بررسی تأثیر اتصال مزارع بادی مقیاس بزرگ بر پایداری گذرای زاویه رتور ژنراتورهای سنکرون

STUDENT

DEGREE

YEAR

Nowadays the use of renewable energy resources has been increased. Wind energy with it' long history, faster technology development and vast resources of wind farms draws attentions and grows rapidly. In the early years of commerical use of wind energy to produce electricity, wind farms in the power system were too scattered and consisted of few low power wind turbines. But in recent years, with advancements in the wind turbines technology and change that happened in the approach to utilizing maximum available wind resources, the number and power of wind turbines in the wind farm have been increased. The nominal power of a single wind turbine also reaches to few megawatts. As a result new wind power plants are of high power to about few hundred megawatts. In the past, which wind farms were small and connected to the distribution network, their influence on power system was local, and they almost didn't have impact on synchronous generators rotor angle transient stability. But new high power wind plants are connected to transmission system. Due to their high penetration, wind farms participate in the stability of power system and in particular in the rotor angle transient stability. In this research the synchronous generators rotor angle transient stability of power system in the presence of large scale wind farms has been studied. In the first step, the dynamic model of wind turbines in the IEC61400-27-1 has been implemented in PowerFactory version 15.1.7. In order to prevent the computational hardship and time-consuming simulations, an aggregation method has been described and implemented. IEEE 9-bus system as the first benchmark system has been simulated by substitution of G02 with a wind farm (each kind of 4 wind-turbine types per step) and defining different scenarios. IEEE 39-bus system is the main test system. 5 main regions has been defined and for each one of them different scenarios have been simulated. For a practical case, wind potential at Mill Nader i north of Sistan and Balouchestan power grid has been considered. The study for a 100 megawatt wind farm at Mill Nader has been done. In 9 bus system 3 main criteria considered for rotor angle studies. Among these three, critical clearing time (or CCT) found to be the best criterion for comparison. Generally dynamic performance of wind farms consisted of type1 and type2 wind turbines were very similar, and with very little difference type1 has better performance. Wind farms consisted of type4 wind turbines due to their fast response converters that can provide active and reactive power, have the best dynamic performances and higher CCT. The next high CCT belong to, wind farms consisting of type3 wind turbines, and wind farms consisting of type2 wind-turbines are the worst. Studies at 39-bus system showed that substitution of highly loaded synchronous generators in bottleneck situations improves the CCT. In general increase of penetration wind power plants weakens the synchronous generator rotor angle transient stability of the system. Keywords: Large-scale wind farms, Rotor angle transient stability, Critical clearing time

