بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله الگوریتمی تحت عنوان الگوریتم جستوجوي گرانشی را جهت یافتن تعداد و محل بهینه کنترل کنندههاي یکپارچه توان در سیستمهاي قدرت ارائه میدهد. کنترلکنندههاي یکپارچهي توان بهجهت آنکه میتوانند توان اکتیو و راکتیو خط و همچنین ولتاژ شینها را همزمان کنترل کنند، از اهمیت خاصی برخوردار هستند و انعطافپذیري بالایی در شبکه دارند. در این مقاله از مدل مجزاي کنترل کنندهي یکپارچهي توان جهت حداکثر کردن ظرفیت بارگذاري خطوط انتقال استفاده میشود. در این مقاله با جایابی بهینه کنترلکننده یکپارچهي توانبه عنوان یکی از مهمترین و بهروزترین ادوات سیستمهاي انتقال انرژي AC انعطافپذیر با در نظرگیري کاهش تلفات شبکه، افزایش پایداري استاتیکی و گذرايشبکه و ظرفیت انتقال و همچنین فراهم آوردن پروفیل ولتاژ صافتر تلاش شده است که هزینههاي تولید توان بهینه شود. در انتها، نتایج حاصل از شبیه سازي بر روي شبکهي 6 و 26 باسه IEEE حاکی از کارایی و مؤثر بودن روش پیشنهادي است.
کلید واژه: کنترل کنندهي یکپارچه توان، سیستمهاي انتقال انرژي AC انعطافپذیر، پایداري ولتاژ، الگوریتم جستوجوي گرانشی.
.1مقدمه
صنعت برق در دنیا به سرعت در حال تغییر و تحول است که عواملی چون بازار، کمبود منابع طبیعی و تقاضاي روبه افزایش الکتریسیته موارد مهمی در ایجاد این تغییرات و تحولات سریع و پیش بینی نشده هستند. با وجود این درخواست رو به رشد، خیلی از برنامه هاي توسعه توسط فشارهاي ناشی از گروههاي حامی مسائل زیست محیطی در رابطه با عدم اعطاي مجوز ساخت خطوط انتقال جدید و نیروگاهها محدود شدهاند . بنابراین جهت حداکثر کردن ظرفیت انتقال خطوط موجود به همراه بالابردن پایداري و قابلیت اطمینان سیستمهاي قدرت، استفاده از ادوات الکترونیک قدرت اجتناب ناپذیر است و بطورکلی استفاده از تجهیزات و تکنیکهاي جدید الکترونیک قدرت میتواند جانشین خوبی براي راهحلهاي سوم باشند . [1]
در گذشته این تکنیکها معمولاً بر پایهي تکنولوژيهاي الکترومکانیکی بو ده و داراي پاسخ زمانی بالا و هزینه نگهداري زیاد میباشند. یک سیستم قدرت میتواند بهصورت مجموعهاي از منابع تولید کننده و بازارهاي مصرفی که از طریق شبکهي خطوط انتقال، ترانسفورماتورها و تجهیزات حفاظتی مورد نیاز باهم ارتباط دارند در نظر گرفته شود. ساختار سیستم قدرت تابعی از وضعیت اقتصادي موجود، تصمیمات سیاسی، مهندسی و زیستمحیطی میباشد و به-همین دلیل ساختار آن همیشه در حال تغییر است. سیستمهاي قدرت براساس ساختارشان به طورکلی به دو سیستم شعاعی و حلقوي تقسیم میشوند .[2]
سیستم هاي حلقوي را در مناطقی با تراکم بالاي جمعیت که امکان ساخت پست قدرت نزدیک به مراکز تقاضاي بار وجود دارد میتوان پیداکرد، در حالیکه سیستمهاي شعاعی در مناطقی که مقدار زیادي از توان مجبور است مسیر طولانی را از پست قدرت به مراکز بار طیکند، مشاهده میشوند . پخش توان در کل شبکه مستقل از ساختار سیستم قدرت و تابعی از امپدانس خط انتقال میباشد. خط انتقال با امپدانس پایین، توانایی پخش توان بیشتري نسبت به خط انتقال با امپدانس بالا دارد. اما این نتیجه همیشه درست نیست زیرا مسائل عملی زیادي وجود دارند که باید آنها را در نظرگرفت . کار اپراتور سیستم کمک به سیستم و تلاش براي توزیع مجدد پخش توان تا رسیدن به هدف مورد نظر میباشد.
