دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .
-1- مقدمه
در یک سیستم قدرت الکتریکی ایده آل ولتاژ و فرکانس در هر نقطه تغذیه ثابت بوده و ولتاژ نقاط تغذیه سه فاز متقارن، جریان ها س فاز متقارن، ضریب توان واحد و سیستم عاری از هارمونیک است.
ثابت نگه داشتن فرکانس با ایجاد توازن توان اکتیو بین منبع تولید و مصرف کننده تحقق می یابد و کنترل ولتاژ با نظارت بر میزان توان راکتیو تولیدی و مصرفی در یک شین صورت می گیرد.
توان راکتیو هنگام نیاز باید تولید شود و چون مصرف بارها در ساعات مختلف شبانه روز تغییر می کند، بنابراین توان تولیدی ژنراتورها نیز باید کنترل شود.
توان خروجی یک ژنراتور با تغییر توان مکانیکی ورودی به آن کنترل می شود. برای این کار با باز کردن و یا بستن شیر بخار یا دریچه آب، جریان بخار یا مقدار آب روی پره های توربین تنظیم شده و باعث کنترل توان مکانیکی و در نتیجه کنترل توان اکتیو خروجی ژنراتور می شود. عدم توازن توان اکتیو، از تاثیر آن بر سرعت یا فرکانس ژنراتور احساس می شود. در صورت کاهش بار و اضافه بودن تولید، ژنراتور تمایل به افزایش سرعت روتور و فرکانس خود دارد و در حالت افزایش بار و کمبود تولید، سرعت و فرکانس ژنراتور کاهش خواهد یافت.
انحراف فرکانس از مقدار کافی آن به عنوان سیگنالی جهت تحریک سیستم کنترل خود کار انتخاب شده و بدین ترتیب با ایجاد توان قدرت اکتیو بین منبع تولید و مصرف کننده فرکانس سیستم ثابت نگه داشته می شود.
1-2- دینامیک سیستم های قدرت و پایداری
میله کردن نوسانات توان در شبکه قدرت ضروری است. در یک شبکه قدرت به دلایل مختلف از جمله بروز خطا اتصال کوتاه و قطع یا ورود ناگهانی بارهای بزرگ به شبکه، نوسانات توان به وجود می آید و این امر می تواند پایداری شبکه قدرت را با خطرای جدی مواجه سازد. در صورتی که این نوسانات می تواند هر چه زودتر توسط عاملی میدا شوند، شبکه قدرت به حالت ماندگار خود رسیده و ضمن داشتن عملکردی مناسب از بروز مشکل برای بارهای صنعتی جلوگیری به عمل می آورند. چون در سیستم های دینامیکی رابطه بین ورودی و خروجی لحظه ای نیست. به این معنی که اگر ورودی سیستم یکباره مثلا دو برابر شود، مدتی طول می کشد تا خروجی به مقدار جدیدی برسد. به عنوان مثال اگر ورودی یک موتور 20% افزایش یابد، دور موتور (با فرض خطی بودن سیستم)، مثلا از 1500 دور در دقیقه به 1800 دور در دقیقه می رسد ولی این افزایش دور موتور به آرامی صورت می گیرد. یعنی در سیستم های قدرت معمولا پس از هر گونه تغییر در ورودی ها و یا هر گونه اغتشاش، نوساناتی در فرکانس، ولتاژ، توان حقیقی و واکنشی بوجود می آید.
علت اصلی دینامیک بودن سیستم ها، عناصر ذخیره کننده انرژی (سلف و خازن) است. برای مقابله با برخی پدیده های ناخواست دینامیکی از سیستم های کنترلی استفاده می شود. سیستم های کنترلی در نیروگاه های عبارتند از گاورنر و کنترل خودکار ولتاژ (AVR) و چند سیستم کنترلی در شبکه های قدرت مثل جبران کننده توان واکنشی استاتیک (SVE) و پایدارساز سیستم قدرت (PSS).
1-3- ضرورت مطالعه دینامیکی و پایداری سیستم های قدرت
از آنجا که عناصر ذخیره کننده انرژی در مقابل تغییرات عکس العمل نشان می دهند و برق متناوب نیز دایماً در حال تغییر است، مطالعات دینامیکی در سیستم های برق متناوب نسبت به برق مستقیم بسیار مهمترند.
