اغتشاش
تزریق اغتشاش در صورت تشخیص اولیه
شکل۳-۱ ساز‌‌و‌کار کلی انواع روش‌های محلی آشکارسازی جزیره الف: غیر‌فعال، ب: فعال و ج: ترکیبی
۳-۲- روش‌های محلی آشکارسازی حالت جزیره‌ای
همان‌طور که بیان شد، در روش‌های محلی با تحلیل اطلاعات موجود در محلDG وقوع حالت جزیره‌ای تشخیص داده می‌شود. در روش‌هایی که استفاده از این اطلاعات بدون اعمال اغتشاش به سیستم باشد، روش‌های غیر‌فعال نامیده می‌شوند. در صورتی‌ که استفاده از اطلاعات محلی همراه با اعمال اغتشاش به سیستم توزیع باشد، به آن‌ها روش‌های فعال گفته می‌شود. در برخی روش‌ها، با بهره گرفتن از پارامتر‌های روش فعال، تشخیص اولیه‌ای احتمال جزیره‌ای شدن سیستم بررسی می‌شده ودر صورت بروز این حالت، اغتشاش به سیستم اعمال و اطلاعات محلی مورد ارزیابی قرار می‌گیرند. این روش‌ها، روش‌های ترکیبی نامیده می‌شوند. در بخش‌های بعد به معرفی انواع روش‌های محلی آشکارسازی حالت جزیره‌ای پرداخته خواهد شد. شکل ۳-۱ سازوکار کلی انواع روش‌های محلی به را نشان می‌دهد.
۳-۲-۱-روش‌های غیر‌فعال
روش‌های غیر‌فعال از این واقعیت بهره می‌برند که وقتی جزیره شکل می‌گیرد، برخی از پارامتر‌‌‌‌های مهم از جمله ولتاژ، جریان، فرکانس اعوجاج هارمونیکی تغییر پیدا می‌کنند. نظارت بر تغییرات این پارامتر‌ها می‌تواند به آشکارسازی حالت جزیره‌ای منجر شود. مشکل مهم در این دسته از روش‌ها، تعریف مقادیر مناسب آستانه برای جدا‌کردن رخداد جزیره‌ای از بقیه رخداد‌ها است. این روش در سیستم‌هایی که تولید و مصرف تفاوت زیادی با ‌هم دارند، بسیار کار‌آمد هستند؛ اما در شرایطی که توازن مناسبی بین بار وتولید برقرار باشد ممکن است با مشکل روبرو شوند.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

۳-۲-۱-۱ استفاده از فرکانس، ولتاژ و فاز ولتاژ
حفاظت DG در برابر تغییرات ولتاژ و فرکانس، جدای از حفاظت ضدجزیره‌ای در نقطه‌ی اتصال DG با شبکه وجود دارد؛ اما این حفاظت عملاً در برابر جزیره‌ای شدن نیز از DG حفاظت می‌کند. در سیستم‌هایی با منابع DG گردان، عدم تعادل بین تولید و مصرف توان اکتیو و راکتیو در سیستم قدرت به ترتیب منجر به خارج شدن فرکانس و ولتاژ شبکه از مقادیر نامی خود می‌شود. در سیستم‌های شامل منابع اینورتری، عدم تعادل در توان اکتیو، ولتاژ شبکه را تحت تاثیر قرار خواهد داد. همواره در یک سیستم توزیع DG، احتمال اینکه قسمتی از بار را شبکه‌ی اصلی تامین کند بالا بوده و با قطع شدن شبکه‌ی اصلی، بین تولید و مصرف عدم تعادل وجود خواهد داشت. این عدم تعادل منجر به خارج شدن فرکانس یا ولتاژ از محدوده‌ مجاز شده و رله‌های افت ولتاژ (یا افزایش ولتاژ) یا افت فرکانس (یا افزایش فرکانس)، DG را از شبکه جدا خواهد کرد ]۴۶[.
