بخشی از مقاله
چکیده:
با پیشرفت سریع تکنولوژی در فرآیندهای کنترل صنعتی، مشتریان صنعتی بزرگ تقاضامند کیفیت توان بیشتر می باشند. در میان همه طبقه بندیهای اغتشاشات الکتریکی، کمبود ولتاژ و قطعی موقت، مشکل اساسی در این فرآیندهای اتوماتیک هستند. در این مقاله با مطالعه بر روی کمبود ولتاژ ناشی از خطاهای اتصال کوتاه، به بررسی جبرانسازی کمبود ولتاژ توسط جبرانگر سنکرون استاتیکی توزیع - D-Statcom - و سیستم کنترل مدلغزشی مورد استفاده در این جبرانگر پرداخته میشود.
این سیستم کنترلی قادر است جبرانسازی قطعی و کمبود ولتاژ را در حد مطلوب و در طیف گسترده تری نسبت به سایر روشهای کنترلی مرسوم انجام دهد. سرانجام با بهره گیری از نرم افزار PSCAD/EMTDC، عامل مذکور در ایجاد این پدیده بر روی شبکه استاندارد IEEE و نحوه جبرانسازی آن مورد بررسی و تحلیل قرار خواهد گرفت. ارائه نتایج شبیهسازی، تأییدی بر تصحیح مطلوب کمبود ولتاژ با استفاده از D-Statcom و سیستم کنترلی پیشنهادی است.
-1 مقدمه
80 درصد از مشکلات کیفیت برق موجود در سیستم را شامل میشود.[2] بر اساس استاندارد IEEE 1159 -1995 کمبود ولتاژ یادر بازار خصوصی برق، رعایت استاندارد کیفیت توان4 بعنوان افت موقت ولتاژ، کاهش بین 0/1 تا 0/9 پریونیت در مقدار مؤثر شاخص شایستگی برای رقابت شرکتهای برق پدیدار شده است.
ولتاژ با فرکانس قدرت و برای مدت زمان نیم سیکل تا یک دقیقه بطور کلی هرگونه مشکلی که در ولتاژ، جریان و یا فرکانس ظاهر می باشد. علتهای متفاوتی را می توان برای رخداد این پدیده ذکر شده و باعث ایجاد خطا و یا عملکرد ناصحیح در تجهیزات الکتریکی نمود. از اصلی ترین عوامل رخداد آن میتوان به انواع خطای اتصال
می شود، اشاره نمود4]، 5، 6 و .[7 با توجه به ماهیت این پدیده می توان دریافت که کمبود ولتاژ جزء رویدادهای گذرا بوده و همه دلایل رخداد آن نیز بعنوان پدیده های گذرای فرکانس پایین و متوسط طبقهبندی میشوند.
با توجه به استفاده از تجهیزات حساس در طرحهای صنعتی مدرن نظیر فرآیندهای کنترل، 1PLC، درایوهای تنظیم سرعت - - 2ASD و روباتها، دیگر پدیده کمبود ولتاژ در سیستم های قدرت قابل تحمل نبوده و روشهای مختلفی جهت کاهش آن بکار گرفته شده است. روشهای مرسوم در این زمینه شامل استفاده از بانکهای خازنی، احداث فیدرهای جدید موازی و نصب منابع تغذیه غیرقابل قطع - - 3UPS می باشد، لیکن در سالهای اخیر با توجه به پیشرفت صنایع نیمه هادی، 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 سیستمهای انتقال - - FACTS بوده و توانایی جبرانسازی سریع، بلادرنگ و قابل کنترل را دارا می باشند 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 توزیع4 است [10]این. جبرانگر ولتاژ موازی، معمولاً برای جبران کمبود ولتاژ بکار رفته و می توان از آن برای محدودسازی نوسانات توان اکتیو و راکتیو یا جریانهای هارمونیکی کشیده شده توسط بار استفاده نمود. همچنین این جبرانگر قادر است با توجه به مدهای عملکرد خود، با تزریق توان اکتیو و راکتیو، جبرانسازی کمبود ولتاژ را بر روی دو مشخصه دامنه و زاویه فاز در سطح مطلوبی انجام میدهد
در این مقاله و در قسمت اول پیرامون ایجاد کمبود ولتاژ بوسیله خطاهای اتصال کوتاه مطالعاتی صورت خواهد گرفت. در قسمت دوم، نحوه جبرانسازی این پدیده با استفاده از جبرانگر سنکرون استاتیکی توزیع و سیستم کنترل مد لغزشی پیشنهادی تشریح خواهد شد. در قسمت پایانی نیز جهت تأئید مباحث تئوری ارائه شده در دو قسمت قبل و نمایش کارآئی سیستم کنترل پیشنهادی، جبرانسازی کمبود ولتاژ ناشی از خطاهای اتصال کوتاه بر روی سیستم 13 باس استاندارد IEEE مورد شبیهسازی قرار خواهد گرفت.
