بخشی از مقاله
چکیده:
در میان همه طبقه بندیهای اغتشاشات الکتریکی، کمبود ولتاژ یکی از مشکلات اساسی کیفیت توان می باشد. جبرانگر سنکرون استاتیکی توزیع - D-Statcom - به عنوان یکی از موثرترین و اقتصادی ترین ادوات انعطاف پذیر سیستم انتقال - FACTS - جهت تعدیل وجبران کمبود ولتاژ شناخته می شود.
در این مقاله، انژی دار شدن ترانسفورماتور بعنوان یکی از عوامل مؤثر در پدیده کمبود ولتاژ معرفی شده، سپس نحوه جبرانسازی آن توسط جبرانگر سنکرون استاتیکی توزیع - D-Statcom - با بهره گیری از سیستم کنترل مد لغزشی مورد تحلیل و ارزیابی قرار میگیرد. ارائه نتایج شبیه سازی با بهره گیری از نرم افزار PSCAD/EMTDC، بر روی شبکه استاندارد IEEE توزیع تأییدی بر صحت مطالعات و کارآیی سیستم کنترل پیشنهادی بر روی این جبرانگر میباشد.
-1 مقدمه:
در بازار خصوصی برق، رعایت استاندارد کیفیت توان4 بعنوان شاخص شایستگی برای رقابت شرکتهای برق پدیدار شده است.
به چهار دلیل عمده زیر، موضوع کیفیت برق دارای اهمیت میباشد:
-1 حساسیت بیشتر بارهای جدید نسبت به تغییرات کمی و کیفی
-2 استفاده از وسایل و تجهیزات الکترونیک قدرت برای افزایش راندمان و در نتیجه افزایش میزان هارمونیکها در شبکه
-3 افزایش آگاهی مصرفکنندگان از موضوع کیفیت برق
-4 اتصال تجهیزات و وسایل الکتریکی از طریق شبکهها و تأثیرات متقابل آنها از دید تولیدکنندگان، کیفیت برق معادل قابلیت اطمینان تعریف شده است و از دید سازندگان تجهیزات الکتریکی مشخصه و معیارهای منبع تغذیه، بطوریکه تجهیزات و وسایل مربوطه در آن شرایط بطور مطلوب و صحیح کار کند.
بطور کلی هرگونه مشکلی که در ولتاژ، جریان و یا فرکانس ظاهر شده و باعث ایجاد خطا و یا عملکرد ناصحیح در تجهیزات الکتریکی شود، بعنوان یک مشکل کیفیت برق مطرح می شود. از جمله این مشکلات می توان به کمبود ولتاژ اشاره کرد. این پدیده از مهمترین مسائل و مشکلات شرکتهای برق در مواجهه باصنایع بوده و تقریباً 80 درصد از مشکلات کیفیت برق موجود در سیستم را شامل می شود.[2] بر اساس استاندارد IEEE 1159 -1995 کمبود ولتاژ یا افت موقت ولتاژ، کاهش بین 0/1 تا 0/9 پریونیت در مقدار مؤثر ولتاژ با فرکانس قدرت و برای مدت زمان نیم سیکل تا یک دقیقه می باشد.[3] در شکل - 1 - نمونه ای از پدیده کمبود ولتاژ نشان داده شده است.
