مقدمه
مقدمه
نگرانی‌های ناشی از کاهش سوخت‌های فسیلی، افزایش دمای کره زمین و مشکلات زیست محیطی، استفاده از منابع تولید پراکنده^[۱] مبتنی بر انرژی‌های تجدید پذیر^[۲] را زمینه تحقیق بسیاری از محققان قرارداده است. با توجه به افزایش تقاضای مصرف و نفوذ روزافزون منابع تولید پراکنده و اتصال میکروگریدها^[۳] به شبکه قدرت، شبکه‌های قدرت روز‌به‌روز بزرگتر و پیچیده‌تر می‌شود. منابع تولید پراکنده و یا نیروگاه‌‌های مستقل برای بالا بردن ظرفیت سیستم به عنوان پشتیبان برای تامین بدون وقفه بارهای حساس محلی، به شبکه توزیع متصل می‌شوند[۱]. از نگاه مصرف کننده تولید و انتقال انرژی الکتریکی به صورت دائم و بدون وقفه بسیار با اهمیت است شبکه توزیع و میکروگرید شامل عناصری از جمله ترانسفورماتور، خطوط انتقال، منابع تولید پراکنده و… هستند که در معرض خطا قرار می‌گیرند و باعث اختلال در شبکه و پایین آمدن کیفیت ولتاژ و توان سیستم می‌شود. به همین منظور وجود یک سیستم حفاظتی که به خوبی هماهنگ شده است، لازم است. این سیستم با عملکرد خودکار جهت جداسازی خطاها از شبکه در کمترین زمان جهت زمان برای حداقل کردن خسارت تنظیم می‌شود. در شبکه توزیع به طور معمول از رله اضافه جریان برای جداسازی محل خطا از شبکه استفاده می‌شود. با افزوده شدن منابع تولید پراکنده به شبکه توزیع سطح اندازه و جهت جریان اتصال کوتاه در خطوط شبکه تغییر می‌کند و در نتیجه، سیستم حفاظت در صورت رخ دادن خطا بدرستی عمل نمی‌کند. بعلاوه، حضور این نیروگاه‌ها منجر به افزایش سطح جریان اتصال کوتاه شبکه می‌شود که از ماکزیمم جریان قابل تحمل بریکرهای موجود در شبکه بیشتر است. تعویض کامل بریکرهای موجود با بریکرهای با ظرفیت بالاتر عملی نیست زیرا علاوه بر قیمت بالای بریکرها، جایگزینی قطعات یدکی مشکل است و هزینه نسبتاً بالایی دارد و همچنین ممکن است سطح جریان اتصال کوتاه شبکه از ماکزیمم جریان قابل تحمل بریکرهای موجود در بازار بیشتر باشد.[۲, ۳]