امروزه استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر در تأمین انرژی موردنیاز بشر افزایش یافته‌است. استفاده از انرژی باد به علت سابقه طولانی‌تر، پیشرفت سریعتر تکنولوژی آن و گستردگی منابع بادی، در بین انواع انرژی‌های تجدیدپذیر بیشتر مورد توجه بوده و بیشتر رشد داشته‌است. در سال‌های اولیه استفاده صنعتی از انرژی باد در تولید برق، مزارع‌بادی به صورت پراکنده و متشکل از چند ده توربین‌بادی کوچک چند صد کیلوواتی بودند. اما در سال‌های اخیر و با پیشرفت‌‌ تکنولوژی ساخت توربین‌های‌بادی و تغییر رویکرد به سمت بهره‌برداری حداکثری از منابع بادی، تعداد توربین‌های‌بادی موجود در یک مزرعه‌بادی در اکثر موارد به چندصد عدد و توان نامی هریک از توربین‌های‌بادی هم به چند مگاوات می‌رسد. به این ترتیب مزارع‌بادی که امروزه در دنیا به بهره‌برداری می‌رسند به صورت مقیاس بزرگ و چندصدمگاواتی هستند. در گذشته مزرعه‌بادی کوچک بوده و به شبکه توزیع متصل می‌شدند و تأثیراتشان روی سیستم‌قدرت به صورت محلی بود و روی مباحث پایداری گذرای زاویه رتور ژنراتورهای سنکرون تقریباً اثری نداشتند. امروزه مزارع‌بادی مقیاس‌بزرگ در سیستم‌قدرت به شبکه انتقال متصل می‌شوند و به علت توان نامی بالا و ضریب نفوذ بالایی که دارند در بحث پایداری شبکه و به طور خاص پایداری گذرای زاویه رتور ژنراتورهای سنکرون شبکه هم مشارکت می‌کنند. در این تحقیق سعی شده‌است تاثیر ورود مزارع بادی مقیاس بزرگ روی بحث پایداری گذرای زاویه رتور ژنراتورهای سنکرون شبکه مطالعه شود. به این منظور در گام نخست مدل دینامیکی توربین‌های‌بادی ارائه شده در استاندارد IEC61400-27-1 استخراج و در نرم‌افزار PowerFactory نسخه 15.1.7 پیاده‌سازی شده‌است. سپس به منظور اجتناب از افزایش بار محاسباتی و زمان انجام شبیه‌سازی‌ها، فرایند تجمیع مدل توربین‌های‌بادی و شبکه داخلی مزرعه‌بادی برای مدل کردن مزارع‌بادی مقیاس‌بزرگ تشریح شد. در گام بعدی شبکه استاندارد 9 باسه IEEE به عنوان اولین شبکه تست انتخاب شده و با جایگزینی نیروگاه شماره دو با مزرعه‌بادی ( در هر مرحله متشکل از هریک از چهار نوع توربین‌بادی اصلی) و تعریف سناریوهایی، شبیه‌سازی‌ها روی این شبکه صورت گرفت. در گام بعدی شبکه استاندارد 39 باسه IEEE به عنوان شبکه تست اصلی مورد مطالعه قرار گرفت. با توجه به وسعت شبکه، پنج منطقه تعریف و جایگزینی‌ها و مطالعات به شیوه‌ای که روی شبکه‌ 9 باسه صورت گرفته بود تکرار شده‌است. در نهایت وضعیت منطقه میل‌نادر و شبکه استان سیستان و بلوچستان تشریح شده‌است و با استفاده از نتایج به دست آمده از مطالعات روی شبکه‌های استاندارد 9 باسه و 39 باسه IEEE ،برای یک مزرعه‌بادی 100 مگاواتی (متشکل از توربین‌های‌بادی نوع سه و چهار) یک مطالعه موردی صورت گرفته‌است. در شبکه استاندارد 9 باسه سه مولفه اصلی دامنه نوسان اول، زمان نشست و زمان بحرانی رفع خطا برای مطالعه زاویه رتور درنظر گرفته شد. به تدریج و با انجام مطالعات مشخص شد که مولفه سوم یعنی زمان بحرانی رفع خطا به منظور مقایسه بین مزارع بادی از انواع مختلف معیار بهتری است. به طور کلی عملکرد دینامیکی مزارع‌بادی متشکل از توربین‌های‌بادی نوع یک و نوع دو بسیار به هم شبیه بودند و با تفاوت اندکی نوع یک عملکرد بهتری داشت. مزارع‌بادی متشکل از توربین‌های‌بادی نوع 4 به علت داشتن مبدل‌های سریع و توانایی بالای این نوع از توربین‌های‌بادی در تبادل توان اکتیو و راکتیو در لحظه پس از رفع خطا، بهترین عملکرد را در بهبود زمان بحرانی رفع خطا داشتند. در رتبه بعدی مزارع‌بادی متشکل از توربین‌های‌بادی نوع 3 قرار داشتند و مزارع‌بادی متشکل از توربین‌های‌بادی نوع 2 سبب تضعیف زمان بحرانی رفع خطا شدند. نتایج مطالعات صورت گرفته روی شبکه 39 باسه استاندارد نشان داده‌است که جایگزینی ژنراتورهای سنکرونی که در وضعیت تنگنا و تحت بارگذاری زیاد هستند با نیروگاه‌بادی به بهبود زمان بحرانی رفع خطا می‌انجامد. افزایش ضریب نفوذ فارغ از نوع توربین تشکیل دهنده مزرعه‌بادی سبب تضعیف پایداری گذرای زاویه رتور ژنراتورهای سنکرون شده‌است. کلمات کلیدی: مزارع‌بادی مقیاس‌بزرگ، پایداری گذرای زاویه رتور ، زمان بحرانی رفع خطا