از آنجا که میزان مصرف برق در مناطق مختلف و در زمانهای مختلف متفاوت است، برای بهره برداری بهتر از سرمایه گذاری انجام شده در بخش تولید، بهتر است شبکه های تولید و توزیع برق به هم متصل شوند تا در زمانی که در یک منطقه میزان باردرخواستی بیشتر از توان تولیدی است یک منطقه بتواند به منطقه دیگر سرویس بدهد. این اتصالات حتی در سطح قاره ای به مقتضیات اقتصادی صورت گرفته ولی در عین حال پایداری را در سیستم ضروری می کند.
سیستم های مدرن قدرت امروز بنا به همین مسایل اقتصادی با ظرفیت بالایی تولید می شوند. و با توجه به بعد مسافتی برای انتقال به بارها، اثر منفی روی پایداری دارند. باید به این نکته توجه داشت که هر چند اتصال سیستم های کوچک تولید و توزیع به یکدیگر سیستم را در مقابل اغتشاشات کوچک پایدارتر می نماید ولی ایجاد اشکال در یک سیستم بر روی سیستم های دیگر نیز اثر می گذارد.
1-4- پایداری و تعریف آن در سیستم های قدرت
پایداری از مهمترین مشخصه ها و ملزومات در سیستم های دینامیکی است در مسایل تئوریک سیستمی پایدار است که به ازای هر ورودی محدوده خروجی محدود باشد (BIBO) ولی در مسایل فیزیکی سیستمی ناپایدار است که خروجی از حد قابل قبول خارج شود. از دید مهندس برق سیستم وقتی ناپایدار است که سیستم های کنترلی از عهده اغتشاش برنیایند و سیستم های حفاظتی برای حفظ سلامت سیستم وارد عمل می شوند هر چند ژنراتورها و توربین ها سیستم های حفاظتی بسیار قوی دارند.
فصل دوم – انواع پایداری و بررسی پایداری زاویه بار
2-1- انواع پایداری در سیستم های قدرت
پدیده ها و پایداری در یک شبکه قدرت از دو جهت، شدت اغتشاشات و مدت زمانی که در شبکه باقی می مانند (ثابت زمانی) تقسیم بندی شده اند.
در تقسیم بندی اول پایداری در سیستم قدرت به مانا (Steady state stability)، دینامیکی (Dyanmic Stability) و گذرا (Transient Stability) تقسیم می شوند.
پایداری شبکه تحت اغتشاشات بسیار کوچک را پایداری مانا، پایداری شبکه تحت اغتشاشاتی که توسط کنترل کننده های نیروگاه ها، مثل کنترل کننده ولتاژ و گاورنرها برطرف می شود را پایداری دینامیکی می نامند.
مطلب مورد بررسی پایداری شبکه تحت اغتشاشت بسیار شدید یعنی پایداری گذراست. در تقسیم بندی دیگر بسته به مدت زمانی که پدیده ها در شبکه باقی می مانند به صورت های زیر تقسیم می شوند:
الف) پدیده های خروجی ب) پدیده های الکترومغناطیسی
ج) پدیده های الکترومکانیکی د) پدیده های ترمودینامیکی
به عنوان مثال با افزایش تقاضای بار در نقطه ای از شبکه، این جریان اضافه با سرعت پدیده های موجی به سرژنراتور می رسد و سپس با سرعت پدیده های الکترومغناطیسی در فاصله هوایی خود را به صورت افزایش گشتاور الکتریکی (مقاوم) نشان می دهد. این افزایش گشتاور الکتریکی باعث افت سرعت روتور می شود و گاورنر را به حرکت وامی دارد و گاورنر نیز با باز کردن دریچه (آب، بخار یا سوخت گاز) باعث زیاد شدن توان مکانیکی در جهت بازگرداندن سرعت روتور به همان سرعت قبلی می شود. به دلیل این که در اکثر نیروگاه ها شیب افقی (یکی از سیستم های کنترلی گاورنر) صفر نیست، تمام افزایش بار درخواستی را عملکرد گاورنر جبران نمی کند. لذا روتورپس از چندین نوسان در سرعت جدیدی مانا می شود. به طور مرسوم، پایداری تحت اختلال های شدید به حالت گذرا یا دوره کوتاه مدت چند ثانیه ای به دنبال اختلال مربوط می گردد و در تحلیل این نوع پایداری به بررسی پاسخ شبکه به یک خطای شدید مانند اتصال کوتاه خط ا نتقال پرداخته می شود.
