در مطالعات سیستم‌های قدرت، یکی از مهم‌ترین مراحل پیش از انجام شبیه‌سازی‌های گذرا، دینامیکی و بررسی رفتار شبکه در برابر خطا، تعیین شرایط کار پایدار سیستم است. اگر متغیرهای اولیه شبکه به‌درستی تعیین نشده باشند، ممکن است شبیه‌سازی با نوسانات مصنوعی یا شرایط غیرواقعی آغاز شود و نتایج حاصل، بیانگر رفتار واقعی سیستم قدرت نباشند. ابزار Load Flow در محیط Powergui متلب یکی از ابزارهای مهم برای تعیین این شرایط اولیه است.

در این شبیه‌سازی، یک شبکه انتقال بزرگ ۲۹ باسه با سطح ولتاژ ۷۳۵ کیلوولت بررسی می‌شود که شامل هفت نیروگاه با مدل‌سازی دقیق تجهیزات تولید و کنترل توان است. در این شبکه، نیروگاه‌ها به‌صورت تفصیلی شامل توربین‌های آبی، سیستم‌های تنظیم سرعت، سیستم‌های تحریک و پایدارسازهای سیستم قدرت مدل شده‌اند. ظرفیت کل تولید در این شبکه برابر با ۲۶۲۰۰ مگاولت‌آمپر است و شبکه انتقال نیز به‌صورت سری و موازی جبران‌سازی شده است.

هدف اصلی این شبیه‌سازی، استفاده از ابزار Load Flow در Powergui برای محاسبه نقطه کار ماندگار شبکه و اعمال نتایج آن به مدل است؛ به‌گونه‌ای که شبیه‌سازی دینامیکی از همان شرایط پایدار واقعی آغاز شود. پس از مقداردهی اولیه، یک خطای سه‌فاز شش‌سیکل در باس MTL7 اعمال می‌شود تا رفتار دینامیکی شبکه پس از وقوع خطا قابل بررسی باشد.

ساختار کلی شبکه ۲۹ باسه

مدل مورد بررسی یک شبکه انتقال با ولتاژ نامی ۷۳۵ کیلوولت است. این شبکه شامل هفت نیروگاه با سطح ولتاژ ۱۳٫۸ کیلوولت است که مجموع ظرفیت تولید در دسترس آن‌ها به ۲۶۲۰۰ MVA می‌رسد. هدف از مدل‌سازی دقیق نیروگاه‌ها این است که تنها رفتار الکتریکی شبکه انتقال مورد بررسی قرار نگیرد، بلکه دینامیک تجهیزات تولید و سیستم‌های کنترلی نیز در پاسخ شبکه لحاظ شود.

هر یک از نیروگاه‌ها شامل اجزای مختلفی برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و کنترل شرایط بهره‌برداری است. توربین‌های آبی وظیفه تأمین توان مکانیکی ژنراتورها را بر عهده دارند. در کنار توربین، سیستم تنظیم سرعت قرار دارد که تغییرات سرعت و توان مکانیکی را کنترل می‌کند. همچنین سیستم تحریک وظیفه کنترل شرایط میدان ژنراتور و ولتاژ خروجی را بر عهده دارد.

یکی دیگر از اجزای مهم این مدل، Power System Stabilizer یا PSS است. پایدارساز سیستم قدرت برای بهبود میرایی نوسانات الکترومکانیکی به کار می‌رود. وجود PSS در مدل باعث می‌شود واکنش دینامیکی نیروگاه‌ها نسبت به اغتشاشات شبکه با شرایط واقعی‌تر مطابقت داشته باشد.

شبکه انتقال ۷۳۵ کیلوولت

شبکه انتقال ۷۳۵ کیلوولت، بخش اصلی این مدل را تشکیل می‌دهد. خطوط انتقال در چنین سطح ولتاژی برای انتقال توان‌های زیاد در فواصل طولانی مورد استفاده قرار می‌گیرند. با توجه به ماهیت شبکه انتقال، اثر توان راکتیو و پارامترهای خطوط نقش مهمی در تعیین ولتاژ باس‌ها و جریان‌های عبوری دارند.

در این مدل، شبکه ۷۳۵ کیلوولت هم به‌صورت سری و هم به‌صورت شنت جبران‌سازی شده است. برای این منظور از خازن‌ها و سلف‌های ثابت استفاده شده است. جبران‌سازی سری می‌تواند برای بهبود انتقال توان و کاهش راکتانس مؤثر مسیر انتقال مورد استفاده قرار گیرد، در حالی که جبران‌سازی شنت بیشتر برای کنترل توان راکتیو و پشتیبانی ولتاژ شبکه اهمیت دارد.

