بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهبود کيفيت توان با بکارگيري سيستم HVDC چند ترمينالة مبتني بر مبدلهاي منبع ولتاژ
چکيده :
انواع زيادي از تجهيزات الکترونيک قدرت به منظور بهبود کيفيت توان از قبيل کاهش هارمونيک ، حذف اغتشاشات ولتاژ و نوسانات فرکانس ، در سيستم قدرت بکار مي روند. اين مقاله يک راه حل کلي براي مساله کيفيت توان با بکارگيري سيستم VSC-MTDC1 ارائه مي نمايد. کنترلرهايي براي VSC-MTDC طراحي شدند که ترکيبي از بخشهايي هستند که کنترل ولتاژ dc چند ترميناله و کنترل مستقل جريان را ارائه مي دهند و شامل يک جبران کننده فيدفوروارد ولتاژ dc مي باشند. مطالعات نمونه با استفاده از نرم افزار PSCAD.EMTDC انجام يافته و نتايج حاصله اثرات MTDC را در بهبود کيفيت توان بررسي و تائيد مي نمايند.
١- مقدمه
در سالهاي اخير با تاسيس بازار برق ، توسعه توليد پراکنده و کاربردهاي وسيع ادوات الکترونيک قدرت غيرخطي ، کيفيت توان به يک موضوع مهم و جدي تبديل شده است [١] و [٢].
در عين حال ، راه حلهاي متنوعي براي مسائل کيفيت توان با پيشرفت تکنيک هاي کنترل ، تکنيک هاي الکترونيک قدرت و تکنيک هاي ذخيره انرژي موجود مي باشند. در حال حاضر، ادوات FACTS زيادي براي بهبود کيفيت توان بکار برده مي شوند. [١] و [٢]. بعنوان مثال ، در مواقعي که D-STATCOM DVR و UPS جهت کاهش اغتشاش ولتاژ، نوسان ، ريپل ، وقفه ولتاژ و غيره به کار مي روند، فيلترهاي اکتيو (APF) مي توانند جهت کاهش هارمونيک ها کاربرد داشته باشند. اما هيچکدام از بهبود کيفيت توان با بکارگيري سيستم HVDC چند ترمينالة مبتني بر مبدلهاي منبع ولتاژ ادوات FACTS اشاره شده در بالا نمي توانند مسائل گوناگون کيفيت توان را تواما حل نمايند.
سيستم VSC-HVDC داراي امتيازات زيادي مي باشد [٣] و [٩]. که مي تواند توان اکتيو و راکتيو را مستقلاً کنترل نمايد و يک شبکه پسيو را تغذيه نمايد. همچنين توسط معکوس نمودن جهت جريان DC بدون تغيير پلاريته ولتاژ DC ، مي توان پخش توان را معکوس نمود. در کانورترها به ارتباط مابين نيازي نيست که اين مزيتي در ساخت سيستم هاي DC چند ترميناله موازي ، به حساب مي آيد. بنابراين ، VSC-HVDC داراي يک پرسپکتيو نويد بخش در زمينه هاي زيادي شامل تغذيه توسط ژنراتورهاي رنج کوچک (ژنراتورهاي خورشيدي يا بادي )، تغذيه توان به بارهاي دوردست و اجراي سيستمهاي توزيع dc در شهرها خواهد بود.
سيستم VSC-MTDC داراي امتيازات زيادي نسبت به سيستم HVDC دو ترميناله در زمينه هاي گوناگون از قبيل انعطاف در کنترل ، قابليت اطمينان و اقتصادي مي باشد [٦] و [٧]. در اين مقاله ، کيفيت توان بارهاي حساس توسط سيستم MTDC بهبود مي يابد. کنترلرهايي براي VSC-MTDC طراحي مي شوند که ترکيبي از بخشهاي مربوط به کنترل ولتاژ dc چند ترميناله و کنترل مستقيم جريان بوده و شامل يک جبران کننده فيدفوروارد ولتاژ dc مي باشند. مطالعات نمونه با استفاده از نرم افزار PSCAD.EMTDC انجام يافته و نتايج حاصله اثرات MTDC را در بهبود کيفيت توان بررسي و تاييد مي نمايند.
٢- سيستم VSC-MTDC
سيستم VSC-MTDC که ساختار آن در شکل (١) نشان داده شده است ، شامل ٥ تا VSC مي باشد که بطور موازي در ترمينالهاي dc وصل شده اند. هر VSC يک خازن dc در مقابل ترمينال DC خودش دارد. فرض مي شود که توان ac به منظور بهبود قابليت اطمينان از طريق ٣ منبع جداگانه به سيستم DC انتقال مي يابد، تا اينکه توسط ٣ تا VSC توان ac يکسو شود.
