پایداری سیستم قدرت، موضوع پیچیده­ای است که در طول سال­ها مورد توجه و بحث مهندسان سیستم قدرت بوده است. مروری بر تاریخچه این موضوع به درک بهتر مسائل امروزی پایداری کمک می‌کند.

فصل اول : مقدمه

   پایداری سیستم قدرت ابتدا در سال 1920 میلادی به عنوان یک مسأله مهم در سیستم قدرت مطرح گردید]1[. نتایج اولین آزمایش‌ها بر روی سیستم‌هایی با مقیاس کوچک در سال 1924 میلادی ارائه شد. اولین آزمایش­های میدانی، مربوط به پایداری یک سیستم قدرت واقعی در سال 1925 میلادی انجام پذیرفت. در ابتدا مسائل پایداری مربوط به نیروگاه‌های آبی می‌شد که از راه دور و از طریق خطوط انتقال طولانی، مراکز بار­شهری را تغذیه می‌کردند. به دلایل اقتصادی، این سیستم‌ها را نزدیک به حدود پایداری حالت ماندگار خود مورد بهره­برداری قرار می­دادند. در بعضی حالات، ناپایداری در حالت بهره­برداری ماندگار سیستم اتفاق می­افتاد، اما اغلب به دنبال خطاهای اتصال‌کوتاه و سایر اغتشاش­های سیستم، واقع می شد]2[.پایداری سیستم تا حد زیادی از توانایی سیستم­انتقال، تأثیر می­پذیرفت و ناپایداری به علت کمبود گشتاور سنکرون­کننده رخ می­داد. سیستم­های رفع­خطا کند بودند و در محدوده 0.5 تا 2.0 ثانیه (و حتی بیشتر) عمل می­کردند]3[.

در ادامه پایداری این سیستم ها از 1920 تاکنون مورد ارزیابی و بررسی قرار می گیرد.

    وضعیت موجود در برنامه­ ریزی و بهره برداری سیستم­های قدرت منجر به انواع جدیدی از مسائل پایداری شده است. مسائل مالی و شرایط استاندارد باعث شده ­است شرکت ­های تولید کننده برق، سیستم ­های قدرت را با افزونگی کمتری بسازند و آنها را نزدیکتر به حدود پایداری گذرا مورد بهره‌برداری قرار دهند.به هم پیوستن‌ها با استفاده از تکنولوژی‌های جدید و از جمله سیستم انتقال فشار قوی جریان مستقیم چند پایانه ای، همچنان در حال رشد است.علاوه بر این استفاده وسیع­تری از خازن‌های موازی صورت می­پذیرد.ترکیب و مشخصه­های بارها تغییر می­کند.این موضوع­ها باعث شده تا در مشخصه­های دینامیکی سیستم­های مدرن قدرت، تغییرات فراوانی صورت پذیرد. مدهای ناپایداری پیچیدگی روزافزونی پیدا می‌کنند و بررسی آن‌ها نیازمند توجه جامع به جنبه­های مختلف پایداری سیستم است. به خصوص ناپایداری ولتاژ و نوسان‌های فرکانس کم بین ناحیه­ای، نسبت به گذشته نیازمند توجه بیشتری است.در حالیکه پیشتر ،این مسائل در شرایط و موقعیت­های خاصی اتفاق می­افتاد، اکنون تقریباً در همه­جا رایج شده است. نیاز به بررسی عکس‌العمل دینامیکی بلند مدت سیستم به دنبال وقوع آشفتگی­های شدید در سیستم و اطمینان از هماهنگی صحیح بین سیستم­های کنترلی و حفاظتی نیز مورد توجه قرار گرفته است.

    در سال‌های اخیر تحقیقات و پیشرفت‌های بسیاری انجام شده است که به درک بهتر جنبه‌های فیزیکی مسائل جدید پایداری و نیز ایجاد ابزار محاسباتی لازم برای بررسی و طراحی بهتر سیستم، کمک می‌نماید. پیشرفت در زمینه نظری سیستم‌های کنترل و روش‌های عددی، تأثیر شگرفی بر این کار گذاشته است.