-2 کمبود بهعلت خطاهای اتصال کوتاه
یکی از عوامل مهم در پدیده کمبود ولتاژ ولتاژ انواع خطاهای اتصال کوتاه می باشد. این خطاها به دو دسته کلی متقارن5 و نامتقارن6 طبقهبندی میشوند.
خطاهای نامتقارن مانند اتصال کوتاه تکفاز به زمین سهم عمدهای را نسبت به خطاهای متقارن به خود اختصاص می دهد 2]، 5 و .[6 برای تعیین دامنه کمبود ولتاژ در شبکه های شعاعی می توان از مدل تقسیم ولتاژ استفاده نمود. این مدل مداری در شکل - 1 - نشان داده شده است. در این شکل، ZS امپدانس منبع در نقطه اتصال مشترک و ZF امپدانس بین نقطه اتصال مشترک و محل خطا می باشد.
شکل : - 1 - مدل تقسیم ولتاژ در محاسبه کمبود ولتاژ
ولتاژ در باس PCC و در ترمینال تجهیزات از رابطه زیر بدست میآید:
از این معادله در می یابیم که کمبود ولتاژ در حالتی که خطا در نزدیکی مصرفکننده رخ دهد - یعنی ZF کمتر باشد - و در سیستم هایی با کوچکترین سطح خطا7 - یعنی ZS بزرگتر باشد - ، شدید تر خواهد بود .[2] همچنین در یک سیستم حلقوی و بر پایه تئوری تونن 8، می توان کمبود ولتاژ در باس i را - که بوسیله خطا در گره r ایجاد شده است - با استفاده از رابطه زیر بدست آورد
که usag,i کمبود ولتاژ در طول خطا در گره i می باشد. مقادیر u ,i و u ,r نیز ولتاژهای قبل از خطا میباشند. همچنین Zrr نیز المان قطری در ماتریس امپدانس گره، Zir المان انتقالی در ماتریس امپدانس گره - که مرتبط با گره های i و r بوده - و Zf امپدانس خطا است
-3 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 - 2 - نشان داده شده است.
شکل : - 2 - ساختار پایه جبرانگر D-Statcom
اجزاء جبرانگر D-Statcom شامل خازن dc، اینورتر سه فاز، فیلتر ac، ترانسفورماتور تزویج و استراتژی کنترل است. بلوک اساسی الکترونیکی D-Statcom ، اینورتر منبع ولتاژ است که ولتاژ dc ورودی را به ولتاژ خروجی سه فاز در فرکانس پایه تبدیل میکند. بنابراین جبرانگر از اینورتر برای تبدیل ولتاژ لینک dc خازن به منبع ولتاژ قابل تنظیم در دامنه و فاز استفاده می کند. بدین منظور جبرانگر D-Statcom، توان راکتیو مطلوب را در نقطه اتصال خود، تولید یا جذب می نماید. 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 ترانسفورماتور کوپلینگ است.
-4 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.
-1-4 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 - 3 - 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 - : - 3 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.
-2-4 اصول طرح کنترل پیشنهادی
بلوک دیاگرام کنترل داخلی، برای یک اینورتر دارای قابلیت کنترل داخلی ولتاژ در شکل - 4 - نشان داده شده است. سیگنالهای ورودی این سیستم، ولتاژ شینه V، جریان خروجی اینورتر IQ، جریان مرجع راکتیو IQRef و ولتاژ مرجع dc، Vdc می باشد. این ولتاژ مرجع dc، توان حقیقی را که اینورتر باید از سیستم ac جذب کند تا تلفات داخلی خود را تأمین کند، تعیین مینماید. همانطور که این بلوک دیاگرام نشان می دهد، جریان خروجی اینورتر به مولفههای راکتیو و اکتیو جریان تجزیه میشود.
