کنترلی متعددی تحت عنوان سیستم های انتقال انعطاف پذیر (Facts) ساخته شده و در بسیاری از شبکه های قدرت کشورهای جهان نصب و مورد بهره برداری قرار گرفته است با توجه به اهمیت و شناخت این ادوات در جامعه علمی و صنعتی برق ایران و از طرفی نبود منابع فارسی در این زمینه تحقیقات این پایان نامه تحت عنوان بهبود پروفیل ولتاژ با در نظر گرفتن هزینه ثابت جمع آوری و به ثبت رسیده است. می دانیم که امروزه با توجه به محدودیت عبور توان در خطوط که از دو محدودیت عمده حرارتی و پایداری ناشی می شود ( شبکه از نظر اقتصادی و امنیتی) استفاده کامل ازشبکه های به هم پیوسته امکان پذیر نیست. [5]

1-3- نتایج پیش بینی شده و اهداف پایان نامه

یکی از ویژگی های اساسی این پایان نامه معرفی و شناساندن دیدگاه سیستمی آن نسبت به جبران ساز خازنی است و در واقع سعی شده که محدوده ای از مفاهیم کنترل افت ولتاژ خازن و مدل سازی آنها مورد توجه قرار گیرد.در این پایان نامه تلاش برای آن است که با استفاده از تحقیقات گذشته برای بهبود فروپاشی ولتاژ راه حلی برای فروپاشی ولتاژ پیدا کنیم که همزمان با بهبود افت ولتاژ هزینه نیز ثابت بماند و از مقدار مشخصی تجاوز ننماید. [5]

این پایان نامه با استفاده از الگوریتم بهینه سازی مورچگان و زبان برنامه نوسی مطلب تهیه شده است.

با توجه به اینکه یکی از مهمترین مزایای خازن در سیستم انتقال افزایش حاشیه پایداری سیستم قدرت است، پس با کنترل توان اکتیو وراکتیو خط در طی بروز خطا در سیستم این فرایند صورت می پذیرد.

با این تفکر در این پایان نامه جایابی بهینه خازن با استفاده از الگوریتم مورچگان و با هدف حداقل رساندن خسارات مالی ناشی از افت ولتاژ بررسی شده است. مکانو ظرفیت نامی خازن به عنوان پارامترهای بهینه سازی در نظر گرفته شده اند.جایابی برای کنترلرهای بانک خازنی انجام شده است و شبیه سازی روی شبکه فیدر دامغان انجام شده است. در این پایان نامه و در فرایند شبیه سازی سعی برآن است که فروپاشی ولتاژ را قبل از نصب و بعد از نصب خازن با در نظر گرفتن هزینه ثابت و محدود نشان دهیم و می بینیم که برای شبکه استفاده از خازن چه تأثیری بر روی ولتاژ داشته و چه هزینه ای باید بابت این فروپاشی ولتاژ پرداخت گردد افت ولتاژ به معنای کاهش مقدار مؤثر ولتاژ از مقدار نامی است که می تواند ناشی از بروز خطا با عوامل دیگر باشد این پدیده باعث از کار افتادن وسایل مصرف کنندگان شده و خسارات مالی زیادی را به مصرف کنندگان تحمیل می کند. در این مطالعه به منظور ارزیابی تأثیر خازن در کاهش هزینه های ناشی از افت ولتاژ در شبکه از الگوریتم مورچگان استفاده شده است.برای در نظر گرفتن هزینه های ثابت سعی برآن است که در فصل های بعدی با تشریح کامل به روشن شدن بهتر موضوع می پردازیم.