فصل دوم : بررسی مفاهیم پایداری سیستم های قدرت

   در این فصل به معرفی کلی مسأله پایداری سیستم قدرت شامل مفاهیم فیزیکی، طبقه بندی و تعاریف واژه‌های مربوطه پرداخته می‌شود، سپس به صورت مفصل در مورد یکی از انواع پایداری‌ها با نام پایداری ولتاژ بحث می­گردد.

   با تغيير ساختار جديدي كه در سال­هاي اخير در سيستم‌هاي قدرت پديد آمده كه باعث شده تا واحدهاي توليدي، توان الكتريكي هرچه بيشتري را از خطوط انتقال عبور دهند، انتظار مي‌رود شاهد فروپاشي ولتاژ گسترده­تر و بيشتر در سيستم­هاي قدرت باشيم. براي مثال عبور توان بيش از حد يك خط انتقال باعث افت ولتاژ بيش از حد و كاهش ظرفيت انتقال توان الكتريكي به بخش مشخصي از سيستم‌قدرت می‌گردد.

    امروزه بحث پایداری یکی از بحث­های مهم در سیستم­های قدرت می­باشد از این رو باید با مطالعه پایداری­های مختلف از جمله پایداری ولتاژ تجربه خود را بالا برده تا در هنگام بروز مشکل آسیب­های جدی به شبکه وارد نشود.

   یکی از مسائل مرتبط با پایداری ولتاژ وقوع پدیده بازیافت آهسته ولتاژ پس از رفع خطا در شبکه­ ها با تجمع بالای بار دینامیک می‌باشد که یکی از عوامل زمینه ساز ناپایداری ولتاژ است . در فصل بعد به طور مفصل و با استفاده از شبیه­ سازی به تحلیل پدیده بازیافت آهسته ولتاژ پس از رفع خطا می­ پردازیم.

مواردی که در این فصل به آن پرداخته می شود عبارت است از :

2-1 مقدمه..............................................................................................................................................5

   2-2 تعریف مفاهیم پایه........................................................................................................................6

       2-2-1 پایداری زاویه ای روتور............................................................................................................7

         2-2-1-1 مشخصه‌های ماشین سنکرون...........................................................................................................7

         2-2-1-2 رابطه توان-زاویه.......................................................................................................................8

   2-3 پدیده پایداری............................................................................................................................11

   2-4 مقدمه‌ای بر پایداری ولتاژ.......................................................................................................15

       2-4-1 تعریف پایداری ولتاژ...............................................................................................................15

       2-4-2 موضوعات پایداری ولتاژ.........................................................................................................15

       2-4-3 ناپایداری ولتاژ و فروپاشی ولتاژ............................................................................................16

         2-4-4مفاهیم اساسی مربوط به پایداری ولتاژ..................................................................................18

   2-5 انواع پایداری ولتاژ................................................................................................................................23

      2-5-1 تحلیل پایداری ولتاژ................................................................................................................23

      2-5-2 پایداری میان مدت و بلندمدت..............................................................................................25

