بخشی از مقاله
چکیده - در سیستمهای قدرت، به دلایل مختلف از جمله محدودیتهای ولتاژ و انواع پایداریها، بهرهبرداری از ظرفیت کامل خطوط امکانپذیر نیست. ایجاد بازار آزاد رقابتی در سیستمهای تجدید ساختار یافته، ایجاب میکند که از حداکثر ظرفیت خطوط استفاده شود. استفاده حداکثر از ظرفیت خطوط، ممکن است باعث ایجاد اضافه بار در برخی خطوط، خارج از ظرفیت مجاز آنها شود. این پدیده ممکن است باعث خارج شدن بعضی از محدودیتها از حد مجاز خود گردد. بنابراین لازم است تا بار خطوط به نحو صحیحی مدیریت شود. یکی از راههای پیشنهادی برای این منظور استفاده از ادوات FACTS در سیستم قدرت میباشد.
قابلیتهای متنوع ادوات FACTS باعث شده است که اهداف متفاوتی جهت تعیین مکان و موقعیت بهینه آنها ملاک عمل قرار گیرد. افزایش پایداری ولتاژ، افزایش حد بارپذیری خطوط، کاهش تلفات، بهبود پروفیل ولتاژ، کاهش هزینه سوخت نیروگاهها به وسیله پخش بهینه توان، از جمله مهمترین اهداف برای جایابی به شمار میروند. در این مقاله جایابی ادوات FACTS در سیستم قدرت با هدف افزایش حد بارگذاری خط انتفال و همچنین کاهش تلفات با استفاده از الگوریتم کلونی زنبور عسل موضوع قرار گرفته است. الگوریتم کلونی زنبور عسل با دقت و سرعت همگرایی بالا، مناسب برای انجام مطالعات جایابی ادوات FACTS میباشد. در نهایت مقایسهای بین الگوریتم کلونی زنبور عسل و دو الگوریتم اجتماع ذرات و ژنتیک انجام شده است. نتایج حاکی از آن است که الگوریتم کلونی زنبور عسل در حداقل سازی تابع هدف بهتر از دو الگوریتم دیگر عمل کرده است.
- 1 مقدمه
اغلب سیستمهای تأمین توان الکتریکی در جهان به صورت گستردهای بهمپیوستهاند. دلیل نیاز به این بهمپیوستگی، جدا از فراهم نمودن امکان تحویل برق به مصرف کننده، ایجاد تمرکز در مرکز تولید و مصرف برق است تا ظرفیت تولید و هزینه آن به حداقل کاهش یابد. شبکه انتقال بهمپیوسته قادر است با بهرهگیری از پراکندگی بارها، در دسترس بودن منابع و قیمت سوخت، انرژی الکتریکی را با حداقل قیمت و حداکثر قابلیت اطمینان مورد نیاز، به مصرف کننده برساند .[1] قابلیت اطمینان کمتر به معنای آن است که به منابع تولید بیشتری نیاز خواهد بود. امروزه بیش از هر زمانی طراحی و بهرهبرداری از سیستم- های قدرت با راندمان و قابلیت اعتماد بالا حائز اهمیت است.
احداث خطوط توزیع جدید به علت کمبود ظرفیت و عدم انتقال توان با کیفیت مطلوب بسیار مشکل و هزینه بر می باشد خصوصاً اگر احداث این خطوط در سطح شهر و در اماکنی صورت گیرد که فضای مناسبی جهت احداث این خطوط وجود نداشته باشد. این موضوع سبب شده است تا بجای احداث خطوط انتقال انرژی جدید، به فکر استفاده از حداکثر ظرفیتهای این خطوط باشیم. ادوات FACTS به عنوان جبران-سازهای توان اکتیو و راکتیو در سیستمهای قدرت، به دلیل پاسخ سریع در مواجهه با اغتتشاش و همچنین عملکرد منعطف آنها در شرایط عادی سیستم، میتوانند قابلیت اطیمینان و راندمان را بهبود ببخشند .
[2] فنآوری FACTS فرصتهای جدیدی را برای کنترل توان و افزایش ظرفیت قابل بهرهبرداری خطوط موجود و هم چنین خطوط جدید فراهم میکند. استفاده از ادوات کنترل کننده FACTS، کنترل پخش توان را در درون خطوط، تحت شرایط عادی و پیشبینی نشده ممکن میسازد. این فرصتها از قابلیت کنترل کنندههای FACTS در کنترل پارامترهایی ناشی میشود که در ارتباط با یکدیگر عملکرد سیستم انتقال را هدایت میکنند؛ پارامترهایی از قبیل امپدانس سری، امپدانس موازی، جریان، ولتاژ، زاویه ولتاژ و میراشدن نوسانات در فرکانس های مختلف زیر فرکانس نامی سیستم .[3] قابلیتهای متنوع ادوات FACTS باعث شده است که اهداف متفاوتی جهت تعیین مکان و موقعیت بهینه آنها ملاک عمل قرار گیرد.
