بخشی از مقاله
خلاصه:
جبران ساز سنکرون استاتیکی - STATCOM - بر مبناي مبدل ولتاژ، - - VSC، جهت تنظیم ولتاژ در سیستم هاي انتقال و توزیع مورد استفاده قرار می گیرد. STATCOM در هنگام خطا و یا تغییرات ناگهانی بار در شبکه، به منظور تنظیم ولتاژ شبکه به سرعت می تواند توان راکتیو دینامیکی را تولید یا جذب نماید. در این مقاله یک STATCOM بر پایه مبدل منبع ولتاژ 24پالسه با مدل - GTO-Turn OFF - GTO براي جبران سازي توان راکتیو و پایدار سازي ولتاژ شبکه الکتریکی به کار گرفته شده است. این مبدل GTO الکترونیک قدرت به طور موازي با باس سیستم قدرت اتصال یافته است وتوسط یک سیستم کنترل بر مبناي کنترل مجزا و مولفه شیب تنظیمی کنترل می گردد. کلیه شبیه سازي ها به صورت دیجیتال در محیط سیمولینک مطلب وبا استفاده از بلوکهاي سیستم قدرت - - PSB انجام گرفته است.
لغات کلیدي: 24 STATCOM پالسه – کنترل مجزاي جریان – شیب تنظیمی – پایدارسازي ولتاژ
– 1 مقدمه
امکان تولید و یا جذب توان راکتیو کنترل شده با استفاده از مبدل هاي سوییچینگ الکترونیک قدرت سابقه اي نسبتاً طولانی دارد. جبران سازي سنکرون استاتیکی - STATCOM - بر پایه مبدل منبع ولتاژ - VSC - براي تنظیم ولتاژ در شبکه هاي انتقال و توزیع استفاده می شود .[1]-[3] در دو دهه اخیر قابلیت تجاري تریستورها با قابلیت خاموش کردن گیت - - Gate Turn-OFF Tyristor با توان هاي بالا منجر به توسعه منابع توان راکتیو کنترل شده جدید با به کار گیري تکنولوژي مبدل هاي منبع ولتاژ با سوییچینگ الکترونیکی شده است .[4] این تکنولوژي ها، سیستم هاي انتقال انعطاف پذیر - FACTS - نام داشته و مزایاي قابل توجهی نظیر کاهش فضاي تخصیص یافته و افزایش سرعت سیستم کنترل نسبت به دیگر وسایل دارند.
وسایل سوییچینگ GTO قابلیت طراحی مبدل هاي الکترونیک قدرتی را دارند که بتوانند هم به صورت موازي و هم به طور سري با شبکه هاي قدرت اتصال برقرار نمایند. وسایل جبران سازي راکتیو موازي مانند STATCOM از نظر مشخصات عملکرد شباهتی به یک ماشین سنکرون دارد، اما با این تفاوت که عاري از هر گونه اینرسی مکانیکی کندانسور ماشین سنکرون بوده و همچنین نیاز به تعمیرات و نگهداري مشابه ماشین سنکرون ندارد. سیستم هاي انتقالAC انعطاف پذیر - FACTS - تاکنون پیشرفت هاي بسیاري کرده اند و باعث کارایی بهینه سیستم هاي قدرت شده اند که از جمله این وسایل می توان به STATCOM، SSSC، UPFC و غیره اشاره کرد. استفاده از مبدل منبع ولتاژ - VSC - در ادوات FACTS بطور گسترده اي مورد پذیرش واقع شده و جایگزین بسیار مناسبی در وسایل جبران سازهاي توان راکتیو مرسوم نظیر خازن سوییچ شونده تریستوري - TSC - و راکتور کنترل شونده تریستوري - TCR - می باشند.
مدل پایه STATCOM شامل یک ترانسفور ماتور کاهنده با راکتانس نشتی XT ،یک مبدل منبع ولتاژ GTO سه فاز - VSC - و یک خازنDC می باشد. اختلاف ولتاژAC در بین راکتانس نشتی ترانسفور ماتور منجر به فراهم کردن مبادله توان راکتیو بین STATCOM و سیستم قدرت در نقطه اتصال - PCC - می گردد. در این نقطه ولتاژ می تواند تنظیم شود تا پروفیل ولتاژ سیستم قدرت در محدوده متصل شده بهSTATCOM بهبود یابد که این کار از وظایف اولیه STATCOM می باشد. یک تابع میراکننده ثانویه می تواند به STATCOM افزوده شود تا علاوه بر تنظیم ولتاژ، پایداري دینامیکی سیستم قدرت را بهبود بخشد .[5] STATCOM وظیفه دارد تا ولتاژ باس را توسط تولید و یا جذب توان راکتیو دینامیکی تنظیم نماید که این کار شبیه یک جبران کننده استاتیکی تریستوري می باشد. این انتقال توان راکتیو از طریق راکتانس نشتی ترانسفورماتوري انجام می گیرد که ولتاژ ثانویه آن، همفاز با ولتاژ سمت اولیه - ولتاژ شبکه - می باشد. این ولتاژ ثانویه توسط یک مبدل - Pulse Width Modulation - PWM منبع ولتاژ فراهم می شود و با جریان STATCOM، 90درجه اختلاف فاز دارد. عملکرد STATCOM می تواند توسط دیاگرام فازوري در شکل 1 بهتر نشان داده شود.
