بخشی از مقاله
چکیده
- محدودیت انتقال توان در خطوط انتقال از گذشته تحت عنوان تنگناهاي انتقال همواره گریبانگیر بهره برداران سیستمهاي انتقال بوده است. راه حل اساسی براي رفع این تنگناها در سیستمهاي سنتی، افزایش خطوط انتقال یا اضافه کردن ظرفیت نصب شده شبکه انتقال بود. این پدیده به عنوان تراکم خطوط انتقال نامیده می شود. تراکم باعث می گردد ایمنی حالت پایدار شبکه به خطر افتد.یکی از این کارها استفاده از ترانسفورماتور تغییر دهنده فاز - Phase Shifting Transformer - PST در شبکه ، جهت کنترل انتقال توان در حالت استاتیک میباشد.در این مقاله به کمک نرم افزار DIGSILENT مکان مناسب جهت نصب ترانسفورماتور تغییر دهنده فازPST براي کنترل انتقال توان در شبکه استفاده شده است.
-1 مقدمه
هدف از نصب ترانسفورماتور تغییر دهنده فازPST جهت متعادلسازي توان عبوري در کریدورهاي شبکه و یا بخشی از شبکه که تقسیم عبور توان متعادل نیست، بهره برد. با PST میتوان از ظرفیت موجود سیستم انتقال به طور کامل - با کنترل و متعادلسازي عبور توان حقیقی - استفاده کرد. همچنین PST با حذف جریانهاي چرخشی تلفات کلی شبکه را میتواند کاهش دهد.ترانسفورماتور شیفت دهنده فازPST که به آن تنظیم کننده ولتاژ فاز نیز گفته میشود به منظور کنترل توان انتقال یافته از خطوط مورد استفاده قرار میگیرد. ترانسفورماتور شیفت دهنده فاز PST این کار را با تغییر در دامنه و زاویه فاز ولتاژ انجام میدهد.
-2 مقدمه اي بر جایابی PST
همانگونه که در مقدمه مطرح شد، هدف این مقاله جایابی مناسب PST در جهت کاهش تلفات شبکه است. حل این مسئله بر پایه روش هاي بهینه سازي میسر است. ولی باید روش مناسب را با توجه به خصوصیات مسئله انتخاب نمود. ایده بسیاري ازروش هایی که در حل مسئله بهینه سازي با قیود تساوي - و یا نامساوي - به کار می رود از روش هاي حل مسائل بهینه سازي بدون قید گرفته شده است.روش هاي
بهینه سازي توابع چند متغیره به طور کلی به دو دسته زیر تقسیم می شوند :
-1 روش هاي بهینه سازي مستقیم
-2 روش هاي بهینه سازي غیر مستقیم در روشهاي بهینه سازي مستقیم، جهت پیدا کردن نقطه بهینه فقط از مقدار تابع در نقاط مختلف استفاده می شود. بر خلاف این موضوع، در روشهاي بهینه سازي غیر مستقیم، جهت پیدا کردن نقطه بهینه باید از مشتق مرتبه اول و یا مشتق مرتبه دوم استفاده شود.
-3 معیارهاي مهم جهت بررسی توانایی یک آلگوریتم در حل مسائل بهینه سازي عبارتند از :
− سرعت همگرایی،
− توانایی رسیدن به پاسخ بهینه تر،
− پایداري روش عددي،
− حساسیت آلگوریتم و پاسخ بدست آمده نسبت به نقاط شروع متفاوت، و عدم همگرائی به پاسخهاي محلی - Local -
− اطمینان به جامع بودن جواب - - Global
بهینه سازي مملو از مسائلی از قبیل غیر پیوسته بودن، شروط و قیود متعدد و وسیع، فضاي جستجوي نویز و مشکلات دیگر می باشد. بنابراین تعجب انگیزنیست که روش هاي غیر مستقیم با توجه به ذات روش جستجوي آنها در فضاي محلی با شروط لازمی مانند پیوستگی و وجود مشتق،به جز براي مسائل محدودي، دراکثر موارد غیر مناسب و کم بازده اند.استفاده از روش هاي مستقیم در حل مسائل بهینه سازي علاوه بر آنکهعملاً از سهولت بیشتري برخوردار است، به اطلاعات وسیعی نیز نیاز نداشته،نیازي به حل دسته معادلات غیر خطی ندارد و از نظر واگرایی هممسلماً مشکلی پدید نمی آورد. در این روش به علت نیاز به تکرارهاي زیاد، زمان حل مسئله،ممکن است بسیار طولانی شود. ولی در فاز طراحی وبرنامه ریزي شبکه مهمترین نکته رسیدن به نقطه بهینه جامع است و مسئله مدت زمان حل آلگوریتم دردرجات بعدي از لحاظ اهمیت قراردارد. یک مزیت مهم در این روش ها این است که احتمال یافتن یک حداکثر محلی نسبت به روشهایی که نقطه به نقطه حرکت می کنند کاهش می یابد و پاسخ، حساسیت بسیار کمتري نسبت به روش هاي دیگر در رابطه با نقطه شروع دارد.[8]
-4 مروري بر روش هاي جایابی - - PST
الف : در روش مدل سازي در پخش بار بهینه
- Optimal Power Flow - OPF می توان همانند [1]متغیرهاي مورد نظر را وارد برنامه مذکور نمود در این جا باید زاویه PST به صورت متغیر کنترلی درمعادلات پخش بار بهینه ظاهر گردد در[1] تلفات توان با استفاده از تنظیم تپ ترانسفورماتورهاي شبکه کاهش می یابد ولی دراینجا اندازه ولتاژها تغییرنمی یابد و تنها زاویه آنها به عنوان متغیر کنترلی درنظرگرفته میشود. بدون آنکه وارد جزئیات شویم به اشکال عمده این روش که همان امکان واگرایی یا همگرایی به نقاط بهینه محلی است اشاره می کنیم. این اشکال براي طراحان در فاز طراحی قابل قبول نیست.