افزایش پایداری ولتاژ، افزایش حد بارپذیری خطوط، کاهش تلفات، بهبود پروفیل ولتاژ، کاهش هزینه سوخت نیروگاهها به وسیله پخش بهینه توان، از جمله مهمترین اهداف برای جایابی به شمار میروند. به منظور عملکرد بهینه این ادوات در سیستم قدرت باید سه مسأله نوع، تنظیمات نقطه کار و مکان نصب آنها را همزمان مد نظر قرار داد. همانطور که در بخش قبلی اشاره شد، مکان نصب ادوات FACTS در سیستمهای قدرت تاثیر بسزایی در عملکرد این تجهیزات دارد. در این بخش به مرور مقالاتی میپردازیم که در آن جایابی این ادوات انجام پذیرفته است. در [6] جایابی SVC با هدف بهبود پروفیل ولتاژ در سیستم قدرت مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج حاکی از عملکرد صحیح SVC در بازیابی ولتاژ شین در صورت بروز خطا دارد.
در [7] از TCSC در سیستم قدرت استفاده شده است. این تجهیز با تغییر امپدانس خط انتقال، باعث بهبود حد بارگذاری شده است. همچنین TCSC میتواند حاشیه پایداری را نیز بهبود ببخشد. همچنین در [8] از الگوریتم اجماع ذرات بهبود یافته به منظور جایابی TCSC در سیستم قدرت استفاده شده است. در این مرجع TCSC به صورت توزیع شده در نظر گرفته شده است. در [9] جایابی و تنظیم پارامترهای SVC و TCSC با هدف بهبود پایداری سیگنال کوچک سیستم قدرت انجام پذیرفته است. برای حل مسئله از الگوریتم اجتماع ذرات استفاده شده است. در [10] جایابی جبرانسازهای موازی در سیستم قدرت موضوع قرار گرفته است.
هدف اصلی استفاده از این جبرانسازها، بهبود پروفیل ولتاژ بوده است. باید در نظر داشت که بهبود پروفیل ولتاژ سبب کاهش تلفات در سیستم قدرت نیز میشود. در [11] جایابی ادوات FACTS با استفاده از برنامهریزی تکاملی انجام گرفته است. بدین منظور از پخش بار اقتصادی استفاده شده است. در [12] از الگوریتم ژنتیک به منظور جایابی ادوات FACTS با هدف بهبود حد بارگذاری خط استفاده شده است. مشکل اصلی الگوریتم ژنتیک به دام افتادن آن در نقاط بهینه محلی میباشد. کنترل کننده پخش بار یکپارچه - UPFC - میتواند با کنترل دقیق میزان بار در سیستم قدرت، تاثیر به سزایی در کاهش تلفات خط و همچنین بهبود پروفیل ولتاز داشته باشد. در [13] مسئله جایابی UPFC مورد مطالعه قرار گرفته است.
بیدن منظور از الگوریتم جستجوی گرانشی استفاده شد. در این مرجع ادعا شده است که الگوریتم جستجوی گرانشی دارای دقت همگرایی بالایی میباشد. اما بایستی این نکته را در نظر داشت که ضعف اصلی این الگوریتم سرعت همگرایی پایین آن میباشد. همچنین در [14] جایابی بهینه UPFC بر پایه پیشامدهای احتمالی انجام شده است. تا به حال از روشهای زیادی برای حل این مسأله استفاده شده است اما مشکل اصلی اکثر روشهای بکارگرفته شده در حل چنین مسألهای ناتوانی در یافتن بهینه سراسری است .
[4] آن دسته از روشها هم که جواب بهینه سراسری را مییابند، سرعت همگرائی شان خیلی کند است. علت اصلی این مشکل عملکرد خطی و یا اتفاقی این روشها در یافتن جواب بهینه سراسری است. در این پایاننامه جایابی ادوات در سیستم قدرت با هدف افزایش حد بارگذاری خط انتفال و همچنین کاهش تلفات با استفاده از الگوریتم کلونی زنیور عسل - ABC - موضوع قرار گرفته است. الگوریتم ABC با دقت و سرعت همگرایی بالا، مناسب برای انجام مطالعات جایابی ادوات FACTS میباشد .[5]
-2 مدلسازی ادوات FACTS
ادوات FACTS عبارتاند از تجهیزاتی که دارای کنترل کننده-هایی بر مبنای الکترونیک قدرت هستند. در یک سیستم قدرت از ادوات FACTS ، به منظور افزایش کنترلپذیری سیستم، افزایش قابلیت انتقال توان، سهولت تبادل توان و برای غلبه بر محدودیتهای ساختار خطوط انتقال موجود استفاده میگردد. تکنولوژی FACTS ابزار مهمی است که امکان بهرهبرداری از تجهیزات موجود را در شرایط اضطراری تا حد حرارتی، بدون کاهش ایمنی امکانپذیر میسازد.
