در این شبیه‌سازی، نحوه استفاده از ابزار Load Flow در محیط Powergui برای تعیین شرایط اولیه یک شبکه قدرت پنج‌شینه بررسی می‌شود. شبکه موردنظر یک شبکه ساده قدرت است که در آن یک مزرعه بادی با توان نامی ۹ مگاوات به یک فیدر توزیع ۲۵ کیلوولت متصل شده و توان تولیدی خود را به یک شبکه انتقال ۱۲۰ کیلوولت صادر می‌کند. همچنین یک نیروگاه با توان ۱۵۰ مگاوات که از یک ژنراتور سنکرون ۱۳٫۸ کیلوولت استفاده می‌کند، در سطح ولتاژ ۱۲۰ کیلوولت به شبکه متصل شده است.

هدف اصلی این شبیه‌سازی، استفاده از ابزار Load Flow برای محاسبه شرایط ماندگار شبکه پیش از شروع شبیه‌سازی دینامیکی است. این فرآیند اهمیت زیادی در مدل‌سازی سیستم‌های قدرت دارد، زیرا در صورتی که شرایط اولیه ماشین‌ها، بارها و شینه‌ها با نقطه کار ماندگار سیستم مطابقت نداشته باشد، شبیه‌سازی ممکن است با گذراهای مصنوعی و غیرواقعی آغاز شود. ابزار Load Flow در Powergui این امکان را فراهم می‌کند که متغیرهای حالت و مقادیر اولیه تجهیزات بر اساس حل پخش بار تعیین شوند.

ساختار شبکه پنج شینه

شبکه مورد بررسی از پنج شینه تشکیل شده است که تجهیزات مختلف تولید، انتقال و مصرف انرژی الکتریکی در آن‌ها قرار گرفته‌اند. بخش اصلی شبکه شامل یک مزرعه بادی ۹ مگاواتی است که از ژنراتورهای آسنکرون استفاده می‌کند. این مزرعه بادی از طریق یک فیدر توزیع ۲۵ کیلوولت به شبکه ۱۲۰ کیلوولت متصل می‌شود و توان تولیدی خود را به شبکه بالادست منتقل می‌کند.

در سمت شبکه ۱۲۰ کیلوولت، یک منبع ولتاژ سه‌فاز برای نمایش شبکه بالادست استفاده شده است. این منبع با استفاده از بلوک Three-Phase Source مدل‌سازی شده و توان اتصال کوتاه آن برابر با ۱۲۰۰ MVA در نظر گرفته شده است. چنین مدلی در بسیاری از مطالعات سیستم قدرت برای نمایش یک شبکه بزرگ‌تر که جزئیات داخلی آن موردنظر نیست، کاربرد دارد.

همچنین یک نیروگاه با توان ۱۵۰ مگاوات در شبکه وجود دارد. این نیروگاه از یک ژنراتور سنکرون با ولتاژ ۱۳٫۸ کیلوولت استفاده می‌کند. برای اتصال این ژنراتور به شبکه ۱۲۰ کیلوولت، یک ترانسفورماتور با نسبت تبدیل ۱۳٫۸/۱۲۰ کیلوولت در نظر گرفته شده است. بنابراین مدل شامل دو سطح اصلی ولتاژ یعنی شبکه توزیع ۲۵ کیلوولت و شبکه انتقال ۱۲۰ کیلوولت است و نیروگاه سنکرون نیز از طریق ترانسفورماتور به شبکه انتقال متصل می‌شود.

اهمیت تحلیل Load Flow در شبکه قدرت

تحلیل پخش بار یا Load Flow یکی از مهم‌ترین تحلیل‌های پایه در مطالعات سیستم‌های قدرت است. در این تحلیل، با مشخص بودن اطلاعات تولید، مصرف، ساختار شبکه و مشخصات تجهیزات، ولتاژ مختلط شینه‌ها، توان اکتیو و راکتیو عبوری از خطوط و سایر کمیت‌های مربوط به نقطه کار ماندگار سیستم محاسبه می‌شوند.

