روشی جدید در بارزدایی فرکانسی بهینه در سیستم های میکروگرید با حضور نیروگاه های بادی به کمک شبکه ANFIS

نوع مقاله: مقاله پژوهشی فارسی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، دانشکده فنی و مهندسی- دانشگاه اصفهان- اصفهان- ایران

2 دانشیار، دانشکده فنی و مهندسی- دانشگاه اصفهان- اصفهان- ایران

3 - دانشجوی دکتری، دانشکده فنی و مهندسی- دانشگاه اصفهان- اصفهان- ایران

چکیده

: اهمیت استفاده از انرژی‌های نو باعث افزایش نفوذ منابع تولید پراکنده در سیستم‌های توزیع شده که علاوه بر مزیت‌های اقتصادی متعدد، تأمین انرژی در وضعیت ایزوله شدن سیستم توزیع را سبب می‌شود. در وضعیت ایزوله شدن ریزشبکه، جهت برقراری تعادل فرکانس و حفظ پروفیل ولتاژ در سطح مجاز نیاز به یک سیستم بارزدایی موثر ضروری است. در این مقاله با بررسی تأثیر حضور نیروگاه بادی و عدم قطعیت تولید آن در ریزشبکه، معیارهای جدیدی برای بارزدایی ارائه شده است. با توجه به فاصله الکتریکی کوتاه در ریزشبکه، ایجاد تعادل توان راکتیو از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. بر این مبنا، روش بارزدایی پیشنهادی از ترکیب معیارهای فرکانسی و ولتاژی استفاده می‌کند. تعیین میزان بارزدایی توسط آنالیز پایداری گذرا انجام شده و بارزدایی به وسیله ANFIS در ریزشبکه اجرا می‌شود. نتایج شبیه‌سازی نشان دهنده مؤثر بودن روش پیشنهادی برای بارزدایی در میکروگرید و حفظ پایداری آن می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A New Optimal Under Frequency Load Shedding in Micro Grids in Presence of Wind Turbines by using ANFIS Networks

نویسندگان [English]

  • Habib Amooshahi 1
  • Rahmat- Allah Hooshmand 2
  • Amin Khodabakhshian 2
  • Majid Moazzami 3
1 Department of electrical engineering, Faculty of Engineering, University of Isfahan, Isfahan, Iran
2 Department of electrical engineering, Faculty of Engineering, University of Isfahan, Isfahan, Iran
3 Department of electrical engineering, Faculty of Engineering, University of Isfahan, Isfahan, Iran
چکیده [English]

The benefits of renewable energy have led to the high penetration of Distributed Generators (DG) in the distribution systems. Besides the technical, economical and environmental benefits, Microgrids can operate in islanded (autonomous) modes. Microgrids need an effective load shedding system for the control of system frequency and voltage profile in an autonomous operation mode. The generation uncertainty of wind turbines in microgrids is analyzed in this paper and a new load shedding criteria has been proposed. Reactive power balance is an important problem with considering short electrical distances in microgrids and considering this basic fact, the proposed load shedding method uses a combination of frequency and voltage criteria. The total load shedding amount is determined by using transient stability analysis. This method is implemented by using ANFIS network in microgrids. Simulation results show the effectiveness of the proposed load shedding method.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Micro grid
  • Wind Turbine
  • Load Shedding
  • ANFIS

همان گونه که بیان گردید، معیارها و روش‌های مختلفی برای بارزدایی استفاده می­شود. روش‌های بارزدایی به دو دسته روش‌های فرکانسی و ولتاژی تقسیم می­شود. بارزدایی فرکانسی مرسوم­ترین روش بارزدایی است و نرخ تغییرات فرکانس پرکاریردترین معیار آن است. علاوه بر آن، در طی یک اغتشاش بزرگ در سیستم، علاوه بر کمبود توان اکتیو، توان راکتیو نیز کاهش یافته، پایداری ولتاژ و فرکانس به خطر می­افتد [12]. بنابراین، بارزدایی ترکیبی بر حسب معیارهای فرکانسی و ولتاژی، راهکار مناسبی برای ارائه یک روش بارزدایی مؤثر است. با توجه به وضعیت فنی حاکم بر ریزشبکه، در تعیین معیارهای بارزدایی توجه به دو نکته زیر اساسی است:

1- در ریزشبکه به علت اینرسی کم و متغیر ناشی از وجود منابع تولید پراکنده، از جمله نیروگاه بادی، نوسان‌های فرکانس بیشتر خواهد بود.

