مدلسازی پیشرفته سیستم قدرت و ثبات حالت پایدار سیستم چند ماشینی

فرمت: ورد

تعداد صفحات:98

واژه توربین برای اولین بار به وسیله Claude Burdin۱۷۹۰-۱۸۷۳ در سال ۱۸۲۸ به وجود آمد که از لغت یونانی به معنی چرخنده یا سر گردان مشتق شده‌است. توربین موتوری چرخنده‌است که می‌تواند از یک سیال انرژی به‌دست آورد.
ساده‌ترین توربین‌ها یک بخش چرخنده و تعدادی پره دارند که به بخش اصلی متصل شده‌است سیال به پره‌ها برخورد می‌کند و بدین ترتیب از انرژی ناشی از متحرک بودن آن استفاده می‌کند به عنوان اولین توربین‌ها می‌توان آسیاب بادی و چرخاب را نام برد.
توربین‌های گاز، بخار و آب معمولاً پوشش محافظی در اطراف پره‌هایشان دارند که سیال را کنترل می‌کنند پوشش‌ها و پره‌ها می‌توانند اشکال هندسی مختلفی داشته باشند که هر کدام برای نوع سیال و بازده متفاوت است.

<!–more–>

کمپرسور یا پمپ دستگاهی مشابه توربین است ولی با عملکرد بر عکس به طوری که این دستگاه انرژی را می‌گیرد و باعث حرکت یک سیال می‌شود.
انواع توربین
توربین‌های بخار: برای تولید برق در نیروگاه‌های حرارتی که از ذغال سنگ، نفت و انرژی هسته‌ای استفاده می‌کنند به کار برده می‌شوند روزی از آنها برای هدایت وسایل نقلیه مانند کشتی استفاده می‌شد.
توربین‌های گازی: این توربین‌ها معمولاً دارای یک ورودی، فن، کمپرسور، محفظه متراکم کننده و یک نازل است.
توربین‌های ترانسونیک: جریان گاز در اکثر توربین‌ها همواره سرعتی زیر صفر دارد در این نوع توربین‌ها سرعت گاز هنگام خروج بالاتر از صفر است. این توربین‌ها در فشار بالاتری کار می‌کند ولی معمولاً بازده کمی دارند و خیلی هم مرسوم نیستند.
توربین‌های کنترا رتاتینگ: دو توربین که یکی بالا دیگری پایین در جهت مخالف هم می‌چرخند این سیستم پیچیدگی‌هایی دارد که تولید آن را کاهش می‌دهد.
توربین‌های سرامیک: توربین‌های با فشار بالا که از آلیاژ نیکل و فولاد ساخته شده‌اند معمولاً دارای سیستم‌های خنک کننده پیچیده هستند اخیرا پره‌های سرامیکی روی توربین‌های گازی امتحان شده‌است.
تقریبا تمام الکتریکی روی از نوعی توربین استفاده می‌کند بازده بالاترین توربین ۴۰ درصد است. اکثر جت‌ها مانند کشتی‌ها و نیروگاه‌های اتمی برای حرکت از توربین استفاده می‌کنند.

مقدمه:
هر واحد نيروگاهي براي كنترل سرعت و قدرت توربين به يك دستگاه گاورنر (Governor) براي تنظيم جريان آب ورودي به توربين، مجهز مي‌گردد.

گاورنرها به 3 دسته تقسيم مي‌شوند:
– گاورنر مكانيكي
– گاورنر الكترومكانيكي
– گاورنر الكترونيكي
در حال حاضر فقط از گاورنر الكترونيكي در نيروگاههاي جديد استفاده مي‌شود و گاورنرهاي مكانيكي و الكترومكانيكي را فقط در نيروگاههاي قديمي مي‌توان پيدا كرد.

گاورنرهاي جديد داراي دو قسمت الكترونيكي و هيدروليكي مي‎باشند.

