Transcript POWER SYSTEM ANALYSIS - Ferdowsi University of Mashhad

‫به نام خدا‬
POWER SYSTEM
ANALYSIS
Ali Karimpour
Associate Professor
Ferdowsi University of Mashhad
Reference:
Olle I. Elgerd “Electrical Energy Systems Theory” , McGraw-Hill, 1983
I thank my student, Mr. Milad Amini, for his help in making slides of this lecture.
.
1
‫‪lecture 1‬‬
‫‪Lecture1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫سيستمهاي 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
‫‪2‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫حلقه هاي کنترلي ‪ AVR‬و ‪ALFC‬‬
‫حلقه ‪AVR‬‬
‫حلقه ‪ALFC‬‬
‫از مسائل قابل توجه در حلقه هاي کنترلي فوق تاثير متقابل بين دو‬
‫‪3‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫حلقه مي باشد که در عمل بسيار کم است‪.‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪ -1‬تنظيم کننده خودکار ولتاژ )‪(AVR‬‬
‫تحريک کننده اصلي ترين عضو حلقه ‪ AVR‬است که تامين کننده انرژي الکتريکي مورد‬
‫نياز ژنراتور است‪.‬‬
‫‪ ‬سيستم هاي تحريک قديمي‬
‫‪ ‬سيستم های تحريک استاتيک‬
‫‪ ‬سيستم های تحريک بدون جاروبک‬
‫‪4‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪ -1‬تنظيم کننده خودکار ولتاژ )‪(AVR‬‬
‫سيستم تحريک قديمي‬
‫‪5‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪ -1‬تنظيم کننده خودکار ولتاژ )‪(AVR‬‬
‫سيستم تحريک استاتيک‬
‫‪6‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪ -1‬تنظيم کننده خودکار ولتاژ )‪(AVR‬‬
‫سيستم تحريک بدون جاروبک‬
‫‪7‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪lecture 1‬‬
‫‪1-1‬مدلسازي سيستم‬
‫تحريک‬
‫قسمتهاي مختلف حلقه ‪AVR‬‬
‫بصورت زير است‪.‬‬
‫‪ ‬تقویت کننده‬
‫)‪v R ( s‬‬
‫‪GA ‬‬
‫‪ KA‬‬
‫‪e( s)   V ref   V‬‬
‫)‪e( s‬‬
‫البته تقويت کننده ها معموال داراي يک تاخير زماني مي باشند لذا‪:‬‬
‫) ‪v R ( s‬‬
‫‪KA‬‬
‫‪‬‬
‫) ‪e( s‬‬
‫‪1  sTA‬‬
‫‪8‬‬
‫محدوده ثابت زماني تقويت کننده ‪ 0/01‬تا ‪ 0/02‬ثانيه مي باشد‪.‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪GA ‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪lecture 1‬‬
‫‪1-1‬مدلسازي سيستم‬
‫تحريک‬
‫قسمتهاي مختلف حلقه ‪AVR‬‬
‫بصورت زير است‪.‬‬
‫‪ ‬ميدان تحريک‬
‫‪v f  K1 ie‬‬
‫‪9‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪d‬‬
‫‪ie‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪v R  Re ie  Le‬‬
‫‪K1‬‬
‫)‪v f ( s‬‬
‫‪Re‬‬
‫‪Ke‬‬
‫‪K1‬‬
‫‪Ge ‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪L‬‬
‫‪v R ( s) Re  Le s‬‬
‫‪1  Te s‬‬
‫‪1 e s‬‬
‫‪Re‬‬
‫محدوده ثابت زماني سيستم تحريک ‪ 0/5‬تا ‪ 1‬ثانيه مي باشد‪.‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
lecture 1
‫مدلسازي سيستم‬1-1
‫تحريک‬
AVR ‫قسمتهاي مختلف حلقه‬
.‫بصورت زير است‬
‫ مدل ژنراتور‬
  N  Li,
  L fa i f ,
Emax  . ,
d
2
v f  R f i f  L ff
i f 
dt
L fa
Kf
E ( s)  V ( s)