با توجه به مشکلات ایجاد شده توسط منابع تولید پراکنده، برای نگهداری عملکرد سیستم قدرت در بالاترین درجه امنیت و قابلیت اطمینان^[۴] شبکه روش‌های متعددی ارائه شده است که بهترین و ارزانترین روش، استفاده از محدود کننده جریان خطا^[۵]است که توانایی محدودکردن اولین پیک جریان اتصال کوتاه را دارد. این تجهیز دارای این پتانسیل می‌باشد که در صورتی که در مکان‌های مناسب مورد استفاده قرار گیرد لزوم اضافه و یا تعوض کردن و یا تنظیم مجدد تجهیزات را به حداقل می‌رساند.
اهمیت موضوع
بنا به دلایل اقتصادی، سیاسی درخواست توان الکتریکی روز به روز رو به افزایش است. اتصال تولیدات پراکنده به سیستم توزیع به سرعت رو به گسترش است. این منابع تولید پراکنده در کنار مزیت‌هایشان ممکن است، تاثیرات منفی بر روی سیستم توزیع داشته باشند. [۴] یکی از این آثار منفی، اتصال منابع تولید پراکنده، بر سیستم حفاظتی شبکه‌های توزیع می‌باشد. [۵] بطورکلی مدارشکن‌ها^[۶]، رله‌های حفاظتی، بازبست‌ها^[۷] و فیوزهایی^[۸] که برای یک سیستم توزیع بدون حضور منابع تولید پراکنده طراحی شده‌اند، در هنگام حضور منابع تولید پراکنده بدلیل تغییر سطح جریان اتصال کوتاه بدرستی عمل نخواهند کرد[۶, ۷] و این موضوع باعث کاهش درجه ایمنی سیستم می‌شود. از طرف دیگر سیستم حفاظتی شامل اجزای زیادی است، که برای برطرف کردن خطا می‌بایستی بین آن‌ها هماهنگی برقرار باشد. هماهنگ‌سازی این اجزا در طول فرایند طراحی سیستم براساس محاسبات اتصال کوتاه انجام می‌گیرد. هنگام نصب منابع تولید پراکنده جریان خطا در سیستم افزایش می‌یابد، بنابراین پس از نصب منابع تولید پراکنده می بایستی بعضی از اجزای سیستم حفاظتی مجدداً تعویض و هماهنگ شوند. [۳]
تحقیقات و مطالعات زیادی برای بر طرف کردن مشکلات ناشی از اتصال تولیدات پراکنده در شبکه صورت گرفته است. یکی از موثرترین روش‌ها جهت بر طرف کردن مشکلات، استفاده از محدود کننده جریان خطا در شبکه می‌باشد. محققین تحقیقات زیادی در مورد انواع محدودکننده جریان خطا، اندازه، مکان این تجهیز در شبکه، تاثیرات محدود کننده جریان خطا بر روی ژنراتورها موجود در شبکه و … انجام داده‌اند. بنابراین قرار گرفتن محدود کننده جریان خطا در شبکه به منظور نیل به اهداف زیر می‌باشد.