1- قسمت الكترونيكي گاورنر
يك كنترل‎كننده الكترونيكي حلقه بسته (close loop) ، مجهز به PLC ، به‌صورت كاملا” دوتايي (Full redundant)، كنترل سيستم را بر عهده مي‌گيرد.
سيگنال‎هاي ورودي اين كنترل‎كننده معمولا” عبارتند از:
– سيگنال آنالوگ سرعت توربين، از خروجي سنسورهاي سرعت توربين (mA20-4)
– سيگنال آنالوگ نشان‎دهنده موقعيت ويكت گيت‌هاي توربين(mA20-4)
– سيگنال آنالوگ نشان‎دهنده توان خروجي ژنراتور (mA20-4)
بر اســــاس سيگنـــــال‎هاي ورودي فــوق و پــردازش آن‌ها در كنتـرل‌كننده PLC، سيگنال خروجــي گـــاورنر الكتـــرونيكي (mA20-4) به شـــير راهنمـــا(Pilot valve) اعمـــال شـــده و با عمــلكرد اين شيـر، فشـــار و دبــي لازم روغـــن براي حركــــت سـرووموتور و دريچه‎هـــاي هـــادي توربيـــن(wicket gates) از طريـق شيـــر كنتـــرل اصـــلي(main valve) گاورنر فراهم مي‎گردد.
كنتـــرل‎كننده فــوق معمولا” به صـورت دوتــايي بـــه عنــوان گاورنــر اصلي و گاورنر پشتيبان در تابلوي كنترل گاورنر قرار مي‌گيرند.
در صـــورت بروز اشكال در گاورنر اصلي(main) ، كنترل سيستم به صورت خودكار، به گاورنر پشتيبان (backup) منتقل مي‎شود.

سيستم كنترل گاورنر داراي سه حالت عملكرد به شرح زير است:
– حـــالت كنتــــرل ســـرعت با كنترل‎كننده PID (speed control)
– حالت كنترل مقدار بازشدگي دريچه‎هاي هادي(wicket gate) توربين با كنترل‎كننده تناسبي (P)(opening control)
– حالت كنترل توان خروجي ژنراتور با كنترل‎كننده PID (Power control)

2- قسمت هيدروليكي گاورنر
قســـمت هيدروليكي گاورنر شامل تجهيزات زير مي‎باشد:
– عمــل‎كننده‎هـــاي الكتروهـــيدروليكي براي تبديل سيگنال‎هاي الكتريكي به مقـــادير مكــانيكي متناظر
– تقويت‎كننده هيدروليكي
– واحد تأمين فشار روغن
از اين واحـــد به منظـــور تأميـــن فشـــار روغــــن بـــراي عمــــلكرد سرومــــوتورهاي تـــوربين و نهايتا” باز و بسته شدن ويكت گيت‌هاي توربين استفاده مي‎شود.
سيستم روغـن گـاورنر شامل مخــزن روغن، تانك فشار روغن/هوا(Air Oil Vessel) ، دو دستگاه پمـپ روغـــن گـــاورنر، شيرهاي سولونوئيدي، شير هيدروليكي، سيستم خنك‎كن روغن (شامل دو دستگاه پمپ، كولر و فيلتر دوتايي مربوطه)، تجهيزات كنترل و اندازه‎گيري، لوله‎كشي و غيره مي‎باشد.
برق سيســـتم كنتــــرل گـــاورنر از دو فيـــدر مجــزا،از سيستم DC نيروگاه تأمين مي‎
شود.

گاورنر دستگاهي است که ميزان سوخت ورودي به موتور را براي دستيابي به بهترين دور ممکن, تنظيم مي کند.