v f ( s) v f ( s) 1  sTdo
E 
L fa i f 
2
d


R

E

L

E
ff
 f

dt


,
i f 
E
L fa 
2
.‫محدوده ثابت زماني مدار ژنراتور چندين ثانيه مي باشد‬
10
Dr. Ali Karimpour Oct 2013
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
lecture 1
‫مدلسازي سيستم‬1-1
‫تحريک‬
‫ تقویت کننده‬
GA 
v R ( s )
KA

e( s )
1  sTA
‫ ميدان تحريک‬
K1
K1
v f ( s)
vRf e( s)
KKe1
Re
K1
Ge 

Ge 


L
v R ( s) Re  Le s v RL(es) R
1 eTeLse s
1
s
1 e s
Re
‫ مدل ژنراتور‬Re
Kf
E ( s)  V ( s)


v f ( s) v f ( s) 1  sTdo
11
Dr. Ali Karimpour Oct 2013
lecture 1
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
AVR ‫بلوک دياگرام سيستم‬
G( s) 
K AKe K f
1  sTA 1  sTe 1  sTdo 

K
1  sTA 1  sTe 1  sTdo 
12
Dr. Ali Karimpour Oct 2013
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪ 2-1‬کارکرد ایستای حلقه ‪AVR‬‬
‫حلقه ‪ AVR‬بايد 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.‬‬
‫‪13‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫خطاي حالت دائم حلقه فوق عبارتست از‪:‬‬
‫‪ref , 0‬‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫‪V‬‬
‫‪1 K‬‬
‫‪ref , 0‬‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫‪V‬‬
‫)‪1  G(0‬‬
‫‪ee, 0‬‬
‫حال براي قبول خطاي يک درصد بايد‬
‫‪K  99‬‬
‫‪‬‬
‫‪1  K  100‬‬
‫‪‬‬
‫‪ref , 0‬‬
‫‪ 0.01 V‬‬
‫‪ref , 0‬‬
‫‪1‬‬
‫‪V‬‬
‫‪1 K‬‬
‫همانطور که مشخص است با افزايش بهره خطاي ايستا کاهش مي يابد‪.‬‬
‫‪14‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪ee, 0 ‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪ 3-1‬کارکرد ديناميک(پوياي) حلقه ‪AVR‬‬
‫پاسخ گذراي سيستم ديناميکي عبارتست از‪:‬‬
‫‪‬‬
‫‪( s) ‬‬
‫‪ref‬‬
‫‪‬‬
‫لذا عملکرد سيستم به محل قطبهاي حلقه بسته يعني‬
‫‪15‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫)‪ G( s‬‬
‫‪ V (t )  L ‬‬
‫‪V‬‬
‫)‪ 1  G( s‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1  G( s)  0‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪ 4-1‬ترميم پايداري‬
‫همانطور 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 واحتماال ناپايداري می شود‪.‬باافزودن‬