(۳-۱) ΔP = –
(۳-۲) Δf = (1 – )
در روابط فوق، D ثابت میرایی و H ثابت لختی آن است. در این‌جا مناسب است به این نکته در قالب چند رابطه اشاره شود که تغییرات فرکانس، ولتاژ و فاز ولتاژ تماماً با توان‌های اکتیو و راکتیو در ارتباط هستند]۴۰[.
(۳-۳) P + j Q =
(۳-۴) P = sinθ
(۳-۵) Q = (V_t cos θ – E_f)
که در آن‌ها E_f و V_t به ترتیب مقادیر داخلی منبع DG و ولتاژ شبکه، X_f مجموع راکتانس داخلی منبع DG و خطوط و P و Q به ترتیب توان‌های اکتیو و راکتیو خروجی DG هستند. مطابق روابط فوق، با فرض اینکه راکتانس با فرکانس تغییر نکند، تغییر در توان اکتیو موجب تغییرات در فاز و فرکانس وتغییر در توان راکتیو منجر به تغییرات در اندازه‌ی ولتاژ می‌شود. با توجه به این نکته، پارامتر دیگری که می‌تواند برای تشخیص حالت جزیره‌ای استفاده گردد، تغییر ناگهانی در زاویه‌ی فاز ولتاژ است. مسئله‌ی مهم در این‌جا تعریف یک محدوده‌ی مجاز مناسب برای رله‌هاست که ضمن عدم عملکرد اشتباه رله، جزیره هم به خوبی شناسایی شود. این حفاظت به تنهایی کافی نبوده و اگر با روش‌های فعال اغتشاش همراه گردد، می‌تواند آن را تکمیل نماید.
با کمک روابط، وابستگی فاز ولتاژ نشان داده شد. پس از جدا شدن شبکه‌ی اصلی که قسمتی از بار را تامین می‌نمود، تامین تمام بار بر عهده‌ی DG خواهد افتاد. این امر منجر خواهد شد که فاز ولتاژ به یک‌باره تغییر کند. در منابع اینورتری که فرکانس به وسیله‌ی سیستم کنترل، ثابت نگه داشته می‌شود، استفاده از این روش موثر نیست.
به هر حال اگر به دلیل بیشتر بودن بار از تولید توان اکتیو، پس از قطع شبکه‌ی اصلی DG ملزم شود توان اکتیو بیشتری تولید کند، این امر منجر به تغییر فاز ولتاژ خواهد شد. این مسئله در مورد کم بودن تولید توان راکتیو، DG را ملزم می‌کند که توان راکتیو بیشتری تولید کند که سبب کاهش ولتاژ می‌شود. از این دو واقعیت می‌توان جهت تشخیص حالت جزیره‌ای استفاده کرد. برای تعیین میزان تغییر فاز ولتاژ، فواصل زمانی گذرا از نقطه‌ی صفر ولتاژ محاسبه می‌شوند. اگر زمان محاسبه شده از مقدار نامی مربوطه (۲۰ میلی ثانیه در شبکه‌ی ۵۰ هرتز) بیشتر یا کم‌تر شود عملیات حفاظتی خاصی باید انجام گیرد. ذکر این نکته هم لازم است که برخی رخدادهای دیگر شبکه مانند اتصال کوتاه و تغییر ناگهانی در امپدانس قسمتی از شبکه نیز موجب تغییر ناگهانی فاز ولتاژ می‌شوند ]۴۷و۴۸[.
۳-۲-۱-۲- نرخ تغییر فرکانس (ROCOF)^[33]
پارامتر دیگری که در تشخیص حالت جزیره‌ای می‌تواند استفاده شود، ن
رخ تغییر فرکانس است. در این روش مقدار تغییر فرکانس fΔ مورد استفاده قرار نمی‌گیرد بلکه از نرخ تغییر آن یعنی استفاده می‌شود. اگر این مقدار از آستانه‌ای بالاتر رود، DG از شبکه جدا خواهد شد. معمولاً محدوده‌ی مقادیری که به عنوان آستانه در نظر می‌گیرند از ۱/۰. تا ۲/۱ Hz/s متغیر است ]۴۹[. این مقادیر باید با توجه به تغییرات فرکانس ژنراتور در هنگام راه‌اندازی انتخاب شود تا از قطع بی‌مورد ژنراتور جلوگیری گردد.
