مصرف هوشمند برای تنظیم فرکانس: نتایج تجربی
Smart Demand for Frequency Regulation Experimental Results
چکیده- با افزایش نفوذ منابع انرژی تجدیدپذیر، فروشندگان سنتی خدمات تنظیم فرکانس، یعنی نیروگاه‌های با سوخت فسیلی، با این منابع جایگزین خواهند شد و به این ترتیب انگیزه‌ها به سمت یافتن فروشندگان جدیدی چون منابع سمت تقاضا (بار) سوق پیدا خواهد کرد. این مقاله نتایج تحقیقات میدانی با استفاده از مصرف‌کننده به عنوان یک ذخیره با فرکانسِ کنترل‌شده[1] (DFCR) را بر روی وسایل با ترموستات‌های قابل برنامه‌ریزی ارائه می‌کند. آزمایشهای انجام شده نشان دادند که طبق استانداردهای شبکه انتقال شمالی[2]، پاسخ تعداد کثیری از بارهای کنترل شده گرمازا به عنوان ذخایر عادی (تنظیم فرکانس بالا و پایین) و ذخایر اغتشاش (تنها تنظیم فرکانس بالا) عمل می‌کنند. به علاوه، پمپهای صنعتی و بارهای کنترل شده با رله به عنوان مصرف کنندگان با فرکانس کنترل‌شده، آزمایش شده‌اند. آزمایشها نشان می‌دهند که تعدادی از یخچالها می‌توانند ذخایر فرکانس تقریبا معادل با متوسط توان مصرفی شان را تحویل دهند. گرمکن‌های برقی در فصل پاییز می‌توانند ذخایر فرکانسی برابر با 2.7 دامنه متوسط توان مصرفی شان را تحویل دهند.
1- مقدمه
به‌طور سنتی، ژنراتورها به گونه‌ای دیسپاچ می‌شوند که از بارهای پسیو پیروی کنند. این حالت بهره برداری در مورد منابع انرژی غیرثابت (تصادفی) غیرقابل دیسپاچ، مانند نیروگاه‌های بادی و خورشیدی، غیرممکن است و یک راه بهبود این ایراد دیسپاچ کردن بارها برای مطابقت با تولید است. امروزه، بسیاری از بارها به ریزپردازنده‌هایی مجهز شده‌اند که کنترل فرآیندها را در محل انجام می‌دهند. این بارها می‌توانند به طور کلی برای پایش فعال وضعیت شبکه برنامه‌ریزی شوند و توان مصرفی خود را نیز طوری برنامه‌ریزی کنند که به تعادل مصرف با تولید کمک شود.
بارهای با قابلیت تامین خدمات انرژی حرارتی (مانند یخچالها، پمپهای گرما و گرمکن‌های مقاومتی)، برای انطباق با تولید نوسانی مناسبند چرا که ظرفیت گرمایی ذاتی آنها به عنوان یک وسیله ذخیره انرژی عمل می‌کند که اجازه می‌دهد تا مصرف انرژی الکتریکی، بدون مصالحه در مورد کیفیت توان، در زمان جابجا شود. بارهای با ترموستات کنترل‌شده[3] قسمت مهمی از بارهای الکتریکی هستند که در حدود نیمی از مصرف خانگی آمریکا را شامل می‌شوند[2].
با وجود کاهش قیمت تجهیزات مخابراتی، تهیه یک واسطه مخابراتی دیجیتال زمان واقعی[4] برای بهره‌برداری یک شبکه قدرت از بارهای کوچک یک سد قیمت معنی‌دار را نشان می‌دهد. به هرحال، از قبل یک پارامتر جهانی وجود داشته است که برای نشان دادن تعادل لحظه‌ای تولید و مصرف انرژی الکتریکی بکار می‌رود؛ موسوم به فرکانس سیستم.
توان تولید شده PM(t)، توان مصرف شده PL(t) و انحراف فرکانس سیستم Δf(t) توسط معادله نوسان زیر به هم مربوط می‌شوند:
که در این رابطه H نشان دهنده ثابت اینرسی و D نشان دهنده ضریب میرائی[5] بار می‌باشد. بارها ممکن است فرکانس شبکه را با کم و زیاد کردن مصرف توانشان بالا و پایین ببرند و‌اندازه گیری کنند و قادرند تا ذخایری را برای تنظیم فرکانس [شبکه] تهیه کنند. این مفهوم با نام مصرف کننده به عنوان یک ذخیره با فرکانس کنترل‌شده (DFCR)[4] یا برنامه‌ریز مجدد متناوب تطبیق فرکانس توان الکتریکی[6] [5]، بار دینامیکی[5][7]، وسایل تجاری دوستدار شبکه و حساس به فرکانس[8] [7] یا کنترل کننده بار پاسخ دهنده به فرکانس[9] [8] شناخته می‌شود.
این مقاله نتایج یک تحقیق میدانی را ارائه می‌دهد جائی که در آن برای اولین بار بارهای DFCR در یک محیط کاری کنترل‌نشده نصب شده‌اند و عملکرد آنها به عنوان یک گروهِ بار، پایش می‌شود.
ضریب میرائی بار، رفتار موتورها را، که قسمت عمده‌ای از کل بار را تشکیل می‌دهند، انعکاس می‌دهد. مشابه موتورها، مصرف توان مجموع بارهای DFCR متناسب با فرکانس شبکه است، اما چند جنبه وجود دارد که سبب می‌شود بارهای DFCR، به واسطه مشارکت آنها در ضریب میرائی بار، به سختی مدلسازی شوند. این جوانب عبارتند از:
1- وابستگی زمانی: بارهای DFCR به یک (بافر) ضربه‌گیر[10] ذخیره کننده انرژی اشاره می‌کنند، و "وضعیت شارژ[11]" این ضربه گیر به رشد زمانی فرکانس شبکه بستگی دارد. پاسخ فرکانس تجهیزات به وضعیت شارژ ضربه گیر ذخیره کننده انرژی بستگی دارد.
