تحلیل جریان قدرت شبکه برای نفوذ زیاد تولید پخش شده

چکیده :
تعداد فزاینده ژنراتورهای بسیار کوچک به سیستم های توزیع الکتریسیته در سراسر جهان مرتبط است. نمونه ها شامل فتوولتاییک (PV ) و سیستم های مرکب گرما و برق مقیاس خانگی گازی (میکرو CHP )، با خروجی های الکتریکی در منطقه ۱ تا ۲ کیلووات هستند. این ژنراتورها معمولاً درون محوطه ساختمانی مصرف کنندگان نصب می شوند و به شبکه تأمین برق گرفتگی (۲۳۰ ولت تک فاز در اروپا، V 120 در امریکای شمالی ) متصل اند. نیاز روزافزون به فهم و تعیین کمیت تاثیر غنی ای که نفوذ چنین ژنراتورهایی بر کارکرد سیستم های توزیع دارند، وجود دارد. این مقاله برای تحلیل این اثر به همراه نتایجی که نفوذ قابل توجه میکرو – تولید می تواند در سیستم توزیع نرمال داشته باشد، راهکاری را ارائه می دهد.

۱ ) مقدمه :
نصب میکروژنراتورها جهت افزایش سریع در طول چند سال آینده، تعیین می شود. سیستم های فتوولتائیک (PV ) خورشیدی سوار شده روی بام خانه ها فعلاً عامه پسند است و جنبه اقتصادی شان سال به سال جذاب تر و جالب تر می شود. سیستم های میکرو CHP- گازی، که الکتریسیته، گرمای ترابردی، و آب گرم تأمین می کنند، حالا در خانه های انگلستان به آزمون های میدانی تن در می دهند. پتانسیل شان برای جایگزینی مخازن آب گرم کن های سنتی فوق العاده است.

در عین حال، اپراتورهای شبکه توزیع نگرانند که سیستم های فعلی شان به صورت وارونه تحت تاثیر چنین ژنراتورهایی قرار بگیرند، به خصوص زمانی که تعداد زیادی در یک منطقه جغرافیایی بسته وصل می شوند. نگرانی اصلی این تحقیقات است که میکروژنراتورها موجب افزایش ولتاژ بیش از حد شوند. کار ارائه شده در این مقاله بخشیاز تحقیقات آینده برای شناسایی و تعیین کمیت اثرات نفوذ زیاد میکروژنراتورها بر شبکه های توزیع و کشف چگونگی مدیریت کردن این اثرات است.

میکروژنراتورهای معمولاً تا ۱ یا ۲ کیلووات تولید می کنند و به شبکه تأمین برق خانگی وصلند، یا از طریق مبدل های تک فاز یا به صورت مستقیم، در مورد بعضی از واحدهای میکرو، CHP در انگلستان، اتصالات خدمات خانگی معمولاً تک فاز ۲۳۰ ولت هستند که از خطوط اصلی سه فاز ۴۰۰ ولت گرفته می شوندو به صورت کروهی به عنوان شبکه کم ولتاژ (LV ) معروفند. در جایی دیگر، شبکه های همتراز به اسم توزیع ثانویه شهرت دارند. متدهای طراحی سنتی برای LV (توزیع ثانویه) معمولاً بر فاکتورهای تنوع بار تکیه دارند؛ این ها را می توان از اندازه

گیری های جامع بار به دست آورد ولی اغلب بر مبنای سالها تجربه استوارند. نفوذ قابل توجه میکرو تولید فاکتورهای تنوع را تغییر خواهد داد. و در قابلیت به کارگیری آنها عدم قطبیت پیش می آورد. در عین حال، قدرت کامپیوترهای مدرن به ما امکان می دهد که راهکار کامل و بسیار دقیق تری را برای تحلیل و طراحی شبکه های LV درنظر بگیریم، بخصوص با ملاحظه میکرو – تولیدها جزئیات مورد توجه ما به قرار ذیل هستند.

اول ) بارهای خانگی مجزا از نظر زمانی و میان خانه ها بسیار متغیرند، و تحلیل باید این تغییرپذیری را نشان دهد. راهکار ما به وجود آوردن و استفاده کردن از داده های مجموعه زمانی برای هر و تمام خانه ها و املاک بازرگانی متصل به شبکه است. تکنیک های آماری، که بعد در این فصل الگو می شوند، جهت مهار و ارائه حجم های زیاد داده های حاصل به حالت فشرده، لازمند.