شبکه های قدرت طوری طراحی و بهره بردرای می شوند تا بتوانند معیارهای قابلیت اطمینان را از نظر پایداری گذرا برآورد کنند. سپس به تعریفی از پایداری زاویه بار می پردازیم که در پایداری گذرا مهم است.
2-2- پایداری زاویه بار
ساده ترین مدل برای یک ژنراتور متصل به شین بی نهایت در زیر آمده است:
شکل ص 22
شکل 2-1 ساده ترین مدل برای یک ژنراتور متصل به شین بی نهایت
درا ین شکل VB ولتاژ شبکه بی نهایت و Vt ولتاژ ترمینال ژنراتور است در این صورت اگر Eg ولتاژ ژنراتور، Xg امپدانس ژنراتور و Xe امپدانس خط انتقال باشد، داریم:
P= Re {VB .I*}
در این رابطه زاویه بار است.
در شکل پایین منحنی توان بر حسب زاویه بار نشان داده شده است.
شکل ص 23
شکل 2-2 منحنی توان بر حسب زاویه بار
همانطور که ملاحظه می شود برای یک توان مشخص می توان دو یا چند نقطه برای زاویه بار پیدار کرد.
در شکل یکی از نقاط تعادل زاویه بار پایدار و دیگری زاویه زاویه بار ناپایدار است. اگر در نقطه اول، شبکه بار بیشتری (جریان بیشتری) را درخواست نماید، اختلاف زاویه بیشتری بین دو ولتاژ VB و Eg ایجاد می شود. یعنی زاویه بار بیشتر می شود و این توان الکتریکی را بیشتر می نماید و در این حالت در واقع ژنراتور به درخواست اضافه بار پاسخ مثبت می دهد. در نقطه دوم چنین نیست. البته در نقطه اول نیز (همان طور که بعدها در بررسی پایداری گذرا خواهیم دید) ممکن است در اثر اغتشاشاتی شدید، سیستم نتواند پاسخگوی نیاز بار باشد و ناپایدار شود.
غیر از تحلیل بالا درباره زاویه بار که یک تحلیل حالت مانا است، بررسی تغییرات یا نوسانات زاویه بار پس از هر گونه اغتشاش اهمیت خاصی دارد.
آنچه به اتفاق پذیرفته شده این است که نوسانات در سیستم های قدرت ناشی از یک پدیده الکترومکانیکی است. طبق قانون دوم نیوتن مجموع گشتاورهای وارده به یک اینرسی برابر است با مقدار اینرسی در شتاب زاویه ای روتور یعنی:
در این رابطه Tm گشتاور مکانیکی، Te گشتاور الکتریکی ، Td گشتاور اصطکاکی، J اینرسی و شتاب زاویه ای است.
Td را با تقریب می توان به صورت Dw که در آن D ضریب اصطکاک است در نظر گرفت.
از طرفی
است که در این رابطه زاویه روتور است که دایما در حال افزایش است:
حال اگر از رابطه در رابطه بالا استفاده کنیم:
رابطه بالا اساس و پایه بررسی تمام نوسانات در سیستم های قدرت است و معادله نوسان نام دارد، حال چنانچه بین گشتاور (توان) مکانیکی و گشتاور (توان) الکتریکی تعادل (تساوی) برقرار باشد، زاویه بار هیچ تغییری نمی کند. با هر اتصال کوتاه تعادل به هم می خورد و زاویه روتور نوسان می کند. این که نوسانات پایدار است (یعنی در نقطه ای دیگر یا همان نقطه کار قبلی دوباره مانا می شود) یا ناپایدار (یعنی زاویه بار افزایش و یا کاهش غیر قابل قبول پیدا می کند) بستگی به عوامل مختلفی دارد.
شگل 2-3- پاسخ زاویه بار واحدهای مختلف در یک سیستم چند ماشینه در حالت پایدار و ناپایدار را نشان می دهد.
شکل ص 25
شکل 2-3- پاسخ زاویه بار واحدهای مختلف در یک سیستم چند ماشینه به یک اغتشاش : الف – پایدار ب- ناپایدار
فصل سوم – بررسی حالت های گذرا
3-1- حالت گذرا
منظور از حالت گذرا رفتاری است که خروجی پس از اعمال یک تغییر جدید در ورودی یا اغتشاش از خود بروز می دهد تا زمانی که به یک حالت ماندگار جدید برسد. برای بررسی حالت گذرا ابتدا حالت گذرای سیستم های درجه یک و دو و سپس حالت کلی بررسی می شود. مقدار ولتاژ گذرا با مقدار یک پریونیت قابل مقایسه است.