2- طبیعت گسسته بارها: بسیاری از بارها وضعیت خاموش یا روشن دارند، که آنهایی که تنها به صورت توده‌ای هستند می‌توانند یک پاسخ فرکانسی خطی و آهسته را ایجاد کنند.
3- پارامترهای طراحی: ضریب میرائی بارهای سنتی بیش از آنکه یک تصمیم طراحی باشند یک خصوصیت طبیعی هستند. با بارهای DFCR طراحان شبکه آزادی تعیین پاسخهای فرکانسی را، بیش از آنچه که به وسیله خصوصیات ذاتی بارهای غیرفعال تحمیل می‌شوند، دارا هستند. پاسخهای فرکانسی می‌توانند بر اساس محدوده فرکانسها تعیین شوند و در بیرون از محدوده هموار باشند.
در حالیکه بارهای DFCR به صورت فیزیکی در سیستمهای توزیع ولتاژ پایین قرار دارند، بهره بردار شبکه انتقال نیاز دارد تا رفتار آنها را، هنگامی‌که نیازهای ذخایر تنظیم کننده فرکانس را تعیین می‌کند، محاسبه کند.
این مقاله به صورت زیر شکل گرفته است: بخش دوم تجهیزات آزمایشی، شامل طرح کنترل کننده DFCR و بارها را توضیح می‌دهد، بخش سوم پارامترهای پیکربندی برای بهره برداری شبکه قدرت شمالی را توضیح می‌دهد. بخش چهارم نتایج تجربی را ارائه کرده و بر روی آنها بحث می‌کند. در نهایت، بخش پنجم، با توضیحی درباره امکانات آینده [ی این آزمایش]، نتیجه گیری [آزمایشها را بیان] می‌کند.
2- مجموعه آزمایشی
ما امروزه در حدود 70 تجهیز DFCR را در 200 واحد برنامه‌ریزی شده بکار برده ایم که عمدتا در جزیره بورنهولم، در دریای بالتیک، قرارگرفته‌اند، که به وسیله یک کابل زیردریایی 60کیلوولت، به شبکه انتقال شمالی متصل شده است. بورنهولم اوج باری برابر با 55 مگاوات دارد و انرژی بادی در آنجا به صورت گسترده‌ای استفاده می‌شود(بیش از 30% تولید سالانه برق)، اما هنگامی‌که جزیره از شبکه انتقال شمالی جدا می‌شود، تولید نیروگاه‌های بادی باید برای رسیدن به کیفیت فرکانس قابل قبول کم شود [9و10].
هر سیستم DFCR شامل 2 قسمت است: یک تجهیز در دسترس تجاری که برای اتصال یک پورت سریال به یک کنترل کننده خارجی بهینه سازی شده است و یک کنترل کننده خارجی که برای این آزمایش از تجهیزات فلات قاره‌ای [11] تهیه کرده ایم. بارهای گرمازا عبارتند از یخچالهای خنک کننده نوشابه که در هتلها، رستورانها و مغازه‌ها نصب شده‌اند و بخاری‌های برقی که در خانه‌ها قرار دارند. بارهای صنعتی در یک کارخانه تصفیه آب آزمایش شده‌اند.
الف- سخت افزار کنترل DFCR
تصویر 1 بلوک دیاگرام کنترل کننده DFCR را نشان می‌دهد. کنترل کننده، فرکانس را با استفاده از الگوریتم عبور از صفر[12] و معدل گیری در 8 سیکل‌اندازه گیری می‌کند. مقادیر‌اندازه گیری شده در هر 250 میلی ثانیه به ریزپردازنده رسیده و تجزیه و تحلیل می‌شوند. [ریزپردازنده] تمام مقادیر‌اندازه گیری شده را با یک ساعت زمان واقعی علامت گذاری[13] می‌کند که از طریق یک پروتکل اینترنتی NTP همزمان می‌شود. دقت مقادیرعلامت گذاری شده و فرکانس‌اندازه گیری شده هنگامی‌که کنترل کنند‌های چندگانه فرکانس را هم زمان‌اندازه گیری می‌کنند ارزیابی می‌شوند و نتایج انحراف استاندارد فرکانس‌اندازه گیری شده 1.3 میلی هرتز بوده است[11].
تصویر1- بلوک دیاگرام DFCR. ریزپردازنده [بکار رفته] ارزان قیمت است و 8 کیلوبایت حافظه دارد. فرکانس سیستم با ریزپردازنده دوم (uC)اندازه‌گیری می‌شود. محاسبه توان (اکتیو و رآکتیو) با یک جزء اختصاصی (CS) انجام می‌شود.اندازه گیری‌ها بر روی یک کارت حافظه (SD) ضبط می‌شوند و به صورت دوره‌ای توسط مودم به پایگاه داده منتقل می‌شوند.
یک مدار مجتمع ولتاژ و جریان‌اندازه گیری شده را در هم ضرب می‌کند و توان اکتیو و رآکتیو بارهای متصل شده را محاسبه می‌کند. اطلاعات توان مصرفی و فرکانس شبکه، به علاوه پارامترهای مشخصه تجهیز تحت کنترل، هر دقیقه یکبار نمونه برداری می‌شوند و در یک حافظه داخلی بزرگ ذخیره می‌شوند. به علاوه، هنگا می‌که یک تغییر فرکانس بزرگ روی می‌دهد، اطلاعات با دقت بالاتری (اغلب هر 2 ثانیه یک بار) جمع آوری می‌شوند. این اطلاعات به صورت دوره‌ای با استفاده از مودم بیسیم GSM/GPRS و پروتکل HTTP در یک پایگاه داده ذخیره می‌شوند.
پارامترهای کنترل کننده قابل تنظیم هستند، و سفت افزار[14] می‌تواند از دور به‌روز شود. این تجهیز برای آزمایش انواع مختلفی از ذخیره کننده‌های فرکانس بکاررفته است.