دو تا از ٣ يکسو ساز (VSC1 , VSC٣) طوري طراحي مي شوند که بعنوان تنظيم کننده هاي ولتاژ dc جهت حفظ يک ولتاژ dc منظم (ثابت ) در طرف باس dc، عمل نمايند. يکسوساز سوم (VSC2) بعنوان ارسال کننده توان عمل مي کند که تضمين مي نمايد توان يکسوساز معادل با توان تنظيمي مرجع مي باشد. توان dc يکسو شده روي باس dc توسط VSC4 و VSC5 معکوس شده و به بارهاي Z1, Z2 اعمال مي شود.
هر دو بار بعنوان بارهاي حساس که ولتاژ سينوسي سه فاز متعادل و بدون وقفه را نياز دارند، طراحي مي شوند. بعلاوه ، فيلترهاي بالاگذر پسيو، بمنظور کاهش هارمونيک هاي سوئيچينگ و بهبود کيفيت ولتاژ بکار برده مي شوند.
شکل (٢) دياگرام مداري VSC را در سيستم HVDC پنج ترميناله نشان مي دهد،که و isl بترتيب ولتاژها و جريانهاي باس ac هستند. L اندوکتانس اندوکتور کانورتر است
و C نمايانگر خازن dc در طرف ترمينالهاي dc مربوطه مي باشد.
ماتريس تبديل دستگاه مرجع سنکرون ، P، بصورت زير تعريف مي گردد زاويه فاز بردار فضايي ولتاژ منبع مي باشد):
موقعي که مقاومت اندوکتور کانورتر و تلفات سوئيچينگ صرفنظر مي شوند، مدل رياضي گذراي VSC در دستگاه مرجع سنکرون
d-q مي تواند با استفاده از تبديل دستگاه سنکرون بصورت زير بيان شود:
که Usd و Usq بترتيب ولتاژهاي باس در محورهاي d و q هستند؛ Ucd و Ucq نمايانگر مولفه هاي اصلي ولتاژهاي طرف AC کانورتر بترتيب در محورهاي d و q مي باشند. isd و isq بترتيب نمايانگر جريانهاي ac در محورهاي d و q هستند. از معادله (٢) مي توان دريافت که مولفه هاي ac بعد از تبديل دستگاه مرجع به مولفه هاي dc تبديل مي گردند. موقعي که مقاومت اندوکتور کانورتر و تلفات سوئيچينگ صرفنظر مي شوند، توان اکتيو و راکتيو در طرف AC کانورتر VSC و توان اکتيو در طرف DC مي توانند بصورت زير بر طبق تئوري توان لحظه اي بيان شوند:
بنا بر قانون انرژي ، توان اکتيو انتقالي به سيستم MTDC بايد جبران شود:
٣- طراحي کنترلر براي سيستم VSC-MTDC
سيستم MTDC توانايي کنترل توان اکتيو و راکتيو را در هر ايستگاه VSC دارد که مي توانند مستقلاً کنترل شده و بسرعت کاهش يا افزايش يابند. در حالتي که يکي از تنظيم کننده هاي ولتاژ dc از دست مي رود، بايد يک تنظيم کننده ولتاژ dc جهت پشتيباني فراهم شود. بنابراين ، در اينجا بمنظور حفظ يک ولتاژ dc منظم (ثابت ) در طرف باس dc، VSC1 و VSC3 بعنوان رگولاتورهاي ولتاژ طراحي مي شوند. از آنجايي که ارتباطات مابين کانورترها لازم نيستند، در سيستم VSC-MTDC کنترل براي هر VSC مي تواند مستقلاً طراحي شود.
٣-١- کنترل توان ac
يکسوسازهاي VSC1 و VSC3 جهت تنظيم ولتاژ dc در طرف باس dc اختصاص داده مي شوند. در عين حال ، VSC1 کنترل ولتاژ ac را به منظور ثابت نگه داشتن ولتاژ باس ac بعهده مي گيرد و VSC3 کنترل توان راکتيو ثابت را عهده دار مي شود.
VSC2 بعنوان ارسال گر توان عمل مي کند و همچنين کنترل ولتاژ ac ثابت را بعهده مي گيرد.