2- در ریزشبکه به علت نزدیکی تولید و بار در سیستم فشار ضعیف و فشار متوسط، فاصله الکتریکی شین­ها کوتاه است.

با توجه به این دو نکته، استفاده از معیار df/dt در سیستمی که در آن نیروگاه بادی وجود دارد، نامناسب است [5]. همچنین میزان تولید نیروگاه بادی که ناشی از سرعت وزش باد است، بر رفتار فرکانسی ریزشبکه تأثیر دارد و هر چه اینرسی سیستم کمتر باشد، این تأثیر بیشتر خواهد بود. از طرف دیگر، برخی از واحدهای CHP به علت عملکرد بد پمپ آب و روغن بر اثر نوسان ولتاژ ناشی از خطا، قطع می­شوند [13]. بنابراین، اضافه شدن معیار ولتاژ در کنار معیار فرکانس به پایداری هر چه بهتر سیستم کمک می­کند. با توجه به این نکات، فرکانس، ولتاژ و سرعت باد، معیارهای مناسبی برای بارزدایی در ریزشبکه خواهند بود.

 

2-2- بارزدایی بر اساس شبکه ANFIS

برای اجرای بارزدایی از شبکه ANFIS استفاده می‌شود. اطلاعات ورودی شبکه از طریق کنترل­کننده مرکزی (Central Control) در ریزشبکه دریافت و میزان کل بارزدایی توسط ANFIS تعیین می­شود. سپس دستورهای لازم برای قطع بارها مطابق با فهرست حق تقدم دینامیکی به بریکرهای بارهای مذکور به وسیله واحد هماهنگی حفاظتی (Protection Coordination Module) ارسال می­شود [1].

ساختار شبکه ANFIS دارای شش ورودی شامل توان دریافتی از شبکه بالا دست (PGrid)، توان تولیدی منابع تولید پراکنده (PDG)، بار ریزشبکه (PLoad)، سرعت باد (SWind)، حداقل فرکانس (fMin) و حداقل ولتاژ (VMin) است. شکل (2) شبکه ANFIS مورد استفاده را نشان می‌دهد.

برای آموزش شبکه ANFIS باید با تعریف سناریوهای مناسب، پایگاه اطلاعاتی مناسبی فراهم شود. در ادامه، نحوه چگونگی تشکیل پایگاه داده مورد استفاده بیان شده است.

 

 

شکل (2): ساختارشماتیک شبکه ANFIS مورد استفاده

 

2-3- پایگاه داده مورد استفاده در روش پیشنهادی

در صورت وجود یک سیستم کنترل مناسب و استفاده از یک روش بارزدایی مؤثر، ریزشبکه‌ها در مواقع قطع ارتباط از شبکه بالا دست می‌توانند پایداری خود را حفظ و از خاموشی کامل جلوگیری کنند. در سیستم‌های قدرت، خروج واحد‌های تولیدی یا خط انتقال با افت فرکانس همراه است. در این حالت، سیستم به وسیله بارزدایی بارهای غیر ضروری، پایداری خود را حفظ می­کند.

در ریزشبکه‌ها مهمترین سناریویی که در آن بارزدایی انجام می‌شود، قطع شدن شبکه بالا دست خواهد بود. پایگاه داده مورد استفاده برای ANFIS از آنالیز حالت گذرای ریزشبکه برای وضعیت اغتشاش مختلف در وضعیت بارگذاری متفاوت حاصل شده است. در این ساختار سناریوهای اغتشاش مورد بررسی شامل قطع شبکه بالا دست، کاهش توان تولیدی منابع تولید انرژی و خروج واحدهای تولید پراکنده است. با توجه به مباحث صورت گرفته در بخش دو سناریوهای یاد شده در سرعت‌های مختلف باد بررسی شده‌اند.

