ماشین‌های سنکرون یکی از مهم‌ترین تجهیزات در سیستم‌های تولید انرژی الکتریکی هستند و عملکرد دینامیکی آن‌ها در شرایط تغییرات ناگهانی بار، نقش مهمی در پایداری شبکه قدرت دارد. یکی از آزمون‌های متداول برای بررسی رفتار ژنراتورهای سنکرون، آزمایش کاهش ناگهانی بار یا Load Shedding است. در این آزمایش، بخشی از بار مصرفی از شبکه جدا می‌شود و پاسخ ژنراتور از نظر تغییرات سرعت، توان مکانیکی، توان الکتریکی و عملکرد سیستم کنترل سرعت بررسی می‌شود.

در این شبیه سازی، یک ماشین سنکرون ساده با توان نامی 2000 kVA و ولتاژ 600 ولت بررسی می‌شود. هدف اصلی، تحلیل عملکرد سیستم تنظیم سرعت ژنراتور هنگام حذف ناگهانی بخشی از بار و مقایسه رفتار ماشین در دو حالت بدون کنترل‌کننده سرعت و با فعال بودن تنظیم‌کننده سرعت است. این مدل در محیط Matlab/Simulink پیاده‌سازی شده و از بلوک‌های Simulink برای ایجاد کنترل‌کننده تناسبی-انتگرالی (PI) استفاده می‌کند.

معرفی سیستم مورد بررسی

سیستم مورد مطالعه شامل یک آلترناتور سه‌فاز چهار سیمه با نقطه نول زمین‌شده است. مشخصات اصلی ماشین به صورت زیر در نظر گرفته شده است:

• توان ظاهری نامی ژنراتور: 2000 kVA
• توان اکتیو نامی: 1600 kW
• ضریب توان: 0.8
• ولتاژ خط به خط: 600 V
• سرعت مکانیکی: 1800 rpm
• نوع سیستم: ژنراتور سنکرون سه‌فاز چهار سیمه

ژنراتور به یک بار القایی سه‌فاز با توان اکتیو 1600 kW و توان راکتیو 400 kvar متصل شده است. این بار نشان‌دهنده یک مصرف‌کننده صنعتی با ماهیت القایی است که باعث ایجاد توان راکتیو در شبکه می‌شود.

امپدانس داخلی ژنراتور با مقدار پریونیت زیر مدل‌سازی شده است:

Zg = 0.0036 + j0.16 pu

این امپدانس شامل مقاومت سیم‌پیچ آرمیچر و راکتانس گذرای محور مستقیم ماشین است. مقدار مقاومت داخلی و راکتانس گذرا تأثیر مستقیمی بر پاسخ دینامیکی ژنراتور در زمان تغییرات بار دارد.

مدل‌سازی اینرسی و سیستم محرک اولیه

در رفتار دینامیکی ماشین‌های سنکرون، ثابت اینرسی یکی از پارامترهای مهم است. در این شبیه سازی، ثابت اینرسی کل مجموعه ژنراتور و محرک اولیه برابر با:

H = 0.6 s

در نظر گرفته شده است. این مقدار معادل ممان اینرسی مکانیکی:

J = 67.5 kg.m²

است. ثابت اینرسی مشخص می‌کند که ماشین در مقابل تغییرات ناگهانی گشتاور چه مقدار مقاومت نشان می‌دهد. هرچه مقدار H بزرگ‌تر باشد، تغییرات سرعت در اثر تغییر بار آهسته‌تر خواهد بود.

سیستم کنترل سرعت ژنراتور

برای کنترل سرعت ماشین سنکرون، یک تنظیم‌کننده سرعت در محیط Simulink طراحی شده است. این کنترل‌کننده بر اساس ساختار PI عمل می‌کند. وظیفه اصلی کنترل‌کننده سرعت، حفظ سرعت روتور در مقدار مرجع یک پریونیت است.

در حالت عادی، زمانی که بار متصل به ژنراتور تغییر می‌کند، تعادل بین توان مکانیکی ورودی از توربین یا محرک اولیه و توان الکتریکی خروجی ژنراتور به هم می‌خورد. اگر توان الکتریکی کاهش یابد، گشتاور الکتریکی کمتر از گشتاور مکانیکی خواهد شد و ماشین شروع به افزایش سرعت می‌کند. کنترل‌کننده سرعت با کاهش توان مکانیکی ورودی، این افزایش سرعت را جبران کرده و سرعت را به مقدار مرجع بازمی‌گرداند.

راه‌اندازی اولیه ماشین در حالت ماندگار

قبل از اجرای شبیه سازی دینامیکی، لازم است شرایط اولیه ماشین در حالت ماندگار تنظیم شود. برای این منظور از ابزار Machine Initialization در بلوک powergui استفاده می‌شود.

در این مرحله، نوع باس ماشین روی حالت Swing Bus قرار می‌گیرد. دلیل انتخاب این حالت آن است که در مدار مورد نظر هیچ منبع ولتاژی وجود ندارد که زاویه مرجع شبکه را تعیین کند. بنابراین ماشین وظیفه کنترل ولتاژ و زاویه فاز ترمینال‌های خود را بر عهده می‌گیرد.

ولتاژ اولیه ترمینال ماشین برابر با ولتاژ نامی 600 ولت و زاویه فاز ولتاژ UAN برابر با صفر درجه تنظیم می‌شود. پس از فشردن گزینه Compute and Apply، مقادیر اولیه ولتاژها، جریان‌ها، توان‌های اکتیو و راکتیو و همچنین توان مکانیکی مورد نیاز محاسبه می‌شوند.