دوم ) اکثربارهای متصل به LV تک فازند و هرگز به طور کامل در سه فاز متداول نمی شود. در واقع؛ نامتوازنی های قابل توجه زمانی هنجار و عادی اند که فرد به شبکه های توزیع LV دقیق شود. پس، بی طرف ها جایگزین می شوند و تحلیل جریان بار سه فازی نامتوازن فراخوانده می شود.

سوم ) بخشهای بزرگ شبکه های LV (توزیع ثانویه) به وسیله شبکه V 1 – ۱۱ (توزیع اولیه) از طریق نرانسفورماتورهای توزیع Fixed – tap به هم وصل می شوند. بار سنگین، یا تولید بیش از حد، در هر نقطه ای از شبکه LV بر ولتاژها در سراسر شبکه های LV ای که با فیدز تغذیه رسان KV – ۱۱ بخصوص تحت پوشش هستند، تاثیراتی می گذارند. میزان اثر و

بنابراین مرز مناسب برای تحلیل، به وسیله کنترل گرهای خودکار ولتاژ تنظیم می شود. در انگلستان، این ها معمولاً تغییر دهنده های آنلود top در V K- 33 تا K-V 11 ایستگاههای فرعی اصلی هستند. در دیگر کشورها، رگلاتورهای ولتاژ رایج ترند. تحلیل کامل باید کل فیدر را دربر بگیرد، فیدری که متجاوز از هزار مشتری وصل شده را دربر دارد.
به طور خلاصه، هدف انجام تحلیل کم بار سه فاز نامتوازن در شبکه های پیچیده با استفاده از داده های مجموعه زمانی است. مدل سازی تاثیرات میکرو تولید در مقایسه نسبتاً سرراست است.

II ) مدل سازی :
A ) شبکه تست :
شبکه الکتریسیته درون مرزی شرق (حالا شبکه های مرکزی)، اپراتور شبکه توزیع انگلستان تحت تملک E.ON ، داده های فراهم کرد که در مورد شبکه ها در مرکز شهر Leicester در انگلستان توضیح می داد. بخش انتخاب شده به عنوان شبکه تست در شکل ۱ دیده می شود. متشکل از فیدر کامل KV – ۱۱ و تمامی شبکه های LV وابسته (V 230 – ۴۰۰ ) است. ایستگاه فرعی اصلی در سمت راست شکل است. حدود ۴ کیلومتر کابل های زیر زمینی KV – ۱۱ وجود دارد که برق را برای ۶ ترانسفورماتور توزیع فراهم می کنند، که ولتاژ را به V 400 کاهش می دهند. شکل ۱ )

از میان اینها یکی به بانک و دیگری به هتل اختصاص داده می شود. مابقی شبکه های LV عمومی را تامین می کنند، که شامل ۲۳ کیلومتر دیگر از کابل های زیرزمینی، شامل کابل های خدمات به نقاط سنجش اتصال مشتری است. در کل، ۱۲۶۲ مشتری متصل وجود دارد، که هرکدام شان کاندیدایی متحمل برای تولید هستند. شبکه ها ۳۰۰۰ گره اضافی دارند . هیچ رگلاتور ولتاژ یا خازن شانتی نصب نشده است.

B ) مدل سازی بار :
نیاز به داده های مجموعه زمانی قبلاً بیان شده و برای این بررسی تصمیم گرفتیم از مرحله زمانی یک دقیقه استفاده کنیم. تصاویری از بارهای خانگی مجزا دقیقه به دقیقه ساخته شده که بر مبنای مدل سازی Stachasting انجام شده توسط موسسه توسعه محیط زیست (IESD) در دانشگاه مونت فورت در انگلستان، استوارات، مصرف برق راکتیو در هر نقطه اتصال بر مبنای Stochatic محاسبه شده است.

C ) مدل سازی سیستم فتوولتائیک :
بازده سیستم PV بر مبنای هدایت یک دقیقه ای و داده های تشعشع پراکنده (که در دانشگاه Loughborough اندازه گیری شدند) محاسبه شده است و این دانشگاه در فاصله ۲۰ کیلومتری Leicester واقع است. روزهای آفتابی، یک روز در زمستان و دیگری در تابستان انتخاب شدند، چون منجر به تولید PV زیاد می شدند که، بر متقاضی ترین شرایط از لحاظ افزایش ولتاژ می باشند. سناریوی نفوذ حداکثری PV تصور شده که در آن هر ساختمانی با بام شیب دار در جهت گیری ۴۵ درجه رو به جنوب با سیستم PV جور در آمد. از ۱۲۶۲