ب-بارها
1- خنک کننده نوشابه: یخچال‌هایی که در این آزمایش استفاده شده‌اند همگی خنک کننده‌های نوشابه‌ای هستند که یک در بزرگ شیشه‌ای دارند و دارای لامپی هستند که با بسته شدن در روشن می‌ماند. این یخچالها یک ترموستات قابل برنامه‌ریزی دارند که از طریق یک کابل سریال، اطلاعات وضعیت داخلی آن و فرمان‌های تنظی می‌پذیرفته شده را به کنترل کننده منتقل می‌کند. کنترل کننده DFCR ترموستات را در حالتی که یک آفست درجه حرارت را به نقطه تنظیم شده توسط کاربر اضافه می‌کند بکار می‌گیرد. بهره برداری کمپرسور تنها به وسیله کنترل کننده خارجی تأثیر می‌پذیرد، چراغ و دیگر تجهیزات داخلی، که برای مصرف ساکنین نصب شده‌اند، از کنترل کننده تأثیر ن می‌پذیرند. مقایسه توان مصرفی قبل و در حال کارکردن کمپرسور آشکار می‌کند که توان مصرفی متوسط کمپرسور 230 وات است. هنگا می‌که کمپرسور خاموش می‌شود اما چراغ داخل یخچال روشن است توان مصرفی 30 وات می‌شود و هنگا می‌که چراغ خاموش می‌شود توان مصرفی به 13 وات می‌رسد. منحنی بار روزانه یخچالها آشکار می‌کنند که ماکزیمم مصرف در ظهر، هنگا می‌که مصرف توان 20 % بیش از شب می‌باشد، روی می‌دهد.
کاربران درجه حرارت یخچال را با تنظیم ترموستات تنظیم می‌کنند. ترموستات کمپرسور را هنگا می‌که درجه حرارت داخل یخچال بیش از 2 درجه سانتیگراد بالاتر از باندمرده[15] برسد روشن می‌کند و هنگا می‌که درجه حرارت به نقطه تنظیم شده برسد آن را خاموش می‌کند. ترموستات دارای یک مشخصه "ضد سیکل کوتاه[16]" است که سبب می‌شود دست کم 3 دقیقه بین توقف و راه‌اندازی مجدد کمپرسور فاصله بیافتد. این مشخصه موتور، کمپرسور را از اضافه بار ناشی از فشار زیاد متراکم کننده[17] حفاظت می‌کند. در طی بهره برداری عادی، بدون وجود آفست، دوره روشن/خاموش هر 15 دقیقه تکرار می‌شود که در نتیجه، دوره کاری کمپرسور 32% می‌شود.
بهره برداری عادی ترموستات به صورت دوره‌ای توسط دوره یخ ریزی[18]،که کمپرسور را به مدت تقریبا 30 دقیقه خاموش می‌کند و اجازه می‌دهد تا درجه حرارت هوای داخلی به بالای باندمرده برسد، دچار وقفه می‌شود. یک یخچال 6% زمانش را در این وضعیت به سر می‌برد. برای تحلیل اثر کارکرد DFCR، یخچالها در وضعیت یخ ریزی از تبادل اطلاعات مستثنی می‌شوند. همچنین مشخصه ضد سیکل کوتاه با بهره برداری عادی یخچالها نیز تداخل می‌کند، اما بر خلاف وضعیت یخ ریزی،[در این حالت] هیچ فیدبکی از ترموستات به کنترل کننده ن می‌رسد، که [نشان بدهد] چه زمانی این وضعیت فعال شده است، پس اثر آن ن می‌تواند به صورت روشن محاسبه شود.
در مجموع، 40 یخچال [در این آزمایش] بکار گرفته شده‌اند و اطلاعات 35 تای آنها در دوره زمانی انتخاب شده برای تحلیل در دسترس است. اطلاعات چند یخچال به خاطر مشکلاتی مانند ارتباط ضعیف GSM، اشکال ترموستات یا اشکال ارتباط سریال بین کنترل کننده و ترموستات از دست رفته است.
2- بخاری‌های برقی: بخاری برقی‌هایی که در این آزمایش مورد استفاده قرارگرفته‌اند رادیاتورهای مقاومتی هستند که در منازل شخصی افراد نصب شده‌اند و با توان نا می‌بین 0.5 تا 2 کیلووات کار می‌کنند. همانند یخچالها، کاربر [ترموستات] آنها را تنظیم کرده است و کنترل کننده DFCR، بسته به فرکانس شبکه، یک آفست به آن اضافه کرده است. بهره برداری از ترموستات به سرراستی یخچالها نیست چراکه‌اندازه گیری حرارت قبل از مقایسه با نقطه تنظیم شده و باندمرده فیلتر شده است. این فیلترینگ برای جبران حرارت تولیدشده توسط مدارات داخلی خود ترموستات و برای بهینه سازی مصرف توان انجام شده است، درحالیکه ظرفیت گرمایی خانه و رفتار ساکنین آن را محاسبه می‌کند.
بارگرمایی به صورت عمده‌ای تحت تأثیر درجه حرارت محیط است. دوره آزمایش از آغاز اکتبر تا انتهای نوامبر، که متوسط درجه حرارت محیط در بورنهولم 8 درجه سانتیگراد و متوسط درجه حرارت در خانه‌های مورد آزمایش 21.2 درجه سانتیگراد است، صورت گرفته است.
3- بارهای کنترل شده با رله همه منظوره: اطلاعات 10 کنترل کننده که به یک رله، که تمام بارها را بی برق می‌کند، مجهز شده‌اند جمع آوری شده است. رله کنترل کننده، این واحدها را هنگا می‌که فرکانس شبکه بیش از یک آستانه تعریف شده پایین می‌آمد از شبکه جدا می‌کرد و دوباره هنگا می‌که فرکانس شبکه بالا می‌رفت وصل می‌کرد، و محدودیت زمانی ماکزیمم و مینیمم زمان قطع قابل قبول را اعمال می‌کرد. محدودیت زمانی بعدی این بود که بار پس از جداشدن از شبکه برای یک فاصله زمانی مینیمم دوباره وصل می‌شد. جزئیات بیشتر این الگوریتم را می‌توان در منبع [4] یافت.