بنابراین در محاسبات Load Flow، تنها توان‌های اکتیو و راکتیو بارها و ژنراتورها اهمیت ندارند، بلکه مشخصات خطوط، ترانسفورماتورها، تجهیزات جبران‌ساز و شرایط اتصال باس‌ها نیز در تعیین نقطه کار نهایی سیستم مؤثر هستند.

مدل بار MTL

یکی از بخش‌های مهم مدل، زیرسیستم بار MTL است که به باس MTL7 متصل شده است. این زیرسیستم شامل چهار نوع مختلف بار است که از طریق شبکه توزیع ۲۵ کیلوولت تغذیه می‌شوند.

برای انتقال انرژی از شبکه ۷۳۵ کیلوولت به سطح توزیع، از دو مرحله تبدیل ولتاژ استفاده شده است. ابتدا ولتاژ از ۷۳۵ کیلوولت به ۲۳۰ کیلوولت کاهش پیدا می‌کند و سپس توسط ترانسفورماتور بعدی از ۲۳۰ کیلوولت به ۲۵ کیلوولت می‌رسد. این ساختار، یک مدل مناسب برای نمایش ارتباط میان شبکه انتقال و شبکه توزیع فراهم می‌کند.

وجود چهار نوع بار مختلف در این بخش اهمیت زیادی دارد؛ زیرا در سیستم‌های قدرت واقعی، همه مصرف‌کنندگان رفتار یکسانی ندارند. برخی بارها وابستگی مشخصی به ولتاژ دارند و برخی دیگر به‌صورت توان اکتیو و راکتیو ثابت مدل می‌شوند. در نتیجه، نوع مدل بار می‌تواند بر نتایج Load Flow و همچنین رفتار گذرای سیستم پس از وقوع خطا تأثیرگذار باشد.

بار QUE و تولید توان بادی

بخش دیگری از شبکه مربوط به زیرسیستم QUE Load and Wind Generation است. در این قسمت، یک بار بزرگ با ظرفیت ۶۰۰۰ مگاوات به باس ۱۲۰ کیلوولت متصل شده است. این بار با ترکیبی از مدل‌های Constant Z و Constant PQ نمایش داده می‌شود.

مدل Constant Z رفتار بار را بر اساس امپدانس ثابت توصیف می‌کند و در نتیجه توان مصرفی آن با تغییرات ولتاژ تغییر خواهد کرد. در مقابل، در مدل Constant PQ مقدار توان اکتیو و راکتیو بار ثابت در نظر گرفته می‌شود. استفاده هم‌زمان از این دو نوع مدل امکان نمایش دقیق‌تر رفتار مصرف‌کنندگان در شبکه را فراهم می‌کند.

در همین بخش، یک نیروگاه بادی کوچک با ظرفیت ۹ مگاوات نیز در نظر گرفته شده است. این مزرعه بادی از یک ژنراتور آسنکرون استفاده می‌کند و از طریق یک فیدر ۲۵ کیلوولت و ترانسفورماتور ۲۵/۱۲۰ کیلوولت به باس ۱۲۰ کیلوولت متصل شده است.

قرار دادن یک منبع تولید بادی در کنار نیروگاه‌های آبی باعث می‌شود مدل، ساختار متنوع‌تری از تولید انرژی الکتریکی را نشان دهد. همچنین وجود ژنراتور آسنکرون می‌تواند رفتار متفاوتی در زمینه توان راکتیو و پاسخ دینامیکی نسبت به ژنراتورهای سنکرون نیروگاه‌های اصلی ایجاد کند.

اهمیت محاسبه Load Flow

محاسبه پخش بار یا Load Flow یکی از پایه‌ای‌ترین محاسبات در مهندسی سیستم‌های قدرت است. در این محاسبه، مشخصات شبکه، تولید و مصرف توان در اختیار نرم‌افزار قرار می‌گیرد و ولتاژ، زاویه فاز، توان اکتیو و توان راکتیو در نقاط مختلف شبکه محاسبه می‌شود.