در یک مدل شبیه‌سازی دینامیکی، صرفاً ساختن تجهیزات و اتصال آن‌ها به یکدیگر کافی نیست. ماشین‌های الکتریکی، بارها و منابع باید در لحظه شروع شبیه‌سازی در شرایطی قرار داشته باشند که با نقطه کار واقعی شبکه سازگار باشد. به همین دلیل Powergui از ابزار Load Flow برای تعیین شرایط اولیه استفاده می‌کند.

اگر شبکه بدون تعیین شرایط اولیه مناسب شبیه‌سازی شود، ممکن است در همان لحظه ابتدایی شبیه‌سازی تغییرات شدیدی در جریان، ولتاژ، سرعت ماشین‌ها و توان اکتیو و راکتیو مشاهده شود. بخشی از این تغییرات ممکن است ناشی از عدم تطابق شرایط اولیه مدل با حالت ماندگار باشد و ارتباطی با پدیده‌ای که قصد مطالعه آن را داریم نداشته باشد.

مدل‌سازی مزرعه بادی ۹ مگاواتی

مزرعه بادی این شبیه‌سازی دارای ظرفیت تولید ۹ مگاوات است و با استفاده از ژنراتورهای آسنکرون مدل‌سازی می‌شود. ژنراتور آسنکرون یا القایی یکی از ماشین‌های مهم مورد استفاده در ساختارهای مختلف تولید انرژی بادی است. عملکرد این ژنراتورها به شرایط ولتاژ شبکه و توان راکتیو وابسته است و به همین دلیل تعیین نقطه کار اولیه آن‌ها در یک شبیه‌سازی شبکه‌ای اهمیت زیادی دارد.

مزرعه بادی به شبکه ۲۵ کیلوولت متصل است. این سطح ولتاژ به‌عنوان فیدر توزیع در نظر گرفته شده و توان تولیدی مزرعه بادی از طریق این فیدر به شبکه ۱۲۰ کیلوولت منتقل می‌شود. ابزار Load Flow با استفاده از اطلاعات ماشین آسنکرون، مشخصات شبکه و پارامترهای شینه‌ها، شرایط اولیه موردنیاز برای عملکرد ماندگار این بخش را محاسبه می‌کند.

مدل‌سازی شبکه ۱۲۰ کیلوولت

شبکه بالادست ۱۲۰ کیلوولت در این مدل به‌صورت یک شبکه معادل ساده نمایش داده شده است. برای این منظور از بلوک Three-Phase Source استفاده می‌شود. این بلوک یک منبع ولتاژ سه‌فاز را نمایش می‌دهد که می‌تواند برای مدل‌سازی شبکه قدرت قوی مورد استفاده قرار گیرد.

توان اتصال کوتاه شبکه در این مثال برابر با ۱۲۰۰ MVA در نظر گرفته شده است. توان اتصال کوتاه یکی از پارامترهای مهم در تعیین قدرت شبکه و میزان امپدانس معادل آن است. هرچه شبکه از نظر اتصال کوتاه قوی‌تر باشد، تغییرات ولتاژ ناشی از تغییرات توان و جریان تجهیزات متصل به آن معمولاً کمتر خواهد بود.

استفاده از یک منبع معادل به جای مدل‌سازی کامل شبکه انتقال باعث کاهش پیچیدگی مدل می‌شود و برای مطالعاتی که هدف آن‌ها بررسی عملکرد مزرعه بادی یا سایر تجهیزات در یک شبکه مشخص است، روش مناسبی محسوب می‌شود.

نیروگاه ۱۵۰ مگاواتی و ژنراتور سنکرون

بخش دیگری از شبکه شامل یک نیروگاه ۱۵۰ مگاواتی است که از یک ژنراتور سنکرون با ولتاژ نامی ۱۳٫۸ کیلوولت استفاده می‌کند. از آنجا که ولتاژ تولیدی ژنراتور با ولتاژ شبکه انتقال یکسان نیست، برای اتصال آن به شبکه ۱۲۰ کیلوولت از ترانسفورماتور استفاده شده است.