‫ترمیم کننده پایداری سری این‬
‫وضعیت نامطلوب رامی توان برطرف کرد‪.‬‬
‫فرض کنيد از يک جبران ساز ‪ PD‬بصورت‬
‫‪G  1  sT‬‬
‫‪c‬‬
‫استفاده کنيم در اينصورت تابع انتقال سيستم و کنترلر بصورت زير است‪:‬‬
‫‪16‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫) ‪K (1  sTc‬‬
‫‪G( s)Gs ( s) ‬‬
‫) ‪(1  sTA )(1  sTe )(1  sTdo‬‬
‫‪s‬‬
lecture 1
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
G( s)Gs ( s) 
K (1  sTc )
(1  sTA )(1  sTe )(1  sTdo )
G( s)Gs ( s) 
K
(1  sTA )(1  sTdo )
17
Dr. Ali Karimpour Oct 2013
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪ -2‬حلقه کنترل خودکار بار‪ -‬فرکانس‪ AFLC‬در يک سيستم تک ناحيه اي‬
‫حلقه ‪ ALFC‬تنها 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
‫‪ ALFC‬اوليه‬
‫‪18‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪lecture 1‬‬
‫‪ 1-2‬مدلسازي حلقه ‪ ALFC‬اوليه‬
‫• سيستم فرمانه سرعت‬
‫‪1‬‬
‫‪f‬‬
‫‪R‬‬
‫‪19‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪Pg  Pref ‬‬
‫‪‬‬
‫‪1‬‬
‫‪f‬‬
‫‪R‬‬
‫‪xc  Pg  x A ‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪lecture 1‬‬
‫‪ 1-2‬مدلسازي حلقه ‪ ALFC‬اوليه‬
‫• راه انداز شير هيدروليکي‬
‫‪x D  Pg  Pv MW‬‬
‫تغيير مکان شير بخار بستگي به زمان باز شدن پيستونهاي روغن هيدروليک دارد لذا‬
‫‪Pv‬‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫‪Pg 1  TH s‬‬
‫‪GH ( s) ‬‬
‫‪1‬‬
‫‪Pv  k H  x D dt ‬‬
‫‪x D dt‬‬
‫‪‬‬
‫‪TH‬‬
‫محدوده ثابت زماني شير هيدروليکي حدود ‪ 0/1‬ثانيه مي باشد‪.‬‬
‫‪20‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪lecture 1‬‬
‫‪ 1-2‬مدلسازي حلقه ‪ ALFC‬اوليه‬
‫• پاسخ توربين‬
‫در اين قسمت هدف يافتن رابطه بين خروجي توربين و تغيير مکان شير بخار است‪ .‬توبينهاي‬
‫بخار بدون پيش گرمکن ساده ترين تابع انتقال را دارند يعني تنها داراي يک ثابت زماني مي باشند‪.‬‬
‫‪21‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫)‪PT ( s‬‬
‫‪1‬‬
‫‪GT ( s) ‬‬
‫‪‬‬
‫‪Pv ( s) 1  sTT‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
lecture 1
‫ اوليه‬ALFC ‫ مدلسازي حلقه‬1-2
1
xc  Pg  x A  f
R