نتایج اولیه شبیه سازی به صورت زیر به دست می‌آید:

• توان اکتیو خروجی: 1600 kW
• توان راکتیو خروجی: 400 kvar
• توان مکانیکی مورد نیاز: 1604.7 kW
• توان مکانیکی پریونیت: 0.8024 pu
• ولتاژ تحریک میدان: 1.0247 pu

همچنین ابزار مقدار اولیه مناسب برای ورودی توان مکانیکی را پیشنهاد می‌دهد. مقدار گشتاور مکانیکی نیز برابر با 0.8024 pu تنظیم شده است. ولتاژ تحریک ماشین به صورت خودکار توسط ابزار مقداردهی اولیه اصلاح شده و مقدار جدیدی برای ورودی میدان اعمال می‌شود.

شبیه سازی کاهش بار بدون استفاده از تنظیم‌کننده سرعت

در مرحله اول، سیستم کنترل سرعت از مدار خارج می‌شود. برای این کار کلید دستی Manual Switch در وضعیت بالایی قرار داده می‌شود تا کنترل‌کننده سرعت غیرفعال شود.

در شروع شبیه سازی، جریان‌های سه‌فاز ماشین دارای شکل موج سینوسی پایدار هستند و ژنراتور در شرایط تعادل کار می‌کند. در زمان 0.2 ثانیه، کلید قدرت سه‌فاز باز شده و یک بار مقاومتی 800 kW از مدار خارج می‌شود.

با باز شدن کلید، حدود 50 درصد بار اکتیو ژنراتور حذف می‌شود. در نتیجه توان الکتریکی خروجی از مقدار 0.8 پریونیت به حدود 0.4 پریونیت کاهش پیدا می‌کند. از آنجا که توان مکانیکی ورودی هنوز ثابت باقی مانده است، یک عدم تعادل بین گشتاور مکانیکی و الکتریکی ایجاد می‌شود.

Tmec – Telec = 0.8 – 0.4 = 0.4 pu

این اختلاف گشتاور باعث افزایش سرعت روتور می‌شود. نرخ افزایش سرعت بر اساس معادله حرکت ماشین سنکرون برابر است با:

dN/dt = 1/(2H)

با توجه به مقدار ثابت اینرسی H=0.6، نرخ تغییر سرعت برابر با حدود 0.833 پریونیت بر ثانیه به ازای واحد گشتاور خواهد بود. بنابراین افزایش سرعت اولیه تقریباً برابر است با:

0.833 × 0.4 = 0.33 pu/s

انتظار می‌رود پس از گذشت یک ثانیه، سرعت افزایش قابل توجهی داشته باشد. در زمان 1.2 ثانیه مقدار سرعت حدود 1.38 pu اندازه‌گیری می‌شود که کمی بیشتر از مقدار تئوری 1.33 pu است. دلیل این اختلاف، کاهش تدریجی گشتاور الکتریکی هنگام افزایش سرعت است که باعث افزایش گشتاور شتاب‌دهنده خالص می‌شود.

شبیه سازی با فعال بودن کنترل‌کننده سرعت

در مرحله دوم، کنترل‌کننده سرعت فعال می‌شود. برای این کار وضعیت کلید Manual Switch تغییر داده شده و سیستم تنظیم سرعت وارد مدار می‌شود.

پس از اجرای مجدد شبیه سازی، رفتار دینامیکی ژنراتور در Scope مشاهده می‌شود. برخلاف حالت بدون کنترل‌کننده، سرعت ماشین پس از حذف بار افزایش زیادی پیدا نمی‌کند، زیرا کنترل‌کننده PI با تشخیص افزایش سرعت، فرمان کاهش توان مکانیکی را صادر می‌کند.

هدف کنترل‌کننده این است که سرعت ژنراتور را روی مقدار مرجع یک پریونیت ثابت نگه دارد. بنابراین پس از کاهش بار، توان مکانیکی ورودی کاهش یافته و گشتاور مکانیکی جدید تقریباً برابر با توان الکتریکی باقی‌مانده می‌شود.

Tmec ≈ 0.4 pu

در نتیجه، تعادل جدیدی بین توان مکانیکی و توان الکتریکی برقرار شده و سرعت ماشین به مقدار نامی بازمی‌گردد.

نتیجه‌گیری شبیه سازی

این شبیه سازی نشان می‌دهد که حذف ناگهانی بار می‌تواند باعث افزایش سرعت ژنراتورهای سنکرون شود و در صورت نبود سیستم کنترل مناسب، سرعت ماشین از مقدار نامی فاصله خواهد گرفت. استفاده از تنظیم‌کننده سرعت مبتنی بر کنترل‌کننده PI باعث می‌شود تغییرات سرعت محدود شده و ژنراتور سریع‌تر به نقطه کار پایدار بازگردد.

مدل ماشین سنکرون ساده در Matlab/Simulink یک ابزار مناسب برای بررسی رفتار گذرای ژنراتورها، تحلیل

پایداری سرعت، مطالعه اثر ثابت اینرسی و طراحی سیستم‌های کنترل سرعت در نیروگاه‌ها و شبکه‌های قدرت است. این شبیه سازی می‌تواند به عنوان پایه‌ای برای بررسی مدل‌های پیچیده‌تر شامل گاورنر توربین، سیستم تحریک و کنترل‌های پیشرفته نیروگاه مورد استفاده قرار گیرد.