ترانسفورماتور موردنظر دارای نسبت ولتاژی ۱۳٫۸/۱۲۰ کیلوولت است. این تجهیز امکان انتقال توان تولیدی نیروگاه را به شبکه انتقال فراهم می‌کند. در فرآیند Load Flow، وضعیت ژنراتور سنکرون، توان تولیدی و مشخصات مربوط به ولتاژ آن در تعیین نقطه کار سیستم نقش دارند.

استفاده از بلوک Load Flow Bus

برای انجام تحلیل پخش بار در مدل، از پنج بلوک Load Flow Bus استفاده شده است. این بلوک‌ها برای تعیین اطلاعات مربوط به شینه‌های شبکه به کار می‌روند. یکی از مهم‌ترین وظایف آن‌ها مشخص کردن ولتاژ پایه هر شینه و تعیین شرایط مربوط به شینه‌های PV و Swing است.

ولتاژ پایه شینه‌ها برای بیان مقادیر ولتاژ و انجام محاسبات پخش بار ضروری است. علاوه بر آن، نوع شینه نیز نقش مهمی در حل مسئله Load Flow دارد. در این مدل، اطلاعات مربوط به ولتاژ شینه PV و همچنین دامنه و زاویه ولتاژ شینه Swing توسط بلوک‌های Load Flow Bus مشخص می‌شود.

شینه Swing و PV در تحلیل پخش بار

در مطالعات پخش بار، شینه‌ها معمولاً بر اساس نوع اطلاعاتی که در آن‌ها مشخص شده است دسته‌بندی می‌شوند. شینه Swing یا Slack نقش مرجع سیستم را بر عهده دارد و زاویه ولتاژ آن به‌عنوان مرجع تعیین می‌شود. همچنین این شینه می‌تواند اختلاف توان اکتیو ناشی از تلفات شبکه را جبران کند.

در مقابل، شینه PV معمولاً با مشخص بودن توان اکتیو تولیدی و اندازه ولتاژ مشخص می‌شود. توان راکتیو موردنیاز در این شینه می‌تواند توسط الگوریتم Load Flow محاسبه شود، مشروط بر اینکه محدودیت‌های مربوط به تجهیزات اجازه این کار را بدهند.

در مدل پنج‌شینه، استفاده صحیح از این شینه‌ها باعث می‌شود مسئله پخش بار به‌صورت مناسب تعریف شود و نرم‌افزار بتواند مقادیر ولتاژ و زاویه فاز شینه‌ها را محاسبه کند.

تنظیم پارامترهای Load Flow تجهیزات

یکی از مراحل اصلی شبیه‌سازی، تعریف پارامترهای Load Flow در تجهیزات مختلف شبکه است. در این مثال، تنظیمات مربوط به پخش بار در تب Load Flow بلوک‌های ماشین سنکرون، ماشین آسنکرون، منبع سه‌فاز، بار دینامیکی سه‌فاز و بارهای RLC سه‌فاز انجام می‌شود.

این تنظیمات مشخص می‌کنند که هر تجهیز در حل پخش بار چه نقشی دارد و چه اطلاعاتی از آن برای تعیین نقطه کار ماندگار استفاده شود. بنابراین تنها قرار دادن تجهیزات در مدل کافی نیست و لازم است پارامترهای مربوط به Load Flow نیز به‌درستی تعریف شوند.

برای مثال، در ماشین‌های الکتریکی باید مشخص شود که ماشین در نقطه کار موردنظر چه مقدار توان تولید یا جذب می‌کند و شرایط ولتاژ و سایر پارامترهای آن چگونه باید تعیین شوند. در مورد بارها نیز توان مصرفی و نوع مدل بار در محاسبات پخش بار تأثیرگذار است.

اعمال نتیجه Load Flow به مدل

پس از تکمیل تنظیمات، با فشردن دکمه Apply، نتیجه حل پخش بار به مدل اعمال می‌شود. این مرحله بسیار مهم است، زیرا مقادیر محاسبه‌شده توسط ابزار Load Flow به‌عنوان شرایط اولیه سیستم در اختیار مدل قرار می‌گیرند.

هدف از این کار آن است که شبیه‌سازی از یک وضعیت ماندگار و سازگار آغاز شود. به عبارت دیگر، ولتاژ، زاویه فاز، توان تولیدی، توان مصرفی و شرایط کاری ماشین‌ها در لحظه شروع شبیه‌سازی تا حد امکان با یک نقطه کار ماندگار مطابقت خواهند داشت.