عنوان فهرست مطالب صفحه

مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 1
فصل اول 4
مدلسازی پیشرفته سیستم قدرت 4
1-1 حالت زیر گذرا 6
1-2 معادلات ژنراتور سنکرون 8
1-2-1 عملکرد حالت دائمی 8
1-2-2 عملکرد گذرا 9
1-2-3 عملکرد زیر گذرا 12
1-2-4 چهارچوب مرجع (d, q) ژنراتور و چهارچوب مرجع (a, b) سیستم 13
1-2-5 معادله توان، گشتاور و نوسان 15
1-2-6 نمادگذاری پریونیت 16
1-3 مدل های ژنراتور سنکرون 18
1-3-1 مدل مرتبه ششم – ( ) 19
1-3-2 مدل مرتبه پنجم – ( ) 20
1-3-3 مدل مرتبه چهارم – ( ) 20
1-3-4 مدل مرتبه سوم – ( ) 21
1-3-5 مدل مرتبه دوم – مدل کلاسیک ( ) 22
1-3-6 خلاصه 23
1-4 اثرات اشباع 23
1-4-1 مشخصات اشباع 24
1-4-2 محاسبه فاکتور اشباع 25
1-4-3 حساسیت پارامترها به اشباع 28
1-5 سیستم های تحریک 29
1-5-1 مدل مقایسه کننده و ترانسدیوسر 30
1-5-2 تحریک کننده ها و رگولاتورها 31
1-5-2-1 تحریک کننده های DC 31
1-5-2-2 تحریک کننده های چرخشی AC 35
1-5-2-3 تحریک کننده های استاتیک 38
1-5-3 پایدار کننده سیستم قدرت (PSS) 40
1-6 توربین ها وگاورنرهای توربین 40
1-6-1 توربین های بخار 41
1-6-1-1 سیستم گاورنر برای توربین های بخار 44
1-6-1-2 کنترل بویلر 47
1-6-2 توربین های هیدرولیک 47
1-6-2-1 مدل خطی توربین 50
1-6-2-1 سیستم گاورنر برای توربین های هیدرولیک 52
1-6-3 توربین های بادی 54
1-6-3-1 سیستم های انرژی باد 54
1-6-3-2 سرعت باد 55
1-6-3-3 مدل روتور توربین 56
1-6-3-4 سیستم کنترل انحنا 57
1-6-3-5 سیستم چرخ دنده و شافت 58
1-6-3-6 مدل ژنراتور 59
1-7 مدل های دینامیکی بار 60
1-8 ادوات FACTS 63
1-8-1 ادوات FACTS شنت (موازی) 63
1-8-2 ادوات FACTS سری 63
فصل دوم 66
پایداری حالت گذرای سیستم چند ماشینه 66
2-1 پیش زمینه ریاضی 67
2-1-1 مقادیر ویژه و بردارهای ویژه 68
2-1-2 قطری کردن یک ماتریس مربع حقیقی 74
2-1-3 حل معادلات دیفرانسیل ماتریسی 78
نتیجه گیری: 84
References: 88