فصل سوم : تحلیل و شبیه‌سازی پدیده بازیافت ولتاژ تأخیری ناشی از وقوع خطا

   حفاظت حذف بار ولتاژي يكي از اقدامات مؤثر جهت‌جلوگيري از فروپاشي ولتاژ در حوادث مهم شبكه است‌.در حال حاضرروش مورد استفاده براي تنظيم رله‌هاي حذف بار ولتاژي در شبكه انتقال‌برق ايران غالباً بر‌مبناي مدل استاتيكي بار بوده و لذا فاقد انعطاف وكارايي مطلوب در برابر رفتار ديناميكي بارهاي موتوري شبكه (به ويژه بارهاي كولري و سيستم‌هاي تهويه مطبوع كه رشد روزافزوني دارند) مي‌باشد. افزايش بارهاي موتوري شبكه در ساليان اخير منجر به وقوع پديده بازيافت ولتاژ تأخيري ناشي از وقوع خطا در‌‌نقاطي از شبكه انتقال برق ايران شده كه در طي آن، رله‌هاي حذف بار ولتاژي عملكرد نامطلوبي داشته و با عملكرد بي‌مورد باعث قطع مقادير زيادي بار و در مواردي حتي بروز اضافه ولتاژ در برخي از پست‌ها گرديده است.

   در این فصل بااستفاده از آخرین مقالات ارائه شده و همچنین شبیه‌سازی به وسیله نرم‌افزار ETAP v12.6 به تحلیل و بررسی پدیده بازیافت ولتاژ تأخیری ناشی از وقوع خطا در شبکه و تأثیر بار‌های استاتیکی و دینامیکی بر آن پرداخته می‌شود.

    امروزه پدیده FIDVR به یکی از چالش­های مورد توجه مهندسان قدرت تبدیل شده­­است.این‌پدیده یکی از پدیده­های دینامیکی مرتبط با مبحث پایداری ولتاژ می‌باشد که با افزایش تعداد مصرف‌کننده­های موتوری متصل به شبکه که عموماً از نوع کولر­های گازی و تجهیزات تهویه مطبوع هستند ، تعداد وقوع آن در سیستم­های قدرت افزایش یافته‌است. طبق بررسی‌ها ، بارهای موتوری در مواقع خطا به علت مصرف جریان بالا یکی از عوامل اصلی کاهش سرعت بازیافت ولتاژ پس از رفع خطا می‌باشند. بازیافت ولتاژ می‌تواند سریع یا آهسته اتفاق‌ بیفتد که نوع سریع آن پایداری ولتاژ سیستم را حفظ می‌کند و این در حالی است که بازیابی ولتاژ آهسته می‌تواند موجب ناپایداری ولتاژ سیستم و آسیب رسیدن به تجهیزات گردد]18[.

     در این فصل برای درک بهتر وتحلیل دقیق‌تر رفتار بار‌ها در هنگام و پس از بروز خطا ،یک خطای سه‌فاز متقارن در یک شبکه شعاعی ساده شبیه‌سازی شده‌است و با استفاده از نتایج بدست آمده به بررسی این پدیده پرداخته می‌شود. مواردی که در این فصل بدان پرداخته میشود عبارت است از :

  3-1 مقدمه........................................................................................................................................27

   3-2 معرفی پدیده بازیافت ولتاژ تاخیری ناشی از وقوع خطا.............................................28

   3-3 مدل‌سازی بار.........................................................................................................................29

      3-3-1 بار امپدانس ثابت.................................................................................................................29

      3-3-2 بار جریان ثابت....................................................................................................................29

      3-3-3 بار توان ثابت......................................................................................................................29

      3-3-4 مدل Polynomial.............................................................................................................30

      3-3-5 مدل Exponential............................................................................................................30

      3-3-6 مدل وابسته به فرکانس.......................................................................................................30

   3-4 شبیه‌سازی خطا سه فاز متقارن روی یک شبکه شعاعی ساده و تحلیل آن................31

      3-4-1 مشخصات  شبکه...................................................................................................................31

        3-4-1-1   شبکه بالا دست ..................................................................................................................32

         3-4-1-2 ترانسفورماتور  قدرت .........................................................................................................32

          3-4-1-3 موتورها ی القایی ............................................................................................................32

          3-4-1-4 موتور سنکرون .............................................................................................................33

          3-4-1-5 بارهای استاتیکی  .........................................................................................................33

          3-4-1-6 نمایش SLD شبکه شعاعی....................................................................................................34

    3-4-2 اتصال کوتاه روی پست اول (باس 19)........................................................................................34