شکل - : - 1نمونهای از کمبودولتاژ، بیشبود و قطعی
-2 عوامل ایجاد پدیده کمبود ولتاژ
با توجه به تعاریف بخش قبل، می توان علتهای متفاوتی را برای رخداد پدیده کمبود ولتاژ ذکر نمود. از اصلیترین عوامل رخداد آن می توان به انواع خطای اتصال کوتاه، راهاندازی موتورهای بزرگ، تغییرات ناگهانی بار و انرژیدار شدن ترانسفورماتور که منجر به جریان هجومی ترانسفورماتور می شود، اشاره نمود4]، 5، 6 و .[7با توجه به مطالب عنوان شده، می توان دریافت که پدیده کمبود ولتاژ جزء رویدادهای گذرا بوده و همه دلایل رخداد آن نیز بعنوان پدیدههای گذرای فرکانس پایین و متوسط طبقهبندی میشوند
-3 ادوات انعطافپذیر سیستمهای انتقال2
در چند دهه اخیر با توجه به پیشرفت صنایع نیمههادیها در سطح ولتاژ و توان سیستم قدرت و نیزتکنولوژی های کنترلی، استفاده از جبران کننده هایی بر پایه کانورترهای منبع ولتاژ و جریان، مورد توجه کارشناسان صنعت برق قرار گرفته است. این تجهیزات موسوم به ادوات انعطاف پذیر سیستم های انتقال بوده و توانایی جبرانسازی سریع، بلادرنگ و قابلکنترل را دارا میباشند 8] و .[9 یک نوع از این جبران کننده ها که بر پایه ادوات الکترونیک قدرت عمل کرده و برای بهبود مشکلات کیفیت توان، مورد استفاده قرار میگیرد، جبرانگر سنکرون استاتیکی توزیع3 است .[10] این جبرانگر ولتاژ موازی، معمولاً برای جبران کمبود ولتاژ بکار میرود
-4 کمبود بهعلت انرژیدارشدن ترانسفورماتورها
انرژی دار شدن ترانسفورماتور، یکی از عوامل مهم در رخداد پدیده کمبود ولتاژ در سیستم های قدرت است. نتیجه انرژیدار شدن ترانسفورماتور، ایجاد جریان هجومی است که سرانجام به یک جریان مغناطیس کنندگی کوچک کاهش می یابد. زمان لازم جهت کاهش جریان هجومی وابسته به مقاومت و راکتانس مدار شامل راکتانس مغناطیس کنندگی ترانسفورماتور است.
در این وضعیت، جریان هجومی باعث افت ولتاژ موقت در امپدانس شبکه، بین منبع و ترانسفورماتور انرژی دار شده میگردد. انرژیدار شدن ترانسفورماتور یک حادثه عملی طراحی شده است. در نتیجه باید کمبود ولتاژ در رابطه با این رویداد، در برابر ظرفیت بارهای صنعتی حساس محدود گردد .[12] بازگشت ولتاژ بعد از هر پدیده کمبود ولتاژ نیز می تواند ترانسفورماتور را به اشباع4 برده و این پدیده باعث ایجاد جریان هجومی مشابه با انرژی دار شدن ترانسفورماتور شود. شکل - 2 - مدار معادل یک ترانسفورماتور تکفاز را نشان میدهد.
شکل : - 2 - مدار معادل ترانسفورماتور تکفاز
در این حالت، میتوان از یک روش ساده برای بدست آوردن ماکزیمم جریان هجومی و کمبود ولتاژ ایجاد شده به علت انرژیدار شدن ترانسفورماتور استفاده نمود. در این شرایط، جریان هجومی نمیتواند از رابطه زیر متجاوز گردد:
که در آن، X راکتانس منبع در باسی که ترانسفورماتور انرژی دارشده است. مینیمم راکتانس مغناطیسی، X C - min - حداکثر امکان شار بعد از انرژی دار شدن ترانسفورماتور را نشان می دهد. می توان فرض کرد که اندوکتانس فاصله هوایی می تواند دو برابر امپدانس اتصال کوتاه باشد، یعنی X C - min - نوعاً به عنوان 2 - X P X S - یا 2X T در نظر گرفته شود. با فرض آنکه راکتانس نشتی در هر یک سیم پیچها مساوی در نظر گرفته شوند، در این حالت، ماکزیمم کمبود ولتاژ را می توان از رابطه زیر بدست آورد
-5 ساختار جبرانگر سنکرون استاتیکی توزیع
جبرانگرهای سنکرون استاتیکی توزیع - D-Statcm - به صورت سهفاز و موازی، نزدیک بارهای سیستم های توزیع نصب میشود که بر پایه ادوات الکترونیک قدرت می باشد. اجزاء اصلی این جبرانگر در شکل - 3 - نشان داده شده است.
شکل : - 3 - ساختار پایه جبرانگر D-Statcom
اجزاء جبرانگر D-Statcom شامل خازن dc، اینورتر سه فاز، فیلتر ac، ترانسفورماتور تزویج و استراتژی کنترل است .[10] بلوک اساسی الکترونیک D-Statcom، اینورتر منبع ولتاژ است که ولتاژ dc ورودی را به ولتاژ خروجی سه فاز در فرکانس پایه تبدیل می کند. بنابراین D-Statcom از اینورتر برای تبدیل ولتاژ لینک dc خازن به منبع ولتاژ قابل تنظیم در دامنه و فاز استفاده میکند. با مشاهده شکل - 3 - می توان دریافت که از کنترلر جبرانگر سنکرون استاتیکی برای عملکرد اینورتر در روشی که زاویه فاز بین ولتاژ اینورتر و ولتاژ خط بطور دینامیکی تنظیم شود، استفاده می گردد. بنابراین D-Statcom ، توان راکتیو مطلوب را در نقطه اتصال تولید یا جذب می نماید. لذا رابطه جریان تزریقی در جبرانگر بصورت زیر بیان میشود.
