نقش سمت تقاضای غیر متمرکز در کنترل فرکانس اولیه

چکیده

کلمات کلیدی

1- مقدمه

2- کنترل کننده بار با پاسخ فرکانسی تعمیم یافته

الف) مفاد

شکل 1- مشخصات UCTE برای ذخیره فرکانس اولیه

شکل 2- کنترل کننده بار منفرد Δf- مشخصه زمانی

ب) مشخصات زمان/فرکانس کنترل کننده بار

شکل 3- مشخصه کنترل کننده بار تجمعی Δf-τ. گروه های باری مختلف.

ج) الگوریتم پاسخ تقاضا (DR)

شکل 4- نمایش ماشینی حالت محدود کنترل کننده بار. زیر فرکانس.

شکل 5- مثالی از دوره زمانی بازیابی انرژی. زیر فرکانس.

3- آنالیز اثرات سیستمی یک بار بزرگ در کنترل کننده های بار حساس به فرکانس

الف) اهداف

ب) محیط شبیه سازی

شکل 6- مشخصات سوئیچینگ Δf-τ مورد استفاده در شبیه سازی ها.

جدول 1- پارامترهای کنترل کننده بار

جدول 2- پارامترهای سیستم تولید معادل

شکل 7- رفتار تجمعی DR شبیه سازی شده. زیر فرکانس.

ج) نتایج

شکل 8- پاسخ به یک عدم تعادل بین بار و تولید با و بدون مشارکت سمت تقاضا در کنترل فرکانس اولیه.

شکل 9- متوسط مقادیر شبیه سازی شده با سطوح مختلف پاسخ تقاضا (DR، بصورت درصدی از بار کل بیان شده است).

شکل 10- متوسط مقدار شبیه سازی شده Δf با مقادیر مختلف پاسخ فرکانس حاصل از تولید.  

شکل 11- متوسط مقدار ظرفیت تولید مورد استفاده برای کنترل فرکانس اولیه با و بدون مشارکت سمت تقاضا.

شکل 12- مشخصه منبع DR به عنوان ذخیره فرکانس اولیه مکمل.

4- نتیجه گیری

پیوست

در سیستم‌های قدرت بزرگ، فرکانس معمولا از طریق تنظیم محصول واحدهای تولیدی در پاسخ به تغییرات بار، کنترل می‌شود. وقتی میزان تولید تجدیدپذیر متناوب افزایش و سهم واحدهای تولیدی مرسوم انعطاف‌پذیر کاهش می‌یابد، پی بردن به نقش سمت تقاضا در کنترل فرکانس اولیه از لحاظ فنی و اقتصادی مطلوب می باشد. یکی از دلایلی که این کار قبلا انجام نشده است دشواری‌های مربوط به بررسی تعداد زیادی از بارهای کوچک به جای تعداد محدودی از واحدهای تولیدی می باشد. مخصوصا هزینه و پیچیدگی مربوط به ارتباطات بین تعداد زیاد بارها و مرکز کنترل به یک مانع غیرقابل رفع تبدیل شد. این مقاله بیان می‌کند که این ارتباطات دوطرفه ضرورتی ندارد و اینکه تقاضا می‌تواند همانند ژنراتورها به خطای فرکانس عکس‌العمل نشان دهد. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که با استفاده از این روش، سمت تقاضا قادر است نقش قابل توجه و قابل اعتمادی در پاسخ فرکانس اولیه داشته باشد، در عین حالی که مزایای آن برای مصرف‌کنندگان بعنوان یک منبع تغذیه‌ی انرژی الکتریکی محفوظ می‌باشد.