1
Pg  Pref  f
R
Pv
1
GH ( s) 

Pg 1  TH s
GT ( s) 
PT ( s)
1

Pv ( s) 1  sTT
22
Dr. Ali Karimpour Oct 2013
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪ 2-2‬کارکرد ايستاي فرمانه سرعت‬
‫در اين حالت سه وضعيت را در نظر مي گيريم‪:‬‬
‫الف) ژنراتور با شبکه بسيار بزرگي همگام شده است‪ .‬در اين شرائط داريم‪:‬‬
‫‪PT , 0  Pref , 0‬‬
‫‪‬‬
‫‪f  0‬‬
‫مثال ‪ :1‬يک ژنراتور ‪ 100‬مگاواتي به شبکه بينهايتي متصل است‪ .‬چگونه قدرت توربين را ‪ 5‬مگاوات افزايش‬
‫دهيم؟‬
‫‪23‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪ 2-2‬کارکرد ايستاي فرمانه سرعت‬
‫در اين حالت سه وضعيت را در نظر مي گيريم‪:‬‬
‫ب) حال فرض کنيد شبکه بينهايت نيست و توان مبنا تغيير نمي کند لذا داريم‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫‪  f‬‬
‫‪R‬‬
‫‪PT , 0‬‬
‫مثال ‪ :2‬يک ژنراتور ‪ 100‬مگاواتي داراي پارامتر تنظيم ‪ R‬معادل ‪ 4‬درصد (‪ 0/04‬پريونيت) است‪ .‬اگر‬
‫فرکانس ‪ 0/1‬هرتز افت کند و تنظيم توان مبنا ثابت باشد‪ ،‬ميزان افزايش توان توليد چقدر است؟‬
‫‪24‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪R  0.04 pu  0.04 * 60 / 100 Hz / MW  0.024 Hz / MW‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪PT , 0   f  ‬‬
‫‪(0.1)  4.17 MW‬‬
‫‪R‬‬
‫‪0.024‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪ 2-2‬کارکرد ايستاي فرمانه سرعت‬
‫در اين حالت سه وضعيت را در نظر مي گيريم‪:‬‬
‫ج) در اين حالت هم تغيير توان مبنا و هم‬
‫تغيير فرکانس داريم‪.‬‬
‫پاسخ ايستاي سرعت – توان يک سيستم‬
‫‪25‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫مثال ‪ :3‬يک ژنراتور ‪ 100‬مگاواتي داراي پارامتر تنظيم ‪ R‬معادل ‪ 4‬درصد (‪0/04‬‬
‫پريونيت) است‪ .‬اگر فرکانس ‪ 0/1‬هرتز افت کند ولي توان توربين ثابت بماند‪ ،‬تنظيم‬
‫مبنا چگونه بايد تغيير کند؟‬
‫حل‪:‬‬
‫‪R  0.04 pu  0.04 * 60 / 100 Hz / MW  0.024 Hz / MW‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪f 0 ‬‬
‫‪(0.1)  4.17 MW‬‬
‫‪R‬‬
‫‪0.024‬‬
‫‪26‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪Pref , 0 ‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫مثال ‪ :4‬توان مورد نياز يک سيستم توسط دو ژنراتور تامين مي شود‪ .‬توان نامي آنها‬
‫به ترتيب ‪ 50‬و ‪ 500‬مگا وات است‪ .‬فرکانس ‪ 60‬هرتز و هر ژنراتور نصف بار نامي خود‬
‫را تامين مي کند‪ .‬اکر بار دو ژنراتور به اندازه ‪ 110‬مگاوات افزايش يافته و فرکانس به‬
‫‪ 59/5‬هرتز 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:‬‬
‫‪ 0.5‬‬
‫‪R1  ‬‬
‫‪ 0.05 Hz / MW  0.05 * 50 / 60 pu  0.0417 pu‬‬
‫‪10‬‬
‫‪ 0.5‬‬
‫‪R2  ‬‬