 

2-4- تنظیم مراحل بارزدایی

بارزدایی، اساساً در طول چندین مرحله انجام می‌گیرد. کل باری که در طول مراحل مختلف بارزدایی باید حذف ‌گردد، بر اساس بدترین حالت قابل پیش­بینی و با توجه به ماکزیمم مقدار از دست دادن تولید در شبکه تعیین می‌گردد. مقدار مراحل و بار حذفی مربوط به هر مرحله باید به طور مناسب انتخاب گردند. در صورت تنظیم نامناسب فرکانس‌ها و میزان بار حذفی در هر مرحله، عواقب ناخوشایندی مانند بارزدایی بیش از حد در مراحل ابتدایی و ایجاد اضافه فرکانس و یا بارزدایی کم در مراحل اولیه و افت شدید فرکانس غیر قابل اجتناب است. در صورت کاهش شدید فرکانس، رله‌های حفاظت فرکانسی واحدهای تولیدی تریپ می­دهد که خاموشی­های گسترده را به دنبال دارد. به طور کلی، تنظیم مراحل بارزدایی فرکانسی که شامل تعداد پله­ها و فرکانس آستانه بارزدایی است، قوانین کاملاً مشخصی ندارد. انتخاب این پارامترها به شدت به وضعیت ساختاری و فنی سیستم تحت مطالعه و آنالیز پایداری گذرای آن وابسته است. در عین حال، برای تنظیمات مورد نظر سعی می‌شود اصول کلی زیر رعایت شود.

به طور کلی، پیاده‌سازی بارزدایی در تعداد مراحل بیشتر و بار حذفی کمتر در هر مرحله نسبت به بارزدایی در تعداد مراحل کمتر و بار حذفی بیشتر مربوط به هر مرحله، اولویت دارد. به همین علت، بهتر است تنظیمات فرکانس‌های بارزدایی رله‌های فرکانسی خیلی نزدیک به یکدیگر نبوده، دارای یک فاصله منطقی باشند. رعایت این مسأله به علت تأخیر زمانی عملی مربوط به رله‌ها و نیز عملکرد کلیدها و برای جلوگیری از ایجاد تداخل بین مراحل بارزدایی ضروری است.

بر اساس مطالعاتی که تاکنون صورت گرفته است، بارزدایی بر اساس سه طرح مختلف زیر صورت می‌گیرد [14]:

1- کل بار حذفی و نیز مقدار بار حذفی در هر مرحله ثابت است؛

2- کل بار حذفی ثابت، ولی باری که در هر مرحله حذف می‌گردد، متغیر است؛

3- کل بار حذفی و نیز بار هر مرحله متناسب با مقدار کاهش فرکانس تغییر می‌کند.

روش سوم با توجه به قابلیت انعطاف بالاتر و امکان انجام بارزدایی بر اساس شدت اغتشاش، از اولویت بالاتری برخوردار است.

 

3- سیستم تحت مطالعه

شکل (3) ساختار یک شبکه توزیع فشار متوسط با چندین منبع تولید پراکنده را نشان می‏دهد. این شبکه از سوی انجمن بین المللی سیستم‏های بزرگ الکتریکی (CIGRE) به عنوان شبکه تست برای بررسی اتصال منابع پراکنده معرفی شده است [15]. ولتاژ نامی شبکه فشار متوسط 20 کیلوولت است که از طریق پست فوق توزیع 110 کیلوولت تغذیه می‏شود. بیشتر اتصالات شبکه به صورت کابل بوده، ولی برخی را نیز خطوط هوایی تشکیل می‏دهند. متصل کننده DC بین دو زیرسیستم اختیاری بوده و هدف زیرسیستم 2 برای مطالعه آثار این نوع اتصال است. لذا برای اکثر مطالعات می‏توان فقط زیر سیستم 1 را در نظر گرفت. با رخ دادن یک خطا در سیستم و باز شدن کلید اصلی که در ثانویه ترانس TR1 قرار دارد، ریزشبکه به شکل مستقل از سیستم و یا اصطلاحاً به شکل جزیره‌ای به کار خود ادامه خواهد داد. همچنین، دو کلید در نزدیکی باس‌های شماره 4 و 7 تعبیه شده که در حالت عادی باز بوده، با بستن آنها می‏توان سیستم توزیع با ساختار حلقوی را نیز بررسی کرد. مجموع طول خطوط در این زیرسیستم برابر 15 کیلومتر است.

