آنالیز سیستم قدرت

آنالیز سیستم قدرت

اسلاید 1: POWER SYSTEM ANALYSISAli KarimpourAssociate ProfessorFerdowsi University of Mashhad1به نام خداReference:Olle I. Elgerd “Electrical Energy Systems Theory” , McGraw-Hill, 1983I thank my student, Mr. Milad Amini, for his help in making slides of this lecture..

اسلاید 2: Lecture1 سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت 2سيستمهاي قدرت با تغيير غير قابل پيش بيني بار همراه است. سيستم کنترل خودکار بايد اين تغييرات را آشکار و با سرعت خنثي کند. براي اين منظور سيستم قدرت داراي دو حلقه کنترلي اصلي . تنظيم کننده خودکار ولتاژ (AVR). حلقه کنترل خودکار بار- فرکانس (ALFC)

اسلاید 3: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت3حلقه هاي کنترلي AVR و ALFC از مسائل قابل توجه در حلقه هاي کنترلي فوق تاثير متقابل بين دو حلقه مي باشد که در عمل بسيار کم است.حلقه AVR حلقه ALFC

اسلاید 4: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت1- تنظيم کننده خودکار ولتاژ (AVR)4تحريک کننده اصلي ترين عضو حلقه AVR است که تامين کننده انرژي الکتريکي مورد نياز ژنراتور است. سيستم هاي تحريک قديمي سيستم های تحريک استاتيک سيستم های تحريک بدون جاروبک

اسلاید 5: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت1- تنظيم کننده خودکار ولتاژ (AVR)5سيستم تحريک قديمي

اسلاید 6: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت6سيستم تحريک استاتيک1- تنظيم کننده خودکار ولتاژ (AVR)

اسلاید 7: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت7سيستم تحريک بدون جاروبک1- تنظيم کننده خودکار ولتاژ (AVR)

اسلاید 8: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت1-1مدلسازي سيستم تحريک8AVR قسمتهاي مختلف حلقه بصورت زير است. تقویت کنندهالبته تقويت کننده ها معمولا داراي يک تاخير زماني مي باشند لذا:محدوده ثابت زماني تقويت کننده 0/01 تا 0/02 ثانيه مي باشد.

اسلاید 9: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت1-1مدلسازي سيستم تحريک9AVR قسمتهاي مختلف حلقه بصورت زير است. ميدان تحريکمحدوده ثابت زماني سيستم تحريک 0/5 تا 1 ثانيه مي باشد.

اسلاید 10: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت1-1مدلسازي سيستم تحريک10AVR قسمتهاي مختلف حلقه بصورت زير است. مدل ژنراتورمحدوده ثابت زماني مدار ژنراتور چندين ثانيه مي باشد.

اسلاید 11: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت1-1مدلسازي سيستم تحريک11 تقویت کننده ميدان تحريک مدل ژنراتور

اسلاید 12: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت12بلوک دياگرام سيستم AVR

اسلاید 13: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت13حلقه AVR بايد سه خاصيت زير را داشته باشد:الف) ولتاژ خروجي را در محدوده مناسب تنظيم کند.ب) سرعت پاسخ آن مناسب باشد و ج) پايدار باشد.1-2 کارکرد ایستای حلقه AVR

اسلاید 14: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرتخطاي حالت دائم حلقه فوق عبارتست از:14حال براي قبول خطاي يک درصد بايدهمانطور که مشخص است با افزايش بهره خطاي ايستا کاهش مي يابد.

اسلاید 15: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرتAVR کارکرد ديناميک(پوياي) حلقه 3-1 15پاسخ گذراي سيستم ديناميکي عبارتست از:لذا عملکرد سيستم به محل قطبهاي حلقه بسته يعني

اسلاید 16: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت ترميم پايداري 4-1 16همانطور که در بخش قبل ديديم براي دقت ايستا نياز به بهره حلقه بزرگ مي باشد ولي بزرگي حلقه خود منجر به پاسخ پوياي نا مطلوب واحتمالا ناپايداري می شود.باافزودن ترمیم کننده پایداری سری این وضعیت نامطلوب رامی توان برطرف کرد.فرض کنيد از يک جبران ساز PD بصورتاستفاده کنيم در اينصورت تابع انتقال سيستم و کنترلر بصورت زير است:

اسلاید 17: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت17

اسلاید 18: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت18 -2 حلقه کنترل خودکار بار- فرکانسAFLC در يک سيستم تک ناحيه اي حلقه ALFC تنها به هنگام تغييرات کوچک و کند بار و فرکانس وارد عمل شده و به کنترل سيستم مي پردازد. در عدم تعادلهاي بزرگ اين حلقه کارا نبوده و از کنترلهاي اضطراري مثل قطع خط و يا انواع ديگر آن بهره گيري مي شود.گاورنر سرعت يا حلقه ALFC اوليه

اسلاید 19: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت19 1-2مدلسازي حلقه ALFC اوليه سيستم فرمانه سرعت

اسلاید 20: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت20 1-2مدلسازي حلقه ALFC اوليه راه انداز شير هيدروليکيتغيير مکان شير بخار بستگي به زمان باز شدن پيستونهاي روغن هيدروليک دارد لذامحدوده ثابت زماني شير هيدروليکي حدود 0/1 ثانيه مي باشد.

اسلاید 21: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت21 1-2مدلسازي حلقه ALFC اوليه پاسخ توربیندر اين قسمت هدف يافتن رابطه بين خروجي توربين و تغيير مکان شير بخار است. توبينهايبخار بدون پيش گرمکن ساده ترين تابع انتقال را دارند يعني تنها داراي يک ثابت زماني مي باشند.

اسلاید 22: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت22 1-2مدلسازي حلقه ALFC اوليه

اسلاید 23: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت23در اين حالت سه وضعيت را در نظر مي گيريم:الف) ژنراتور با شبکه بسيار بزرگي همگام شده است. در اين شرائط داريم:مثال 1: يک ژنراتور 100 مگاواتي به شبکه بينهايتي متصل است. چگونه قدرت توربين را 5 مگاوات افزايش دهيم؟حل:2-2 کارکرد ايستاي فرمانه سرعت

اسلاید 24: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت24در اين حالت سه وضعيت را در نظر مي گيريم:حل:2-2 کارکرد ايستاي فرمانه سرعتب) حال فرض کنيد شبکه بينهايت نيست و توان مبنا تغيير نمي کند لذا داريم:مثال 2: يک ژنراتور 100 مگاواتي داراي پارامتر تنظيم R معادل 4 درصد (0/04 پريونيت) است. اگر فرکانس 0/1 هرتز افت کند و تنظيم توان مبنا ثابت باشد، ميزان افزايش توان توليد چقدر است؟

اسلاید 25: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت25در اين حالت سه وضعيت را در نظر مي گيريم:حل:2-2 کارکرد ايستاي فرمانه سرعتج) در اين حالت هم تغيير توان مبنا و هم تغيير فرکانس داريم. پاسخ ايستاي سرعت – توان يک سيستم

اسلاید 26: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت26مثال 3: يک ژنراتور 100 مگاواتي داراي پارامتر تنظيم R معادل 4 درصد (0/04 پريونيت) است. اگر فرکانس 0/1 هرتز افت کند ولي توان توربين ثابت بماند، تنظيم مبنا چگونه بايد تغيير کند؟حل:

اسلاید 27: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت27مثال 4: توان مورد نياز يک سيستم توسط دو ژنراتور تامين مي شود. توان نامي آنها به ترتيب 50 و 500 مگا وات است. فرکانس 60 هرتز و هر ژنراتور نصف بار نامي خود را تامين مي کند. اکر بار دو ژنراتور به اندازه 110 مگاوات افزايش يافته و فرکانس به 59/5 هرتز کاهش مي يابد. ميزان ضريب تنظيم هر واحد را بگونه اي تعيين کنيد که هر ژنراتور تواني متناسب با توان نامي خود را تامين کند؟حل:لذا ژنراتورهاي موازي براي تامين بار متناسب با قدرت خود بايد ضريب تنظيم هاي يکسان بر حسب پريونيت داشته باشند.