-2 مبدل 24 پالسه و سیستم کنترل STATCOM
انواع متعددي از مبدل هاي DC-AC وجود دارد که میتواند در STATCOMبه کار گرفته شود، نظیر مبدل هاي دو سطحی، سه سطحی و مبدل هاي .[9]-[10] PWM از آنجاییکه مبدل هاي چند پالسه دو سطحی میتوانند به راحتی به کار گرفته شده و نیاز STATCOMرا برآورده سازند، بطور گسترده در کاربرد هاي STATCOMمورد استفاده قرار گرفته اند. از طرف دیگر آنها اقتصادي ترین نوع مبدل هايDC-AC می باشند. براي شبیه سازي دیجیتال، یک مبدل 24پالسه دو سطحی پیشنهاد شده است. شکل - 2 - نشان دهنده وضعیت یک مبدل 24 پالسه DC-AC می باشد که از ترکیب 4 مبدل6 GTOپالسه به همراه چهار ترانسفورماتور مجزا تشکیل شده است. جزئیات آن میتواند در مرجع [11] و [9] یافت شود.
هنگامی که ولتاژ ثانویه - VS - کمتر از ولتاژ باس - Vg - باشد، STATCOMشبیه یک القاگر عمل کرده و توان راکتیو را از باس جذب می نماید. در صورتیکه ولتاژ ثانویه - VS - بیشتر از ولتاژ باس - - Vg باشد، مشابه یک خازن عمل نموده و توان راکتیو را تولید و به باس تزریق می نماید .[6] در عملکرد حالت ماندگار و به علت تلفات مبدل، ولتاژ باس - Vg - همیشه نسبت به ولتاژ مبدل پیش فاز می باشد که این زاویه پیش فازي بسیار کوچک بوده و منجر به شارش توان اکتیو ناچیزي از شبکه به سمت STATCOM گردیده و باعث بهبود تلفات می شود. مبدل منبع ولتاژ - VSC - ، ساختمان اصلی STATCOM و دیگر ادوات FACTS را تشکیل می دهد. یک مبدل ساده، شکل موجی مربعی را فراهم می کند. هدف پایه و اساسی یک مبدل منبع ولتاژ خوب و ایده آل فراهم کردن یک ولتاژ سینوسی ACبا کمترین اعوجاج هارمونیکی می باشد. سه روش اصلی و پایه جهت کاهش هارمونیک هاي تولیدي توسط مبدل می تواند مورد استفاده قرار گیرد.[7]-[8]
خنثی سازي هارمونیکها با استفاده از کوپل مغناطیسی - مانند وضعیت مبدل هاي چند پالسه - و کاهش هارمونیکها با استفاده وضعیت مبدل هاي چند سطحی، نمونه اي از این روشها می باشد. مبدل هاي 24و48 پالسه توسط ترکیب دو و یا چهار مبدل 12پالسه به ترتیب ایجاد می شود که با یک شیفت فاز معین بین مبدل ها همراه می باشد. در این مقاله یک مبدل 24پالسه با ترکیب4 مبدل 6پالسه به کار گرفته شده است. با استفاده از فیلتر هاي موازي، هارمونیک هاي ولتاژ را تا حدود زیادي حذف کرده و شکل موج ولتاژ مناسبی در خروجی STATCOM فراهم نموده ایم.