که در آن Vi ولتاژ فاز خروجی اینورتر بر پایه تریستور، در روشی مشابه، با Vs ولتاژ سیستم توزیع کنترل می شود. X نیز راکتانس نشتی ترانسفور ماتور کوپلینگ است.
-6 ساختار کنترلر
با توجه به نوع اینورتر مورد استفاده در ساختار جبرانگر D-Statcom، استراتژیهای متفاوتی در زمینه کنترل این ادوات پیشنهاد می شود. در این بخش، با در نظر گرفتن اینورتر منبع ولتاژ، ساختار کلی سیستم کنترل و تکنیک کنترل مدلغزشی مورد مطالعه و بررسی قرار خواهد گرفت.
-1-6 طرح اصلی کنترل
جبرانگر D-Statcom شامل تعداد زیادی کلیدهای قدرت نیمه هادی با کنترل گیت است. فرامین عملکرد گیت برای این ادوات بوسیله کنترل داخلی اینورتر در پاسخ به نیاز سیگنالهای مرجع توان راکتیو و اکتیو، تولید می شود. سیگنالهای مرجع توسط کنترل بیرونی یا کنترل سیستم، از طریق فرامین عملکرد و متغیرهای سیستم تأمین می شوند و عملکرد اساسی جبرانگر را تعیین میکنند.
کنترل داخلی، یک بخش جدائی ناپذیر اینورتر است که در شکل - 4 - نشان داده شده است. عملکرد اصلی آن، راهبرد کلیدهای قدرت اینورتر است تا شکل موج ولتاژ خروجی، با زاویه فاز و مقدار خواسته شده، بصورت سنکرون با سیستم ac تولید شود. بر این اساس، اینورتر با کنترل داخلی را می توان به شکل یک منبع ولتاژ سینوسی سنکرون در پشت یک راکتور رابط در نظر گرفت که دامنه و زاویه فاز آن، بوسیله کنترل کننده بیرونی و از طریق سیگنالهای مرجع مناسب، کنترل می شوند. کنترل داخلی، این کار را با محاسبه مقدار و زاویه فاز ولتاژ خروجی مورد نیاز ازIQRef - که بوسیله کنترل بیرونی تأمین شده است - انجام می دهد تا مجموعه ای از شکل موج های هماهنگ و زمان بندی کننده را تولید کند.
این الگوها دوره های وصل و قطع هر کلید را در اینورتر، در ارتباط با ولتاژ خروجی خواسته شده تعیین می کنند. این شکل موج های زمان بندی کننده، دارای ارتباط فازی تعریف شده ای در میان خود هستند که با تعداد پالسهای اینورتر، روش مورد استفاده برای ساختن شکل موج ولتاژ خروجی و ارتباط زاویه فازی بین سه خروجی تعیین میشود.
شکل - : - 4 اصول عملکرد کنترل داخلی
مقدار و زاویه ولتاژ خروجی، دو پارامتر داخلی هستند که جریان اکتیو و راکتیوی را که اینورتر می کشد و از آن طریق توان اکتیو و راکتیو را - که اینورتر با سیستم ac مبادله می کند - تعیین می کنند. اگر اینورتر محدود به مبادله توان راکتیو باشد - یعنی اینکه منحصراً به عنوان مولد استاتیکی توان راکتیو کار کند - آنگاه ورودی مرجع به کنترل داخلی، توان راکتیو است. از اینجا، کنترل داخلی، مقدار و زاویه فاز برای ولتاژ خروجی اینورتر را استنتاج می کند تا ولتاژ dc مورد نیاز را برای خازن dc برقرار نماید. زیرا مقدار ولتاژ خروجی ac مستقیماً متناسب با ولتاژ خازن dc است.
-2-6 اصول طرح کنترل پیشنهادی
بلوک دیاگرام کنترل داخلی، برای یک اینورتر دارای قابلیت کنترل داخلی ولتاژ در شکل - 5 - نشان داده شده است.