در یک مدل دینامیکی، نتیجه Load Flow تنها یک گزارش عددی نیست، بلکه می‌تواند به‌عنوان نقطه شروع شبیه‌سازی مورد استفاده قرار گیرد. این موضوع در شبکه‌های بزرگ اهمیت بسیار زیادی دارد. اگر شبیه‌سازی بدون مقداردهی اولیه مناسب شروع شود، متغیرهای داخلی ماشین‌ها، کنترل‌کننده‌ها و سایر تجهیزات ممکن است با نقطه کار واقعی سازگار نباشند.

ابزار Load Flow موجود در Powergui امکان حل این مسئله را فراهم می‌کند. این ابزار شرایط کار شبکه را محاسبه کرده و سپس امکان اعمال نتیجه محاسبات به مدل را در اختیار کاربر قرار می‌دهد.

گسسته‌سازی مدل و زمان نمونه‌برداری

مدل با زمان نمونه‌برداری ۵۰ میکروثانیه گسسته‌سازی شده است. انتخاب یک گام زمانی کوچک در چنین شبیه‌سازی‌هایی اهمیت زیادی دارد؛ زیرا شبکه شامل تجهیزات الکتریکی و کنترلی متعدد است و در زمان وقوع خطا، تغییرات سریع جریان و ولتاژ اتفاق می‌افتد.

با انتخاب زمان نمونه‌برداری ۵۰ میکروثانیه، امکان ثبت مناسب تغییرات سریع سیگنال‌ها فراهم می‌شود. البته انتخاب زمان نمونه‌برداری مناسب باید با توجه به نوع مدل، فرکانس کلیدزنی تجهیزات، پدیده‌های مورد مطالعه و توان محاسباتی سیستم انجام شود.

اعمال خطای سه‌فاز در باس MTL7

پس از آماده‌سازی شرایط اولیه شبکه، یک خطای سه‌فاز در باس MTL7 به مدل اعمال می‌شود. مدت این خطا برابر با شش سیکل در نظر گرفته شده است. خطای سه‌فاز یکی از شدیدترین انواع خطا در سیستم قدرت محسوب می‌شود و می‌تواند موجب تغییرات قابل توجه در جریان‌ها، ولتاژها، توان انتقالی و سرعت ژنراتورها شود.

قرار دادن خطا پس از تعیین شرایط پایدار، یک نکته بسیار مهم در طراحی این شبیه‌سازی است. در واقع، هدف این است که قبل از وقوع خطا، تمام متغیرهای سیستم در شرایط ماندگار قرار داشته باشند. بنابراین تغییراتی که بعد از اعمال خطا مشاهده می‌شوند، ناشی از اغتشاش ایجادشده هستند و نه ناشی از مقداردهی اولیه نادرست مدل.

مراحل شبیه‌سازی با ابزار Powergui

برای مقداردهی اولیه شبکه، ابتدا باید مدل را در محیط Matlab باز کرد و بلوک Powergui را در اختیار داشت. Powergui یکی از اجزای مهم در مدل‌سازی سیستم‌های قدرت در Simulink است و امکانات مختلفی از جمله تحلیل حالت ماندگار، Load Flow، تحلیل هارمونیکی و تنظیم شرایط شبیه‌سازی را فراهم می‌کند.

پس از باز کردن مدل، از منوی Powergui گزینه Load Flow انتخاب می‌شود. با انتخاب این گزینه، پنجره جدیدی باز خواهد شد که اطلاعات مربوط به تنظیمات Load Flow را نمایش می‌دهد.

در این پنجره، خلاصه‌ای از تنظیمات پخش بار در قالب یک جدول قابل مشاهده است. این جدول اطلاعات مربوط به باس‌ها، منابع تولید، بارها و شرایط تعیین‌شده برای حل Load Flow را نمایش می‌دهد.

اجرای محاسبات پخش بار

در مرحله بعد باید دکمه Compute انتخاب شود. با فشردن این دکمه، نرم‌افزار محاسبات Load Flow را انجام می‌دهد و وضعیت واقعی توان اکتیو و راکتیو مربوط به بلوک‌های بار موجود در مدل محاسبه می‌شود.

پس از پایان محاسبات، جدول موجود در پنجره Load Flow به‌روزرسانی شده و مقادیر محاسبه‌شده را نمایش می‌دهد. بررسی این نتایج به کاربر کمک می‌کند تا از سازگاری شرایط تولید و مصرف در شبکه اطمینان حاصل کند.

در یک شبکه بزرگ مانند شبکه ۲۹ باسه، بررسی نتایج پخش بار اهمیت ویژه‌ای دارد. اختلاف میان توان تولیدی و مصرفی، مقادیر ولتاژ باس‌ها و توان راکتیو تجهیزات می‌توانند اطلاعات ارزشمندی درباره شرایط بهره‌برداری شبکه ارائه دهند.