اسلاید 28: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت28حال فرض کنيد توان مصرفي شبکه به اندازه تغيير کند (+يا -) واضح است که توان توليدي ژنراتور نيز با اندازه تغيير مي کند. در اين شرايط تفاوت منجر به کاهش يا افزايش سرعت و در نتيجه فرکانس خواهد شد.3-2 بستن حلقه AFLCاولیهبراي بستن حلقه نشان داده شده درشکل بايد رابطه بين توان توربينوتغییر فرکانس را محاسبه کرد. فرض کنيد شبکه در حالت کار عادي است. لذا در صورت اغماض از تلفات، توان توربين و توان الکتريکي توليدي ژنراتور و توان مصرفي شبکه با يکديگر برابر مي باشد.

اسلاید 29: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت293-2 بستن حلقه AFLCاولیهبراي بستن حلقه نشان داده شده درشکل بايد رابطه بين توان توربينوتغییر فرکانس را محاسبه کرد. تفاوت منجر به تغيير انرژي جنبشي و تغيير توان مصرف مي شود لذا داريم: تغيير انرژي جنبشي تغيير توان مصرفی

اسلاید 30: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت30از طرفي داريم:پسبا تقسيم اين رابطه بر توان نامي معادله بصورت پريونيت در مي آيد.ضريب H داراي واحد ثانيه بوده و ثابت اينرسي نام دارد. مقدار ثابت اينرسي که از نسبت انرژي جنبشي به توان نامي حاصل مي شود در بازه 2 تا 8 ثانيه است.

اسلاید 31: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت313-2 بستن حلقه AFLCاولیهبراي بستن حلقه نشان داده شده در شکل بايد رابطه بين توان توربين وتغییر فرکانس را محاسبه کرد.

اسلاید 32: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت324-2 مفهوم ناحيه کنترل در روابطي که تاکنون بدست آمد فرض بر اين بود که يک ژنراتور منفرد به يک شبکه متصل است، اما معمولا شبکه ها داراي ژنراتورهاي متعدد هستند. اگر فرض کنيم ژنراتورها داراي ضرايب تنظيم(R) یکسان هستند و همچنين توربينهاي آنها داراي مشخصه هاي پاسخ يکسان است در اين صورت نمايش شکل زیر براي يک ناحيه کنترل قابل قبول است.

اسلاید 33: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت33مثال 5: يک ناحيه کنترلي با فرکانس 60 هرتز و مشخصات را در نظر بگيريد. مطلوبست پارامترهاي حلقهAFLC.بار در شرايط عادي PD0=1000 MW ظرفيت نامي کل ناحيه Pr=2000 MWثابت تنظيم براي تمام ژنراتورهاي ناحيه R=2.40 Hz/pu MWثابت اينرسي H=5 sفرض بر اينست که با افزايش يک درصد در فرکانس، بار نيز يک درصد افزايش يابد.حل:

اسلاید 34: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت345-2 کارکرد استاتيک حلقه ALFC اوليهيکي از هدف هاي اساسي حلقه ثابت نگه داشتن فرکانس با وجود تغييرات بار است. با توجه به شکل رابطه بين تغيير توان ورودي و تغيير فرکانس عبارتست از:حال تغيير بار پله اي به اندازه M در سيستم منجر به تغيير فرکانس حالت دائم زیر می شود:

اسلاید 35: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت35مثال 6: در شبکه 2 گيگاواتي مثال 5 اگر بار شبکه 20 مگاوات افزايش يابد مطلوبست تغيير فرکانس و فرکانس جديد سيستم.حل:تغيير فرکانس سيستم عبارتست از: و فرکانس جديد عبارتست از:

اسلاید 36: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت36مثال 7: مطلوبست تغيير فرکانس و فرکانس جديد سيستم مثال6 با فرض باز بودن حلقه فرمانه سرعت.حل:و فرکانس جديد عبارتست از:تغيير فرکانس سيستم عبارتست از:

اسلاید 37: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت37 6-2کارکرد ديناميک(پوياي) حلقه AFLCاوليهدر بخش قبل ديديم که:ثابت زماني سيستم قدرت در حد 20 ثانيه بود و لذا مي توان ثابت زماني توربين و سيستم هيدروليک را اغماض نمود، و لذا تابع انتقال بين تغيير توان ورودي و تغيير فرکانس عبارتست از:حال اگر فرض کنيم يک تغيير ناگهاني 20 مگاوات در بار داريم در اينصورت

اسلاید 38: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت38 6-2کارکرد ديناميک(پوياي) حلقه AFLCاوليهلذا تغيير فرکانس با توجه به مقادير مثال 5 عبارتست از:ثابت زماني کل سيستم0/393 20 اين کاهش در نتيجه وجودفرمانه سرعت است.