٣-١-١- کنترل توان اکتيو و راکتيو و کنترل ولتاژ DC
تحت شرايط متعادل شبکه ، با فيکس نمودن محور d به ولتاژ منبع Us، داريم :
که Us دامنه بردار فضايي ولتاژ فاز منبع مي باشد. معادله (٣) بصورت زير ساده سازي مي شود:
معادله (٦) نشان مي دهد که توان اکتيو و راکتيو مي توانند بترتيب توسط جريان اکتيو isd و جريان راکتيو isq کنترل شوند، بنابراين توان اکتيو و راکتيو مي توانند مستقلاً کنترل شوند، در اين مقاله ، کنترلرهاي توان اکتيو و راکتيو رگولاتورهاي PI را اتخاذ مي نمايند. خروجي هاي رگولاتورهاي PI بترتيب جريان اکتيو و جريان راکتيو هستنند، که بشرح زير بيان مي شوند:
در يک سيستم VSC-MTDC وظيفه رگولاتور ولتاژ dc فراهم نمودن يک رفرنس ولتاژ dc شبکه dc و تغذيه شبکه dc با يک توان اصلي جهت تضمين اينکه تعادل توان برقرار مي شود، است . بنابراين ، در اين مقاله ، کنترلرهاي ولتاژ dc کنترل PI را جهت تنظيم ولتاژ dc با بکارگيري فيدبک منفي اتخاذ مي نمايند. خروجي کنترل ولتاژ dc جريان اکتيو is*d است که مي تواند بصورت زير بيان شود:
از آنجايي که اندازه ولتاژ ac توسط توان راکتيو تاثير مي پذيرد، توان راکتيو مي تواند با فيدبک منفي جهت تنظيم ولتاژ ac معادل با مرجع *Us کنترل شود. بنابراين ، در اين مقاله کنترل PI براي رگولاتور ولتاژ ac اتخاذ مي گردد. خروجي کنترل ولتاژ ac جريان راکتيو است ، که مي تواند بصورت زير بيان شود:
مرجع کنترل جريان داخلي به کار مي روند که در زير توصيف خروجي هاي اين رگولاتورهاي توان خارجي به عنوان مقادير
مي گردند:
٣-١-٢- کنترل جريان داخلي
بر طبق معادله (٢)، جريانهاي محورهاي d و q مي توانند توسط Ucd و Ucq کنترل شوند، و آنها با هم کوپل هستند. به منظور حذف ارتباط مابين جريانهاي محورهاي d و q، يک کنترل جريان داخلي جداگانه و خطي در اين مقاله پيشنهاد مي گردد. معادله (٢) مي تواند بصورت زير نوشته شود:
به منظور بهبود عملکرد کنترلر جريان داخلي و معرفي يک استراتژي کنترل جداگانه جريان براساس فيدبک متغير ورودي خروجي ، دو متغير ورودي جديد xd،xq معرفي مي شوند که يک رابطه خطي و جداگانه مابين xd،xq و isd،isq بوجود مي آورند.
چونکه فقط يک اندوکتور در هر فاز کانورتر وجود دارد، رابطه مابين xd،xq و isd،isq مي تواند توسط معادلات ديفرانسيل
بصورت زير بيان شود:
با جايگزيني (١٢) در (١١) داريم :
بر طبق معادله (١٣)، مولفه هاي اصلي مورد نظر ولتاژ در طرف ac کانورتر عبارتند از:
از معادله (١٤) ساختار کنترلي جداگانه و خطي جريانها مي توانند در شکل (٣) نمايش داده شوند.
اعمال تبديل لاپلاس روي معادله (١٢) نتيجه مي دهد:
معادله (١٦) بدين معناست که عملکرد تابع تبديل درجه اول متاثر از پارامترهاي λ١ وλ٢ است . بنابراين ، با انتخاب مناسب پارامترهاي λ١ وλ٢ مي توان به خاصيت ديناميکي بهتر کنترل جريان دست يافت . براساس رفرنسهاي ولتاژ (شکل موج مدولاسيون ) خروجي کانورتر و تئوري مدولاسيون پهناي پالس ، پالسهاي روي هر ساق کانورتر تقويت مي شوند.
متغيرهاي xd و xq در شکل (٣) بترتيب مرتبط با جريان اکتيو و راکتيو کنترلر توان خروجي مي باشند.
با ترکيب کنترل توان خروجي و کنترل جريان داخلي ، ساختار کنترل کانورتر متصل به سيستم قدرت در شکل (٤) نشان داده شده است .و بترتيب مقادير رفرنس تنظيمي توان اکتيو، توان راکتيو، ولتاژ ac باس و ولتاژ dc هستند.
٣-٢- طرح کنترلي براي کانورتر تغذيه کننده بار حساس
در سيستم VSC-MTDC نشان داده شده در شکل (١)، VSC4 و VSC5 وظيفه تغذيه بارهاي پسيو Z١ و Z٢ را با ولتاژ ac با کيفيت مطلوب بر عهده دارند. لذا براي کنترل VSC4 و VSC5 جهت کسب يک ولتاژ ac متقارن و بدون وقفه با شکل موج سينوسي ، در اين مقاله کنترل ولتاژ ac اعمال مي شود. به منظور ساده کردن طرح کنترلي ، کنترلرهاي VSC4 و VSC5 براساس مدل رياضي حالت ماندگار در دستگاه مرجع سنکرون مي باشند. تحت شرايط متعادل شبکه ، موقعي که جهت جريان تزريقي به بار جهت رفرنس فرض مي شود، مدل رياضي حالت ماندگار بصورت زير بيان مي شود:
موقعي که محور d به بردار فضايي ولتاژ منبع فيکس مي شود، مي توان نوشت دامنه بردار فضايي ولتاژ ac
مورد نظر مي باشد) و . معادله (١٧) مي تواند بصورت زير ساده شود:
کنترل ولتاژ ac، کنترل PI را در اين مقاله اتخاذ نموده و ساختار کنترلي آن در شکل (٥) نشان داده مي شود.