یکی از قابلیت‌های مفید بلوک Load Flow Bus این است که مقدار دامنه ولتاژ و زاویه فاز شینه را به‌صورت Annotation روی بلوک نمایش می‌دهد. بنابراین کاربر می‌تواند بدون نیاز به مشاهده مستقیم تمام نتایج محاسبات، وضعیت شینه‌های مختلف را در مدل بررسی کند.

گزارش نتایج Load Flow

پس از حل موفقیت‌آمیز مسئله پخش بار، می‌توان با استفاده از دکمه Report گزارش مربوط به نتایج را مشاهده کرد. این گزارش شامل خلاصه‌ای از وضعیت Load Flow و نتایج جزئی‌تر مربوط به شینه‌های شبکه است.

گزارش پخش بار می‌تواند برای بررسی دامنه ولتاژ شینه‌ها، زاویه فاز، توان‌های اکتیو و راکتیو و سایر اطلاعات محاسبه‌شده مورد استفاده قرار گیرد. بررسی این نتایج پیش از اجرای شبیه‌سازی دینامیکی، امکان شناسایی خطاهای احتمالی در تنظیمات مدل را فراهم می‌کند.

برای نمونه، اگر ولتاژ یک شینه مقدار غیرمنتظره‌ای داشته باشد یا توان تولیدی و مصرفی شبکه با مقدار مورد انتظار مطابقت نداشته باشد، می‌توان قبل از اجرای شبیه‌سازی دینامیکی، پارامترهای تجهیزات و شینه‌ها را بررسی و اصلاح کرد.

اجرای شبیه‌سازی در حالت ماندگار

پس از اعمال نتیجه Load Flow و بررسی گزارش، مرحله نهایی اجرای مدل است. در این مرحله شبیه‌سازی شروع می‌شود و باید بررسی شود که سیستم از همان ابتدای اجرا در حالت ماندگار قرار دارد.

قرار گرفتن سیستم در حالت ماندگار به این معناست که مقادیر اولیه متغیرهای اصلی شبکه با نقطه کار محاسبه‌شده سازگار هستند و سیستم به دلیل شرایط اولیه نامناسب دچار گذراهای شدید غیرواقعی نمی‌شود. این موضوع به‌خصوص در مدل‌هایی که شامل ماشین‌های الکتریکی هستند اهمیت زیادی دارد.

اگر شرایط اولیه به‌درستی تعیین شده باشد، شکل موج‌های ولتاژ، جریان، توان و سرعت ماشین‌ها در شروع شبیه‌سازی باید رفتار منطقی و مطابق با نقطه کار تعیین‌شده داشته باشند. در چنین شرایطی، اگر یک تغییر یا اغتشاش در ادامه شبیه‌سازی اعمال شود، پاسخ مشاهده‌شده را می‌توان با اطمینان بیشتری به همان اغتشاش نسبت داد.

اهمیت این شبیه‌سازی در مطالعات سیستم قدرت

این مدل نمونه‌ای مناسب برای نشان دادن ارتباط میان تحلیل پخش بار و شبیه‌سازی دینامیکی سیستم قدرت است. در مطالعات واقعی، تحلیل Load Flow معمولاً یکی از مراحل اولیه بررسی یک شبکه است. ابتدا نقطه کار ماندگار سیستم مشخص می‌شود و سپس مدل دینامیکی بر اساس همان شرایط اولیه اجرا می‌شود.

در شبکه‌ای که هم‌زمان شامل تولید بادی، ژنراتور سنکرون، شبکه انتقال، فیدر توزیع، ترانسفورماتور و بارهای مختلف است، تعیین شرایط اولیه صحیح اهمیت ویژه‌ای دارد. ابزار Load Flow در Powergui این فرآیند را ساده‌تر می‌کند و به کاربر اجازه می‌دهد شرایط کاری تجهیزات را به‌صورت منسجم در کل شبکه تعیین کند.