3-1-1- حالت گذرا در یک سیستم درجه یک
اگر فرض کنیم نرخ بخار ورودی به توربین m1 و جرم بخار خروجی از آن m2 و کل جرم M باشد داریم:
جرم خروجی از یک روزنه با فشار طرف اول P1 و فشار طرف دوم P2 به شکل زیر رابطه دارد:
که در این رابطه c یک مقدار ثابت است. حال اگر p1>>p2 باشد:
از طرفی اگر با فرض ساده کننده دیگر رابطه جرم M و فشار محفظه خطی باشد:
حال طبق روابط داده شده نتیجه می گیریم:
و اگر ثابت زمانی توربین تعریف شود خواهیم داشت:
که در حوزه امپدانس به صورت زیر درمی آید:
که نشان دهنده سیستم درجه یک با ثابت زمانی T است.
پس تابع تبدیل یک سیستم درجه یک را می توان به شکل زیر نشان داد:
که در این رابطه را ثابت زمانمی می نامند.
اگر پاسخ ضربه (خروجی سیستم به ازای ورودی ضربه) و پاسخ پله (خروجی سیستم به ازای ورودی پله) محاسبه و رسم شود، شکل 3-1 بدست می آید.
شکل ص 531
شکل 3-1 پاسخ ضربه و پاسخ پله سیستم درجه یک
منحنی های فوق با فرض a>0 رسم شده اند، یعنی فرض شده که سیستم پایدار است.
حال به مقادیر زیر توجه نمایید:
اگر 2% خطا بی ا همیت فرض شود، می توان فرض کرد سیستم بعد از جهار ثابت زمانی به مقدار نهایی خود یعنی یک رسیده است. زمان ts=4T را زمان سکون می نامند.
3-1-1-1- نقش فیدبک در پایداری و سرعت پاسخ سیستم درجه یک
بسیاری از سیستم ها به طور ذاتی ثابت زمانی زیادی دارند (مثلا بویلدر در نیروگاه ها) در آنها می توان با فیدبک ثابت زمانی را کم کرد. با مثالی نحوه کار مشخص می شود:
فرض کنید که یک سیستم درجه یک به صورت مدل شده است.
این سیستم ثابت زمانی 10 ثانیه دارد. یعنی در صورت اعمال ورودی، 40 ثانیه طول می کشد تا خروجی به مقدار جدید خود برسد. حال هدف این است که با فیدبک ثابت زمانی کاهش یابد.
شکل 532
شکل 3-2 کنترل یک سیستم درجه یک با تقویت کننده
در این شکل مقدار K بهره تقویت کننده خطا است. می توان تابع تبدیل خروجی را به شکل محاسبه نمود.
اگر به عنوان مثلا K=9 باشد، خواهد بود. یعنی سیستم ده برابر سریعتر خواهد شد.
باید توجه داشت که از آنجا که در تمام سیستم های عملی محدودیت ورودی وجود دارد، نمی توان سرعت پاسخ سیستم را از حدی بالاتر بود. مثلا نمی توان به یک موتور با ولتاژ نامی 220 ولت، ولتاژی معادل 2000 ولت (حتی در مدت زمان کم) اعمال نمود. و یا شیر بخار ورودی به توربین را نمی توان از صد در صد بیشتر یا از صفر در صد کمتر باز کرد.
3-1-2- حالت گذرا در یک سیستم درجه 2
برای سیستم درجه دو تابع تبدیل زیر را در نظر می گیریم:
حال مثل سیستم درجه یک پاسخ ضربه و پاسخ پله سیستم محاسبه می شوند.
در حالتی که u<1 (حالت زیر میله ای) تابع تبدیل سیستم را می توان به شکل زیر تغییر داد:
که در آن B=uwn و است.
با استفاده از جدول تبدیل داپلاس می توان نوشت:
پاسخ ضربه
پاسخ پله
شکل 2-6- الف) محل قطب های یک سیستم درجه دو در حالت زیر میدای و شکل 2-6- ب) یک نمونه از پاسخ ضربه و پاسخ پله مستقیم به ازای ضریب میله ای (u) کوچکتر از یک را نشان میدهد.