بارهای وصل شده به این کنترل کننده مختلف بودند از جمله پمپهای گردش آب، گرمکن‌های برقی و یخچالهای کوچک. این بارها در مراکز آموزشی، دفاتر اداری و خانه‌ها قرارداشتند.
4- کارخانه تصفیه آب: تصفیه فاضلاب یک فرآیند به شدت انرژی بر به همراه یک توانایی مفید برای پاسخ دهی به مصرف است. در دانمارک در سال 2009 کارخانجات تصفیه آب 528 گیگاوات ساعت انرژی الکتریکی مصرف کرده‌اند، که در حدود 1.6 % کل مصرف برق را تشکیل می‌دهد[13]. کارخانه مرکزی تصفیه آب بورنهولم در آزمایش DFCR با اجازه دادن بعضی از بارهای غیرحیاتی برای کنترل شدن به منظور ایجاد ذخایر اغتشاش تنظیم فرکانس [در این آزمایش] شرکت کرده است. این بارها عبارت بودند از پمپهای الکتریکی آب و جاروهای نظافت متحرک. جعبه کنترل DFCR یک ورودی باینری برای سیستم کنترل موجود کارخانه تهیه کرده است که مسئول بکارانداختن بارها بود. هنگا می‌که فرکانس شبکه زیر آستانه تنظیم شده می‌رسد یک سیگنال از کنترل کننده DFCR به سیستم کنترل کارخانه نشان می‌دهد که چه زمانی فرکانس شبکه به زیر آستانه رسیده است، و کنترل کننده کارخانه برای استفاده از این سیگنال برای توقف فرآیندهایی که این وقفه را تحمل می‌کنند دوباره برنامه‌ریزی شده است، درحالیکه بالاترین اولویت به این امر اخصاص داده شده است که از محدودیتهای فرآیند تجاوز نشود. رفتار این بارها قابل مقایسه با بارهای کنترل شده با رله هستند، با این تفاوت که محدودیت زمانی به وسیله سیستم کنترل کارخانه، و نه کنترل کننده DFCR، اعمال می‌شوند.
واحدهای DFCR، که منحصرا به عنوان دستگاه‌های‌اندازه گیری قدرت کار می‌کنند، به هر یک از بارهای کنترل شده وصل شده‌اند. اطلاعات 13 بار مصرف توان متوسط تجمعی 5.7 کیلووات را نشان می‌دهند.
5- خلاصه از بارها: نمودار زمانی نمایشگر فرکانس شبکه و تجمع توان مصرفی 3 نوع بار DFCR در شکل 2 نمایش داده شده‌اند. در طی این دوره زمانی یخچالها به عنوان یک ذخیره اغتشاش (تنها تنظیم فرکانس بالا) پیکربندی شده‌اند، و یک پاسخ ضعیف در طی دوره افت فرکانس در حدود دقیقه 20 را نشان می‌دهند. کارخانه تصفیه آب، بزرگترین گروه بار، در طی دوره افت فرکانس به مدت 15 دقیقه مصرف را متوقف کرده است و یک افزایش سوزنی شکل را پس از وصل مجدد نشان می‌دهد. گرمکن‌های برقی مصرفشان را در دوره زمانی که فرکانس بالاتر از فرکانس نا می‌باشد متمرکز کرده‌اند، و یک تنظیم در افزایش یا کاهش فرکانس را ایجاد می‌کنند.
تصویر2- نمودار فرکانس(بالا) و پاسخ تجمعی بارهای DFCR(پایین) نسبت به زمان (یک دوره دوساعته). در نمودار پایین مصرف بارهای مختلف جمع شده‌اند، یخچالها به رنگ سبز تیره، گرمکن برقی به رنگ سبز روشن و کارخانه تصفیه آب به رنگ زرد.
3- پیکربندی DFCR برای شبکه انتقال شمالی
بهره برداران شبکه به دنبال مینیمم کردن مقدار و مدت انحراف فرکانس از فرکانس نا می‌شبکه هستند. شبکه انتقال شمالی کاهش کیفیت فرکانس را برای ده سال گذشته تجربه کرده است، در سال 2011 فرکانس شبکه در 2 % زمان خارج از محدوده قابل پذیرش 50Hz±100mHz بوده است. در طی دوره‌هایی که فرکانس زیر مقدار مجاز بوده است، ذخایر کنترل فرکانس کافی برای ارضای n-1 عدد ضوابط قابلیت اعتماد در دسترس بوده است.
خط انتقال شمالی با خریداری کردن ذخایر کنترل شده فرکانس از نیروگاه‌های اصلی در بلوکهای 4 ساعته در روز دست به تنظیم فرکانس زد. در ساعت بهره برداری، بهره برداران شبکه فرکانس آن را در جستجوی افت فرکانس مانیتور می‌کردند و خطوط را به منظور انحراف از توان برنامه‌ریزی شده می‌بستند، و به صورت دستی منابع تنظیم فرکانس را برای تنظیم عدم تعادل فعال می‌کردند. در مواردی که یک عدم تعادل بین تولیدکنندگان و مصرف کنندگان وجود داشت، ذخایر کنترل شده فرکانس برای متوقف کردن تغییر فرکانس شبکه عمل می‌کردند، اما آنها فرکانس را به مقدار نا می‌ن می‌رساندند. در حال حاضر، شبکه انتقال شمالی یک سیستم ذخیره بازیابی فرکانس خودکار در اختیار ندارد، و این [فقدان] در طولانی مدت فرکانس را در زیر مقدار مجاز قرار می‌دهد.