• • افزایش ظرفیت منابع تولید پراکنده

• • افزایش ظرفیت انتقال انرژی به مسافت‌های بلندتر

• • کاهش افت ولتاژ^[۹] به دلیل خطا

• • بهبود پایداری سیستم

• • بهبود امنیت و قابلیت اطمینان شبکه

• • حفظ سیستم حفاظتی

مروری بر مطالعات صورت گرفته جهت کاهش تاثیرات منبع تولید پراکنده
تاکنون روش‌های مختلفی برای کاهش اثر منفی تولید پراکنده ارائه شده است، که در اینجا برخی از این روش‌ها مرور می‌شود.
در روش ارائه شده در مرجع [۸] اثرات منفی ایجاد شده پس از اتصال تولید پراکنده با جعبه ابزار محاسباتی SiGDist^[10] بررسی شده است. براساس نتایج بدست‌آمده محدودیت‌های حاصل شده از اتصال تولید پراکنده مشخص می‌شود. با توجه به محدودیت‌های حاصل شده میزان تغییرات لازم در تجهیزات سیستم حفاظت و هماهنگی‌های حفاظتی براساس مکان نصب تولید پراکنده و ماکزیمم توان تولیدی این منابع برآورد می‌شود.
در [۹] ظرفیت یک توربین بادی با در نظر گرفتن تنظیم ولتاژ و هماهنگی رله‌های اضافه جریان به کمک فرمول‌های پیشنهادی طی یک الگوریتم تکرار شونده تعیین شده است. در [۱۰] حداکثر ظرفیت مجاز منبع تولید پراکنده با سه قید حداکثر و حداقل اندازه مجاز شین‌های^[۱۱] شبکه پس از نصب منبع تولید پراکنده، بیشتر نشدن تلفات شبکه پس از نصب منبع تولید پراکنده نسبت به حالت مبنا و هماهنگی حفاظتی فیوز و ریکلوزر^[۱۲] با روشی شبیه به [۹] بدست می ­آید.
در مرجع [۱۱-۱۳] پیشنهاد می‌شود، که اندازه منابع تولید پراکنده برای کاهش اثر منفی این منابع بر سیستم حفاظت کاهش داده شود. با کاهش توان تحویلی این منابع، جریان تولیدی این منابع در حالت اتصال کوتاه کاهش داده شده و اثر منفی این منابع بر سیستم حفاظت حداقل می‌شود. در صورتیکه منابع تولید پراکنده بسرعت و قبل از عملکرد تجهیزات حفاظتی از سیستم جدا شده و پس از یک تاخیر زمانی دوباره وارد مدار شوند، اثر منابع تولید پراکنده بر سیستم حفاظت حداقل می‌شود [۱۴].
با توجه به تغییر سطح جریان اتصال کوتاه در اثر اضافه شدن منبع تولید پراکنده و بر هم خوردن حفاظت سیستم توزیع، استفاده از سیستم حفاظت تطبیقی [۵] و استفاده از رله‌های میکروپروسسوری [۱۵] از روش‌های پیشنهاد شده برای حل این مشکل می‌باشد. در مرجع [۱۶] روشی مبتنی بر عملکرد تولید پراکنده در زمان خطا ارائه می‌شود. ضمن اینکه در این الگوریتم فرض می‌شود، که تولید پراکنده در حالت جزیره‌ای نمی‌باشد. برای پیاده‌سازی این طرح پیشنهادی منبع تولید پراکنده می‌بایستی به دو فیدر متصل باشد و در حالت عملکردی حلقه عمل نماید. هنگامی که خطایی در سیستم اتفاق می‌افتد، منبع تولید پراکنده از شاخه آسیب دیده جدا شده و از طریق شاخه دیگرش سیستم را تغذیه می کند.
در مرجع [۱۷] روشی جدید بر پایه تکنولوژی عامل^[۱۳] ارائه می‌گردد. در این روش سیستم‌های مخابراتی نقش مهمی را در جهت فراهم کردن اطلاعات لازم برای هماهنگی حفاظتی رله‌ها و تنظیمات آن‌ها برعهده دارند.
همانگونه که مشخص است، روش های ارائه شده در مراجع [۱۵-۱۷] روش‌هایی پیچیده و مستلزم تنظیمات جدید برای رله‌ها و استفاده از مدارشکن‌های جدید و رله‌های میکروپروسسوری و تجهیزات پیچیده مخابراتی می‌باشند. بنابراین کاملاً مشخص است که هزینه پیاده‌سازی و اجرای این روش‌ها گران می‌باشد. با اجرای روش‌های [۸-۱۴] امکان استفاده از تمام توان منبع تولید پراکنده وجود ندارد و بنابراین این روش‌ها نیز مفید نمی باشند. می‌بایستی به این نکته توجه کرد، که با قطع منابع تولید پراکنده از سیستم توزیع، مشکلاتی نظیر ناپایداری ولتاژ و فلیکر پدیدار می‌شوند. بنابراین روش‌های ارائه شده دارای مشکلات عمده‌ای می‌باشد و نیازمند مطالعات بیشتری است.
یکی از روش‌های ارائه شده در سال‌های اخیر، بکارگیری محدود کننده جریان خطا (^[۱۴]FCL) برای کاهش اثر منفی منابع تولید پراکنده بر حفاظت سیستم توزیع می‌باشد [۱۸-۲۰] با اجرای این روش تعداد تجهیزات حفاظتی که پس از نصب منابع تولید پراکنده نیاز به تعویض دارند، حداقل می‌شود. بنابراین پیاده‌سازی این روش مستلزم هزینه بالا و الگوریتم‌های حفاظتی پیچیده نمی‌باشد.
اهداف پایان‌نامه
نفوذ روز افزون منابع تولید پراکنده در شبکه‌های قدرت علاوه بر مزیتهای فراوانی که دارد، این شبکه‌ها را با چالشهایی اساسی مواجهه ساخته است. افزایش سطح اتصال کوتاه شبکه با الحاق منابع تولید پراکنده جدید به شبکه موجود یکی از مهمترین موانع افزایش ضریب نفوذ واحدهای تولید پراکنده محسوب می‌شود. این موضوع ممکن است منجر به بروز مشکلاتی شود که مهمترین آنها عبارت است از:
۱) ممکن است سطح اتصال کوتاه شبکه از ماکزیمم جریان قابل تحمل تجهیزات شبکه همانند بریکرها و ترانسفورمرها بیشتر شود. یکی از راهکارهای مرتفع نمودن این مشکل جایگزینی اجزای شبکه با اجزای جدید با مقادیر نامی بالاتر است که البته شیوه پر هزینه‌ای بوده و به دلیل تداوم افزایش ضریب نفوذ واحدهای تولید پراکنده شیوه مناسبی نیست.