ب : در جایابی به روش ضرایب حساسیت بااستفاده از ضرایبی به نام ضرایب حساسیت ،بهترین مکان براي ترانسفورماتور جابجا کننده فاز تعیین می شود.[2]ضریب حساسیت عبارت است ازتغییرات توان عبوري از خط رابط باس هاي pوq نسبت به تغییرات زاویه فاز PST قرار گرفته درخط رابط باس هاي iو . j این روش بیانگر این است که با توجه به اینکه برخی خطوط در شبکه براي نصب جابجا کننده فاز محل هاي حساستري هستند بنابراین تاثیر بیشتري در کاهش تلفات نیز خواهند داشت. این روش یک روش کارآمد در تعیین محلPST می باشد.ولی با بزرگ شدن شبکه حجم ماتریس ها و محاسبات مربوطه خیلی بالا می رود نهایتاًو از روش ضرایب لاگرانژ در آن استفاده میشود که پیاده سازي آن از لحاظ همگرایی عددي مشکلاتی را به همراه داشته است.
ج : در جایابی به روش آلگوریتم ژنتیکی براي یک تعداد مشخص از جابجا کننده هاي فاز، تابع هدفی ازسیستم بایستی بهینه سازي شود.[3] متغیر مکان یعنی محل نصب جابجا کننده فاز به سختی میتواند به یک برنامه بهینه سازي اضافه شود و این به علت ماهیت گسسته بودن چنین متغیري است. پس براي تنظیم جابجا کننده فاز از روش هاي معمول بهینه سازي تابع هدف می توان استفاده کرد ولی مکان آن توسط آلگوریتم ژنتیک تعیین می گردد. این روش اگرچه روشی مقاوم بوده و به مقادیر بهینه محلی همگرا نمی شودمعمولاًو همگرایی آن به سمت نقطه بهینه جامع است ولی باز هم همانند روشهاي عددي ممکن است مشکل واگرایی ایجاد نماید. اشکال دیگر این روش آن است که براي شبکه هاي بزرگ به زمان حل بسیار طولانی نیاز دارد.
د : در روش جایابی به روش Screening ابتدا براي تمامی محلهاي ممکن نصب PST مقداري موسوم به مقدار حدي محاسبه می شود. [4] سپس با توجه به اینکه محل هایی با مقادیر حدي کمتر به میزان کمتري تابع هدف را بهبود می بخشد از روند بررسی خارج می شوند. یعنی به این ترتیب تعداد محل هاي مطلوب از تعداد کل خطوط شبکه کمتر است. درادامه تابع هدف بهینه سازي براي هر یک از محل هاي باقیمانده محاسبه می شود و در نهایت بهترین مکان براي PST با مقایسه کلیه مقادیر بدست خواهد آمد .[4]روند بررسی در این روش در مقایسه با روش هاي دیگري کهصرفاً ریاضی و محاسباتی است تاحدودي متفاوت است ولی از آنجا کهنهایتاً براي تنظیم PST در محل مناسب از روش نیوتن استفاده شده است، مشکلات حجم زیاد برنامه نویسی، امکان همگرا نشدن و حجم زیاد محاسبات را با خود به همراه دارد. ه : در جایابی به روش سیلان بهینه توان از ایده ابتکاري خاصی استفاده شده است. می دانیم که اگر توزیع جریان در شبکه امپدانسی با حالتی کهشبکه کاملاً مقاومتی است یکسان شود، تلفات شبکه امپدانسی حداقل می گردد.
بنابراین پخش بار و سیلان توان در یک شبکه در صورتی بهینه و ایده آل است که توزیع جریان شبکه امپدانسی به سمت توزیع جریان شبکه مقاومتی میل کند. از این ایده که براي کاهش تلفات در شبکه هاي توزیع با Reconfiguration استفاده شده است ،در [7] براي نیل به هدف کاهش تلفات سیستم انتقال توسط PST بهره برداري شده است. مراحل کار در این روش بدین ترتیب است که ابتدا باید شبکهکاملاًرا مقاومتی کنیم، یعنی راکتانس ها، تولیدات و مصارف توان راکتیو را صفر کنیم. سپس با انجام پخش بار، سیلان توان بهینه را درشبکه و تمامی خطوط بدست آوریم .