همچنین این شبیه‌سازی می‌تواند مبنایی برای مطالعات پیشرفته‌تر مانند بررسی تغییرات ولتاژ، رفتار ژنراتورهای سنکرون و آسنکرون، تغییرات توان اکتیو و راکتیو، رخداد خطا، قطع خطوط انتقال، تغییرات بار و بررسی پاسخ شبکه در برابر اغتشاشات باشد.

روند کلی انجام شبیه‌سازی

روند انجام این شبیه‌سازی را می‌توان به چند مرحله اصلی تقسیم کرد. ابتدا شبکه پنج‌شینه شامل مزرعه بادی، فیدر ۲۵ کیلوولت، شبکه معادل ۱۲۰ کیلوولت و نیروگاه سنکرون در محیط Matlab و Simulink ساخته می‌شود. سپس مشخصات ماشین‌های آسنکرون و سنکرون، منبع سه‌فاز، ترانسفورماتور و بارهای موجود در شبکه تعیین می‌شوند.

در مرحله بعد، پنج بلوک Load Flow Bus در نقاط موردنظر شبکه قرار می‌گیرند و ولتاژهای پایه شینه‌ها و نوع شینه‌ها مشخص می‌شود. سپس پارامترهای Load Flow مربوط به ماشین‌ها، منبع و بارها از طریق تب Load Flow هر بلوک تنظیم می‌شوند.

پس از تکمیل تنظیمات، ابزار Load Flow در Powergui اجرا شده و مسئله پخش بار حل می‌شود. در صورت موفقیت‌آمیز بودن حل، نتایج از طریق گزینه Apply به مدل اعمال می‌شوند. سپس با گزینه Report می‌توان گزارش کامل نتایج را مشاهده کرد.

در نهایت مدل اجرا می‌شود و رفتار سیستم در لحظه شروع شبیه‌سازی بررسی می‌گردد. اگر شبکه در شرایط ماندگار قرار داشته باشد، می‌توان از این مدل به‌عنوان نقطه شروع برای انجام مطالعات دینامیکی و بررسی رفتار سیستم قدرت در برابر تغییرات و اغتشاشات مختلف استفاده کرد.

نکات مهم در شبیه‌سازی شبکه پنج‌شینه

• قبل از اجرای شبیه‌سازی دینامیکی، پارامترهای Load Flow تمام تجهیزات باید به‌درستی تنظیم شوند.
• ولتاژ پایه هر شینه باید با سطح ولتاژ واقعی آن بخش از شبکه مطابقت داشته باشد.
• نوع شینه‌های PV و Swing باید متناسب با ساختار مسئله پخش بار انتخاب شود.
• پارامترهای مربوط به ژنراتورهای سنکرون و آسنکرون باید با نقطه کار موردنظر سازگار باشند.
• توان اتصال کوتاه شبکه معادل ۱۲۰۰ MVA در مدل شبکه ۱۲۰ کیلوولت نقش مهمی در مشخص کردن قدرت شبکه دارد.
• گزارش Load Flow باید پیش از اجرای نهایی مدل بررسی شود تا خطاهای مربوط به نقطه کار شناسایی شوند.
• پس از اعمال نتیجه Load Flow، باید بررسی شود که شبیه‌سازی از حالت ماندگار شروع می‌شود.

این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که ابزار Load Flow در Powergui تنها برای محاسبه مقادیر پخش بار مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، بلکه می‌تواند به‌عنوان ابزاری برای تعیین شرایط اولیه یک مدل دینامیکی سیستم قدرت نیز به کار رود. در شبکه پنج‌شینه مورد بررسی، مزرعه بادی ۹ مگاواتی از طریق شبکه ۲۵ کیلوولت به شبکه ۱۲۰ کیلوولت متصل شده است و یک نیروگاه ۱۵۰ مگاواتی نیز از طریق ژنراتور سنکرون و ترانسفورماتور ۱۳٫۸/۱۲۰ کیلوولت به شبکه انتقال متصل می‌شود. با تعریف صحیح پنج بلوک Load Flow Bus، تنظیم پارامترهای Load Flow تجهیزات و اعمال نتیجه حل به مدل، امکان شروع شبیه‌سازی در شرایط ماندگار فراهم می‌شود.