برای مثال می‌توان سیستم نمونه‌ی شکل ۳-۲ را در نطر گرفت. در این سیستم تحت شرایط اتصال به شبکه‌ی سراسری، قسمتی از بار به وسیله‌ی شبکه‌ی اصلی تامین می‌شده و پس از جزیره‌ای شدن سیستم، تامین تمامی بار بر عهده‌ی DG خواهد بود. در این سیستم توازن بین تولید و مصرف وجود نداشته و به دلیل کم‌تر بودن تولید از مصرف، فرکانس در حال افت بوده و نرخ تغییرات فرکانس مقادیر منفی بزرگی را نشان می‌دهد.

شکل ۳-۲: سیستم توزیع نمونه
۳-۲-۱-۳- نرخ تغییر ولتاژ
در سیستم توزیع، به دلیل اتصال به شبکه‌ی سراسری، تغییرات ولتاژ به آرامی صورت می‌پذیرد. همان‌طور که بیان شد، در شبکه‌های شامل منابع تولیدی گردان، در صورت قطع شبکه‌ی اصلی و عدم توازن بین توان راکتیو تولیدی و مصرفی، اندازه‌ی ولتاژی به صورت ناگهانی تغییر خواهد داشت. در شبکه‌های شامل منبع اینورتری، عدم توازن در توان اکتیو تولیدی و مصرفی منجر به تغییرات ولتاژ خواهد گردید. به همین دلیل نرخ تغییر ولتاژ می‌تواند به عنوان پارامتری در آشکارسازی حالت جزیره‌ای مورد استفاده قرار گیرد. میزان دقت این روش به حساسیت شبکه به رخدادها در زمانی که به شبکه‌ی اصلی متصل است، بستگی دارد. در]۵۰[ نرخ تغییر ولتاژ و تغییر ضریب توان به عنوان پارامترهای تشخیص حالت جزیره‌ای استفاده شده‌اند. همچنین، ذکر شده است که این دو پارامتر به تنهایی برای تشخیص حالت جزیره‌ای به اندازه‌ی کافی مناسب نیستند؛ اما بکارگیری توام آن‌ها نتایج خوبی را در بر دارد. در این روش اگر توان راکتیو تولیدی از توان مصرفی شبکه کم‌تر باشد، ولتاژ افت شدیدی داشته و نرخ تغییرات آن نیز بسیار وسیع است. پس از گذشت چند ثانیه سیستم تحریک ژنراتور با جبران کمبود توان راکتیو، ولتاژ را به مقدار نامی خود می‌رساند.
۳-۲-۱-۴- اعوجاج هارمونیکی کل ولتاژ و جریان
در یک شبکه‌ی قدرت ایده‌آل، انتظار بر آن است که امواج ولتاژ و جریان دارای مؤلفه اصلی و سینوسی خالص باشند. اما در یک شبکه‌ی قدرت واقعی این‌گونه نبوده و همواره ولتاژ و جریان حاوی هارمونیک‌های بالاتر مانند هارمونیک‌های مرتبه ۳ و ۵ هستند که این امر به قدرت و بزرگی شبکه وابسته است. در یک شبکه‌ی گسترده و قوی‌تر، هارمونیک کمتری حضور دارد. مواردی که در شبکه‌ی قدرت هارمونیک ایجاد می‌کنند، منابع اینورتری تولید توان، منابع تغذیه‌ی سوئیچینگ، کلید‌زنی، وسایل غیر‌خطی مانند ترانسفورماتور‌های اشباع شده و راه‌اندازی موتور‌ها هستند. هرگاه میزان هارمونیک در شکل موج ولتاژ و جریان از حدی بیشتر شود می‌تواند نشان‌دهنده ضعیف شدن سیستم و یا به عبارتی جزیره‌ای شدن سیستم توزیع باشد؛ زیرا در این حالت این موارد تأثیر بیشتری بر شبکه خواهند داشت. اعواج هارمونیکی کل x(t) از رابطه (۳-۶) به‌دست می‌آید.