حال در هر خط از شبکه واقعیPST قرارداده و زاویه آن ، در هر خط از شبکه واقعی را طوري تنظیم می کنیم که سیلان بهینه مربوط به شرایط مقاومتی از آن خط عبور کند. اکنون می توانیم تلفات شبکه را که از پخش بار مربوطه بدست آمده است براي هر حالت داشته باشیم. حال از مقایسه n پخش بار براي شبکهاي با n محل نصب ممکن،موردي که داراي کمترین تلفات است به عنوان پاسخ مشخص خواهد شد. چالش اساسی این روش همگراکردن پخش بار در شبکه مقاومتی است. چون در شبکه انتقال مقادیر مقاومت ها بسیار کوچک می باشند.
و : در جایابی PST می توان از تئوري گراف استفاده نمود و تعداد و محلهاي مناسب نصب ترانسفورماتور جابجا کننده فاز را تعیین نمود ترانسفورماتور جابجا کننده فاز را تعیین نمود [6] .این روش یک روش دقیق و کاراست ولی کارآیی آن براي شبکه هاي بزرگ و توانایی رسیدن آن به بهینه جامع بررسی نشده است.
ز : در روش جستجوي مستقیم دیگري ابتدا محورهاي مربوط به هر متغیرفضاي به m قسمت، بخش می شود. حال از تقاطع خطوط گذرنده بر نقاط واقع بر روي این محورها، یک فضاي جستجوي ناپیوسته n بعدي بدست خواهد آمد بنابراین فضاي پیوسته جستجوي به یک شبکه ماتریسی n بعدي تبدیل شده است و حالت هاي ممکن، درایه ها یا نقاط این شبکه ماتریسی n بعدي خواهند بود. روش کار این است که تمامی این نقاط بررسی شوند سپس در مواردي که نقطه یانقاط خاصی تلفات کمتري را نسبت به مابقی نقاط دارند به عنوان نقاط حساس انتخاب شوند، آنگاه با تظریف شبکه در حوالی نقاط حساس، شرایط مناسبتر جستجو و تحقیق شود.
با توجه به مجموع مطالبی که ارائه شد میتوان گفت که در بین روشهاي بهینه سازي توابع چند متغیره، روش هاي جستجوي مستقیم بر روش هاي غیر مستقیم بهینه سازي ارجح هستند. چون با توجه به این که ما در فاز طراحی هستیم، رسیدن به جواب جامع براي ما از اهمیت ویژه اي برخوردار است و زمان انجام محاسبات چندان مهم نیست.
با در نظر گرفتن اهمیت مسئله اطمینان به پاسخ در فاز طراحی و همچنین با توجه به توانایی هاي کامپیوترهاي امروزي، در بین روشهاي مستقیم چون بدنبال جایابی یکPST در یک دوره خاص زمانی هستیم طبیعی است که جهت گیري کاري به سمت روش جستجوي مستقیم ماتریسی سوق یابد. دراینصورت فقط نیازمند به برنامه پخش بار با توانایی مدل سازي PST هستیم و دیگر ضرورتی به تهیه یک برنامه جدید نیست.که در این مقاله با استفاده از نرم افزارDIGSILENT نسبت به طراحی PST در شبکه اقدام کرده ایم.
-5 اصول کار PST
ترانسفورماتورها در شبکه قدرتمعمولاً براي انتقال توان بین دو سطح ولتاژ به کار میروند. نوعی از ترانسفورماتورها میتوانند براي کنترل زاویه فاز بین ولتاژ اولیه و ثانویه به کار برده شوند. به این ترانسفورماتورهاي مخصوص ترانسفور-ماتورهاي جابجاگر فاز میگویند. این ترانسفورماتورها یک جابجایی فاز بین ولتاژ اولیه و ثانویه به منظور کنترل توان عبوري از خط انتقال به وجود میآورند. با تغییر این جابجایی فاز میتوان اندازه و جهت عبور توان را کنترل کرد.
ترانسفورماتور جابجاگر فاز را میتوان به منظور استفاده از ظرفیت موجود یک کریدور توان با پخش توان روي خطوط انتقال استفاده کرد. دو راهبرد کنترل اصلی در استفاده از جابجاگر فاز به شرح زیر است:
راهبرد پیشگیرانه : ترانسفورماتور جابجاگر فاز با یک جابجایی فاز دائمی کار میکند که منجر به پخش مجدد توان در شرایط کار عادي و پیشگیرانه از افزونباريهاي شبکه در حالت خروج یک خط میگردد.
راهبرد بازگرداننده : ترانسفورماتور جابجاگر فاز با یک جابجایی فاز کوچک در شرایط عملکرد عادي کار میکند.