     3-4-2-1 ولتاژ پست اول...............................................................................................................................35

     3-4-2-2 توان‌های اکتیو و راکتیو مصرفی بارهای استاتیکی................................................................................35

      3-4-2-3 جریان مصرفی مصرفی بارهای استاتیکی..........................................................................................37

      3-4-2-4 نتیجه شبیه‌سازی..........................................................................................................................37

      3-4-3 اتصال کوتاه روی پست دوم (باس4).......................................................................................38

       3-4-3-1 ولتاژ پست دوم............................................................................................................................38

        3-4-3-2  تحلیل ونتیجه‌گیری.....................................................................................................................38

       3-4-3-3 رفتار بار موتوری در هنگام کاهش ولتاژ...........................................................................................39

       3-4-3-4 تغییرات لغزش هریک ازموتور های القایی پس از وقوع خطا................................................................42

       3-4-3-5 تحلیل ونتیجه‌گیری......................................................................................................................42

       3-4-4 رفتار بار موتوری پس از رفع خطا...........................................................................................43

        3-4-4-1 بررسی حالت اول.......................................................................................................................43

            3-4-4-1-1  توان اکتیو موتورهای پست دوم............................................................................................................44

            3-4-4-1-2 توان راکتیو موتورهای پست دوم...........................................................................................................45

             3-4-4-1-3  گشتاور موتورهای پست دوم.........................................................................................46

             3-4-4-1-4 جریان مصرفی  موتورهای پست دوم......................................................................................................47

              3-4-4-1-5 تحلیل و نتیجه‌گیری .....................................................................................................................47

          3-4-4-2   بررسی حالت دوم...................................................................................................................49 

         3-4-4-2-1   ولتاژ پست دوم..............................................................................................................................50

         3-4-4-2-2   تغییرات لغزش موتورهای پست دوم.........................................................................................................51

    3-4-4-2-3  توان اکتیو موتورهای پست دوم.............................................................................................................52

          3-4-4-2-4   توان راکتیو موتورهای پست دوم..........................................................................................................53

           3-4-4-2-5  گشتاور موتورهای پست دوم...............................................................................................................54

            3-4-4-2-6   جریان مصرفی موتورهای پست دوم......................................................................................................55

             3-4-4-2-7  تحلیل ونتیجه‌گیری .......................................................................................................................56

             3-4-4-2-8 مدل موتور القایی قفل شده...............................................................................................................56

فصل چهارم : نتیجه گیری

   همانطور‌که در فصل دوم بیان گردید پایداری سیستم‌قدرت یکی از مسائل مهم مورد بررسی مهندسان  قدرت می‌باشد، در ارزیابی پایداری، مسأله مهم رفتار سیستم در زمانی است که تحت تأثیر یک اغتشاش گذرا قرار­گیرد سیستم باید قادر باشد که تحت این حالت، عملکرد قابل قبولی داشته باشد و بتواند حداکثر  مقدار بار را تأمین نماید. همچنین باید بتواند در مقابل اغتشاش­های سخت از قبیل اتصال‌کوتاه یک خط انتقال، از دست دادن یک ژنراتور و یا از دست دادن خط ارتباطی بین دو زیر سیستم، مقاوم باقی بماند.

   مسأله پایداری ولتاژ شامل قسمت های مختلفی از جمله پایداری ولتاژ می‌باشد که این نوع پایداری مورد بحث ما می‌باشد، طبق تعريف IEEE ، پايداري ولتاژ عبارت است از توانايي يك سيستم قدرت در نگه‌داري ولتاژ دائمي در همه باس‌هاي سيستم بعد از بروز اغتشاش در شرايط مشخصي از بهره‌برداري.