ذخایر تنظیم کننده فرکانس به دو زیرگروه اصلی تقسیم می‌شوند: ذخایر عادی و ذخایر اغتشاش. ذخایر عادی در بازه فرکانس 49.90 تا 50.10 هرتز فعال می‌شوند و نیازمند یک پاسخ خطی از ژنراتورها در طی 180 ثانیه هستند. ژنراتورهایی که در این ذخیره شراکت دارند توان خروجی خود را برای تطابق با نوسانات کوچک فرکانس شبکه به صورت پیوسته تنظیم می‌کنند، اما پاسخ آنها بسیار کند است، در حالیکه این امر بر کیفیت فرکانس اثری منفی دارد. ذخایر اغتشاش در بازه فرکانسی 49.5 تا 49.9 هرتز فعال می‌شوند و یک تنظیم فرکانس بالا را فراهم می‌آورند. همچنین یک پاسخ خطی، که باید سریعتر از ذخایر عادی فعال شود، با50 درصد ظرفیت در عرض 5 ثانیه فعال می‌شود و در عرض 30 ثانیه به تمام ظرفیت خود می‌رسد[1]. این نوع از ذخیره برای عمل کردن در موارد نادری، مانند هنگا می‌که یک خط انتقال یا نیروگاه قطع می‌شود، منظور شده است. در حال حاضر، به خاطر کیفیت پایین فرکانس، که به آن اشاره شد، ذخایر اغتشاش بیش از حد استفاده می‌شوند و تقریبا هر یک ساعت فعال می‌شوند.
الف- DFCR به عنوان ذخیره عادی
بارهای گرمازا برای بهره برداری پیوسته به عنوان یک ذخیره عادی مناسب هستند، چرا که آفست نقطه تنظیم می‌تواند به صورت مؤثری زیر 0.1 درجه سانتیگراد افزایش انجام شود. هنگا می‌که تجهیز برای بهره برداری به عنوان یک ذخیره عادی پیکربندی می‌شود، حرارت تنظیم شده به وسیله کاربر در رابطه با تنظیمات ترموستات در فرکانس نا می‌شبکه (50 هرتز) است. تنظیمات ترموستات از تنظیم کاربر با مقداری که به صورت خطی متناسب با انحراف فرکانس شبکه از فرکانس نا می‌است منحرف شده است[15].
بازه تغییر نقطه تنظیم برای رسیدن به‌اندازه باندمرده ترموستات انتخاب شده است، بنابراین یک تغییر ناگهانی در خارج از 50 تا 49.90 هرتز تمام تجهیزات را، از جمله آنهایی که به تازگی روشن شده‌اند، خاموش می‌کند. مقادیر پارامترهای کنترل کننده در جدول 1 داده شده‌اند. بارهای کنترل شده با رله و بارهای کارخانه تصفیه آب برای بهره برداری پیوسته به عنوان ذخیره عادی مناسب نیستند.
جدول 1- پارامترهای ذخیره عادی
ب- DFCR به عنوان ذخیره اغتشاش
برای بارهای گرمازا، بهره برداری به عنوان یک ذخیره اغتشاش شبیه ذخیره عادی است با این تفاوت که ترموستات به ندرت آفست دارد و هنگا می‌که دارای آفست است [این آفست] همیشه مایل به سمت درجه حرارت محیط است. بازه آفست درجه حرارت بارهای گرمازا به عنوان ذخیره اغتشاش، 3 درجه سانتیگراد در 49.70 هرتز و 0 درجه سانتیگراد در 49.90 هرتز است. این یک بازه کوچک است، اما نسبت به ذخیره عادی انحراف بزرگتری از درجه حرارت تنظیم شده توسط کاربر می‌باشد. یک انحراف تحمیل شده -3 درجه سانتیگرادی می‌تواند برای کاربران غیرقابل قبول باشد، اما به خاطر دوره‌های زمانی کوتاه صرف شده در این بازه فرکانسی برای ذخیره اغتشاش قابل پذیرش است.
بارهای کنترل شده با رله، و بارهای کارخانه تصفیه آب برنامه‌ریزی شده‌اند تا در فرکانس 49.90 هرتز از شبکه جداشوند. استفاده از یک قطع کننده آستانه، بهره برداری و تحلیل تجهیزات را ساده تر کرده است اما از دیدگاه بهره بردار شبکه این رفتار مطلوب نیست. خطرات ناشی از این بهره برداری به وسیله گروه بزرگی از اینورترهای PV در آلمان، که همگی برنامه‌ریزی شده بودند تا در فرکانس 50.20 هرتز قطع شوند[16]، اثبات شده است. در یک مقیاس بزرگتر، فرکانس آستانه نیاز دارد تا در یک بازه گسترده شود تا از تولید اغتشاش ناشی از تغییرات پله‌ای بار اجتناب شود.
بارهای همه منظوره کنترل شده با رله دارای محدودیت زمان محافظه کارانه‌ای برای تطبیق گوناگونی نوع بارها، جدول 2، می‌باشند. محدودیتهای زمانی سیگنال فرستاده شده به کارخانه تصفیه آب تنظیم بر روی مقادیر مجاز تنظیم شده است و به ندرت فعال هستند.
جدول2- پارامترهای ذخیره اغتشاش
4- نتایج و بحث
این بخش نتایج آزمایش را، بسته به پیکربندی و نوع بار، ارائه می‌کند.
الف- ذخیره عادی
1- یخچالها: اطلاعات 26 یخچال در طی 16 هفته جمع آوری شده‌اند. نمونه‌های فرکانس، توان و درجه حرارت در هر دقیقه توسط کنترل کننده جمع آوری شده‌اند. نمونه‌ها به ترتیب زمانی ذخیره شده‌اند و توان متوسط مصرفی و مقادیر درجه حرارت جمعیت برای هر دقیقه ثبت شده‌اند. این روش، مصرف توان را بیشتر در قیاس با‌اندازه یک یخچال نشان می‌دهد تا تعداد جمعیت. اطلاعات هر دقیقه به وسیله مقدار فرکانس شبکه گروه بندی شده‌اند و سپس متوسط مصرف توان و درجه حرارت برای هر گروه فرکانسی یافته شده‌اند. نتایج مصرف توان، تصویر3، به وسیله یک رگرسیون خطی کمترین مربعات اصلاح شده‌اند. مجموعه اطلاعات در فرکانسهای بالا چگالی کمتری دارند چون فرکانس شبکه یک توزیع گوسی را در اطراف 50.00 هرتز دنبال می‌کند. در فرکانسهای بالاتر از 50.10 و کمتر از 49.90 هرتز، به خاطر اینکه آفست ترموستات به مرز انحراف از نقطه تنظیم شده توسط کاربر می‌رسد خطی بودن منحنی از بین می‌رود.