مشتری متصل، حدوداً نصف (۶۲۹) طبق این قاعده با سیستم های PV خاتمه یافتند، و به همین علت به این سناریو نفوذ PV پنجاه درصدی گفته می شود. برای سهولت، تمام آرایش های PV فرض شد که در شیب ۵۰ درجه به افق سوار شوند، که حدوداً و تقریباً عرض جغرافیایی محلی است. کل بر تابش (شامل مولفه های مستقیم و پراکنده) برخوردی به هر آرایش PV برای هر دقیقه از دو روز انتخابی با استفاده از تکنیک های استاندارد هندسه خورشیدی محاسبه شده تصور شد که تمام آراش ها طوری نصب شدند که هیچ سایه ای ندارند. در عمل، بعضی از سایه های متمرکز غیرقابل اجتناب بودند و برای کاهش موقتی بازده آرایش های جداگانه عمل می کردند.

تمام آرایش های PV فرض شدند که متشکل از سوله های BP 12 سولارساتورن Wpeak 180 هستند، در حالی که سایز Wpeak 216 رای دهند. این درجه بندی نیرو برای شرایط استاندارد تست (STC ) است : بر تابش w/m2 1000 جرم هوای ۵/۱ طیف، و دمای تقاطع سلولی c 25 خروجی واقعی برق dc در هر آرایش برای هر دقیقه از روزهای انتخابی از داده های برتابشی فوق الذکر محاسبه شد، در حالی که رابطه خطی ساده ای را درنظر می گیرد. هیچ مجوزی برای تفاوت گذاشتن طیف ها صورت نگرفت. درجه حرارت سلول ها با

استفاده از متد NOCT بر مبنای دمای اندازه گیری شده محیط تخمین زده شد، و قدرت خروجی dc طبق ضریب اصلاح دمای سازندگان اصلاح شد (k % 5/0 – ) بازده مبدل سازی شد، بر مبنای KW SMA Sunny Boy 8/1 ، و حداکثر مسیریابی نقطه قدرت (MPPT ) کامل تلقی شد. مثل اکقر مبدل های PV ، خروجی ac سانی بوی فاکتور قدرت یکان دارد. شکل ۲ )

D ) مدل سازی CHP :
واحدهای جداگانه میکرو CHP بر مبنای Whisper Gen از E.ON/Power Gen مدل سازی شده، که موتور استرلینگ پیش برنده ژنراتور استاندارد چرخشی الکتریکی زا به خدمت می گیرد. این واحدها Wpeak K 2/1 درجه بندی شدند، و این نیرو را فقط زمانی تولید می کنندکه شعله گاز مشتعل می شود، و برای متناسب کردن گرمای مورد تقاضای خانگی کنترل می شود. با تقاضای گرمای خانکی معمول در انگلستان، Whisper Gen حدود KWh 3000 الکتریسیته در هر سال تولید می کند.

داده های برآورد شده برای گرمای ترابردی و آب گرم برای ۳۵۰ سکنه در انگلستان برای تامین و تهیه پروفایل های انباشته نیاز گرمایی به کار می روند. بعد برای به وجود آوردن الگوهای اشتعال دقیقه به دقیقه برای واحدهای جداگانه میکرو CHP از الگوریتم استوکاستیک استفاده شد. برای یک روز زمستانی خاص، کارکرد حداکثر ممکن ۱۲۶۲ واخدی که قابل اتصالند در شکل ۲ دیده می شود. خطوط تیره بیان گر دوره هایی اند که برای آن واحدهای جداگانه CHP مشتعل اند و در نتیجه هر کدام KW 2/1 تولید می کنند. طبق انتظار، تعداد بسیار کمی از واحدهای CHP در طول شب روشن اند، در حالی که سر طول پیک روز تقریباً همه در حال اشتعالند.

