بخشی از مقاله
چکیده
امروزه با توجه به مسئله افزایش گرمایش جهانی، آلودگیهای زیستمحیطی، کمبود سوختهای فسیلی و بحران انرژی، کاربرد منابع انرژی تجدیدپذیری نظیر انرژی باد و انرژی خورشیدی رو به افزایش است. از طرفی پیشبینی دقیق میزان انرژی تولیدی نیروگاههای بادی و خورشیدی امکانپذیر نیست و این امر سبب تغییرات در ولتاژ شبکه میشود. همچنین به دلایل دیگری از جمله تغییر بار مصرفی و به تبع آن تغییر توان انتقالی و تأثیر پارامترهای خطوط انتقال، اندازه ولتاژ در شبکههای توزیع انرژی الکتریکی در طول شبانهروز تغییر میکند.
برخی از بارهای الکتریکی نظیر سیستمهای روشنایی میتوانند با درجه زیادی از تغییرات اندازه ولتاژ عمل کنند. اما برخی از بارهای الکتریکی حساس مثل یخچال، کامپیوتر و تلویزیون به ولتاژی که خوب تنظیم شده باشد نیاز دارند. در این مقاله سعی شده است با استفاده از تکنولوژی جدید فنرهای الکتریکی و ارائه یک روش کنترلی جدید، اندازه ولتاژ بارهای حساس تکفاز و سه فاز در محدوده مجاز نگه داشته شود. پارامترهای کنترلکننده حلقهبسته با استفاده از الگوریتم ژنتیک طراحی میشوند.
روش پیشنهادی هم برای یک شبکه تکفاز و هم برای یک شبکه سهفاز در MATLAB شبیهسازی میشود. نشان داده میشود که بدون استفاده از فنر الکتریکی اندازه ولتاژ بار حساس بین -10% تا +4% تغییر میکند، در حالی که با استفاده از فنر الکتریکی و روش کنترلی پیشنهادی افزایش/کاهش ولتاژ بار حساس حداکثر 0/5% میشود. نتایج شبیهسازی کارایی روش پیشنهادی را تأیید میکند.
مقدمه
امروزه با توجه به گسترش روزافزون استفاده از انرژی الکتریکی مسئله انتقال قدرت و توزیع آن بسیار حائز اهمیت میباشد و روز به روز در حال گسترش است. گسترش خطوط انتقال نیرو و توزیع انرژی الکتریکی با مشکلاتی روبروست که برای رفع آن طرحهای مختلفی مطرح شده است. یکی از این مشکلات، نوسانات ولتاژ و عدم تثبیت آن در طول شبکه می باشد. مصرفکنندههایی که در شبکه قدرت وجود دارند را میتوان به دو دسته بارهای حساس و غیر حساس تقسیم کرد که بارهای حساس قادر به تحمل تغییرات ولتاژ بسیار کم هستند اما بارهای غیرحساس میتوانند تغییرات ولتاژ در محدوده 180 ولت تا 265 ولت را تحمل کنند.
به عنوان مثال بارهای حساس میتوانند مصرفکنندههایی از قبیل یخچال، تلویزیون و شبکههای حساس کامپیوتری باشند و همچنین بارهای غیر حساس نیز میتوانند تجهیزاتی مثل آبگرمکن، کولر و سیستمهای روشنایی باشند. مشترکین صنعت برق عموما انتظار یک منبع ولتاژ با کیفیت بالا را از صاحبان انرژی و تولید کنندگان برق خواهند داشت. اما به دلیل وجود اثر فرانتی، فاصله مشترکین برق از ترانسفورماتور و فیدر تغذیه، وجود اغتشاشات در شبکه و ورود ناگهانی بارهای بزرگ مثل موتورهای القایی و کورههای القایی به شبکه قدرت احتمال دارد که نوساناتی در ولتاژ تغذیه بارهای حساس به وجود آید و باعث نارضایتی و احیاناً صدمه دیدگی تجهیزاتشان شود
. با گسترش تکنولوژی و اختراع دستگاهها و تجهیزات مختلف برقی حساس به کیفیت توان، مسئله فوق باعث نارضایتی مشترکین گردید. لذا مسئله بررسی نوسانات ولتاژ و چگونگی جبران آنها و بهبود کیفیت توان مورد توجه مهندسین قدرت قرار گرفته است. بررسی نوسانات ولتاژ در شبکه توزیع از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد. یکی از شرایط اساسی برای یک شبکه توزیع، تنظیم ولتاژ در محدوده مجاز میباشد که جهت کارکرد صحیح وسایل الکتریکی بسیار مهم خواهد بود.
اساس تنظیم ولتاژ بر مبنای فراهم کردن یک ولتاژ مجاز برای تمامی مشترکین برق در شرایط باری مختلف است به طوری که بتوان با راه حلهای ساده و اقتصادی ولتاژ مصرف کنندهها را در مواقع کم باری و پیک بار در حد مجاز نگه داشت. کنترل کننده های مبتنی بر الکترونیک قدرت مرسوم به ادوات FACTS راه را برای رفع این مشکل هموار ساخته است.