   یکی از مسائل مهم در ارتباط با پایداری ولتاژ مسئله بازیافت تأخیری ولتاژ پس از رفع خطا در شبکه‌می‌باشد که در‌ اکثر  مواقع  باعث  می‌شود رله‌هاي حذف بار ولتاژي عملكرد نامطلوبي داشته و با‌عملكرد ‌بي‌مورد باعث‌ قطع مقادير زيادي بار و درمواردي حتي بروز اضافه ولتاژ در برخي از پست‌ها گردد.

   در فصل سوم پایان‌نامه سعی شد با استفاده از شبیه‌سازی یک شبکه شعاعی ساده وهمچنین بهره‌گیری از آخرین مقالات منتشر شده راجع به پدیده بازیافت تأخیری ولتاژ پس از رفع خطا ،تحلیلی کامل از شرایط و علت وقوع این پدیده ارائه گردد که نتایج آن به شرح زیر می‌باشد.

4-1  زمان و مکان وقوع پدیده FIDVR در شبکه قدرت..................................................................59

4-2   علت وقوع پدیده FIDVR............................................................................................................60

چکیده

پايداری ولتاژ يکی از مسائل مهم و مورد توجه در سيستم­های قدرت است، این درحالي است که سيستم­ها با افزايش ميزان بارگذاری و محدوديت­های توسعه شبکه مواجهند. پايداری ديناميکی ولتاژ به معنی پاسخ ديناميکی مناسب يک سيستم قدرت به اغتشاشات کوچک و پيوسته و يا تغييرات ناگهانی و شديد، جهت حفظ ولتاژ مجاز در تمامی باس­ها در مرحله بهره­برداری است. مهمترين عامل­فروپاشی ولتاژ، ناتوانی سيستم انتقال در پاسخ به افزايش تقاضای توان راکتيو شبکه می­باشد که معمولا به علت عدم وجود ذخيره کافی توان راکتيو يا نصب نامناسب جبران­کننده­ها اتفاق می‌افتد.

    در این پروژه ابتدا انواع پایداری معرفی گشته سپس توجه خود را روی پایداری ولتاژ معطوف کرده و عوامل ایجاد ناپایداری ولتاژ در شبکه را نام برده و در ادامه بحث با استفاده از شبیه­سازی یک شبکه شعاعی ساده در نرم­افزار ETAP v12.6 به بررسی بازیافت ولتاژ و انواع آن در شبکه وهمچنین تحلیل پدیده بازیافت آهسته ولتاژ بعد از خطا و رابطه آن با بحث پایداری ولتاژ پرداخته می­شود.

منابع و مراجع

[1]    C.P.Stenmetz, “ power control and stability of Electric Generatory stations. AIEE Trans., Vol.XXXIX,part II,pp. 1215, July-December, 1920.

[2]     A. P. Sakis Meliopoulos, George J. Cokkinides, and George K. Stefopoulos, “Voltage Stability and Voltage Recovery: Effects of Electric Load Dynamics” School of Electrical and Computer Engineering Georgia Institute of Technology Atlanta, GA, USA, vol. 18, issue 2, May 2006, pp. 972-973.

[3]     R.D.Evans and R.C.Bergvall, “ Experimental Analysis of stability and power Limitations, “ AIEE Trans., pp.39-58, 1924.

[4]     D.N.Ewart and F.P.deMello,”A Digital computer  program for the Automatic    Determination of Dynamic stability Limits,” IEEE Trans., Vol.PAS-86,pp.867-875, july 1967.

[5]     H.M. Rustebakke (editor), Electric Vtility systems and practices, jhon wiley & Sons, 1983.

[6]     CIGRE Working Group 32-03,”Tentative classification and Terminologies Relating to stability problems of power systems,” Electra. NO. 56,1978.

[7]    IEEE Task Force, “ proposed Terms AND pefinitions for power systems stability, “ IEEE Trans., Vol.PAS -101, pp.1894-1898, july 1982.

[8]     C.Barbier and j.p.Barret, “ An Analysis of phenomena of voltage collapse on Transmisio system, “ Revue Generale d`Electricite. pp. 672-6900 october 1980.