 

 

 

 

 

 

شکل(3): دیاگرام تک خطی شبکه تست فشار متوسط CIGRE

                                                                      

 

4- نتایج شبیه سازی

4-1- بررسی تأثیر نیروگاه بادی بر ریزشبکه

برای بررسی معیارهای پیشنهاد شده، شبکه معرفی شده در قسمت قبل در نرم‌افزار DIgSILENT شبیه‌سازی کرده و رفتار ریزشبکه بررسی می­شود. برای بررسی رفتار نیروگاه بادی به طور خاص، از قرار دادن واحدهای تولیدی دیگر صرف نظر شده است [16].

برای این بررسی، اتصال کوتاه سه فاز متقارن مستقیم در ژنراتور القایی نیروگاه بادی متصل به شین شماره 7 اعمال می­شود. در شکل (4) نرخ تغییرات فرکانس شین­های شماره 3، 7 و 9 در لحظه اتصال کوتاه نشان داده شده است. این سه شین به نمایندگی از بخش‌های مختلف شبکه به گونه‌ای انتخاب شده­اند که کل ریزشبکه را پوشش دهد. شین شماره 7، شینی است که نیروگاه بادی به آن متصل است. شین شماره 9، یکی از شین­های مرکزی ریزشبکه و شین شماره 3، شین نزدیک به شبکه بالا دست است. با توجه به شکل (4) مشاهده می­شود که میزان نرخ تغییرات فرکانس به طور قابل ملاحظه­ای در شین­ها متفاوت است. بنابراین، نرخ تغییرات فرکانس نمی­تواند معیار مناسبی برای بارزدایی در ریزشبکه باشد.

 

 

 

 

شکل (4): نرخ تغییرات فرکانس شین­های شماره 3، 7 و 9 در لحظه اتصال کوتاه سه فاز متقارن نیروگاه بادی

 

 

 

 

شکل (5): فرکانس شین‌های 3، 7 و 9 در هنگام رفع خطای سه فاز نیروگاه بادی

 

شکل (5) فرکانس شین های شماره 3 ،7 و 9 را در لحظه رفع اتصال کوتاه نشان می‌دهد. مشاهده می شود که فرکانس شین‌ها شباهت بیشتری نسبت به نرخ تغییرات فرکانس به یکدیگر دارند. بنابراین، فرکانس می‌تواند معیار مطمئن­تری در بارزدایی ریزشبکه‌ها باشد.

در ریزشبکه بهتر است به علت کوتاه بودن فاصله الکتریکی و نوسان‌های ناشی از نیروگاه بادی از معیارهای ولتاژی نیز در بارزدایی استفاده شود. به همین منظور، ولتاژ شین‌های اشاره شده، در لحظه رفع خطا، در شکل (6) آورده شده است. با توجه به این شکل‌ها مشاهده می‌شود که ولتاژ در شین‌های مختلف تقریباً به شکل یکسان تغییر می‌کند.

نکته دیگری که باید در حضور نیروگاه بادی باید بررسی شود تاثیر میزان تولید نیروگاه بادی بر روی رفتار فرکانس ریزشبکه است. شکل (7) و (8) به ترتیب نرخ تغییر فرکانس و فرکانس شین شماره 9 را در لحظه رفع اتصال کوتاه، در میزان تولید یک پریونیت (بیشترین تولید) و11/0 پریونیت (کمترین تولید) نیروگاه بادی نشان می‌دهد. انتخاب شین شماره 9 به این علت بوده است که این شین در مرکز ریزشبکه قرار گرفته، مطابق مرجع [3] برای اندازه‌گیری فرکانس مناسبترین شین خواهد بود. مطابق شکل­های (7) و (8) مشاهده می‌شود که میزان تولید توان نیروگاه بادی بر روی رفتار فرکانسی ریزشبکه تاثیر خواهد داشت. این تأثیر را می‌توان ناشی از تغییر اینرسی نیروگاه بادی مطابق با سرعت باد دانست.