یکی از مهم ترین مزایای این ادوات در سیستمهای قدرت، افزایش حاشیه پایداری گذرای سیستم میباشد و لذا استفاده از تجهیزات FACTS یک راهحل مناسب برای این مسئله می باشد. این ادوات میتوانند توان عبوری از خطوط پربار را کاهش، بار پذیری خطوط را افزایش، تلفات سیستم را کاهش و پایداری و قابلیت اطمینان سیستم را بهبود بخشند. علاوه بر این، پایداری ولتاژ در فیدرهای توزیع و بررسی حاشیه پایداری ولتاژ از عوامل ضروری میباشند. به همین دلیل در چند سال اخیر مهندسین قدرت در صدد این هستند تا به کمک ادوات FACTS بتوانند ولتاژ شبکه را تثبیت کنند.
در بخش اول این مقاله اصول اولیه فنر الکتریکی بهطور کامل معرفی شده است. در این بخش ابتدا اصول اولیه فنر الکتریکی و فرمولهای ابتدایی آن مطرح شده و به ساختمان و نحوه عملکرد آن پرداختیم. بعد از آن، مدار کنترلکننده فنر را توضیح داده و به محدودیت فنر الکتریکی پرداخته شده است. قسمت دوم این بخش در مورد آنالیز حالت پایدار با جبران توان اکتیو و راکتیو میباشد.
در قسمت آخر از این بخش، شبیهسازی فنر الکتریکی را در محیط نرمافزاری متلب انجام دادیم و شبیهسازی بخش قدرت و مدار SPWM موجود در فنر الکتریکی را بهطور جداگانه بحث کردیم. در بخش دوم ما یک روش نوین را برای تثبیت ولتاژ شبکه به کمک فنر الکتریکی ارائه دادیم در این بخش شبیهسازی فنر الکتریکی را در حضور شبکه قدرت توضیح دادیم.
همچنین درمورد حلقه قفل فاز - PLL - که برای دریافت زاویه از آن استفاده کردیم، توضیح داده شده است. برای تعیین دامنه و اختلاف فاز فنرها از روش بهینهسازی با الگوریتم ژنتیک استفاده کردیم که در این بخش نحوه عملکرد و ساختمان الگوریتم ژنتیک را به طور اجمالی شرح داده شده است. و بیان کردیم برای این که فنر بتواند این تغییر ولتاژ را به صورت خودکار کم کند نیاز به کنترلر PI دارد که در انتها درمورد کنترلر PI توضیح داده و برای تنظیم ضرایب آن دوباره از الگوریتم ژنتیک استفاده کردیم.
در بخش سوم در مورد ساختمان فنر الکتریکی سهفاز بحث شده است. در بخش چهارم نتایج حاصل از شبیهسازی آورده شده است. در این بخش از دو قسمت استفاده شده که در قسمت اول نتایج حاصل از شبیهسازی فنر تکفاز و در قسمت دوم نتایج حاصل از شبیهسازی فنر سهفاز آورده شده است. با دیدن این شکل موجها میتوان به این نتیجه رسید که فنر الکتریکی هم قادر به تثبیت ولتاژ شبکه و هم تثبیت توان بارهای حساس خواهد شد. در واقع فنر الکتریکی میتواند به بهبود کیفیت توان نیز کمک کند.
-1 معرفی فنر الکتریکی
-1-1 اصول اولیه فنر الکتریکی
شکل -1 شباهت فنر مکانیکی و فنر الکتریکی
شکل - 1 - سه وضعیت مشابه فنر مکانیکی و الکتریکی را نشان میدهد. در این سه وضعیت وظیفه فنر الکتریکی رساندن ولتاژ شبکه به مقدار نرمال برای مثال 220 ولت است. در وضعیت اول مانند فنر مکانیکی که نیرویی به آن وارد نشده است، ولتاژ شبکه برابر مقدار مرجع میباشد، بنابراین فنر نباید فعال شود و ولتاژ آن برابر صفر است که به این وضعیت، حالت خنثی گفته میشود.
در وضعیت دوم مانند فنر مکانیکی که فشرده شده است، ولتاژ شبکه کمتر از مقدار مرجع میباشد، بنابراین فنر ولتاژ مثبت +Va تولید میکند تا ولتاژ شبکه به مقدار مرجع برسد. اما در وضعیت سوم مانند فنر مکانیکی که کشیده میشود، ولتاژ شبکه بیشتر از مقدار مرجع میباشد، پس فنر الکتریکی ولتاژ منفی -Va تولید کرده تا ولتاژ شبکه به مقدار مرجع برسد. بنابراین مشابه فنر مکانیکی که میتواند طول فنر را به حالت اولیه - حالت خنثی - برگرداند، فنر الکتریکی نیز میتواند مقدار ولتاژ شبکه را به مقدار مرجع بازگرداند.
شکل -2 نحوه اتصال فنر الکتریکی به شبکه قدرت