‫‪ 0.005 Hz / MW  0.005 * 500 / 60 pu  0.0417 pu‬‬
‫‪100‬‬
‫لذا ژنراتورهاي موازي براي تامين بار متناسب با قدرت خود بايد ضريب تنظيم هاي‬
‫يکسان بر حسب پريونيت داشته باشند‪.‬‬
‫‪27‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪ 3-2‬بستن حلقه ‪AFLC‬اولیه‬
‫براي بستن حلقه نشان داده شده در‬
‫شکل بايد رابطه بين توان توربين‬
‫وتغیير 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.‬‬
‫حال فرض کنيد توان مصرفي شبکه به اندازه ‪PD MW‬تغيير کند (‪+‬يا ‪ )-‬واضح است که توان توليدي‬
‫مي‪P‬کند‪.‬‬
‫‪ MW‬تغيير‬
‫ژنراتور نيز با اندازه‬
‫‪G  PD‬‬
‫در اين شرايط تفاوت‬
‫شد‪.‬‬
‫‪28‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪MW‬‬
‫‪ PD‬‬
‫‪PT MW‬منجر به کاهش يا افزايش سرعت و در نتيجه فرکانس خواهد‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪ 3-2‬بستن حلقه ‪AFLC‬اولیه‬
‫براي بستن حلقه نشان داده شده در‬
‫شکل بايد رابطه بين توان توربين‬
‫وتغیير فرکانس را محاسبه کرد‪.‬‬
‫تفاوت ‪PT MW  PD MW‬منجر به تغيير انرژي جنبش ي و تغيير توان مصرف مي شود لذا داريم‪:‬‬
‫‪d‬‬
‫‪ Wkin  D f‬‬
‫‪dt‬‬
‫تغيير توان تغيير انرژي‬
‫مصرفی‬
‫‪MW‬‬
‫جنبش ي‬
‫‪MW / Hz‬‬
‫‪29‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪ PD‬‬
‫‪PD‬‬
‫‪f‬‬
‫‪MW‬‬
‫‪PT‬‬
‫‪2‬‬
‫‪D‬‬
‫‪0  f ‬‬
‫‪ 0 ‬‬
‫‪Wkin  Wkin‬‬
‫‪f ‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫از طرفي داريم‪:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪f‬‬
‫‪f ‬‬
‫‪f‬‬
‫‪0 ‬‬
‫‪0 ‬‬
‫‪  Wkin 1  2 0   0   Wkin‬‬
‫‪1  2 0‬‬
‫‪‬‬
‫‪f‬‬
‫‪f‬‬
‫‪ f  ‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫‪0‬‬
‫‪ f‬‬
‫‪0  f ‬‬
‫‪0  f‬‬
‫‪ Wkin  0   Wkin ‬‬
‫‪0‬‬
‫‪f ‬‬
‫‪ f‬‬
‫‪Wkin‬‬
‫پس‬
‫با تقسيم اين رابطه بر توان نامي معادله بصورت پريونيت در مي آيد‪.‬‬
‫‪pu‬‬
‫‪2H d‬‬
‫‪f   Df‬‬
‫‪0‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪f‬‬
‫‪PT  PD ‬‬
‫‪‬‬
‫‪0‬‬
‫‪2Wkin‬‬
‫‪d‬‬
‫‪D‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪f‬‬
‫‪‬‬
‫‪f‬‬
‫‪0‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪P‬‬
‫‪Pr f‬‬
‫‪r‬‬
‫‪P‬‬
‫‪ D‬‬
‫‪Pr‬‬
‫‪MW‬‬
‫‪PT‬‬
‫‪Pr‬‬
‫‪MW‬‬
‫ضريب ‪ H‬داراي واحد ثانيه بوده و ثابت اينرس ي نام دارد‪ .‬مقدار ثابت اينرس ي که از نسبت انرژي جنبش ي‬
‫به توان نامي حاصل مي شود در بازه ‪ 2‬تا ‪ 8‬ثانيه است‪.‬‬
‫‪30‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
lecture 1
‫ بستن حلقه‬3-2
‫اولیه‬AFLC
.‫براي بستن حلقه نشان داده شده در شکل بايد رابطه بين توان توربين وتغیير فرکانس را محاسبه کرد‬
2H
sf ( s)  Df ( s)  PT ( s)  PD ( s)
0
f
f ( s) 