اعمال جواب Load Flow به مدل

پس از محاسبه موفقیت‌آمیز پخش بار، مرحله بعدی اعمال نتیجه به مدل است. برای این کار دکمه Apply انتخاب می‌شود. با انجام این کار، جواب Load Flow به مدل اعمال شده و شرایط اولیه عناصر شبکه به‌گونه‌ای تنظیم می‌شود که شبیه‌سازی بتواند از حالت ماندگار آغاز شود.

یکی از نکات قابل توجه در این مرحله، بلوک Load Flow Bus است. این بلوک می‌تواند اندازه ولتاژ باس و زاویه فاز آن را به‌عنوان توضیحات در کنار بلوک نمایش دهد. بنابراین کاربر می‌تواند شرایط ولتاژ باس‌ها را به‌صورت مستقیم در محیط مدل مشاهده کند.

این قابلیت برای بررسی سریع وضعیت شبکه بسیار مفید است؛ زیرا به جای مراجعه مداوم به پنجره‌های جداگانه، می‌توان اطلاعات اصلی مربوط به باس‌ها را در خود مدل مشاهده کرد.

تهیه گزارش نتایج Load Flow

Powergui امکان تهیه گزارش دقیق از نتایج محاسبات پخش بار را نیز فراهم می‌کند. با انتخاب گزینه Report، گزارشی شامل خلاصه Load Flow و نتایج تفصیلی مربوط به باس‌های مختلف شبکه تولید می‌شود.

این گزارش می‌تواند اطلاعات مهمی درباره وضعیت هر باس، ولتاژ، زاویه فاز و شرایط توان در اختیار کاربر قرار دهد. در شبکه‌های بزرگ، چنین گزارشی ابزار مناسبی برای تحلیل اولیه شرایط بهره‌برداری است و می‌تواند برای بررسی صحت مدل نیز مورد استفاده قرار گیرد.

یکی از کاربردهای مهم گزارش Load Flow، مقایسه شرایط محاسبه‌شده با شرایط مورد انتظار است. اگر مقدار ولتاژ یک باس یا توان عبوری از یک بخش شبکه غیرمنطقی باشد، ممکن است نشان‌دهنده وجود خطا در پارامترهای مدل، تنظیمات منابع یا مشخصات بار باشد.

شروع شبیه‌سازی از حالت ماندگار

پس از اعمال جواب Load Flow، شبیه‌سازی اصلی اجرا می‌شود. نکته مهم این است که در ابتدای شبیه‌سازی، شبکه باید در حالت ماندگار قرار داشته باشد. این ویژگی در Scopeهای موجود در زیرسیستم سبزرنگ Display Waveforms قابل مشاهده است.

اگر مقداردهی اولیه به‌درستی انجام شده باشد، پیش از وقوع خطا تغییرات غیرواقعی و نوسانات شدید ناشی از شروع شبیه‌سازی مشاهده نخواهد شد. سیستم در نقطه کار تعیین‌شده توسط Load Flow قرار دارد و سپس با اعمال خطای سه‌فاز، پاسخ دینامیکی آن آغاز می‌شود.

در زمان وقوع خطا، انتظار می‌رود ولتاژ باس MTL7 کاهش شدیدی پیدا کند و جریان‌های شبکه افزایش یابند. همچنین به دلیل کوپل دینامیکی میان ژنراتورها و شبکه، سرعت روتورها، توان‌های اکتیو و راکتیو و سیگنال‌های کنترلی نیروگاه‌ها نیز دچار تغییر شوند. پس از رفع خطا، سیستم تلاش می‌کند با کمک کنترل‌کننده‌ها و پایدارسازهای موجود به شرایط جدید ماندگار بازگردد.

نقش سیستم‌های کنترلی نیروگاه‌ها

در این مدل، نیروگاه‌ها تنها به‌صورت منبع ساده توان مدل نشده‌اند. وجود توربین آبی، تنظیم‌کننده سرعت، سیستم تحریک و PSS باعث می‌شود رفتار نیروگاه‌ها در برابر اغتشاشات شبکه با جزئیات بیشتری بررسی شود.