 

 

 

 

شکل (6): ولتاژ شین­های 3، 7 و 9 در هنگام رفع خطای سه فاز نیروگاه بادی

 

شکل (7): نرخ تغییر فرکانس و فرکانس شین 9 در هنگام رفع خطای سه فاز نیروگاه بادی در تولید یک پریونیت

 

 

شکل (8): نرخ تغییر فرکانس و فرکانس شین 9 در هنگام رفع خطای سه فاز نیروگاه بادی در تولید 11/0 پریونیت

 


4-2- آنالیز پایداری گذرا در سناریوهای گوناگون

برای به دست آوردن میزان کل بارزدایی لازم، آنالیز پایداری گذرا در نرم­افزار PSCAD برای سناریوهای بیان شده در ساختار پایگاه داده انجام شده است [17و18]. محدوده فرکانس حالت ماندگار مجاز بین 8/49 هرتز و 2/50 هرتز در نظر گرفته شده است. به منظور حذف کمترین میزان بار، بازیابی فرکانس در نقطه پایینی فرکانس مجاز، قابل قبول خواهد بود. شکل (9) منحنی توان قابل استحصال از نیروگاه بادی را در سرعت‌های باد مختلف نشان می‌دهد.

 

 

شکل (9): منحنی توان نیروگاه بادی در سرعت‌های باد مختلف

 

برای نمونه، سناریوهای مختلف استفاده شده در پایگاه داده شبکه ANFIS در سرعت باد 11 متر بر ثانیه، در

جدول (1) آورده شده است. تفاوت سناریوهای آورده شده در این جدول در میزان توان انتقالی از شبکه بالادست به ریزشبکه است.

 

 

جدول (1): سناریوهای گوناگون قطع شبکه بالادست در سرعت باد 11متر بر ثانیه

 

سناریوی 1

سناریوی 2

سناریوی 3

سناریوی 4

سناریوی 5

سناریوی 6

سناریوی 7

سناریوی 8

سناریوی 9

سناریوی 10

Pload (kw)

3930

3532

3314

3152

3055

2946

2750

2686

2484

2430

Pgrid (kw)

1710

1312

1068

919

809

706

502

446

242

194

PDG (kw)

756

752

775

764

774

768

780

775

771

769

Pwind (kw)

1463

1468

1472

1468

1471

1472

1468

1465

1471

1467

fmin (Hz)

18/48

5/48

5/49

66/49

68/49

73/49

75/49

79/49

81/49

84/49

Vmin (p.u)

852/0

874/0

887/0

897/0

902/0

907/0

915/0

919/0

923/0

932/0

Total Shed (kw)

1500

1100

900

700

600

500

300

200

0

0

 


4-3- آموزش و تست شبکه ANFIS

روش فازی Takagi-Sugeno روشی بر اساس قوانین if-then است که خروجی هر قانون ترکیبی خطی از متغیرهای ورودی به علاوه یک مقدار ثابت و خروجی نهایی ترکیبی خطی از همه خروجی‌هاست.

فرض کنید پایگاه قوانین شامل دو متغیر ورودی x و y و یک متغیر خروجی z و دو قانون فازی به شکل زیر باشد:

2

(1)

 

 

چنانچه گزاره مشاهده شده به صورت زیر باشد:

x   is    A`   and   y   is    B`

نتیجه استنتاج به شکل:

(2)

 

 

خواهد بود که در آن:

(3)

 

و  و  از رابطه زیر به دست می‌آید:

 

(4)

 

 

بنابراین، چنانچه مقادیر  و  و  و  و  و  معلوم باشند، خروجی مشخص خواهد بود. شکل (10) بلوک دیاگرام این روش را نشان می‌دهد. در این شکل عملکرد لایه‌های مختلف به شرح زیر است:

 

شکل (10): بلوک دیاگرام روش ANFIS

 

لایه اول: در این لایه درجه عضویت هر ورودی در توابع عضویت مشخص می‌شود.

