سیستم‌های تولید برق اضطراری نقش بسیار مهمی در تأمین پیوسته انرژی الکتریکی در شرایط بحرانی دارند. یکی از کاربردهای مهم این سیستم‌ها، استفاده از واحدهای دیزل ژنراتور در کنار شبکه قدرت برای تغذیه بارهای صنعتی حساس است. در این شبیه سازی، عملکرد یک سیستم شامل ژنراتور سنکرون متصل به موتور دیزل، موتور آسنکرون و بار مقاومتی بررسی می‌شود. هدف اصلی این مثال، استفاده از ابزار Machine Load Flow در بلوک Powergui نرم‌افزار Matlab/Simulink برای مقداردهی اولیه صحیح سیستم موتور القایی و دیزل ژنراتور است.

در سیستم‌های قدرت، شروع شبیه سازی از شرایط پایدار اهمیت بسیار زیادی دارد. اگر ماشین‌های الکتریکی بدون مقداردهی اولیه مناسب وارد شبیه سازی شوند، ممکن است پاسخ‌های گذرا غیرواقعی ایجاد شده یا زمان زیادی برای رسیدن سیستم به شرایط پایدار نیاز باشد. ابزار Load Flow در محیط Matlab این امکان را فراهم می‌کند که توان‌های اکتیو و راکتیو، ولتاژها، جریان‌ها و شرایط اولیه ماشین‌ها قبل از آغاز شبیه سازی محاسبه و تنظیم شوند.

معرفی ساختار سیستم قدرت

سیستم مورد بررسی شامل یک نیروگاه کوچک اضطراری است که از یک موتور دیزل و ژنراتور سنکرون سه‌فاز تشکیل شده است. این واحد در کنار یک شبکه توزیع 25 کیلوولت قرار گرفته و وظیفه آن تأمین انرژی الکتریکی بارها در هنگام قطع شبکه اصلی است.

بارهای موجود در سیستم شامل یک بار مقاومتی و یک موتور آسنکرون سه‌فاز هستند که از طریق یک ترانسفورماتور قدرت با ظرفیت 6 مگاولت‌آمپر تغذیه می‌شوند. این ترانسفورماتور دارای نسبت تبدیل 25/2 کیلوولت بوده و اتصال سیم‌پیچ‌های آن به صورت Wye-Delta در نظر گرفته شده است.

شبکه 25 کیلوولت توسط یک منبع معادل R-L مدل سازی شده است. سطح اتصال کوتاه شبکه برابر با 1000 مگاولت‌آمپر در نظر گرفته شده و یک بار 5 مگاواتی نیز به شبکه متصل است. در طول شبیه سازی، یک خطای سه‌فاز به زمین در سیستم 25 کیلوولت رخ می‌دهد که باعث عملکرد کلید قدرت و جدا شدن شبکه 25 کیلوولت از سیستم می‌شود. پس از این اتفاق، ژنراتور دیزل اضطراری وارد مدار شده و وظیفه تأمین توان مورد نیاز بارها را بر عهده می‌گیرد.

اهمیت مقداردهی اولیه ماشین‌ها با ابزار Load Flow

قبل از اجرای شبیه سازی، لازم است ماشین سنکرون و موتور آسنکرون در شرایط کاری مناسب مقداردهی اولیه شوند. برای این منظور از ابزار Load Flow موجود در بلوک Powergui استفاده می‌شود. این ابزار با حل معادلات پخش بار، شرایط اولیه الکتریکی و مکانیکی ماشین‌ها را محاسبه کرده و به مدل اعمال می‌کند.

در بخش تنظیمات ماشین سنکرون، نوع عملکرد ژنراتور در قسمت Load Flow برابر با PV انتخاب شده است. این انتخاب نشان می‌دهد که ژنراتور در فرآیند پخش بار، توان اکتیو و ولتاژ ترمینال خود را کنترل می‌کند. همچنین مقدار توان اکتیو تولیدی ژنراتور در حالت اولیه برابر صفر تنظیم شده است.

برای موتور آسنکرون، توان مکانیکی مورد نیاز برابر با 1.492 مگاوات یا حدود 2000 اسب بخار تعریف شده است. این مقدار نشان‌دهنده توان مکانیکی مصرفی موتور در شرایط کاری نامی است و ابزار Load Flow بر اساس آن جریان، لغزش و توان‌های الکتریکی موتور را محاسبه می‌کند.

مراحل انجام شبیه سازی در Matlab

برای شروع شبیه سازی ابتدا باید تنظیمات Load Flow در بلوک‌های ماشین سنکرون و موتور آسنکرون انجام شود. پس از مشخص کردن پارامترهای مربوط به توان و کنترل ولتاژ، مراحل زیر اجرا می‌شوند:

در مرحله اول، از منوی Powergui گزینه Load Flow انتخاب می‌شود. پس از باز شدن پنجره مربوطه، خلاصه‌ای از تنظیمات پخش بار و پارامترهای ماشین‌ها نمایش داده خواهد شد.

در مرحله دوم، با فشردن کلید Compute، حل مسئله پخش بار انجام می‌شود. پس از پایان محاسبات، مقادیر واقعی توان اکتیو و راکتیو ماشین‌ها در جدول نمایش داده می‌شوند.

در مرحله سوم، با انتخاب گزینه Apply، نتایج محاسبات پخش بار به مدل Matlab اعمال می‌شوند. پس از این مرحله، شرایط اولیه ماشین‌ها به صورت خودکار به روز رسانی خواهد شد.

تنظیمات اولیه ماشین‌ها و سیستم کنترل

پس از اعمال نتایج Load Flow، با باز کردن بلوک ماشین سنکرون (SM) و موتور آسنکرون (ASM) مشاهده می‌شود که مقادیر اولیه داخلی آن‌ها تغییر کرده و مطابق با شرایط واقعی سیستم تنظیم شده‌اند.