(۳-۶) = TH
که در آن (t)ظx_h هارمونیک hام در لحظه‌یt و (t) x₁ مؤلفه‌ی اصلی x در لحظه‌یt است. از اعوجاج هارمونیکی کل جریان و عدم تعادل ولتاژ در [۵۱] یک روش مناسب برای آشکارسازی حالت جزیره‌ای در منابع اینوتری نشان داده شده است. مشکلی که در روش‌های هارمونیکی وجود دارد آن است که در شرایط اتصال شبکه‌ی اصلی، مقدار هارمونیک بسیار پایین و اندازه‌گیری آن مشکل خواهد بود.
۳-۲-۱-۵-نرخ تغییر توان اکتیو خروجی DG
نرخ تغییر توان یکی دیگر از پارامتر‌های آشکارسازی حالت جزیره‌ای به‌شمار می‌آید. این پارامتر نیز در منابع اینورتری به دلیل اینکه توان به صورت مستقل به وسیله سیستم کنترل ثابت نگاه داشته می‌شود، نمی‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. در [۵۲] نشان داده شده است که استفاده از این پارامتر در تشخیص جزیره می‌تواند مؤثر باشد. در حالتی که DG به شبکه‌ی اصلی متصل است، تغییرات توان خروجیDG به آرامی صورت می‌پذیرد؛ اما هنگامی که شبکه‌ی اصلی جدا شود به خاطر عدم توازن، توان خروجی DG ممکن است به یک‌باره تغییر کند. با توجه به این شرایط، اگر نرخ تغییر توان از مقداری فراتر رود می‌تواند نشان‌دهنده‌ی حالت جزیره‌ای باشد.
در شبکه‌ی نمونه شکل ۳-۲، عدم توازن قابل تأملی بین تولید و مصرف وجود دارد وتمامی پارامتر‌های روش‌های غیر‌فعال تغییرات وسیعی از خود نشان می‌دهند و این امر به تشخیص سریع و دقیق جزیره منجر خواهد شد؛ اما در مواردی که توازن بالایی در تولید و مصرف وجود داشته باشد، این پارامتر‌ها تغییرات بسیار کمی از خود نشان داده و فرایند آشکارسازی را دچار اختلال می‌نمایند. هدف از ارائه روش‌های فعال آشکارسازی، غلبه بر این مشکل در روش‌های فعال است که در ادامه به معرفی آن ها خواهیم پرداخت.
۳-۲-۲-انواع روش‌های فعال
در روش‌های فعال آشکارسازی حالت جزیره‌ای، به صورت عمدی اغتشاشی کوچک به شبکه اعمال شده و در صورت جزیره‌ای بودن شبکه، پارامتر‌های سیستم تغییرات بسیار وسیع‌تری خواهند داشت. حتی در حالتی که
فیدر به شبکه‌ی اصلی متصل باشد اثرات این اغتشاشات کوچک، قابل توجه است. یکی از اغتشاشات عمدی که می‌توان به شبکه اعمال کرد، ایجاد نوسانات ولتاژ از طریق تغییرات کوچک در مقدار مرجع تنظیم کننده‌ی خودکار ولتاژ^[۳۴] (AVR) واحد DG است. برای فیدری که از شبکه‌ی اصلی جدا است اثرات AVR بسیار بیشتر از فیدری است که به شبکه‌ی اصلی متصل است. اعمال پیوسته‌ی اغتشاش به شبکه، مشکلات کیفیت توان ایجاد می‌کند که این از معایب این دسته روش‌هاست. روش‌های فعال قادر هستند حتی در شرایطی که تولید و مصرف با هم برابر هستند حالت جزیره‌ای را شناسایی کنند. با این حال، تولید اغتشاش اندکی زمان‌بر بوده که در نتیجه این روش‌ها از روش‌های غیر‌فعال کند‌تر هستند. در ادامه به معرفی برخی از روش‌های فعال خواهیم پرداخت.