f ( s) 
1
PT (s)  PD (s) 
2H
D
s
f
Kp
1/ D

PT (s)  PD (s)   G p (s)(PT (s)  PD (s) 
PT ( s)  PD ( s)  
2H
1  sTp
1
s
31
fD
Dr. Ali Karimpour Oct 2013
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪4-2‬‬
‫مفهوم ناحيه کنترل‬
‫در روابطي که تاکنون بدست آمد فرض بر اين بود که يک ژنراتور منفرد به يک شبکه متصل است‪ ،‬اما‬
‫معموال 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.‬‬
‫‪32‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫مثال ‪ :5‬يک ناحيه کنترلي با فرکانس ‪ 60‬هرتز و مشخصات را در نظر بگيريد‪.‬‬
‫مطلوبست پارامترهاي حلقه‪.AFLC‬‬
‫بار در شرايط عادي ‪PD0=1000 MW‬‬
‫ظرفيت نامي کل ناحيه ‪Pr=2000 MW‬‬
‫ثابت تنظيم براي تمام ژنراتورهاي ناحيه ‪R=2.40 Hz/pu MW‬‬
‫ثابت اينرس ي ‪H=5 s‬‬
‫فرض بر اينست که با افزايش يک درصد در فرکانس‪ ،‬بار نيز يک درصد افزايش يابد‪.‬‬
‫حل‪:‬‬
‫‪PD0 10‬‬
‫‪16.67‬‬
‫‪D‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 16.67 MW / Hz ‬‬
‫‪pu MW / Hz  8.33  10 3 pu MW / Hz‬‬
‫‪f‬‬
‫‪0.6‬‬
‫‪2000‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 120 Hz / puMW‬‬
‫‪3‬‬
‫‪D 8.33  10‬‬
‫‪33‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪Kp ‬‬
‫‪2H‬‬
‫‪10‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 20 s‬‬
‫‪3‬‬
‫‪fD 60  8.33  10‬‬
‫‪Tp ‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪ 5-2‬کارکرد استاتيک حلقه ‪ ALFC‬اوليه‬
‫يکي از هدف هاي اساس ي حلقه ثابت نگه داشتن فرکانس با وجود تغييرات بار است‪ .‬با توجه به شکل‬
‫رابطه بين تغيير توان ورودي و تغيير فرکانس عبارتست از‪:‬‬
‫)‪PD ( s‬‬
‫)‪ G p (s‬‬
‫‪1‬‬
‫)‪GT ( s)G H ( s)G p ( s‬‬
‫‪R‬‬
‫‪f ( s) ‬‬
‫‪1‬‬
‫حال تغيير بار پله اي به اندازه ‪ M‬در سيستم منجر به تغيير فرکانس حالت دائم زیر می شود‪:‬‬
‫‪pu MW / Hz‬‬
‫‪34‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪1‬‬
‫‪R‬‬
‫‪  D‬‬
‫‪ Kp‬‬
‫‪M‬‬
‫‪M‬‬
‫‪f 0 ‬‬
‫‪M ‬‬
‫‪‬‬
‫‪Hz‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫‪1 K p‬‬
‫‪D‬‬
‫‪R‬‬
‫‪R‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫مثال ‪ :6‬در شبکه ‪ 2‬گيگاواتي مثال ‪ 5‬اگر بار شبکه ‪ 20‬مگاوات افزايش يابد مطلوبست تغيير‬
‫فرکانس و فرکانس جديد سيستم‪.‬‬
‫حل‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪ 8.33  10 3 ‬‬
‫‪ 0.425 pu MW / Hz‬‬
‫‪R‬‬
‫‪2.4‬‬
‫‪  D‬‬
‫تغيير فرکانس سيستم عبارتست از‪:‬‬
‫‪20 / 2000‬‬
‫‪f 0  ‬‬
‫‪ 0.0235 Hz‬‬
‫‪0.425‬‬
‫و فرکانس جديد عبارتست از‪:‬‬
‫‪f  f 0  f 0  60  0.0235  59.9765 Hz‬‬
‫‪35‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫مثال ‪ :7‬مطلوبست تغيير فرکانس و فرکانس جديد سيستم مثال‪ 6‬با فرض باز بودن حلقه فرمانه‬
