مدلسازی و تحلیل دینامیکی تأثیر افزایش ضریب نفوذ نیروگاه‌های فتوولتایی بر پایداری زاویه¬ای سیگنال کوچک شبکه قدرت

STUDENT

DEGREE

YEAR

Abstarct: This thesis presents a method for small-signal dynamic studies of power systems including utility-scale PV energy systems considering the effects of dc-side components. Existing methods commonly model a PV energy system as a dc source connected to a grid-tied inverter. This thesis shows that the dc components of a PV energy system can also contribute in the dynamics of the power system in the range of small-signal studies. The thesis first develops the model of a PV energy system by merging the sub-models of dc- and ac-side components. Then, a method to obtain the augmented model of the power system including a PV energy system will be explained using a study system. The study system consists of a PV energy system in parallel with a synchronous generator connected to a grid. Then, based on eigenvalue analysis, verified by time-domain simulations, it is shown that the dc-link capacitor, front-end converter and its controller can introduce oscillatory modes in sub-synchronous range of frequencies. Furthermore, it is shown that the damping of the sensitive modes can significantly vary with respect to the parameters of the dc-side components. After presenting the complete PV model, including the dc-side components, this thesis presents and investigates dynamic features of the reduced order models for photovoltaic energy systems using a frequency response approach. The thesis employs transfer function (TF) method to describe both full-order and reduced- order systems models. Transfer functions provide means to compare system models over a specific range of frequency. Various reduced order models are derived by eliminating the inverter ac-side filter, the dc-side components including dc/dc converter and maximum power point tracking controller, dc-link capacitor, and fast current control loop dynamics. Test results obtained for a study system show that in the range of 1-100Hz, the dynamics of the ac-side filter and fast current control loop does not affect the small signal stability and thus can be eliminated. More importantly, the thesis shows that removing the dc-side and dc-link capacitor dynamics which are conventionally replaced with a dc source, eliminate critical dynamic modes in the frequency range of interest. The test results are verified based on the eigenvalue analysis and time domain simulation of the study system considering small disturbances at the ac- and dc-side quantities. Key Words : Dynamic stability, Eigenvalue analysis, PV penetration, Photovoltaic power plants, PV system Small signal model , Reduced order Model, Frequency response.

چ کیده با افزایش ضریب نفوذ نیروگاه‌های تجدیدپذیر از جمله نیروگاه‌های فتوولتایی در شبکه قدرت، مطالعه اثرات دینامیکی این نیروگاه‌ها در شبکه قدرت ضرورت می یابد. یکی از چالشهای اصلی که با افزایش ضریب نفوذ نیروگاه‌های فتوولتایی مطرح می‌شود، تأثیر این نیروگاه‌ها بر پایداری دینامیکی شبکه قدرت می باشد. از دیدگاه دینامیکی، سیستم فتوولتایی بر مبنای اینورترهای متصل به شبکه، یک سیستم بدون جرم می باشدکه دینامیک آن به طور غالب متأثر از نقطه کار (توان) نیروگاه، دینامیک مبدل های الکترونیک قدرت، و مدارهای کنترل آنها می باشد. موضوع اصلی تحقیق در این رساله، بررسی و ارائه روش‌های مناسب برای تحلیل اثر نیروگاه‌های فتوولتایی بر پایداری سیگنال کوچک شبکه قدرت می‌باشد. در این راستا، ابتدا روشی برای مدلسازی دینامیکی نیروگاه‌های فتوولتایی ارائه شده که در عین سادگی از دقت لازم برای تحلیل‌های دینامیکی برخوردار باشد. وجه تمایز این مدل دینامیکی نسبت به مدلهای موجود برای سیستم های فتوولتایی، بررسی تحلیلی اهمیت و مشارکت بخش های مختلف سیستم فتوولتایی از جمله لینک dc و مبدل‌های سمت dc بر دینامیک سیستم قدرت است. به منظور ارزیابی تاثیر بخش‌های مختلف یک سیستم فتوولتایی در دینامیک سیستم قدرت، سیستم‌های مطالعاتی شامل توربین ژنراتورهای سنکرون با مدل های تک جرمی و چند جرمی، مورد بررسی قرار گرفته و با استفاده از تحلیل مقادیر ویژه وآنالیز ضرایب مشارکت، تأثیر و مشارکت بخشهای مختلف سیستم فتوولتایی در دینامیک سیستم قدرت تعیین می شود. بر مبنای مطالعات این بخش نشان داده شده که بخش dc سیستم فتوولتایی شامل لینک dc و کنترل مبدل های تعقیب نقطه توان بیشینه می توانند به صورت بالقوه منجر به تولید مودهای نوسانی فرکانس پایین در محدوده مطالعات دینامیکی شوند و قابل چشم پوشی نیستند. یکی دیگر از مسائلی که در این رساله مورد ارزیابی قرار می گیرد، احتمال وقوع پدیده نوسانات زیر سنکرون در شبکه های قدرت با مدل توربین ژنراتور چند جرمی در اثر اضافه شدن نیروگاههای فتوولتایی به شبکه است. برای این منظور از یک سیستم تست شامل سیستم فتوولتایی و ژنراتور سنکرون چند جرمی استفاده شد که نتایج تحلیل مقادیر ویژه و شبیه سازی حوزه زمان مشخص نمود افزودن نیروگاههای فتوولتایی به شبکه می تواند منجر به افزایش احتمال وقوع پدیده تشدید نوسانات زیر سنکرون شود. در بخش نهایی این رساله، به منظور کاهش پیچیدگی های مدلسازی دینامیکی سیستم های فتوولتایی، چندین مدل دینامیکی کاهش مرتبه یافته برای سیستم فتوولتایی ارائه می شود. مبنای روش کاهش مرتبه، حذف دینامیک بخشهایی ازسیستم فتوولتایی است که پاسخ فرکانسی آنها خارج از محدوده فرکانسی مورد توجه در مطالعات دینامیکی سیگنال کوچک قرار می گیرند. به منظور مقایسه و ارزیابی دقت مدلهای مختلف کاهش مرتبه یافته، در این رساله یک روش مبتنی بر محاسبه تابع انتقال و مقایسه پاسخ فرکانسی ارائه و پیشنهاد شده است و صحت نتایج روش ارائه شده، از طریق تحلیل مقادیر ویژه و شبیه سازی حوزه زمان مورد ارزیابی و تایید قرار می گیرد. مطالعات این بخش نشان می دهد که مدل های کاهش مرتبه 7 (با حذف فیلتر ac) و 5 ( با حذف فیلتر ac و حلقه داخلی کنترل جریان) می توانند به عنوان مدل های کاهش مرتبه یافته‌ای که از دقت کافی برای مطالعات دینامیکی برخوردار هستند، مورد استفاده قرار گیرند. کلمات کلیدی: مدل دینامیکی، پایداری سیگنال کوچک، سیستم های فتوولتایی، تشدید زیر سنکرون، تحلیل مقادیر ویژه، آنالیز ضرایب مشارکت، مدل کاهش مرتبه، پاسخ فرکانسی، تابع انتقال سیستم فتوولتایی.