نمونه هایی از مشکلات عملی که پخش توانهاي اکتیو و راکتیو کنترلنشده ممکن است بوجود آید؛ عبارتند از: کاهش پایداري سیستم، ایجاد حلقههاي پخش توان، تلفات بالاي انتقال، تجاوز از حد ولتاژ موردنظر و عدم بهره برداري از ظرفیت کامل خطوط انتقال به علت محدودیت دمایی و فرمان قطع پشت سرهم رلهها. این قبیل مشکلات معمولاً بوسیله ساخت نیروگاهها و خطوط انتقال جدید حل میشوند، اما این راه حل داراي هزینه اجرایی بالا، زمانبر و در تضاد با گروههاي حامی محیطزیست میباشد. راهحل جدیدي که براي حل این قبیل مشکلات میتوان در نظرگرفت مربوط به استفاده از جدیدترین روشها و تجهیزات الکترونیک قدرت تحت عنوان FACTS میباشد.
.2 جبرانکننده سري- موازي - کنترلکننده یکپارچهي توان -
کنترلکننده یکپارچهي توان1 شامل یک جبرانساز سنکرون ایستا2 و یک DVR است که با یک خازن مشترك DC به یکدیگر به صورت پشت به پشت متصل شدهاند. UPFC کنترل لحظهاي پخش قدرت اکتیو، پخش قدرت راکتیو و دامنه ولتاژ ترمینالهاي UPFC فراهم میکند .[4 ,3] کنترلکننده ممکن است یک یا چند پارامتر را در هم ترکیبکند و یا هیچ یک ازآنها را کنترل نکند. قدرت اکتیو مورد نیاز مبدل سري بوسیله مبدل شنت از شبکه کشیده میشود و بوسیله ارتباط DC تغذیه میشود. ولتاژ معکوسشده مبدل سري به ولتاژ نقطه اضافه شده است که براي بالابردن ولتاژ نقطه m بکار میرود. دامنه ولتاژ معکوس شده VCR تنظیم ولتاژ را فراهم میکند و زاویه فاز θCR در کنترل پخش قدرت را تعیین میکند.
.i اگر θCR با زاویه فاز ولتاژ θL برابر باشد، قدرت اکتیو تنظیم نمیشود.
.ii اگر θCR عمود بر زاویه فاز ولتاژ θL باشد کنترل پخش قدرت اکتیو به عنوان شیفت دهنده فاز عمل میکند اما هیچ قدرت راکتیوي از شبکه نمیکشد.
.iii اگر θCR عمود بر زاویه جریان باشد، کنترل پخش قدرت اکتیو به عنوان جبران کننده امپدانس سري عمل میکند.
.iv مقادیر دیگر θCR بعنوان ترکیبی از شیفت دهنده فاز و جبران کننده امپدانس سري متغیر عمل میکند.
UPFC .v نقش حمایتی در تبادل قدرت اکتیو که بین مبدل سري و سیستم AC اتفاق میافتد را فراهم میکند، مبدل شنت، قدرت راکتیو را براي فراهمکردن تنظیم دامنه ولتاژ مستقل در نقطه به شبکه AC جذب یا تولید میکند. مدل UPFC شامل منبع ولتاژ و یک منبع ولتاژ شنت و یک معادله محدودیت قدرت اکتیو است.این معادلات در یک روش هماهنگشده با استفاده از الگوریتم نیوتن براي ارضاي تجهیزات کنترل مشخصشده تنظیم میشوند. به صورت مشابه از منابع ولتاژ سري و شنت به ترتیب براي نمایش STATCOM و DVR استفاده میشود. منابع ولتاژ استفاده شده براي UPFC داراي محدودیتهایی هستند. براي مبدل شنت دامنه و زاویه فاز به صورت زیر محدود میشود:
.3 جایابی بهینه UPFC بااستفاده از الگوریتم جستوجوي گرانشی
در الگوریتم جست و جوي گرانشی3 بهینهیابی به کمک طرح قوانین گرانشی و حرکت، در یک سیستم مصنوعی با زمان گسسته انجام می-شود .[5] محیط سیستم همان محدوده تعریف مسأله میباشد. طبق قانون گرانش، هر جرم محل و وضعیت سایر اجرام را از طریق نیروي جاذبه گرانشی درك میکند. بنابراین می توان از این نیرو بهعنوان ابزاري براي تبادل اطلاعات استفاده کرد. از بهینهیاب طراحیشده، میتوان براي حل هر مسأله بهینه سازي که در آن هر جواب مسأله به صورت یک موقعیت در فضا قابل تعریف است و میزان شباهت آن با سایر جوابهاي مسأله بهصورت یک فاصله قابل بیان باشد، استفاده نمود. میزان اجرام با توجه به تابع هدف تعیین میشود. در قدم اول، فضاي سیستم مشخص میشود. محیط شامل یک دستگاه مختصات چند بعدي در فضاي تعریف مسأله است. هر نقطه از فضا، یک جواب مسأله است. عاملهاي جستجوکننده، مجموعهاي از اجرام میباشند.