۳-۲-۲-۱-اندازه‌گیری امپدانس
پایه‌ی روش آشکارسازی حالت جزیره‌ای براساس اندازه‌گیری امپدانس، مبتنی بر آن است که امپدانس شبکه اصلی بسیار کوچک‌تراز امپدانس بار وDG است. بنابراین امپدانس اندازه‌گیری شده در پایانه‌ی DG در حالت جزیره‌ای بسیار بیشتر از حالتی است که شبکه اصلی متصل به سیستم توزیع باشد. در نتیجه در صورت فراتر رفتن امپدانس اندازه‌گیری شده در پایانه‌ی DG از یک آستانه‌ی از پیش تعیین شده، نشان‌دهنده‌ی وقوع حالت جزیره‌ای خواهد بود. اما مسئله‌ی مهم در این روش چگونگی اندازه‌گیری امپدانس دریک سیستم در حال کار است. در تمامی روش‌های اندازه‌گیری امپدانس، مسئله کیفیت توان مورد توجه بوده و روش‌هایی قابل استفاده هستند که کیفیت توان سیستم را کمتر تحت شعاع قرار دهند. از انواع روش‌هایی که برای اندازه‌گیری امپدانس شبکه مورد استفاده قرار می‌گیرد می‌توان به روش پاسخ ضربه و روش تزریق پیوسته‌ی نویز اشاره کرد. برای به‌دست آوردن پاسخ ضربه از کلیدزنی خازن و کلید‌های قدرت استفاده می‌شود. اغتشاش ایجاد شده باید به اندازه‌ای بزرگ باشد که به غیر از توان مصرفی بار، به وسیله‌یCT و PT‌ها اندازه‌گیری شوند [۴۱]. به دلیل مسائل کیفیت توان از این روش‌ها برای آشکارسازی حالت جزیره‌ای در شبکه‌هایی با حضور تعداد زیاد DG نمی‌توان استفاده کرد. در روش تزریق پیوسته‌ی نویز از مبدل‌ها برای تزریق اغتشاش استفاده می‌شود. سهولت در برنامه‌ریزی نرم‌افزاری برای کلید‌زنی به شکلی که به طیف فرکانسی مورد نظر خود برسیم از مزایای این روش است. امروزه تزریق مؤلفه‌ی منفی برای تشخیص حالت جزیره‌ای در این دسته روش‌ها بسیار کار‌آمد نشان داده شده است [۵۳].
۳-۲-۲-۲-تغییر توان اکتیو خروجی DG
حساسیت سیستم توزیع به تغییرات توان در حالت جزیره‌ای بسیار بیشتر از حالتی است که به شبکه اصلی متصل باشد. در ژنراتورهای سنکرون عدم تعادل بین بار و تولید سبب تغییر در فرکانس می‌شود. در منابع اینورتری که فرکانس به وسیله‌ی سیستم کنترل ثابت نگاه داشته می‌شود، تغییر در توان اکتیو بر روی ولتاژ نقطه اتصالDG وشبکه تأثیر مستقیم می‌گذارد. در حالت جزیره‌ای طبق رابطه (۳-۷) توان تولیدی DG ومصرفی بار با هم برابر هستند.
(۳-۷) V_LL= P_DG = P_load =
(۳-۸)
(۳-۹) _LL =
که در روابط فوق،P_DG توان تولیدیDG و P_load توان مصرفی بار، R بخش حقیقی امپدانس بار و و_LL به ترتیب میزان تغییرات در خروجی توانDG و میزان تغییر در ولتاژ محل اتصال DG شبکه هستند. همان‌طور که در رابطه‌ی (۳-۹) دیده می‌شود، در صورت تغییر توان تولیدیDG ولتاژمحل اتصال تغییر خواهد کرد. برای اینکه اندازه‌ معادل_LL باشد و ولتاژ را وارد ناحیه‌ی غیر مجاز کند نیاز بهp_DG قابل توجهی داریم که ممکن است این اندازه افزایش توان برای DG ممکن نباشد. همچنین مقدار توان را می‌توان کاهش داد که در این روش ممکن است در حالت اتصال به شبکه سراسری با خطای اتصال‌کوتاه اشتباه شده و تولید فلیکر^[۳۵] ‌نماید. در شبکه‌هایی که چندDG حضور دارند باید تغییر توان در تمام آن‌ها همزمان باشد که این روش در چنین شبکه‌هایی غیرعملی خواهد بود [۵۴].