(5)

 

که در آن  درجه عضویت x در تابع عضویت  است. توابع عضویت می‌توانند به صورت زنگوله شکل و با حداقل صفر و حداکثر یک باشند، مانند:

(6)

 

و یا:

(7)

 

با تغییر مقادیر  و  و  شکل تابع زنگوله‌ای تغییر می‌کند. در واقع، هر تابع تکه‌ای مشتق پذیر مانند تابع مثلثی شکل و یا ذوزنقه شکل می‌توانند به عنوان توابع عضویت استفاده شوند.

لایه دوم: در لایه دوم مقادیر به دست آمده در لایه اول به روش لارسن در هم ضرب می‌شوند و یا به روش زاده- ممدانی از آنها مینیمم گرفته می‌شود و نهایتاً  از یکی از روابط زیر به دست می‌آید:

(8)

روش لارسن            

(9)

روش زاده–ممدانی  

لایه سوم: در این لایه مقدار نسبت  به  کل (مجموع ‌ها) حساب می‌شود.

(10)

 

اصطلاحاً  ها در این لایه نرمالیزه می‌شوند.

لایه چهارم: در این لایه مقادیر پارامترهای p و q و r بهینه می‌شوند. همچنین، خروجی لایه سوم در ترکیب خطی ورودی ضرب می‌شود.

(11)

 

 

لایه پنجم: در این لایه خروجی نهایی به دست می‌آید:

 

(12)

 

در این روش به جز پارامترهای مؤخر دستورها (p و q و r)، پارامترهای مقدم قوانین فازی ( و  و ) نیز هنگام آموزش تغییر پیدا می‌کنند. پارامترهای مقدم قوانین فازی در واقع همان پارامترهای توابع عضویت هستند.

الگوریتم آموزش مورد استفاده شبکه ANFIS ترکیبی از روش مینیمم مربعات و گرادیان نزولی برگشت‌پذیر است. این شبکه دارای تابع عضویت مثلثی شکل برای هر متغیر ورودی است. پس از انجام آموزش شبکه ANFIS به وسیله سناریوهای تعریف شده، برای تست شبکه، چهار سناریو به عنوان نمونه استفاده شده است. این سناریوها در جدول (2) آورده شده است. برای بررسی نحوه عملکرد شبکه ANFIS و قابلیت آن، سناریو‌های انتخابی از وضعیت‌های متفاوت سرعت باد و سطح بار­های مختلف در نظر گرفته شده است.

نتایج آزمایش سناریوها در جدول (3) آورده شده است. نتایج به دست آمده نشان دهنده عملکرد مناسب و قابل قبول شبکه در تعیین میزان کل بارحذفی لازم است.


 

جدول (2): سناریوهای تعریف شده برای آزمایش شبکه

سناریوی (د)

سناریوی (ج)

سناریوی (ب)

سناریوی (الف)

 

1683

1104

694

242

Pgrid (kw)

748

759

771

771

PDG (kw)

3142

2597

2563

2484

PLoad (kw)

5/9

9

10

11

Swind (m/sec)

16/48

68/48

3/49

81/49

fmin (Hz)

862/0

899/0

907/0

921/0

Vmin (p.u)

1500

700

500

0

Total Shed

(kw)

 

 

جدول (3): نتایج آزمایش شبکه با ورودی ولتاژ

سناریوی (د)

سناریوی (ج)

سناریوی(ب)

سناریوی (الف)

 

1500

700

500

0

میزان بارزدایی واقعی (kw)

4/1435

9/650

6/481

26

خروجی ANFIS (kw)

6/64

1/49

4/18

26

قدر مطلق خطا (kw)

 

 


4-4- بررسی تأثیر معیار ولتاژ در عملکرد بارزدایی

با بررسی جدول (1) مشاهده می‌شود که کل میزان بارزدایی با میزان افت ولتاژ رابطه مستقیم دارد. این امر در شکل (11) مشاهده می­شود. در این شکل میزان کل بارزدایی نسبت به افت ولتاژ رسم شده است. مطابق شکل (11)، عدم تعادل توان اکتیو که متناسب با میزان بارزدایی است، تاثیر مستقیمی روی افت ولتاژ دارد. بنابراین، در بارزدایی ریز شبکه‌ها علاوه بر ایجاد تعادل در توان اکتیو باید تعادل توان راکتیو نیز مورد توجه قرار گیرد.