عنوان فهرست اشکال صفحه
شکل 1-1 مدارهای تزویج شده محورهای d و q در حالت گذرا: (a) برای تعیین اندوکتانس گذرا; (b) برای تعیین ثابت های زمانی سیم پیچ تحریک. 5
شکل 1-2 مدارهای تزویج محورهای d و q در حالت زیر گذرا: (a) برای تعیین اندوکتانس زیر گذرا; (b) برای تعیین ثابت زمانی های سیم پیچ میرا کننده. 7
شکل 1-3 اشباع: (a) منحنی نوعی اشباع برای یک مدار مغناطیسی که مسیر شار آن در هوا و آهن است ; (b) مشخصه اشباع مدار باز ژنراتور. C، خط فاصله هوایی ; D، خط فاصله هوایی “اشباع شده”. 24
شکل 1-4 مدار معادل برای محاسبه ولتاژ آرمیچر قرار گرفته بر روی راکتانس نشتی 26
شکل 1-5 بلوک دیاگرام مقایسه کننده و ترانسدیوسر 30
شکل 1-6 دیاگرام مدارهای معادل تحریک کننده های DC: (a) تحریک جداگانه; (b) خود تحریک. 31
شکل 1-7 شکل برای توصیف ضریب اشباع: eex منحنی اشباع بی باری است، vex منحنی اشباع بار مقاومت ثابت است. منحنی اشباع تنها در نزدیکی زانوی اشباع نشان داده شده است و به منظور وضوح بیشتر بطور اغراق آمیز رسم شده است. 32
شکل 1-8 بلوک دیاگرام تحریک کننده DC تنظیم شده 33
شکل 1-9 بلوک دیاگرام سیستم تحریک با تحریک کننده DC. مبنی بر گزارش کمیته IEEE (IEEE Committee Report) (1968). 34
شکل 1-10 یکسوکننده پل کنترل نشده سه فاز: (a) مدار معادل; (b) مشخصه ولتاژ-جریان; (c) بلوک دیاگرام. ، ، emf و راکتانس منبع ولتاژ هستند، ، ، emf داخلی و جریان تحریک هستند، و جریان اتصال کوتاه یکسو کننده است. بر اساس گزارش کمیته IEEE (IEEE Committee Report) (1968). 35
شکل 1-11 بلوک دیاگرام سیستم تحریک با آلترناتور AC و یکسوکننده کنترل نشده. 37
شکل 1-12 یکسوکننده پل سه فاز کنترل شده: (a) شمای مدار; (b) مشخصه ولتاژ-جریان. a زاویه آتش تریستورها است. 38
شکل 1-13 بلوک دیاگرام سیستم تحریک با تحریک کننده استاتیکی. بر اساس گزارش کمیته IEEE (IEEE Committee Report) (1968). 39
شکل 1-14 بلوک دیاگرام پایدار کننده سیستم قدرت. A، سنسور سیگنال. B، فیلتر بالا گذر. C، عنصر جبران کننده پيشفاز. D، بهره تقویت کننده. E، محدود کننده. 39
شکل 1-15 مدل جاری شدن بخار درون یک مخزن بخار: (a) مخزن با ظرفیت V ; (b) بلوک دیاگرام. 41
شکل 1-16 توربین کمپوند دو پشته با یکبار گرمایش مجدد: (a) دیاگرام شماتیک; (b) بلوک دیاگرام; (c) بلوک دیاگرام تبدیل شده; (d) پاسخ مدل خطی توربین به یک تغییر پله در موقعیت شیر. نمادهای و توان بخار دریچه ورودی و خروجی توربین هستند. 42
شکل 1-17 گاورنر توربین بخار هیدرولیکی مکانیکی توربین بخار: (a) دیاگرام کارکردی; (b) بلوک دیاگرام; (c) بلوک دیاگرام ساده شده. نمادها: c،‌ موقعیت شیر اصلی بخار; GV،‌شیرهای گاورنر; IV، شیرهای واسط. 45
شکل 1-18 مدل ساده شده گاورنر 46
شکل 1-19 توربین هیدرولیک: (a) دیاگرام شماتیک; (b) مدل غیرخطی. بر مبنای گزارش کمیته IEEE (1968). 48
شکل 1-20 توربین هیدرولیک: (a) مدل خطی؛ (b) پاسخ مدل خطی توربین به یک تغییر پله در موقعیت دریچه. 51
شکل 1-21 بلوک دیاگرام سیستم گاورنر توربین هیدرولیکی: (a) دیاگرام کارکردی؛ (b) دیاگرام کامل؛ (c) دیاگرام ساده شده. 53
شکل 1-22 ضریب عملکرد توربین نشان دهنده اثر زاویه انحنا 56
شکل 1-23 کنترل زاویه انحنا 58
شکل 1-24 سیستم چرخ دنده و شافت توربین 58
شکل 1-25 نمایش حالت گذرای موتور القایی 61
شکل 1-26 مدل دینامیکی ساده شده SVC. 64
شکل 1-27 مدل دینامیکی ساده شده STATCOM. 64
شکل 1-28 مدل دینامیکی ساده شده UPFC به همراه رگولاتورها: (a) بخش سری؛ (b) بخش شنت. 65

عنوان فهرست جداول صفحه
جدول 1-1 حساسیت پارمترهای محور d به اشباع (بر اساس Anderson، Agrawal و Van Nes، 1990) 28
جدول 1-2 مقادیر نوعی پارامترهای سیستم های گاورنر توربین 54