E ) مدل سازی شبکه :
لار، مدل های PV و CHP مذکور داده های ورودی برای تحلیل جریان بار را فراهم می کنند، که ولتاژها و بارگیری های خط را در سراسر شبکه محاسبه می کند. بسته های نرم افزاری بازرگانی جریان بار معلوم شد که با پیچیدگی مدل سازی و نیاز به تکرار محاسبات برای هر دقیقه از روزهای مدل سازی شده، نامتناسب اند متعاقباً ، یک موتور جریان بار نامتوازن در مطلب بسط یافت. برمبنای الگوریتم حرکت جارویی رو به عقب / رو به جلو استوار است که شیرمحمدی و کرستینگ آن را بسط و گسترش دادند، ولی با اصلاحاتی برای ترانسفورماتورهای توزیع ۱۱ Dy که در انگلستان عادی اند. این ترانسفورماتورها تغییر فاز ۳۰ را معرفی و عرضه می کنند، در بالای زوایای فاز نرمال ۱۲۰ که در تمامی سیستم های سه فاز یافت می شوند. محاسبه درست زوایای دقیق در سراسر شبکه کم اهمیت نیست، و برای دادن اطمینان در نرم افزار جدید، در مقابل دو بسته تجاری تست شد و در مطابقت کامل یافت شد.

موتور جریان بار جدید در چارچوب شبیه سازی گستره و قلمرو زمانی ساخته شد، همین طور در Matlab که آن را با داده های تولید و بار مدل سازی شده ارائه می دهد و ولتاژهای محاسبه شده را به عنوان داده های دقیقه به دقیقه برای تمام گره های شبکه حفظ می کند. شبیه سازی هر روز کارکرد را در تقریباً ۲۰ دقیقه در کامپیوتر پنتیوم ۴ لب تاپ کامل می کند.

F ) تائید :
هدف اصلی مدل سازی تعیین کمیت افزایش ولتاژی است که از نفوذ زیاد میکرو CHP ایجاد شده است. سپس معتبرسازی مدل های بار و شبکه ای که base – case را شکل می دهند، ضرورت دارد. برای اندازه گیری ولتاژهای واقعی، معدل گیری شده در فواصل تک دقیقه ای در سه خانه در شبکه تست به اسم B . H و L در شکل ۱ ، از Logger های ولتاژ Acksen استفاده شد.

ولتاژهای مدل سازی و اندازه گیری شده برای سه خانه تست در شکل ۳ دیده می شوند. انتظار نمی رود که کاملاً جورو هماهنگ باشند ولی باید با توجه به میانگین، انحراف استاندارد و همبستگی خودکار تطابقی بروز دهند. شکل ۳ تعدادی تناقض میان ولتاژهای مدل سازی و اندازه گیری شده را نشان می دهد، ولی اینها قابل قبولند و قابل انتظارريال و تغییرات طبیعی بین خانه ها و متدهای استوکاستیک به کار رفته در ایجاد داده های بار را ارائه می کنند.
خروجی های مدل سازی شده سیستم های PV و CHP از داده های اندازه گیری شده مشتق می شوند، همان گونه که قبلاً تشریح شد، و بیشتر تائید نمی شود.

G ) محدودیت های مدل سازی :
داده های شبکه از الکتریسیته میان مرزی شرق شامل آمپدانس های توالی مثبت برای کابل های نصب شده بر مبنای طول کابل و مشخصات سازنده است. برای تحلیل کاملاً نامتوازن جریان بار، آمپدانس های فاز جداگانه لازمند، ولی اینها به راحتی در دسترس نیستند. در تئوری، آنها را می توان از دانش هندسه های کابل محاسبه کرد، ولی گستره وسیعی از انواع کابل مورد استفاده در شبکه تست و نقص اطلاعات راجع به شرایط نصب چنین محاسباتی را در عمل بی نهایت دشوار می کند. برای مدل سازی ارائه شده در این مقاله، فرض می

شود که کابل ها کاملاً منتقل شده و با آمپدانس های توالی بیان می شوند، و حتی اینها از تقریبی ساده مشتق می شوند : مقاومت توالی صفر به عنوان یک روم مقاومت توالی مثبت گرفته شد و مقاومت کور توالی صفر به عنوان سه برابر مقاومت توالی مثبت حساسیت پروفایل های محاسبه شده ولتاژ به آمپدانس توالی صفر چک شده و معلوم شد بسیار کم است

: نه دو برابر کردن و نه نصف کردن آمپدانس توالی صفر در سراسر داده های شبکه هیچ تفاوت قابل توجهی را نسبت به افزایش ولتاژ ناشی از PV یا CHP به جود نیاوردند. در محاسبه، دقت مدل سازی قطعاً با استفاده از آمپدانس های جداگانه فاز اصلاح می شود، و این بعدی مهم برای توسعه آینده کار باقی می ماند، هرچند انتظار نمی رود برای پیش بینی های افزایش کلی ولتاژ تفاوت عمده ای ایجاد کند.