برای اثبات مؤثر بودن معیار ولتاژ در بارزدایی، شبکه مورد نظر را بدون ورودی ولتاژ آموزش داده، آن را با سناریوهای ذکر شده در جدول (2) آزمایش می‌کنیم. نتایج آزمایش در جدول (4) آورده شده است. مشاهده می‌شود که استفاده از معیار ولتاژ در آموزش شبکه مفید بوده، خطای شبکه را در محاسبه میزان کل بارزدایی کاهش می­دهد.

 

 

 

شکل(11): میزان کل بارزدایی نسبت به افت ولتاژ

 

 

شکل(12): تغییرات فرکانس ریزشبکه بدون بارزدایی و در بارزدایی پنج مرحله­ای ثابت

 

 

شکل(13): ولتاژ شین 9 ریزشبکه بدون بارزدایی و در بارزدایی پنج مرحله­ای ثابت

 

جدول (4): نتایج آزمایش شبکه بدون ورودی ولتاژ

سناریوی (د)

سناریوی (ج)

سناریوی (ب)

سناریوی (الف)

 

1500

700

500

0

میزان بارزدایی واقعی (kw)

6/1392

631

482

9/127

خروجی ANFIS (kw)

4/107

69

18

9/127

قدر مطلق خطا (kw)

 

 

به منظور مطالعه اقتصادی، قیمت هر کیلووات انرژی الکتریکی 06/0 دلار در نظر گرفته شده است. سود ناشی از استفاده از روش پیشنهادی در جدول (5) نشان داده شده است. در این جدول، با استفاده از جداول (3) و (4)، سود ناشی از میزان کاهش قطع بار نسبت به میزان بارزدایی واقعی، برحسب دلار محاسبه شده است. در سناریوی (الف)، منفی بودن سود به علت غیرضروری بودن قطع بار است. در سناریوهای (الف) و (ب) سود به دست آمده روش پیشنهادی با در نظر گرفتن ورودی ولتاژ بیشتر است. در سناریوهای (ج) و (د) سود اقتصادی بدون در نظر گرفتن معیار ولتاژ بیشتر است، ولی با اجرای شبیه‌سازی در این حالت‌ها فرکانس به محدوده مجاز بازیابی نمی‌شود.

 

 

جدول (5): سود اقتصادی استفاده از ANFIS، ناشی از کاهش قطع بار

سناریوی (د)

سناریوی (ج)

سناریوی (ب)

سناریوی (الف)

سود اقتصادی بر حسب دلار

876/3

946/2

104/1

56/1-

با ورودی ولتاژ

444/6

14/4

08/1

674/7-

بدون ورودی ولتاژ

 

استفاده از یک فهرست حق تقدم دینامیکی شینه‌ها با توجه به کمترین مقدار ولتاژ می‌تواند معیار مناسبی برای تعیین محل بارزدایی و بازیابی بهتر ولتاژ ریزشبکه باشد. به این ترتیب، مشکل به هم خوردن تعادل توان راکتیو نیز قابل حل خواهد بود. در تعیین فهرست حق تقدم علاوه بر مسائل فنی مانند قطع بار از شینه‌های با کمترین مقدار ولتاژ به منظور بازیابی هرچه بهتر ولتاژ شین‌ها، مسائل اقتصادی می‌تواند مورد توجه قرار گیرد. این مسأله در مرجع [4] به طور مفصل بحث شده است. البته، مسائل فنی تا بازیابی ولتاژ به محدوده مجاز از اهمیت بیشتری برخوردار است.

 

 

 

4-5- تنظیم مراحل بارزدایی

با به دست آوردن میزان کل بارزدایی باید برای اجرای آن تحت چند مرحله تصمیم‌گیری کرد، زیرا هنگام قطع شدن شبکه بالا دست، میزان تولید توان از دست رفته در بدترین وضعیت، حدود نصف بار ریزشبکه است. بنابراین، بارزدایی در یک مرحله ریزشبکه را دچار اخلال می‌کند. با توجه به نکات بیان شده در بخش‌های قبلی، تنظیمات فرکانسی و میزان بار حذفی هر مرحله و سایر پارامترهای لازم با توجه به استنباط سیستم از آنالیز پایداری گذرای ریزشبکه در جدول (6) آورده شده است. کوچک بودن زمان تأخیر به دلیل اینرسی کم ریزشبکه است.