۳-۲-۲-۳-تغییر در مرجع توان راکتیو خروجی DG
همانند وابستگی بین ولتاژ و توان اکتیو در منابع اینورتری توان، از وابستگی بین توان راکتیو و فرکانس نیز می‌توان برای آشکارسازی حالت جزیره‌ای استفاده کرد. پس از جزیره‌ای شدن سیستم توزیع، تأمین تمامی توان راکتیو بار بر عهده‌ی DG خواهد بود. بنابراین پس از وقوع جزیره طبق رابطه‌ی (۳-۱۰) توان راکتیوDG و بار با هم برابر خواهد بود
(۳-۱۰) = Qdg = Qload = v2 (
(۳-۱۱)
(۳-۱۲)= )
با توجه به رابطه‌ی (۳-۱۲) تغییرات فرکانس را می‌توان با توجه به تغییرات راکتیو خروجیDG توجیه کرد و علامت منفی نشان‌دهنده‌ی آن است که در صورت بالاتر بودن راکتیو مصرفی بار از تولید DG (0<) فرکانس شبکه در حالت جزیره‌ای افت خواهد داشت و بالعکس با نظارت دائم فرکانس، در نقطه‌ی اتصالDG و شبکه، آشکارسازی جزیره امکان‌پذیر خواهد بود. همچنین برای سرعت بخشیدن به خروج فرکانس از ناحیه‌ی مجاز، می‌توان به مرجع توان راکتیو خروجی مبدل با توجه به رابطه (۳-۱۳) به اندازه فیدبک مثبت افزود.
(۳-۱۳)
فیدبک مثبت در هنگام عدم اتصالDG به شبکه سراسری، فرکانس را با سرعت بالایی از ناحیه مجاز دور کرده و سبب می‌شود حفاظت افت/ا
فزایش فرکانس، DG را به سرعت قطع کند. لازم به ذکر است، ارتباط توان راکتیو و فرکانس تنها در شبکه‌هایی که به وسیله منابع اینورتری تغذیه می‌شوند صادق است. در شبکه‌هایی که منابع سنکرون نیز حضور دارند، فرکانس، ثابت نگاه داشته شده و عدم تعادل توان راکتیو با تغییر در سیستم تحریک ژنراتور بدون ایجاد تغییر در ولتاژ و فرکانس ماندگار جبران می‌گردد [۵۴].
۳-۲-۲-۴- انحراف فرکانس فعال^[۳۶]AFD))
روش AFD به وسیله‌ی تغییر در شکل موج جریان خروجی اینورتر عمل می‌کند. همان‌طور که در شکل۳-۶ نشان داده شده است. در جریان خروجی اینورتر زمان مرده‌ای تا قبل از رسیدن شکل موج ولتاژ به نفطه صفر، لحاظ می‌شود. در هنگام جزیره‌ای شدن سیستم، فرکانس ولتاژدر نقطه‌ی اتصالDG و شبکه از فرکانس جریان خروجی DG تبعیت کرده وسبب می‌شود فرکانس به ناحیه غیرمجاز منحرف و DG به وسیله‌ی حفاظت افت/افزایش فرکانس قطع شود[۵۴]. فرکانس در هنگام جزیره‌ای شدن سیستم به مقدار =’ f تغییر پیدا می‌کند.
در رابطه(۳-۱۴) نشان داده شده که اندازه‌ی اختلاف فاز به درصد برش^[۳۷]c_f و میزان زمان مرده t_d وابسته است. همان‌طور که در شکل ۳-۳ نیز مشخص است، ایجاد زمان مرده در شکل موج جریان، اختلاف فازی برابر_d بین ولتاژ و جریان ایجاد می‌کند.