‫سرعت‪.‬‬
‫حل‪:‬‬
‫تغيير فرکانس سيستم عبارتست از‪:‬‬
‫‪pu MW / Hz‬‬
‫‪3‬‬
‫‪  D  8.33  10‬‬
‫‪20 / 2000‬‬
‫‪f 0  ‬‬
‫‪ 1.2 Hz‬‬
‫‪0.00833‬‬
‫و فرکانس جديد عبارتست از‪:‬‬
‫‪f  f 0  f 0  60  1.2  58.8 Hz‬‬
‫‪36‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫کارکرد ديناميک(پوياي) حلقه ‪ AFLC‬اوليه‬
‫‪6-2‬‬
‫در بخش قبل ديديم که‪:‬‬
‫ثابت زماني سيستم قدرت در حد ‪ 20‬ثانيه 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:‬‬
‫)‪ G p ( s‬‬
‫‪ RK p‬‬
‫‪ K p / Tp‬‬
‫‪f ( s) ‬‬
‫‪PD ( s) ‬‬
‫‪PD ( s) ‬‬
‫)‪PD ( s‬‬
‫‪1‬‬
‫‪R‬‬
‫‪‬‬
‫‪K‬‬
‫‪R  K p  RT p s‬‬
‫‪p‬‬
‫)‪1  G p ( s‬‬
‫‪s‬‬
‫‪R‬‬
‫‪RT p‬‬
‫حال اگر فرض کنيم يک تغيير ناگهاني ‪ 20‬مگاوات در بار داريم در اينصورت‬
‫‪37‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪20 / 2000 0.01‬‬
‫‪‬‬
‫‪s‬‬
‫‪s‬‬
‫‪PD ( s) ‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫کارکرد ديناميک(پوياي) حلقه ‪ AFLC‬اوليه‬
‫‪6-2‬‬
‫)‪ G p ( s‬‬
‫‪ RK p‬‬
‫‪G‬‬
‫‪K p (/sT) p‬‬
‫‪f ( s) ‬‬
‫‪PD ( s) ‬‬
‫‪PfD((ss))‬‬
‫‪PPDD((ss)) ‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪R‬‬
‫‪‬‬
‫‪K‬‬
‫‪R  K p  RT p s‬‬
‫)‪1  G p ( s‬‬
‫)‪1s G p ( sp‬‬
‫‪R‬‬
‫‪R RT p‬‬
‫‪20 / 2000 20‬‬
‫‪0.01‬‬
‫‪/ 2000 0‬‬
‫‪PD ( s)  PD ( s) ‬‬
‫‪‬‬
‫‪s‬‬
‫‪ss‬‬
‫لذا تغيير فرکانس با توجه به مقادير مثال ‪ 5‬عبارتست از‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 0.393‬‬
‫‪2.55‬‬
‫‪38‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 2.55t‬‬
‫‪‬‬
‫‪f (t )  0.0235 1  e‬‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 0.393‬‬
‫‪2.55‬‬
‫ثابت زماني کل سيستم‬
‫‪20 0/393‬‬
‫اين کاهش در نتيجه وجود‬
‫فرمانه سرعت است‪.‬‬
‫‪‬‬
‫‪5t‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫تعبير فيزيکي نتايج‬
‫‪7-2‬‬
‫در لحظات اوليه ‪،‬کل بار اضافه شده (‪20‬مگا وات ) از انرژي جنبش ي ذخيره شده تامين مي شود‪.‬‬
‫با کاهش سرعت انرژي جنبش ي 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 ‪ 20‬مگاواتي متشکل از سه مولفه خواهد بود‬
‫‪ )1‬انرژي جنبش ي حاصل از ماشين هاي در حال گردش سيستم‬
‫‪ )2‬افزايش توليد توربين‬
‫‪ )3‬کاهش مصرف‬
‫‪39‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫مثال ‪ :8‬سهم هر يک از مولفه هاي افزايش توان توربين بخاطر باز شدن شير بخار و کاهش توان‬
‫مصرفي بخاطر کاهش فرکانس را در مثال ‪ 6‬بيابيد‪.‬‬
‫حل‪ :‬افزايش توان توربين بخاطر باز شدن شير بخار عبارتست از‪:‬‬
‫‪0.0235‬‬
‫‪ 0.0098 pu MW  19.6 MW‬‬
‫‪2.4‬‬
‫و کاهش بار بخاطر کاهش فرکانس عبارتست از‪:‬‬
‫‪0.0235 16.67  0.4 MW‬‬
‫‪40‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪ 8-2‬حلقه ‪ ALFC‬ثانويه (حذف خطاي حالت دائم)‬