نامتعادلی بین بار و تولید باید در عرض چند ثانیه اصلاح شود تا از انحراف فرکانس که ممکن است پایداری و امنیت سیستم قدرت را تهدید کند جلوگیری به عمل آید. انحرافات عادی از این تعادل معمولا از طریق تنظیم خروجی واحدهای تولیدی مرسوم که توسط گاورنرهایی که پاسخ فرکانس اولیه نامیده می‌شود، اصلاح می‌شود [1]. مشخصا از بار به منظور بازیابی این تعادل تنها زمانی استفاده می شود که عدم تعادل شدید بوده و به طور سریع توسط تولید با عملکرد سریع اصلاح نشود. در چنین مواردی، بلوک‌های بار توسط عملکرد رله‌های زیرفرکانس قطع می‌شوند. این نوع فلسفه‌ی کنترلی شاید لازم است تا در سال‌های آتی مورد بازبینی قرار گیرد چون سمت تقاضا ممکن است نقش فعال‌تری در کنترل سیستم ایفا کند. با افزایش اندازه‌ی نسبی آنها، منابع انرژی تجدیدپذیر خروجی متناوب و متغیری چون مزارع بادی، نوسانات تصادفی بزرگی را به تعادل بار/ تولید اعمال می‌کنند [2]. در عین حال، تعداد نیروگاه‌های تولیدی مرسوم که دارای انعطاف لازم برای مشارکت در کنترل فرکانس اولیه هستند احتمالا کاهش می‌یابد چون نیروگاه‌های با سوخت زغال مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. یک سناریوی ممکن تولید حجم زیادی از انرژی الکتریکی با استفاده از ترکیب منابع تجدیدپذیر و نیروگاه‌های برق هسته‌ای می باشد [3]. تحت این شرایط، اجرای کنترل فرکانس اولیه با کمک تنها منابع سمت منبع ممکن است نه تنها پرهزینه و گران باشد بلکه از لحاظ فنی هم دشوار است؛ برای نمونه مرجع [4] را ببینید. بنابراین مهم است که نحوه‌ی مشارکت بخش کافی از بارها در کنترل فرکانس اولیه به منظور حفظ پایداری سیستم با یک هزینه‌ی مقبول بررسی شود، با در نظر گرفتن این موضوع که این مشارکت بار به عنوان نمونه‌ای از مشارکتی است که مصرف‌کننده‌ها در خدمات جانبی دارند [5]، [6]. چالش آشكار موجود در هنگام در نظر گرفتن بار در كنترل فركانس، افزایش قابل توجه تعداد بالقوه شركت كنندگان است. حتی در بزرگترین مناطق کنترلی نیز بیش از چند صد ژنراتور بزرگ به کنترل فرکانس کمک می کند. از سوی دیگر، نقش سمت تقاضا ممکن است شامل دهها هزار و یا حتی میلیون ها مصرف کننده باشد. اگرچه ممکن است این مسئله از لحاظ فنی هراس آور و از نظر اقتصادی غیر واقعی باشد، اما باید به خاطر داشته باشید که کنترل فرکانس اصلی یک سیستم کنترل توزیع شده است که بر دسترسی به فرکانس به عنوان معیاری از عدم تعادل بین بار و تولید متکی است. در واقع، پاسخ هر واحد تولیدی توسط مشخصه آن و یک اندازه گیری فرکانس محلی تعیین می شود و نه توسط سیگنال فرستاده شده از یک مرکز کنترل. ارتباطات به سمت و از طرف مرکز کنترل برای بهینه سازی بهتر اقتصادی و امنیت شبکه فقط در قالب حلقه های کنترل ثانویه و سومی استفاده می شود. بنابراین، یک بار و یا یک مصرف کننده نباید به یک شبکه ارتباطی وصل شود و در کنترل فرکانس اولیه نقش داشته باشد. شوپ و همکاران ابتدا این ایده را در سال 1980 پیشنهاد دادند و این مفهوم را تحت عنوان زمانبندی مجدد انرژی برق با فرکانس انطباق پذیر (FAPER) به ثبت رساندند [7]. در چند سال گذشته، تلاش های