 

 

جدول (6): تنظیمات مراحل بارزدایی فرکانسی

تاخیر زمانی رله (Sec)

میزان بارزدایی (KW)

فرکانس آستانه بارزدایی (HZ)

مراحل بارزدایی

1/0

200

3/49

1

1/0

300

1/49

2

1/0

300

9/48

3

1/0

300

7/48

4

1/0

400

3/48

5

 

 

 

فرکانس و ولتاژ ریزشبکه بدون بارزدایی و بارزدایی پنج مرحله­ای ثابت برای بدترین حالت ریزشبکه؛ یعنی سناریوی (د) به ترتیب در شکل‌های (12) و (13) آورده شده است. مشاهده می‌شود که فرکانس از میزان حدود 48 هرتز به محدوده مجاز بازیابی شده و همچنین، ولتاژ از میزان 88/0 پریونیت بازیابی شده و به حدود 95/0 پریونیت رسیده است.

نتایج شبیه­سازی بیانگر توانایی روش پیشنهادی برای بارزدایی موثر در ریزشبکه است. شکل‌های (12) و (13) نشان می­دهند که روش بارزدایی توانسته است به صورت همزمان ولتاژ و فرکانس را در زمان مناسب با دینامیک پاسخ قابل قبول بازیابی کند.

 

5- نتیجه‌گیری

در این مقاله روشی جدید برای بارزدایی در ریزشبکه ارائه شده است. این ساختار با بررسی تفاوت ریزشبکه­ها و سیستم‌های قدرت مرسوم، معیارهای جدید بارزدایی را پیشنهاد می دهد. روش پیشنهادی از ترکیب معیارهای فرکانسی و ولتاژی و تاثیر نیروگاه بادی بر ریزشبکه، استفاده می‌کند. با اجرای آنالیز پایداری گذرا بر روی ریزشبکه، صحت معیارهای بارزدایی ارائه شده تأیید شده و به کمک ANFIS، بارزدایی اجرا می‌شود. همچنین، تاثیر معیار ولتاژ در آموزش شبکه ANFIS بررسی شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می­دهد که روش پیشنهادی قادر به بازیابی همزمان ولتاز و فرکانس سیستم است.

مراجع

[1] S. Chowdhury, S.P. Chowdhury, P. Crossley, ”Micro grids and Active Distribution Network”, London: The Institution of Engineering and Technology (IET), ISBN: 978-1-84919-014-5, 2009.

[2] IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources into Electric Power Systems, IEEE Std. 1547TM, Jun. 2003.

[3] V. Terzija, M. Kayikci, D. Cal, ”Power Imbalance Estimation Distribution Networks With Renewable Energy Resources”, 20th International Conference on Electricity Distribution, Prague, Paper 0680, June 2009.

[4] P. Mahat, Z. Chen, B. Bak-Jensen, ”Under frequency Load Shedding for an Islanded Distribution System With Distributed Generators”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 25, No. 2, pp. 911-918, Apr. 2010.

[5] H. Bai, V. Ajjarapu, ”A Novel Online Load Shedding Strategy for Mitigating Fault-Induced Delayed Voltage Recovery”, IEEE Trans. on Power system, Vol. 26, No. 1, Feb. 2011.

[6] H. Bevrani, G. Ledwich,  J. J. Ford, ”On the Use of df/dt in Power System Emergency Control”, Power Systems Conference and Exposition, 2009. PSCE '09. IEEE/PES2009.

[7] R. V. Fernandes, S. A. B. de Almeida, F. P. M. Barbosa, R. Pestana, ”Load Shedding-Coordination between the Portuguese Transmission Grid and the Distribution Grid with Minimization of Loss of Distributed Generation”, Paper accepted for presentation at 2009 IEEE Bucharest Power Tech Conference, June 28th - July 2nd, Bucharest, Romania.

[8] M. H. Moradi, M. Abedini, ”Optimal Load Shedding Approach in Distribution Systems for Improved Voltage Stability”, 4th International Power