‫‪41‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫حلقه هاي ‪ ALFC‬اوليه و ثانويه‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫پاسخ دینامیکی مثال ‪ 7‬بدون حلقه ثانویه‬
‫پاسخ دینامیکی مثال ‪ 7‬با حلقه ثانویه‬
‫‪42‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫‪ -3‬حلقه کنترل خودکار بار‪ -‬فرکانس )‪ (ALFC‬در حالت چند ناحيه‬
‫کنترلي (همياري )‬
‫اگر سيستم مورد بررس ي از دو ناحيه کنترلي تشکيل شده باشد آنگاه رابطه برابری انرژی بصورت زير‬
‫براي هر يک از نواحي قابل بيان است‪.‬‬
‫‪pu MW‬‬
‫‪pu MW‬‬
‫‪0‬‬
‫‪2 Wkin,1 d‬‬
‫‪f1   D1f1  P12  2H01 d f1   D1f1  P12‬‬
‫‪ 0‬‬
‫‪f Pr ,1 dt‬‬
‫‪f dt‬‬
‫‪0‬‬
‫‪2 Wkin, 2 d‬‬
‫‪f 2   D2 f 2  P12  2H02 d f 2   D2 f 2  P12‬‬
‫‪ 0‬‬
‫‪f Pr , 2 dt‬‬
‫‪f dt‬‬
‫‪PT ,1  PD,1‬‬
‫‪PT , 2  PD, 2‬‬
‫‪ P12‬توان پريونيت جاري از ناحيه ‪ 1‬به ناحيه ‪ 2‬بوده و از رابطه زير قابل محاسبه است‪:‬‬
‫عبارت ‪ = T0‬ضريب سنکرون سازي‬
‫‪43‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫) ‪sin( 10   20‬‬
‫) ‪cos( 10   20 ) ( 1   2 )  T0 ( 1   2‬‬
‫‪V10 V20‬‬
‫‪X 12‬‬
‫‪V10 V20‬‬
‫‪X 12‬‬
‫‪P120 ‬‬
‫‪P12 ‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫) ‪cos( 10   20 ) ( 1   2 )  T0 ( 1   2‬‬
‫‪V10 V20‬‬
‫‪X 12‬‬
‫‪P12 ‬‬
‫از طرف ديگر رابطه تغيير فرکانس يک ناحيه با تغيير زاويه ولتاژ آن ناحيه عبارتست از‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫)‪s 1 ( s‬‬
‫‪2‬‬
‫‪f1 ( s) ‬‬
‫پس تغييرات توان بين دو ناحيه عبارتست از‪:‬‬
‫‪1 d 0‬‬
‫‪1 d‬‬
‫‪( 1   1 ) ‬‬
‫) ‪( 1‬‬
‫‪2 dt‬‬
‫‪2 dt‬‬
‫‪f1 ‬‬
‫‪2T0‬‬
‫‪P12  T0 ( 1   2 ) ‬‬
‫) ‪(f1  f 2‬‬
‫‪s‬‬
‫‪44‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫سيستم قدرت در حالت مانا – کنترل سيستم قدرت‬
‫حلقه هاي ‪ ALFC‬اوليه و ثانويه براي يک سيستم متشکل از دو ناحيه‬
‫‪45‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫تمرینها‬
‫‪-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 ‪ 500‬مگاوات و ظرفيت نامي کل شبکه را ‪ 2000‬مگاوات‬
‫‪R  2.40 Hz / pu MW‬‬
‫در نظر بگيريد‪ .‬ثابت تنظيم براي تمام ژنراتورها‬
‫و ثابت اينرس ي برای تمام ژنراتورها ‪H  5 s‬‬
‫است‪.‬فرض بر اينست که با‬
‫افزايش يک درصد در فرکانس‪ ،‬بار نيز يک درصد افزايش يابد‪.‬‬
‫‪46‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬
‫‪lecture 1‬‬
‫تمرینها‬
‫الف) مطلوبست پارامترهاي حلقه ‪. ALFC‬‬
‫اگر‪K‬بار شبکه ‪ 10‬مگاوات‬
‫ب) با فرض ‪Tp  40s‬و‬
‫‪p  240 Hz / puMW‬‬
‫افزايش يابد مطلوبست فرکانس کاري جديد‪.‬‬
‫ج) تغييرات فرکانس بر حسب زمان را بدست آوريد‪.‬‬
‫‪47‬‬
‫‪Dr. Ali Karimpour Oct 2013‬‬