همچنین مقدار بلوک ثابت متصل به ورودی گشتاور موتور آسنکرون به صورت خودکار برابر با 7964 نیوتن‌متر تنظیم می‌شود. این مقدار نشان‌دهنده گشتاور مکانیکی لازم برای راه‌اندازی و کارکرد موتور در نقطه کاری مشخص است.

در بلوک کنترل‌کننده موتور دیزل (Diesel Engine Governor)، مقدار اولیه توان مکانیکی توسط ابزار Load Flow تنظیم می‌شود. این مقدار برابر با 0.00027 پریونیت یا حدود 844 وات قرار می‌گیرد که نشان‌دهنده شرایط اولیه تولید توان مکانیکی توسط موتور دیزل است.

در بخش تحریک ژنراتور، مقادیر اولیه ولتاژ ترمینال و ولتاژ میدان نیز توسط Load Flow تعیین می‌شوند. مقدار ولتاژ ترمینال برابر 1 پریونیت و مقدار ولتاژ میدان برابر 1.4273 پریونیت تنظیم شده است.

بررسی مدل‌های مختلف سیستم تحریک ژنراتور

در این شبیه سازی امکان استفاده از مدل‌های مختلف سیستم تحریک ژنراتور وجود دارد. با کلیک راست روی بلوک تحریک (EXCITATION) می‌توان نوع سیستم تحریک مورد نظر را برای بررسی انتخاب کرد.

مدل‌های مختلف تحریک مانند ST1A، AC1A، AC4A و DC2A رفتارهای متفاوتی در هنگام وقوع خطا و بازیابی سیستم دارند. تمامی مدل‌ها دارای مقادیر اولیه یکسان ذخیره شده‌اند تا مقایسه عملکرد آن‌ها دقیق‌تر انجام شود. در مدل ST2A علاوه بر پارامترهای معمول، مقدار اولیه جریان ترمینال نیز برابر با 0.2739 پریونیت تنظیم شده است.

نتایج شبیه سازی سیستم دیزل ژنراتور اضطراری

پس از اجرای شبیه سازی مشخص می‌شود که تمامی مدل‌های سیستم تحریک، توانایی حفظ پایداری سیستم پس از رفع خطا را دارند. با این حال، برخی مدل‌ها عملکرد بهتری در بازگرداندن ولتاژ و تثبیت شرایط سیستم نشان می‌دهند.

مدل‌های ST1A و AC1A بهترین عملکرد را در شرایط گذرا ارائه می‌دهند. در مدل ST1A، ولتاژ ترمینال ژنراتور کمتر از 2 ثانیه پس از رفع خطا به مقدار پایدار خود بازمی‌گردد. همچنین در مدل AC1A زمان تثبیت ولتاژ کمتر از 3 ثانیه است.

در مقابل، مدل‌های AC4A و DC2A عملکرد کندتری دارند. در این مدل‌ها، سیستم مدت زمان بیشتری برای رسیدن به حالت پایدار نیاز دارد و تثبیت ولتاژ ترمینال تقریباً پس از 6 ثانیه اتفاق می‌افتد.

یکی دیگر از نتایج مهم شبیه سازی، بررسی رفتار ولتاژ میدان ژنراتور است. در بیشتر مدل‌های تحریک، ولتاژ میدان به محدوده محدودیت خود نزدیک می‌شود اما بدون ورود به ناحیه اشباع، عملکرد مناسبی دارد.

تحلیل رفتار مکانیکی ژنراتور و موتور آسنکرون

پس از قطع شبکه اصلی و تشکیل حالت جزیره‌ای، ژنراتور دیزل باید توان بیشتری برای تغذیه بارها تولید کند. به همین دلیل توان مکانیکی ماشین سنکرون از مقدار اولیه صفر پریونیت افزایش یافته و در نهایت به حدود 0.8 پریونیت می‌رسد.

این مقدار توان برابر با حدود 2.49 مگاوات است که برای تأمین بار مقاومتی و موتور آسنکرون مورد نیاز است. افزایش توان مکانیکی باعث می‌شود ژنراتور بتواند افت توان ناشی از جدا شدن شبکه اصلی را جبران کند.

سرعت موتور آسنکرون نیز در هنگام وقوع خطا کاهش پیدا می‌کند. سرعت موتور ابتدا از مقدار حدود 1789 دور بر دقیقه به 1635 دور بر دقیقه کاهش می‌یابد، اما پس از بازیابی سیستم و افزایش توان تولیدی ژنراتور، سرعت موتور دوباره به مقدار نزدیک به حالت عادی بازمی‌گردد.

جمع‌بندی شبیه سازی

این شبیه سازی نشان می‌دهد که استفاده از ابزار Load Flow در Powergui نقش بسیار مهمی در آماده‌سازی مدل‌های ماشین الکتریکی برای مطالعات گذرا دارد. با مقداردهی اولیه صحیح ژنراتور سنکرون، موتور آسنکرون و سیستم کنترل دیزل، می‌توان رفتار واقعی سیستم قدرت را در شرایط خطا و بازیابی بررسی کرد.

نتایج نشان می‌دهند که انتخاب مدل مناسب سیستم تحریک می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر سرعت بازگشت ولتاژ و پایداری سیستم داشته باشد. مدل‌های ST1A و AC1A در این شبیه سازی عملکرد بهتری داشته و سریع‌تر شرایط پایدار را ایجاد می‌کنند. این مثال یکی از کاربردهای مهم Matlab/Simulink در تحلیل سیستم‌های قدرت، نیروگاه‌های اضطراری و بررسی رفتار دینامیکی ماشین‌های الکتریکی است.