تصویر3- پاسخ فرکانسی متوسط یخچالها با رگرسیون خطی. آفست درجه حرارت به صورت خطی با ±2'C در بازه 49.90 تا 50.10 هرتز با آفست 0 در 50.00 هرتز تغییر می‌کند.
شیب رگرسیون خطی 0.431Kw/Hz می‌باشد. ترموستات با نرخ 20'C/HZ تغییر می‌کند، رابطه آفست درجه حرارت با توان مصرفی 21.6W/'C می‌باشد. تفاوت توان متوسط مصرفی در 50.10 و 49.90 هرتز برابر با 90.1 وات است. در مقایسه با مصرف 230 واتی کمپرسور، درمی یابیم که 39.2% توان کمپرسور برای مشارکت در DFCR استفاده شده است. توان متوسط مصرفی یخچالها، از جمله چراغ و مصرف ساکنین، 89.4 وات است که کمی کمتر از توان تهیه شده برای پاسخ فرکانسی است.
توزیع مقادیر در هر گروه فرکانسی به وسیله یافتن چارک‌ها، تصویر4، تحلیل شده است. تفاوت بین چارک‌ها با افزایش فرکانس بیشتر می‌شود. برای فرکانسهای زیر 49.95، اولین چارک جایی است که تمام کمپرسورها خاموش می‌باشند.
تصویر4-توان متوسط هر گروه. توان متوسط با میانه نشان داده شده است.
توان مصرف شده توسط کمپرسور یخچالها برای خنک کردن هوای داخل یخچالها استفاده شده است، اما درجه حرارت هوا به آهستگی بیش از توان مصرفی تغییر می‌کند، و به وسیله ظرفیت گرمایی مدار سرمازا دچار تأخیر می‌شود. رسم درجه حرارت متوسط هوای داخلی نسبت به فرکانس در هر دقیقه، تصویر5، همان طور که انتظار داشتیم همبستگی معکوس درجه حرارت نسبت به فرکانس شبکه را نشان می‌دهد. درجه حرارت متوسط تقریبا ±1.3 درجه سانتیگراد در بازه فرکانسی 49.90 تا 50.10 هرتز تغییر می‌کند حتی اگر آفست نقطه تنظیم ترموستات ±2 درجه سانتیگراد باشد.
تغییرات پیوسته آفست تنظیم یخچالها تعداد دفعات روشن و خاموش شدن کمپرسور را در مقایسه با کاربری بدون DFCR به‌اندازه 10 % افزایش می‌دهد.
تصویر5- متوسط درجه حرارت داخلی یخچالها نسبت به فرکانس با رگرسیون خطی
برای آشکار کردن اینکه چگونه پاسخ فرکانس نسبت به زمان تغییر می‌کند، بر اساس تغییرات زمانی فرکانس اطلاعات به 3 گروه تقسیم شده‌اند: پایین (کمتر از 49.975 هرتز)،متوسط (بین 49.975 و 50.025 هرتز) و بالا (بیشتر از 50.025هرتز). آستانه فرکانسی که گروه‌ها را از هم جدا می‌کند برای متعادل کردن تعداد نمونه‌هایی که در هر گروه قرار گرفته‌اند، به همراه 50% نمونه در میانه گروه، انتخاب شده‌اند. مقایسه پاسخ فرکانسی 3 گروه نشان می‌دهد که چگونه تحت تأثیر پیشرفت فرکانس در دوره اخیر قرارگرفته است. هنگا می‌که تغییرات زمانی فرکانس بالا باشد، توان متوسط مصرفی در فرکانس نا می‌کمتر از هنگا می‌است تغییرات زمانی فرکانس متوسط یا کم باشد. هنگا می‌که تغییرات فرکانسی کمتر از فرکانس نا می‌باشد منحنی نزولی می‌شود. تصویر 6 پاسخ فرکانس هر 3 گروه را هنگا می‌که متوسط تغییرات زمانی فرکانس بیش از 6 دقیقه باشد نشان می‌دهد. دوره زمانی برای معدل گیری مقادیر فرکانس از 2 تا 20 دقیقه متغیر است تا مقیاس زمانی که بیشتر در پاسخ فرکانس تأثیر گذاشته است آشکارشود. تفاوت بین 3 گروه با یافتن بهترین رگرسیون خطی هر گروه، و سپس مقایسه مقادیر مورد انتظار با فرکانس نا می‌به دست می‌آید. تفاوت مقادیر مورد انتظار، تصویر7، به یک قله در 6 دقیقه قبل از افت منجر می‌شود. این نتیجه خاطرنشان می‌کند که پاسخ فرکانس با ترکیب تأثیر مقادیر آنی و مقادیر متوسط فرکانس در 6 دقیقه جلوتر بهتر پیش‌بینی می‌شود.
تصویر6- پاسخ فرکانسی پایین، متوسط و بالای فرکانسهای زمانی هنگا می‌که فرکانس متوسط محاسبه شده بیش از 6 دقیقه باشد.
تصویر7- تفاوت بین بهترین رگرسیون‌های فرکانس پایین، متوسط و بالا برای‌اندازه‌های مختلف پنجره برای محاسبه فرکانس متوسط. محور عمودی به نسبت بیشترین تفاوت مشاهده شده برای هر تجهیز نرمالیزه شده است.