تحقیقاتی در زمینه طراحی و کاربرد کنترل کننده های FAPER در کنترل فرکانس اولیه اهمیت زیادی را کسب نموده است. كنترل کننده ابزار دوستدار شبکه [8] كه توسط آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام توسعه یافته است، توانایی زیادی را به عنوان وسیله ای برای تعدیل بار در پاسخ به برخی فركانس های سیستمی از خود نشان داده است. این کنترل کننده باید به دستگاه های جداگانه متصل شود که عمدتا مصرف کنندگان انرژی هستند تا مصرف کننده توان. مصرف کنندگان انرژی وسایلی هستند که می توانند توان مصرفی خود را در طول زمان تا هنگامی که مصرف انرژی نهایی یکسان گردد، تنظیم نمایند. این وسایل شامل تجهیزات گرمایشی، تهویه مطبوع، خشک کن ها، آب گرمکن ها و غیره می شوند. لو و هامراستورم [9] در یک محیط آزمایشگاهی به بحث، شبیه سازی و آزمایش اثر فرکانس راه اندازی و مدت زمان وقفه بر روی رفتار لوازم خانگی پرداختند. آنها معتقدند که 61 درصد از این دستگاه ها با وسایل دوستدار شبکه (GFAs) سازگار هستند که می توانند سیر فرکانسی را تشخیص داده و وسایل را بر اساس یک منطق کنترل خاص، روشن یا خاموش کنند. به علت نفوذ زیاد بارهای سرمایشی و گرمایشی، حدود 20 درصد بار در ایالات متحده ناشی از وسایل مصرفی می باشند که در حال چرخش و یا خاموش هستند [10] و می توانند در حالت طبیعی در کنترل عملکرد فرکانس نقشداشته باشند. تیلور در [11] و [12] و تیلور و همکاران در [13] یک کنترل کننده بار توزیع شده دیگر برای سیستم های انرژی تجدید پذیر مستقل را توسعه دادند که از فرکانس و نرخ تغییر فرکانس، به عنوان ورودی های یک سیستم کنترل بار منطق فازی استفاده می کند. این رویکرد در یک سیستم قدرت جزیره با تعداد کمی از بارهای آب گرم مورد آزمایش قرار گرفت. اینفیلد و همکاران یک کنترل کننده فرکانس توزیعی کم هزینه را به عنوان راه حلی برای تنظیم یک سیستم دیزلی بادی بر اساس دستگاه های ذخیره سازی توسعه دادند [14]. کوندوه و همکاران [15] با استفاده از آبگرمکن های الکتریکی به مقایسه تکنیک های کنترل مستقل و مشترک در تنظیم فرکانس پرداختند. شکوه و همکاران [16] مفهوم مشابهی را برای سیستم صنعتی جزیره ای استفاده کردند که در آن تخلیه بار یک گزاره قابل قبول است و در آن، به دلیل ویژگی های ظرفیت تولید، سیر فرکانسی نسبتا وسیعی قابل قبول می باشد. ترودنوفسکی و همکاران [17] فرض کردند که این وسایل پاسخ دهنده فرکانسی، یک مدولاسیون خطی بار را به عنوان تابع خطای فرکانس ایجاد می کنند. سپس آنها بررسی کردند که چگونه این پاسخ بار باعث بهبود ثبات سیستم می شود. هیرست [18] ویژگی پیچیده تری از FAPER را ارائه نمود که رفتار کنترلی آن توسط اندازه انحراف فرکانس حس شده تنظیم می شود. در حال حاضر این دستگاه ها در ایتالیا و بریتانیا آزمایش می شوند. کارهای اخیر نشان می دهد که نه تنها امکان فراهم آوردن منابع ذخیر سازی چرخشی با استفاده از منابع تقاضا وجود دارد، بلکه ممکن است بهتر باشد که بر روی این منابع تمرکز شود [19]، چرا که تجربیات عملی با استفاده از سیستم های متمرکز نشان دهنده کاهش سردرگمی مشتری و کارآمد شدن نصب و راه اندازی