۲) عدم عملکرد صحیح بریکرها ممکن است باعث ناپایداری گذرایی و یا دینامیکی شبکه گردد.
۳) از آنجایی که اغلب شبکه‌های توزیع شعاعی بوده و با رله‌های جریان زیاد هماهنگ شده حفاظت می‌شوند، تغییر سطح اتصال کوتاه ممکن است منجر به از دست دادن هماهنگی حفاظتی آنها شوند. یک شیوه برای حل این مشکل می‌تواند استفاده از سیستم حفاظتی قابل تغییر باشد، که خود باعث پیچیده‌تر شدن الگوریتم حفاظتی می‌شود.
یک راهکار موثر در حل این مشکلات استفاده از محدود کننده‌های جریان خطا است. تعداد، اندازه و موقعیت مناسب محدود کننده‌ها در شبکه در حل مشکلات مذکور موثر بوده و از اهمیت بالایی برخوردار هستند. هر چند که تعیین موارد ذکر شده در بکارگیری محدود کننده های جریان خطا در یک شبکه شعاعی امری ساده است، لیکن این موضوع در شبکه‌های پیچیده‌تر وحلقوی با افزودن منابع تولید پراکنده مسئله پیچیده‌ای است که باید توسط روش های بهینه‌سازی حل شود. از چند دیدگاه این بهینه‌سازی مورد مطالعه قرار گرفته است که دیدگاه اقتصادی و حفاظتی و کیفیت ولتاژ از آن جمله می‌باشند. با توجه به آسیب‌پذیری برخی از المانهای شبکه‌های جدید (همانند واسطه‌های الکترونیک قدرت) از دامنه بالای جریان در چند سیکل اولیه پس از بروز خطا، لزوم تعیین تعداد، اندازه و موقعیت مناسب محدودکننده‌ها از دیدگاه حداکثر تاثیر بر شرایط زیرگذرای پس از خطا کاملا احساس می‌شود. این تحقیق به بررسی بهینه‌سازی مسئله بکارگیری محدود کننده‌های جریان خطا در میکروگریدها با هدف حداقل نمودن اثرات منفی شرایط زیرگذرای خطا بر حفاظت سیستم و کیفیت ولتاژ شبکه توزیع و میکروگرید در صورت افزودن یک واحد تولید پراکنده به میکروگرید اختصاص می‌یابد.
ساختار پایان‌نامه
این پایان نامه در ۵ فصل ارائه شده است. فصل دوم شامل ۴ بخش است که در بخش اول تولیدات پراکنده معرفی شده و مزایا و معایب نصب تولیدات پراکنده به شبکه قدرت بیان گردیده است. بخش دوم به معرفی میکروگرید و مطالعات صورت گرفته بر روی میکروگرید پرداخته است. در بخش سوم چند نمونه از محدودکننده‌های جریان خطا معرفی شده و در بخش چهارم مطالعات صورت گرفته بر روی محدودکننده جریان خطا ذکر شده است. فصل سوم این پایان نامه شامل ۵ بخش است که در بخش اول الگوریتم بهینه سازی استاد و دانشجو و در بخش دوم، به رله اضافه جریان که در این پایان نامه مورد استفاده قرار گرفته است پرداخته شده است. و بخش سوم الی پنجم به تعریف مسئله، مقادیر و پارامتر‌های عناصر دو شبکه مورد بررسی در این پایان نامه اختصاص می‌یابد. در فصل چهارم نتایج شبیه سازی اتصال منبع تولید پراکنده که به دو شبکه ۲۰ کیلو وات و شبکه IEEE 30 باس نصب شده است گزارش شده است. و در نهایت درفصل آخر نتیجه‌گیری از این تحقیق ارائه و پیشنهادات لازم جهت ادامه کار مطرح گردیده است.
فصل دوم
مروری بر پیشینه تحقیق
مقدمه
در فصل گذشته خلاصه‌ای از مطالعات صورت گرفته در مورد چالش‌های نصب منبع تولید پراکنده و نفوذ هر چه بیشتر منابع تولید پراکنده در شبکه قدرت ارائه شد. در این فصل به معرفی تحقیقات موجود در پایان نامه پرداخته می‌شود که شامل ۴ بخش است که به ترتیب به معرفی منبع تولید پراکنده، میکروگرید، چند نمونه از محدودکننده جریان خطا و مروری بر مطالعات صورت گرفته بر محدود کننده جریان خطا می‌پردازد.
منبع تولید پراکنده
منابع تولید پراکنده به منابع تولید مقیاس پایینی اطلاق می‌شود که در سطح شبکه‌ی توزیع نزدیک به مراکز بار، یعنی نزدیک به مکان‌هایی که بیشترین انرژی مصرف می‌شود، پراکنده شده‌اند. موسسه‌ی IEEE استانداردهای مربوط به منابع تولید پراکنده‌ی خود [۲۱] را منتشر کرده‌ است و در آن­ها تاکید گردیده که این استاندارد­ها قابل اعمال به منابع تولید پراکنده­ای می‌باشند که ظرفیت کلی آنان کمتر از ۱۰ مگا ولت­آمپر است منابع تولید پراکنده، از منابع اولیه انرژی متنوعی که براساس انرژی‌های تجدیدپذیر و یا سوخت‌های فسیلی می‌باشند، استفاده می‌کنند. منابع تولید پراکنده‌ مبتنی بر فن‌آوری‌های تجدیدپذیر شامل، توربین­های قدرت آبی کوچک، سلولهای فتوولتائیک^[۱۵]، توربین‌های بادی^[۱۶]، منابع بیوگاز^[۱۷]، زمین گرمایی^[۱۸] می‌باشند درحالی که منابع تولید پراکنده­ای که از فن­آوری­های متداول استفاده می­ کنند ممکن است از نوع توربین‌های گازی، موتورهای احتراق داخلی، میکروتوربین‌ها^[۱۹]، و پیل‌های سوختی^[۲۰] باشند. سیستم‌های ذخیره انرژی الکتریکی و مکانیکی^[۲۱] مانند انواع باتری‌ها، ابررساناهای مغناطیسی، چرخ‌های طیار^[۲۲] و ابرخازن‌ها^[۲۳] از دیگر تکنولوژی‌های بکار رفته در تولیدات پراکنده می‌باشند. [۲۲, ۲۳]
توسعه‌ی بهینه‌ی فن‌آوری منابع تولید پراکنده یک تاثیر مثبت کلی خواهد داشت، اگرچه برخی از ویژگی­های منفی باقی خواهند ماند. برخی از فواید اضافه نمودن منابع تولید پراکنده به شبکه را می­توان به­شکل زیر خلاصه نمود:

• • بهبود قابلیت ­اطمینان و بازده­ی منبع انرژی.

• • آزاد نمودن ظرفیت در دسترس پست­های توزیع و همین‌طور کاهش تنش­های حرارتی که توسط پست­ها، ترانسفورمر­ها و فیدر­های زیر بار تولید شده ­اند.

• • بهبود پروفیل ولتاژ و ضریب بار شبکه.

• • کاهش دادن تلفات کلی شبکه.

• • عموماً توسعه و ساخت منابع تولید پراکنده بازه­های زمانی کمتری لازم دارند.

• • عموماً تولیدات پراکنده در مقایسه با نیروگاه­های سنتی که با زغال سنگ، نفت یا گاز کار می‌کنند به سازگاری با محیط گرایش بیشتری دارند.

• • قابلیت راه اندازی در شرایط اضطراری و پاسخ زمانی سریع

• • تأمین توان راکتیو و بهبود کیفیت توان و قابلیت اطمینان

• • کاهش یا حذف نیاز به توسعه شبکه انتقال و توزیع

در صورت افزودن یک منبع تولید پراکنده افزایش سطح جریان اتصال کوتاه باعث اثرات مخربی به شرح زیر در سیستم قدرت می‌گردد.

• • ازدیاد نیرو‌های دینامیکی حاصل از افزایش جریان اتصال کوتاه فشار زیادی بر تجهیزات شبکه از قبیل ترانسفورماتورها مدار شکن‌ها ژنراتورها وارد می‌سازد.

• • افزایش ولتاژ بازیافت و گذرا ناشی از افزایش جریان اتصال کوتاه عایق بندی سیستم را تهدید می‌کند.

• • افزایش جریان اتصال کوتاه باعث افزایش انرژی حرارتی ترانسفورماتورها و ژنراتور‌ها می‌شود.

• افزایش جریان اتصال کوتاه خطای نسبت تبدیل ترانسفورماتور‌های جریان ناشی از اشباع را بیشتر می‌کند.