2- بخاری‌های برقی: برای یک دوره 8 هفته‌ای در پاییز، اطلاعات 5 خانه با مجموع توان 6کیلووات جمع آوری شد. اطلاعات توان مصرفی که برای آشکارشدن پاسخ فرکانسی جمعیت جمع آوری شده‌اند در تصویر 8 نشان داده شده‌اند. پاسخ فرکانسی در اطراف فرکانس نا می‌نامتقارن است، که یک شیب تندتر را برای تنظیم فرکانس بالا (3.55Kw/Hz) نسبت به تنظیم فرکانس پایین (0.834Kw/hZ) نشان می‌دهد. ظرفیت تنظیم فرکانس پایین در حدود 49.93 هرتز هنگا می‌که ترموستات آفستی برابر با 1,4 درجه سانتیگراد دارد به آخر می‌رسد. یک عدم تقارن مشابه با آنچه که در شکل 8 دیده می‌شود در تجربیات آزمایشگاهی با یخچال مشاهده شده است[15]. این رفتار قابل استناد به یک دوره کاری کم است که ظرفیت بیشتری برای تنظیم فرکانسهای پایین نسبت به فرکانسهای بالا به دست می‌دهد.
پاسخ فرکانسی بین 49.90 و 50.10 هرتز 435 وات است که 2.7 برابر متوسط توان مصرفی 160 وات می‌باشد. پاسخ فرکانسی به صورت عمده‌ای به درجه حرارت محیط و دوره زمانی که هیچ تقاضای حرارتی وجود ندارد بستگی دارد. یک زیرمجموعه اطلاعات از 2 تا 11 خانه با شرایط مطلوب هوا در روز پاسخ فرکانس معادل 92 % توان نامی‌بخاری‌ها را نشان می‌دهد.
تصویر8- پاسخ فرکانسی بخاری‌های برقی با رگرسیون خطی. متوسط توان مصرفی قبل از این که آفست ترموستات به 49.90 محدود شود به صفر نزدیک می‌شود.
تصویر 7 نشان می‌دهد که وابستگی زمان پاسخ فرکانس هنگامی‌که متوسط تغییرات زمانی بیش از 45 دقیقه باشد بیشتر است.
ب- ذخیره اغتشاش
1- یخچالها: یخچالها پیکربندی شده‌اند تا به عنوان ذخیره اغتشاش در یک دوره 8 هفته‌ای کارکنند. تحلیل نتایج پاسخ فرکانسی، تصویر9، نشان می‌دهد که با وجود نویز ناشی از مجموعه کوچک اطلاعات در مقادیر زیاد، یک پاسخ فرکانسی در مقادیر فرکانسی زیر 49.90 هرتز ظاهر می‌شود و در بالاتر از این مقدار پاسخی وجود ندارد. شیب بهترین رگرسیون در بازه فرکانسی 49.80 و 49.90 هرتز 558W/Hz یا 37W/'C می‌باشد. با وجود این حقیقت که شیب آفست درجه حرارت به عنوان یک ذخیره اغتشاش( 15'HZ) از ذخیره عادی (20'HZ) کمتر است، پاسخ فرکانسی نسبت به درجه حرارت آفست تقریبا دوبرابر بیشتر است. یک توضیح درباره این رفتار می‌تواند این باشد که با درنظرگرفتن اینکه هنگامی‌که یک اغتشاش روی می‌دهد درجه حرارت داخلی یخچالهای شبیه وضعیت عادی هستند، فضای بیشتری برای تفاوت مصرف توان برای دوره کوتاه افت فرکانس می‌دهند. در وضعیت ذخیره عادی، فرکانس شبکه به نظر می‌رسد که در مقادیر نامی‌برای دوره‌های طولانی زمان تنظیم می‌شود که پاسخ متوسط را تضعیف می‌کند.
تصویر9- پاسخ فرکانسی یخچالها که به عنوان ذخیره اغتشاش عمل می‌کنند با رگرسیون خطی در بالا و پایین فرکانس 49.90 هرتز.
اندازه مجموعه اطلاعات در فرکانسهای بالا کوچکتر از آن است که مقدار کلی پاسخ فرکانسی ایجادشده توسط یخچالها را توضیح دهد. برای‌اندازه گیری زیر 49.85 هرتز توان متوسط مصرفی 42 وات بوده است که نشان دهنده این است که در این فرکانس پاسخ 36 وات، برابر با 46% متوسط توان و 16% توان کمپرسور، می‌باشد.
2- کارخانه تصفیه آب: کارخانه تصفیه آب 2 نوع بهره برداری دارد: عادی و کوتاه شده. در بهره برداری عادی، بار در بیشتر مواقع بین 3 تا 9 کیلووات‌اندازه گیری شده است. هنگامی‌که بار کوتاه می‌شود، توان مصرفی باقیمانده در حدود 0.25 کیلووات است. فرکانس وابسته بهره برداری در هر یک از وضعیت‌ها مصرف متوسط توان را تعیین می‌کند. پاسخ تجمعی فرکانس تمام بارها، که در یک دوره 9 هفته‌ای جمع آوری شده‌اند، در تصویر 10 نشان داده شده‌اند. همان طور که انتظار می‌رفت، یک تغییر پله‌ای در توان مصرفی در فرکانس قطع (49.90 هرتز) قابل مشاهده است. در زیر فرکانس قطع، متوسط توان مصرفی یک افزایش خطی را به دلیل محدودیت زمان اعمال شده بر روی سیگنالهای DFCR و اینکه کنترل کننده کارخانه تصادفا سیگنال DFCR را به خاطر جلوگیری از تجاوز از محدودیتهای فرایند نادیده می‌گیرد نشان می‌دهد. افزایش خطی توان متوسط مصرفی بین فرکانس قطع و فرکانس وصل مجدد (49.95هرتز) نتیجه هیسترزیس سیگنال DFCR علاوه بر محدودیتهای زمانی و برتری اعمال شده توسط کنترل کننده کارخانه است.