جابجایی فاز بین دو مبدل 6 پالسه متوالی 15 درجه می باشد. برخلاف مبدل هاي سه سطحی PWM ، مبدل هاي دو سطحی قابلیت کنترل دامنه ولتاژ را به طور ذاتی ندارند و تنها زاویه فاز ولتاژ خروجی توسط سیگنال هاي گیت میتواند کنترل شود. بنابرین تنها راه جهت کنترل دامنه ولتاژAC خروجی، کنترل ولتاژDC ورودي می باشد. فرآیند کنترل ولتاژ خازن DC توسط یک تغییر فاز کوچک α ، بین ولتاژ - VS - STATCOM، و ولتاژ خط انتقال Vt فراهم می شود. اگر ولتاژ VS نسبت به Vt پس فاز باشد، توان حقیقی از خط انتقال به سمت خازن DC شارش یافته و خازن DC شارژ می گردد و اگر VS نسبت به Vt پیش فاز باشد، توان حقیقی از سمت خازن DC به سمت خط انتقال جاري شده و لذا خازن DC دشارژ می شود. از طرف دیگر یک تغییر فاز کوچک α همیشه براي جبران تلفات سوئیچ زنی و تلفات ترانسفورماتور واسط مورد نیاز می باشد. شکل 3 نشان دهنده ساختار کنترل اصلی STATCOM بر مبناي شیب تنظیمی و کنترل
مجزاي d-q و همچنین بر اساس مبدل 24پالسه دو سطحی می باشد. شیب تنظیمی K توسط رابطه 1 تعیین می گردد. که در این جا VCmax ، ماکزیمم افت ولتاژ خط در عملکرد خازن کامل و VLmax ، ماکزیمم افزایش ولتاژ خط در عملکرد القایی کامل STATCOM می باشد. ILmax و ICmax مولفه هاي رنج جریان STATCOM می باشد. سیستم کنترلی پیشنهاد شده در این مقاله بر مبناي استفاده از روش کنترل مجزاي جریان و شیب تنظیمی در شکل 3 نمایش داده شده است. حلقه قفل فاز - PLL - ، سیگنال سنگرون شده مبنا که زاویه فاز ولتاژ خط Vt می باشد را فراهم می نماید. ولتاژ خط Vt با ولتاژ مرجع مقایسه شده و یک تنظیم کننده ولتاژ، جریان راکتیو مورد نیاز STATCOM با لحاظ کردن شیب تنظیمی را فراهم می نماید. جریان راکتیو STATCOM ، Iq ، با جریان راکتیو مرجع Iqref ، مقایسه شده و یک کنترل کننده PI تغییر مکان زاویه اي مورد نیاز α را فراهم می نماید.
-3 مدل شبیه سازي دیجیتال
یک STATCOM بر مبناي مبدل 24 GTO پالسه دو سطحی اتصال یافته به سیستم قدرت در این مقاله پیشنهاد شده است. شبیه سازي دیجیتالی با استفاده از نرم افزار سیمولینک مطلب - MATLAB/Simulink - و بلوکهاي سیستم قدرت - PSB - انجام شده است. ساختمان اصلی STATCOM یک مبدل 24پالسه دو سطحی است که با استفاده از سیمولینک شبیه سازي شده است. سیستم کنترل مبتنی بر روش کنترل مجزاي جریان و با لحاظ شیب تنظیمی در محیط سیمولینک شبیه سازي شده است. عملکرد کامل STATCOM در دو مد خازنی و القایی در سیستم اتصال قدرت و با تغییرات بار هاي متعدد مورد مطالعه قرار گرفته است.
-4 تشریح سیستم قدرت
دیاگرام تک خطی سیستم قدرت شبیه سازي شده به همراه STATCOM در شکل 4 نشان داده شده است.یک STATCOM با ظرفیت ±100 Mvar به یک شبکه انتقال 230KV متصل شده است. شبکه تغذیه به صورت مدار معادل تونن - باس - 1 ارائه شده است که منبع ولتاژ آن 230×1/03 KV با ظرفیت اتصال کوتاه 10000MVA و نسبت X/R=8 می باشد، که از طریق یک ترانسفورماتور به باس 2 متصل شده است. STATCOM از طریق ترانسفورماتور T2 به باس 2 متصل شده است.
-5 نتایج شبیه سازي
بانک خازنی که از قبل تا ولتاژ 1puشارژ شده است، به عنوان منبع ولتاژ DC در نظر گرفته شده و STATCOM به باس 2 متصل شده است. ولتاژ شبکه ، Vg، 1/03 pu می باشد و تنها بار 1 با P=1 pu - در ولتاژ نامی - در سیستم قرار دارد. شکل هاي 5 و6 نشان دهنده نتایج شبیه سازي می باشند. ولتاژ باس 2 برابر 0 /97 pu براي سیستم جبران نشده می باشد و توان اکتیو و راکتیو خط PL=0/94 pu و pu QL=0/56 می باشد.
پله هاي شبیه سازي به صورت زیر تشریح می شوند:
در این زمان STATCOM با بسته شدن کلید - CB4 - 4 به سیستم متصل می شود. چنانچه در شکل 5-1 و5-3 نشان داده شده است ولتاژ STATCOM نسبت به ولتاژ خط انتقال به میزان α= -0/ 45˚ پس فاز می باشد و بنابرین ولتاژ خازن DC افزایش می یابد.