جالبترین ویژگی آنها، توانایی کنترل مستقیم توان عبوری از خطوط با تغییر پارامترهای شبکه و استفاده از کنترل کنندههایی با بهره زیاد بر مبنای سوئیچینگ سریع میباشد. این تجهیزات میتوانند به صورت سری، موازی یا سری-موازی در سیستم قدرت مورد استفاده قرار بگیرند. ادوات FACTS بسته به تکنولوژی بکار رفته در دو دسته نسل اول - تریستوری - و نسل دوم - کانورتری - تقسیمبندی میشوند. در این بخش به معرفی دو ادوات FACTS بکار رفته در این مقاله پرداخته شده است.
-1-2 جبرانگر توان راکتیو استاتیکی - SVC -
یک مولد یا جذب کننده استاتیکی توان راکتیو که بصورت موازی متصل شده و خروجی آن برای مبادله جریان خازنی یا القایی تنظیم میشود، بطوریکه پارامترهای مشخصی در سیستم قدرتنوعاً - ولتاژ شینه - را حفظ یا کنترل نماید. عملکرد SVC بر مبنای تریستورهای فاقد قابلیت قطع دریچه است و شامل تجهیزات جداگانهای برای تقدم یا تأخر فاز توان راکتیو است. شکل - 1 - ساختمان یک SVC به همراه مشخصه V-I را نمایش میدهد.
شکل - - 1 ساختمان SVC و مشخصه V-I آن این تجهیز میتواند در دو حالت راکتیو سلفی یا راکتیو خازنی عمل کند. در جریان خازنی بزرگتر از icmax ، SVC به یک خازن تبدیل میشود و توان راکتیو آن به صورت تابعی از ولتاژ شبکه تغییر میکند. مهمترین کاربردهای SVC عبارتاند از:
· تثبیت ولتاز در شبکههای ضعیف
· کاهش تلفات انتقال
· افزایش ظرفیت انتقال توان
· افزایش میرایی اغتشاشات کوچک
· بهبود پایداری ولتاژ
· حذف نوسانات توان
-2-2 خازن سری کنترل شده با تریستور - TCSC -
طرح اصلی خازن سری کنترل شده با تریستور، در سال 1986 بوسیله »ویتایاتیل« و همکارانش، به عنوان روش »تنظیم سریع امپدانس شبکه« پیشنهاد شد. این طرح شامل خازن جبرانساز سری است که با راکتور کنترل شده با تریستور موازی شده است. در اجرای عملی TCSC ،چندین جبرانساز از این نوع میتوانند بصورت سری به هم متصل شوند تا ولتاژ نامی و مشخصات عملکردی مطلوب بدست آید. این آرایش از نظر ساختار، مشابه TSSC است و اگر امپدانس راکتور آن به اندازه کافی از امپدانس خازن کوچکتر باشد میتواند مثل TSSC بصورت قطع و وصل عمل کند. به هر حال نظریه اصلی در پشت طرح TCSC ، بوجود آوردن یک خازن با تغییرات یکنواخت، از طریق حذف بخشی از ظرفیت خازنی مؤثر ، به وسیله TCR است.
-3-2 جبرانساز سنکرون استاتیکی - STATCOM -
یک مولد سنکرون استاتیکی که به عنوان جبرانساز توان راکتیو موازی، کار میکند و جریان خازنی یا القایی خروجی آن را می-توان مستقل از ولتاژ AC سیستم کنترل کرد.[6] مبنای آن می-تواند بر کنورتور منبع ولتاژی یا منبع جریانی باشد. در کنورتورهای منبع ولتاژی، ولتاژ AC خروجی، طوری کنترل میشود که درست برای انتقال جریان راکتیو مورد نیاز کفایت نماید. برای هر ولتاژ شینهAC، ولتاژ خازن DC بصورت خودکار به اندازه مورد نیاز، جهت عمل کردن به عنوان منبع ولتاژ کنورتور، تنظیم میشود. میتوان STATCOM را به صورتی طراحی کرد که به عنوان یک فیلتر فعال، هارمونیکهای سیستم را نیز جذب نماید .[5] عنصر اصلی در STATCOM یک مبدل منبع ولتاژ - VSC - است که در فرکانس پایه ولتاژ ورودی DC را به ولتاژ AC تبدیل میکند. شکل - - 2 ساختمان یک STATCOM را نمایش داده است.