تصویر10- پاسخ فرکانسی کارخانه تصفیه آب با فرکانس قطع 49.90 هرتز و فرکانس وصل مجدد 49.95 هرتز. خط راست نشاندهنده توان متوسط مصرفی زیر فرکانس قطع می‌باشد و خط چین نشان دهنده متوسط توان مصرفی در اطراف فرکانس وصل مجدد می‌باشد.
متوسط توان مصرفی زیر فرکانس قطع 2.41 کیلووات، در مقایسه با متوسط بالای فرکانس قطع 6.05کیلووات، یک کاهش 60% را نشان می‌دهد.
3- بارهای کنترل شده با رله: در طی دوره آزمایش، پاسخ فرکانسی بارهای کنترل شده توسط رله مخالف آن چیزی بودند که انتظار داشتیم: فرکانسهای پایین تر در ارتباط با توان‌های مصرفی بالاتر بودند. این امر با تسلط نفوذ محدودیتهای زمانی بر وضعیت رله‌ها می‌تواند توضیح داده شود. هنگامی‌که فرکانس شبکه زیر مقدار قطع است، بارها به خاطر محدودیت ماکزیمم زمان قطع و مینیمم زمان وصل مجدد در 60% زمان برقدار هستند. هنگامی‌که فرکانس بالاتر از مقدار قطع است، به خاطر محدودیت مینیمم زمان قطع در 1% زمان رله‌ها بارها را بی برق می‌کنند. اوج توان مصرفی در فرکانس وصل مجدد (49.9هرتز) روی می‌دهد و این بدان خاطر است که یک جریان هجومی و اثر ارتجاعی پس از قطع بارها وضعیت آرمانی آنها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. اما محدودیت ماکزیمم زمان وصل بدین معنی است که بارها می‌توانند در دیگر مقادیر پایین فرکانس برقدار شوند، و این امر سبب می‌شود که توان مصرفی تمام مقادیر فرکانس پایین بیشتر از هنگامی باشند که بهره برداری در فرکانس نامی‌انجام می‌شود.
الگوریتم کنترلی با این نتایج از کار نمی‌افتد، اما لازم است که در مقادیر پارامترهایش تجدید نظر شود. بکارگیری رفتار ذکر شده موجد این اشکال است که محدودیتهای زمانی با شرایط واقعی فرکانس در شبکه انتقال شمالی تنظیم نمی‌شوند. افزایش فرکانس وصل مجدد به تخفیف این مشکل وابسته به مینیمم زمان وصل مجدد کمک می‌کند، و کار کردن در اطراف محدودیت ماکزیمم زمان قطع سبب می‌شود که فرکانس قطع بتواند پایین تر باشد، بنابراین ذخیره کمتر، و برای دوره‌های زمانی کوتاه تر، از معمول فعال می‌شود.
5- نتیجه و کارهای آتی
این مقاله آزمایشی در حوزه کاربری DFCRها را ارائه کرد که بر اساس تجربیات آزمایشگاهی قبلی با سنجش تعدادی از تجهیزات کنترل شده با فرکانس، و افزایش گونه گونی بارهای تحت کنترل و آزمایش آنها در طی بهره برداری روزانه انجام شد.
در شرایط مطلق، مقدار توان تحت کنترل DFCR در این آزمایش بیشتر در حد متوسط، 10کیلووات، هستند. به هرحال، به نسبت مصرف توان هر بار، پاسخ فرکانسی معنادار است. برای اینکه منابعی که به مصرف و سوخت اهمیت می‌دهند در بخش خانگی از نظر تجاری مناسب شوند، قیمتهای ثابت باید کم باشد تا با مصرف توان کمِ هر واحدِ مجزا مطابقت کند. کنترل کننده‌های DFCR استفاده شده در این آزمایش خودشان تأثیری در قیمت ندارند، اما استفاده از اجزای کم قیمت برای‌اندازه گیری فرکانس و اجرای الگوریتم DFCR ارزیابی تحلیلهای هزینه-سود قبلی را[4و17] پشتیبانی می‌کنند.
یک تحلیل از اطلاعات فرکانس و توان مصرفی بارهای گرمازا نشان می‌دهد که درحالیکه بهره برداری به عنوان یک ذخیره کننده فرکانس در بازه فرکانسی 49.90 تا 50.10 هرتز انجام می‌شود، پاسخ فرکانسی بیش از مصرف متوسط توان است. بارهای تحت کنترل در کارخانه تصفیه آب کاهش توان متوسطی در حدود 60 % در مواقع افت فرکانس داشته‌اند. پاسخ بارهای همه منظوره کنترل شده با رله به محدودیت زمان، مقادیر آستانه فرکانس و مقادیر توزیع فرکانس سنکرون شبکه‌ای که به آن متصل هستند حساسند. شیب پاسخ، که به صورت W/Hzاندازه گیری می‌شود، هنگامی‌که یخچالها به عنوان یک ذخیره کننده اغتشاش عمل می‌کنند بیشتر است و از آنجا دامنه پاسخ کمتر می‌شود.
به خاطر اینکه کنترل کننده‌های DFCR اجازه می‌دهند تا الگورتیم‌ها تا از راه دور به روز شوند، این بستر آزمایشی عموما برای دیگر مطالعات پاسخ مصرف مناسب می‌باشد. هنگامی‌که مطالعه DFCR انجام شد، کنترل کننده‌ها برای پاسخ به سیگنال خارجی قیمت، بیش از فرکانس شبکه، دوباره برنامه‌ریزی خواهندشد[18].
[1] Demand Frequency controlled reserve (DFCR)
[2] Nordic Grid Codes
[3] Thermostat controlled Loads(TCLs)
[4] Real time
[5] Damping
[6] Alternatively Frequency Adaptive Power Energy Rescheduler (FAPER)
[7] Dynamic Demand
[8] Frequency-Sensitive Gridfreindly trademark Appliances
[9] Frequency Responsive Load Controller
[10] Buffer
[11] State of charge (SOC)
[12] Zero crossing
[13] timestamp
[14] firmware
[15] Deadband
[16] Anti-short cycle
[17] condenser
[18] defrost