[9]     Chaitanya A. Baone, “Modeling and Simulation of Air Conditioner Motors and Investigation of Cascaded Stalling” , UNIVERSITY OF WISCONSIN-MADISON, December 18, 2009.

[10]    Hemmaplardh, J.W.Manke, W.R.Pauly, and J.W.Lamont, “ Considerations for along Term Dynamic simulation program, “ IEEE Trans., Vol.PWRS-1, pp.129-135, February 1986.

[11]     D.R.Davidson, D.N.Ewart, and L.K.Kirchmayer, “ Long Term Dynamic Response of power systems-An Analysis of major Disturbances, “ IEEE Trans, Vol.PAS-94, pp.819-826, May/June 1975.

[12]     B.Gao, G.K.Morsion, and P.Kundur, “ voltage stability Evaluation using Modal Analysis,” IEEE Trans., Vol.PWRS-7,No.4,pp.1529-1542.  

[13]     P.P.schulz, “ Capabilities of system simulation Tools for Analyzing severe upsets, “ Proceedings of International symposium on power system stability. Ames, Lowa, pp.209-215, May 13-15, 1985.   

[14]     C.Concordia, D.R.Davidson, D.N Ewart, L.K.Kirchmayer, and R.P.Schulz., “ Long Term power system Dynamics-A New planning Dimension, “ CIGRE paper 32-13, 1976.

[15]     E.G Cate, K.Hemmaplardh, J.W.Manke, and D.P.Gelopulos, “ Time Frame Notion and Time Response of the Methods in Transient, Mid-Term and Long-Term stability programs, : IEEE Trans, Vol.PAS-103, pp.143-151, January 1984.

[16]     EPRI Report EL-596, “ Mid Term simulation of Electric power systems, “ Project RP 745, June 1979.

[17]     Hemmaplardh, J.W.Manke, W.R.Pauly, and J.W.Lamont, “ Considerations for along Term Dynamic simulation program, “ IEEE Trans., Vol.PWRS-1, pp.129-135, February 1986.

[18]     A. P. Sakis Meliopoulos, George J. Cokkinides, and George K.Stefopoulos, “Voltage Stability and Voltage Recovery: Effects of Electric Load Dynamics” ,School of Electrical and Computer Engineering Georgia Institute of Technology Atlanta, GA, USA, vol. 18, issue 2, May 2006, pp. 972-973.

[19]     B.R. Williams, W.R. Schmus and D.C. Dawson, ―Transmission voltage recovery delayed by stalled air-conditioner compressors,‖ IEEE Transactions on Power Systems, vol. 7, no. 3, pp. 1173-1181, August 1992.

[20]     Hongbin Wu, Hsiao-Dong Chiang, Fellow, IEEE, Byoung-KonChoi,“Slow Voltage Recovery Response of Several Load Models: Evaluation Study” , Vol. 13, No. 3, pp.775- 781, August 2008.

[21]      Chaitanya A. Baone, “Modeling and Simulation of Air Conditioner Motors and Investigation of Cascaded Stalling” , UNIVERSITY OF WISCONSIN-MADISON, December 18, 2009.

[22]      IEEE Task Force on Load Representation for Dynamic Performance,“Load representation for dynamic performance analysis”, IEEE Trans.Power Systems,vol. 8, no. 2, pp. 472-482, May 1993.

[23]      G. L. Chinn, "Modeling Stalled Induction Motors", inProc.IEEEPower Engineering Society Transmission and Distribution Conference and Exposition, May 21-24, 2006, pp. 1325–1328.

پژوهش حاضر در قالب فرمت گزارش ورد به فرمت docx در 75 صفحه به علاوه فایل ETABS پروژه خدمت شما عزیزان ارائه میگردد.

برای تهیه کامل این پروژه از لینک زیر اقدام فرمایید.