شکل های ص 535
شکل 2-6-الف) محل قطب های یک سیستم درجه دو
شکل 2-6- ب) نمونه پاسخ ضربه و پاسخ پله سیستم درجه دو
چند عامل به صورت زیر قابل تعریف است:
- زمان سکون (ts) زمانی است که خروجی تقریباً (با خطای دو درصد) به مقدار نهایی می رسد.
- زمان صعود (tr) زمانی است که خروجی برای اولین بار به مقدار نهایی اش می رسد.
- زمان جهش اولیه (tp) زمانی است که خروجی به مقدار حداکثر اولیه خود می رسد.
- مقدار جهش اولیه (Mp) مقدار حداکثری است که خروجی در جهش اولیه به خود می گیرد.
- درصد جهش اولیه (p.o) درصد انحراف اولیه از مقدار نهایی است:
که c مقدار نهایی است و طبق شک 2-6- ب) برابر با یک است.
در سیستم درجه دو نیز می توان با فیدبک قطب ها را جابجا و در نتیجه عوامل مورد نظر در حالت گذرا به مقدار دلخواه تنظیم نمود. مهمترین عوامل ts و p.o. هستند که در طراحی مدنظر قرار می گیرند.
3-1-3- حالت گذرا در سیستم درجه n
یک سیستم درجه n در حالت کلی به سیستم های درجه یک و دو به شکل زیر قابل تجزیه است:
به طوری که n=K+2L است.
حالت گذرای یک سیستم درجه n از جمع حالات گذرای تک تک سیستم های درجه یک و دو بدست می آید.
شکل ص 537
شکل 2-7 دو حالت از ترکیب قطب های سیستم درجه بالا
3-2- کاهش درجه سیستم
در بسیاری از مطالعات، سیستم های درجه n را با سیستم های درجه یک یا دو تقریب می زنند که تجربه نشان داده است که این تقریبها کار کنترل کننده (معمولا PI) را ساده می کند. روش های کاهش درجه یکی از مباحث مهندسی کنترل سیستم است.
فصل چهارم – پایداری گذرا (سیگنال بزرگ) در سیستم های قدرت
4-1- مقدمه
در یک سیستم قدرت پایداری گذرا یعنی توانایی سیستم در حفظ پایداری و میدا کردن نوسانات س از یک اغتشاش شدید.
یک سیستم موقعی در صورت اعمال خطا پایدار است که متغیرهای آن وقتی زمان به سمت بی نهایت میلی کند، به مقادیر حالت مانا نزدیک شود. بررسی پایداری بعد از یک اغتشاش شدید مطالعه پایداری گذرا نامیده می شود. در مطالعات پایداری گذرا برای شبیه سازی یک اغتشاش بزرگ، معمولا از خطای اتصال کوتاه (سه فاز) استفاده می شود.
معادلات حالت را قبل از خطا، حین خطا و پس از خطای سیستم حل شده و تغییرات زاویه بار واحدهای مختلف به دست می آیند به طوری که اگر تمام زوایای بار پایدار باشند، سیستم پایدار است.
از آنجا که در بررسی این نوع پایداری معمولا اغتشاش وارد شده به سیستم بزرگ است، ممکن است رفع خطا با عملکرد رله های حفاظتی همراه باشد.
ممکن است شکل شبکه پس از رفع خطا یا قبل از خطا متفاوت باشد که این امر موجب می شود که نقطه تعادل ناپایدار سیستم، پس از رفع خطا با قبل از خطا متفاوت باشد.
یکی از مهمترین عوامل در بحث پایدرای گذر، زمان رفع خطای بحرانی tcr زمانی که اگر رله ها در آن عمل نکنند سیستم حالت سنکرونیزم خود را از دست می دهد، است.
تعیین زمان بحرانی از دو نظر مهم است:
الف) در تنظیم زمان عملکرد رله ها س از خط (tcl) – زمان عملکرد رله ها باید از زمان رفع خطای بحرانی کوچکتر باشد.
ب) در تعیین امنیت عملکرد یک سیستم قدرت، از عاملی به نام اندیس امنیت (tcl – tcr) استفاده می شود به طوری که هر چقدر این زمان بزرگتر باشد، عملکرد سیستم در زمان خطا ایمن تر است.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 42 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