٣-٣- جبران نوسان ولتاژ DC
در سيستم VSC-MTDC، تمامي انواع خطاها و تغييرات بار مي توانند منجر به نوسان ولتاژ dc شوند. معمولا مساله نوسان ولتاژ dc در طراحي کنترلر مدنظر نمي باشد. زيرا VSC4 و VSC5 بعنوان اينورتر عمل مي کنند که بايد ولتاژ ac با کيفيت عالي از ولتاژ باس dc دوباره توليد نمايند، نوسان ولتاژ dc، روي ولتاژ طرف ac اينورتر تاثير خواهد گذاشت .
گرچه ، دامنه نوسان ولتاژ dc مي تواند بطور موثري توسط بزرگ انتخاب نمودن خازن DC، کاهش داده شود،ولي اندازه خازن DC بايد نياز هزينه و کنترل پاسخ گذاري سريع را بطور همزمان برآورد نمايد. در اين مقاله ، جبران فيدفوروارد ولتاژ DC در کنترلر اتخاذ مي شود. مثل نمايش در معادله (١٩)، شکل موج مدولاسيون اصلاح يافته (جديد) با اندازه گيري ولتاژ Udc و ضرب بدست مي آيد.
روش اتخاذي در اينجا، يک VSC غيرحساس به تغييرات ولتاژ dc بوجود آورده و با کاهش ظرفيت خازن DC اقتصادي تر خواهد بود. و تاخير زماني مربوط به اندازه گيري Udc نيز حذف مي شود.
٣-٤- ساختار PLL
PLL بخش ضروري کنترلر طراحي شده بالا مي باشد، که فاز مبناي سنکرون با ولتاژ باس ac را جهت تحقق تبديل دستگاه سنکرون و کنترل برداري جهت دار ولتاژ فراهم مي آورد، در عين حال ، PLL توليد دوباره شکل موج ولتاژ سينوسي متعادل اينورتر را ديکته مي نمايد. بنابراين يک PLL مطلوب بايد داراي دو ويژگي مسيريابي سريع و فيلترينگ مطلوب باشد. به هر حال ، طراحي PLL بايد محيطي را که PLL در آن کار مي کند در نظر بگيرد. ساختار PLL طراحي شده در اين مقاله در شکل (٦) نشان داده مي شود، که شامل يک آشکار ساز فاز، فيلتر پائين گذر و يک اسيلاتور کنترل شده ولتاژ مي باشد.
٤- نتايج شبيه سازي
به منظور اثبات و تحقق امکان و موثر بودن کنترل و استراتژي تغذيه توان ، يک سري تست با استفاده از PSCAD.EMTDC
جهت بررسي اثرات اعوجاج در سيستم ac روي شکل موجهاي ولتاژ بارهاي موجود انجام مي شود. انواع اختلالات در تستها شامل موارد زير مي باشد:
١) خطاي موقت تکفاز به زمين در طرف ac اينورتر تغذيه کننده بار اکتيو
٢) خطاي موقت تکفاز به زمين در طرف ac اينورتر تغذيه کننده بار پسيو
اين تستها بر روي يک سيستم HVDC سه ترمينالة نشان داده شده در شکل (٧) انجام مي شوند
که شامل : ١)يک يکسو ساز متصل به ژنراتور سنکرون MVA ٧٥
٢) اينورتر متصل به يک سيستم اکتيو MW ac٢٥
٣) اينورتر متصل به سيستم پسيو MW٢٥
٤) کابل به طول Km٥٠ مابين هر کانورتر
نتايج شبيه سازي در شکل (٨) نشان داده مي شوند. شکل (٨- الف ) شکل موجهاي ولتاژ DC يکسوساز، ولتاژ موثر ac ، جريان DC يکسو ساز،توان اکتيو و راکتيو يکسو ساز را نشان مي دهد. شکل (٨-ب ) شکل موجهاي ولتاژ DC ، ولتاژ موثر ac ، جريان DC و توان اکتيو اينورتر متصل به بارهاي پسيو را نشان مي دهد. شکل (٨-ج ) شکل موجهاي ولتاژ DC ، ولتاژ موثر ac ، جريان DC و توان اکتيو اينورتر متصل به سيستم اکتيو را نشان مي دهد. شکل (٨-د) شکل موجهاي ولتاژ فاز C اينورترها را در لحظات خطا نشان مي دهد.