اسلاید 39: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت397-2 تعبير فيزيکي نتايج در لحظات اوليه ،کل بار اضافه شده (20مگا وات ) از انرژي جنبشي ذخيره شده تامين مي شود.با کاهش سرعت انرژي جنبشي آزاد مي شود. چون سرعت در حال کاهش است، با توجه به مکانيزمي که در ابتدا شرح داده شد شير بخار باز مي شود. از آنجا که ظهور اين توان آزاد شده به منزله نياز کمتر به توليد توان تلقي مي شود، در نتيجه مي توان آن را مستقيما يه عنوان سهمي در تامين بار تقاضاي جديد در نظر گرفت. بنابر اين با افت سرعت، افزايش بار تقاضاي 20 مگاواتي متشکل از سه مولفه خواهد بود1) انرژي جنبشي حاصل از ماشين هاي در حال گردش سيستم2) افزايش توليد توربین3) کاهش مصرف

اسلاید 40: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت40مثال 8: سهم هر يک از مولفه هاي افزايش توان توربين بخاطر باز شدن شير بخار و کاهش توان مصرفي بخاطر کاهش فرکانس را در مثال 6 بيابيد.حل: افزايش توان توربين بخاطر باز شدن شير بخار عبارتست از:و کاهش بار بخاطر کاهش فرکانس عبارتست از:

اسلاید 41: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت41 8-2حلقه ALFC ثانويه (حذف خطاي حالت دائم)حلقه هاي ALFC اوليه و ثانويه

اسلاید 42: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت42پاسخ دینامیکی مثال 7 بدون حلقه ثانویهپاسخ دینامیکی مثال 7 با حلقه ثانویه

اسلاید 43: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت43 -3حلقه کنترل خودکار بار- فرکانس (ALFC) در حالت چند ناحيه کنترلي (همياري )اگر سيستم مورد بررسي از دو ناحيه کنترلي تشکيل شده باشد آنگاه رابطه برابری انرژی بصورت زير براي هر يک از نواحي قابل بيان است.P12 توان پريونيت جاري از ناحيه 1 به ناحيه 2 بوده و از رابطه زير قابل محاسبه است: عبارت T0 = ضريب سنکرون سازي

اسلاید 44: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت44از طرف ديگر رابطه تغيير فرکانس يک ناحيه با تغيير زاويه ولتاژ آن ناحيه عبارتست از: پس تغييرات توان بين دو ناحيه عبارتست از:

اسلاید 45: سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت45حلقه هاي ALFC اوليه و ثانويه براي يک سيستم متشکل از دو ناحيه

اسلاید 46: 46تمرینها-1شکل مقابل را در نظر بگيريد.يک ناحيه کنترلی با فرکانس 60 هرتز و مشخصات زير را در نظر بگيريد. تابع انتقال توربين و سيستم هيدروليک را واحد فرض کنيد. بار در شرايط عادی 500 مگاوات و ظرفيت نامي کل شبکه را 2000 مگاوات در نظر بگيريد. ثابت تنظيم براي تمام ژنراتورهاو ثابت اينرسي برای تمام ژنراتورها است.فرض بر اينست که با افزايش يک درصد در فرکانس، بار نيز يک درصد افزايش يابد.

اسلاید 47: 47الف) مطلوبست پارامترهاي حلقه ALFC . ج) تغييرات فرکانس بر حسب زمان را بدست آوريد.ب) با فرض و اگر بار شبکه 10 مگاوات افزايش يابد مطلوبست فرکانس کاري جديد. تمرینها