تنظیم‌کننده سرعت بر توان مکانیکی ورودی ژنراتور تأثیر می‌گذارد و در کنترل سرعت و فرکانس نقش دارد. سیستم تحریک نیز با کنترل ولتاژ تحریک ژنراتور، بر ولتاژ ترمینال و تولید توان راکتیو اثر می‌گذارد. PSS نیز برای افزایش میرایی نوسانات الکترومکانیکی وارد عمل می‌شود.

بنابراین شبیه‌سازی حاضر می‌تواند نمونه مناسبی برای مطالعه ارتباط میان محاسبات Load Flow و تحلیل دینامیکی سیستم قدرت باشد. ابتدا نقطه کار شبکه توسط پخش بار مشخص می‌شود و سپس رفتار واقعی تجهیزات در برابر یک اغتشاش شدید مورد بررسی قرار می‌گیرد.

اهمیت این شبیه‌سازی در مطالعات سیستم قدرت

یکی از مهم‌ترین مزایای این مدل، ترکیب یک شبکه انتقال بزرگ با مدل‌های تفصیلی نیروگاه‌ها و سیستم‌های کنترلی است. در مطالعات ساده، معمولاً ژنراتورها با مدل‌های ساده نمایش داده می‌شوند؛ اما در مطالعات دینامیکی پیشرفته، رفتار توربین، تحریک، تنظیم سرعت و پایدارساز می‌تواند نتیجه نهایی را به شکل قابل توجهی تغییر دهد.

از سوی دیگر، استفاده از Load Flow پیش از اجرای شبیه‌سازی گذرا باعث می‌شود نقطه شروع مدل از نظر توان، ولتاژ و زاویه فاز با شرایط بهره‌برداری شبکه سازگار باشد. این مسئله به‌خصوص زمانی اهمیت دارد که هدف، بررسی یک خطای شدید مانند اتصال کوتاه سه‌فاز باشد.

در چنین شرایطی، اگر شبکه پیش از وقوع خطا در حالت پایدار قرار نگرفته باشد، تشخیص اثر واقعی خطا دشوار خواهد بود. اما با اعمال جواب Load Flow، تغییرات مشاهده‌شده در نمودارها ارتباط مستقیم‌تری با اغتشاش اعمال‌شده خواهند داشت.

جمع‌بندی

در این شبیه‌سازی، یک شبکه انتقال ۲۹ باسه با سطح ولتاژ ۷۳۵ کیلوولت و هفت نیروگاه با ظرفیت مجموع ۲۶۲۰۰ MVA در محیط Matlab و Simulink بررسی می‌شود. نیروگاه‌ها به‌صورت تفصیلی شامل توربین‌های آبی، سیستم‌های تنظیم سرعت، سیستم‌های تحریک و پایدارسازهای سیستم قدرت مدل شده‌اند. همچنین شبکه انتقال با استفاده از تجهیزات جبران‌سازی سری و شنت توسعه داده شده و بارها در باس‌های MTL7 و QUE7 متمرکز شده‌اند.

بخش دیگری از مدل شامل یک بار ۶۰۰۰ مگاواتی و یک مزرعه بادی ۹ مگاواتی با ژنراتور آسنکرون است که ساختار متنوعی از منابع تولید و مصرف را ایجاد می‌کند. مدل با زمان نمونه‌برداری ۵۰ میکروثانیه گسسته‌سازی شده و یک خطای سه‌فاز شش‌سیکل در باس MTL7 برای بررسی رفتار گذرای شبکه در نظر گرفته شده است.

مهم‌ترین مرحله در آماده‌سازی مدل، استفاده از ابزار Load Flow در Powergui است. با انتخاب گزینه Load Flow، اجرای دستور Compute، اعمال نتایج با گزینه Apply و تهیه گزارش توسط گزینه Report، شرایط ماندگار شبکه تعیین و به مدل منتقل می‌شود. در نتیجه، شبیه‌سازی اصلی از یک نقطه کار معتبر و پایدار آغاز خواهد شد.

این روش نشان می‌دهد که در مطالعات پیشرفته سیستم‌های قدرت، محاسبه پخش بار تنها یک تحلیل مستقل نیست، بلکه می‌تواند به‌عنوان مرحله‌ای اساسی برای مقداردهی اولیه مدل‌های دینامیکی مورد استفاده قرار گیرد. استفاده صحیح از Load Flow موجب افزایش اعتبار نتایج شبیه‌سازی شده و امکان بررسی دقیق‌تر رفتار شبکه در برابر خطاها، تغییرات بار و سایر اغتشاشات را فراهم می‌کند.