هر جرم چهار مشخصه دارد :[5]
الف - موقعیت جرم، ب - جرم گرانشی فعال، ج - جرم گرانشی غیر فعال و د - جرم اینرسی.
اجرام فوق برگرفته از مفاهیم جرم گرانشی فعال و جرم اینرسی در فیزیک میباشند. اجرام گرانشی و اینرسی با الهام از مفاهیم فیزیک نیوتنی تعریف شدهاند و با توجه به برازندگی عاملها تعیین میشوند. جرم گرانشی فعال، معیاري از میزان شدت نیروي گرانشی حول یک جسم است. جرم گرانشی غیر فعال نشان دهنده قدرت اثر متقابل در میدان گرانشی است. جرم اینرسی نیز معیاري از مقاومت شیء در مقابل تغییر موقعیت مکانی و حرکت است. پس از تشکیل سیستم، قوانین حاکم بر آن مشخص میشوند. فرض میکنیم تنها قانون گرانش و قوانین حرکت حاکمندا. صورت کلی این قوانین تقریباً شبیه قوانین طبیعت است و به صورت زیر تعریف شدهاند.سیستم را به صورت مجموعهاي از m جرم تصورکنید. موقعیت هرجرم نقطه اي از فضا است که جوابی از مسأله میباشد. موقعیت بعد d از جرم i را با x id نشان داده میشود:
در این سیستم در زمان t، به هر جرم i از سوي جرم j در جهت بعد dنیرویی به اندازه وارد می شود. مقدار این نیرو طبق رابطه - - 4محاسبه میشود. M aj جرم گرانشی فعال جرم j ، M Pi جرم گرانشی غیر فعال جرم i و G - t - ثابت گرانش در زمان t و Rij فاصله بین دوجرم i و j میباشند. در تعیین فاصله بین اجرام مطابق رابطه ي - 5 - از فاصله اقلیدسی استفاده میشود:در رابطهي 17، ε ، یک عدد بسیار کوچک است. نیروي وارد بر جرم i در جهت بعد d در زمان t برابر با مجموع تمام نیروهایی است که سایر اجرام سیستم بر این جرم وارد میکنند، یعنی - Fid - t از رابطهي - 6 - بدست میآید. در این رابطه rand j ، یک عدد تصادفی با توزیع یکنواخت در بازه ي [0,1] است که براي حفظ خصوصیت تصادفی بودن جست و جو در نظر گرفته شده است.
طبق قانون دوم نیوتن، هر جرم در جهت بعد d شتابی میگیرد که متناسب است با نیروي وارد بر جرم در آن جهت بخش بر جرم اینرسی - مطابق رابطه - - 7 - که در این راب طه شتاب جرم i در جهت بعد d درزمان t با و جرم اینرسی جرم i با - M ii - t نشان داده شده است.سرعت هر جرم برابر مجموع ضریبی از سرعت فعلی جرم و شتاب جرم طبق رابطه - 8 - تعریف میشود. بنابراین موقعیت جدید بعد d از جرم i از رابطهي - 9 - محاسبه میشود:تنظیم جرم عاملها بر مبناي تابع هدف آنها انجام میشود به گونهاي که به عامل هاي با شایستگی بهتر، جرم بیشتري نسبت داده شود - رابطه - . - - 11 اندازه جرم عامل ها طبق رابطه - 12 - نرمالیزه میشود.اجرام گرانشی و اینرسی مطابق آنچه در طبیعت وجود دارد، برابر در نظر گرفته شدهاند.