در سطح بین المللی می باشد. با وجود تلاش های قابل توجه در زمینه طراحی الگوریتم ها برای این دستگاه های کنترل بار، توجه کمی به دو مورد زیر معطوف گشته است 1) به عملیات سیستم های قدرت و برنامه ریزی عملیات در شبکه های با مقادیر قابل توجهی از تقاضا که توسط دستگاه های شبه FAPER کنترل می شود؛ و 2) تعیین روابط مربوط به مقادیر پاسخ تقاضای حساس به فرکانس که می تواند در چنین سیستم هایی به دست آید. مطالعه شورت و همکاران [20] به بررسی دقیق جنبه اول پرداخته است. این نویسندگان نحوه عملیات در زمان واقعی را که شامل مقدار قابل توجهی از بارهای حساس به فرکانس فعال یخچالی/فریزری است برای سیستم شبکه ملی در بریتانیا نشان می دهند. آنها همچنین شواهدی از سودمندی افزایش نسبت این نوع بارها در زمانی که سیستم های قدرت برای نفوذ ببیشتر با هم ادغام می شوند، ارائه می دهند. این مقاله تلاش دارد به جنبه دوم بپردازد. در این مقاله، شکل کلی و روابط بین پاسخهای تقاضای تجمعی توسط بارهای فعال را با توجه به انحراف فرکانس سیستم تعیین می کنیم. بدست آوردن این اطلاعات در تعیین میزان ذخایر ضروری اولیه مورد نیاز برای اپراتورهای سیستم انتقال (با نفوذ هر چه بیشتر این نوع بارها) مورد نیاز خواهد بود. علاوه بر این، و از روی کنترل کننده های بار حساس به فرکانس غیر متمرکز مبتنی بر سیستم FAPER شوپ و سیستم تثبیت کننده شبکه هیرست [18]، ما همچنین یک درجه بندی در بعد زمانی را برای انحرافات فرکانس مشابه با زمان معکوس مشخصه حفاظت جریان بالا ارائه می دهیم و این منطق کنترلی را برای حالت های فرکانس بالا نیز تعمیم می دهیم. کنترل فرکانس اولیه نیز در محافظت از سیستم های قدرت در برابر خرابی در لحظات آغازین یک اختلال بزرگ، بسیار حیاتی می باشد. بنابراین، این کار نیازمند زمان بندی هماهنگ و قوی و در عین حال اقتصادی تولید پاسخ فرکانسی و تقاضای فعال است. افزایش سطح تقاضای پاسخ فرکانسی باید هزینه ارائه پاسخ فرکانس اولیه را کاهش دهد، زیرا به تولید حرارتی بخش بار کمتری نیاز دارد. با این حال، این واقعیت که پاسخ سمت تقاضا همیشه دارای مقداری عدم قطعیت – در مقدار و نرخ پاسخ – می باشد، لذا اپراتور سیستم دمی بایست ر هنگام جایگزینی ذخایر اولیه مبتنی بر تولید با ذخایر اولیه سمت تقاضا با احتیاط عمل کند. برای انجام این کار، اپراتور به اطلاعاتی در خصوص ویژگی پاسخ تقاضای حساس به فرکانس تجمعی نیاز خواهد داشت. در این مقاله، این اطلاعات را از مطالعات شبیه سازی تجربی بدست می آوریم. این مطالعات علاوه بر بسیاری نتایج دیگر همچنین نشان می دهند که مشخصه واکنش بار فعال تجمعی به ویژگی واحد تولید حرارتی با یک خروجی قدرت محدود بستگی دارد. این مقاله به روش زیر سازماندهی شده است. بخش دوم عملیات یک کنترل کننده بار حساس به فرکانس عمومی را توصیف می کند. بخش سوم آنالیز دقیقی در مورد تاثیر کلی نقش طرف تقاضا بر روی کنترل فرکانس در سیستم ارائه می دهد. به ویژه ما نشان می دهیم که چگونه می توان شکل کلی پاسخ بار فرکانسی فعال و مرزهای بالا و پایین آن را بدست آورد. در بخش چهارم، نتیجه گیری این مقاله ارائه شده است.