مقاله جبران سازی افت ولتاژ ناشی از اتصال کوتاه متقارن با استفاده از بازیاب دینامیکی ولتاژ با حضور منابع تولید پراکنده نظیر پیل سوختی

بخشی از مقاله

خلاصه

برای بهبود کیفیت توان شبکه های توزیع، روشهای زیادی استفاده میشود که کارآمدترین و مؤثرترین آنها استفاده از ادوات Custom Power میباشد. این ادوات بر اساس اصول کار مبدل منبع ولتاژ VSI طراحی شدهاند و هر یک از تجهیزات آن برای جبران بعضی از پدیدههای کیفیت توان مناسب است. در این مقاله، جهت بررسی عملکرد DVRو تأثیر آن بر جبرانسازی ولتاژ شبکه توزیع این تجهیز مدلسازی و شبیه سازی شده و با بروز کمبود ولتاژ - Sag - ناشی از خطای اتصال کوتاه متقارن در مدت زمان معین در شبکه توزیع نقش این تجهیز در اصلاح کمبود ولتاژ بررسی می شود. همچنین عملکردDVR در جبرانسازی و اصلاح کمبود ولتاژ با حضور منابع تولید پراکنده - DG - نظیر پیل سوختی و بدون حضور آن با هم بررسی و مقایسه می شود. حضور DG باعث کاهش توان تزریقی توسط DVR برای اصلاح کمبود ولتاژها و در نتیجه کاهش توان نامی DVR می شود. کاهش جریان تزریقی DVR باعث کاهش قابل ملاحظه اندازه سوئیچهای DVR می شود که در نتیجه هزینه های اولیه و بهره برداری و نگهداری DVR کاهش می یابد. شبیه سازیها بر روی یک سیستم نمونه با استفاده از نرم افزار MATLAB/SIMULINK انجام می شود.

کلمات کلیدی: بازیاب دینامیکی ولتاژ - - DVR، منابع تولید پراکنده - DG - ، کمبود ولتاژ - Sag - ، اتصال کوتاه متقارن، جبرانسازی ولتاژ، کیفیت توان

.1 مقدمه

عبارت کیفیت توان از اواخر دهه 1980 به صورت یکی از معروفترین واژه های صنعت برق در آمده است. این واژه به عنوان یک مفهوم فراگیر برای انواع مختلف اغتشاشات سیستم به کار میرود. از مهمترین مشکلات کیفیت توان، کمبود و بیشبود ولتاژ می باشد که از مهمترین چالشهای شرکتهای توزیع برق در مواجهه با صنایع پیشرفته میباشد و تقریباً % 80 از مشکلات کیفیت برق موجود در سیستم را شامل میشود. با توجه به رشد روز افزون مصرف انرژی الکتریکی و رشد بارهای غیرخطی و حساس در سیستم قدرت، بهرهبرداری بهینه از سیستم و ارائه توان الکتریکی با کیفیت بالا، از مسائل مهم مهندسی برق میباشد.

امروزه مصرف کنندههای انرژی الکتریکی خواستار قابلیت اطمینان و کیفیت بالا در شبکههای توزیع هستند، لذا شرکتهای برق در صدد بهبود کیفیت توان و قابلیت اطمینان در شبکهها هستند. سیستم های الکترونیک قدرت از یک سو منشأ جریانهای هارمونیکی و اختلالات کیفیت توان در سیستم قدرت هستند و از سوی دیگر با استفاده از ادوات الکترونیک قدرت میتوان کیفیت توان را در شبکه توزیع بهبود داد. بنابراین با پیشرفتهای حاصل شده در این ادوات، از طرف شرکتهای برق بر بهبود ساختار و عملکرد سیستم های انتقال و توزیع توان الکتریکی، تاکید زیادی وجود دارد. لذا مسئله بالا بردن کیفیت توان و ارائه یک توان عاری از هرگونه اغتشاش، از خواستههای مصرفکنندگان کنونی است.

در راستای طرح و توسعه سیستمهای الکترونیک قدرت، مؤسسات تحقیقات توان الکتریکی مفهوم Custom Powerرا در سیستمهای توزیع تعریف کردهاند. لذا بکارگیری ادوات الکترونیک قدرت برای بهبود کیفیت توان در سیستمهای توزیع تحت عنوان Custom Power معرفی میشود. تجهیزات Custom Power درصدد بهبود قابلیت اطمینان و کیفیت توان در شبکههای توزیع هستند. یک نمونه از تجهیزات Custom Power، بازیاب دینامیکی ولتاژ 1 - DVR - میباشد که در سالهای اخیر توجه زیادی به آنها شده است. این ادوات بر اساس اصول کار مبدل منبع ولتاژ 2VSC طراحی شدهاند و مبدل منبع ولتاژ قسمت اصلی آنها میباشد.

تکنولوژی مبدل منبع ولتاژ VSC چندین مشخصه مطلوب از قبیل پاسخ سریعتر، تأثیر کم خروجی با تغییرات شبکه و امکان استفاده با تجهیزات ذخیره انرژی جهت جبرانسازی همزمان توان اکتیو و راکتیو را دارد. کنترل ولتاژ خروجی این ادوات توسط الگوی کلیدزنی 3PWM که باعث کاهش تولید هارمونیکهای مرتبه پایین میگردد انجام میشود. الگوهای کلیدزنی PWM مختلفی برای تولید سیگنالهای سوئیچزنی مبدل منبع ولتاژ بکار رفته در DVR وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خاص خودشان را دارند.DVRمؤثرترین تجهیزی است که برای بازیابی ولتاژ استفاده می شود و با تزریق ولتاژ به صورت سری با خط سبب اصلاح کمبود و بیشبود ولتاژ میشود. تولید پراکنده - DG - منبعی برای تولیدانرژی الکتریکی است که مستقیماً به شبکه توزیع و یا سمت بارها متصل می شود،که در این مقاله ازپیل سوختی اکسید جامد - - SOFC به عنوان DG استفاده شده است.

با توجه به تأثیر ادوات Custom Power از جمله DVR بر بهبود کیفیت توان شبکههای توزیع برق و همچنین به بکارگیری روش های مختلف کنترل جهت تولید پالسهای کلیدزنی این ادوات، مقالات زیادی در این زمینه ارائه شده است که به برخی از آنها اشاره میشود. در [1]، پیل سوختی و کاربرد آن در نیروگاهها بیان شده است. در [2]، عوامل ایجاد کمبود ولتاژ که یکی از مسائل کیفیت توان است و همچنین روابط مربوط به محاسبه آن و تکنیکهای اصلاح آن در سیستمهای توزیع بیان شده است. در [3] انواع تجهیزات زیرمجموعه Custom Power و وظایف و کاربرد آنها بیان شده است. استفاده از ادوات Custom Power بر اساس فلسفه بهبود کیفیت توان در سطح توزیع استوار است که دارای هزینه کمتر و کاهش قابل توجه تلفات با استفاده از کنترلرهای الکترونیک قدرت میباشد که در نتیجه بازدهی سیستم را بالاتر میبرد.

ویژگی عمده این ادوات در مقایسه با جبرانسازهای نسل قبلی - - SVC توانایی آنها در جذب یا تولید توان راکتیو با استفاده از عناصر به مراتب کوچکتر مولد یا جذب توان راکتیو از قبیل خازن یا سلف میباشد.در DVR [4-6] به عنوان تجهیزی مناسب برای حفاظت بار های حساس در مقابل اغتشاشات شبکه توزیع معرفی وشبیه سازی شده است و به بیان کاربرد آن در جهت اصلاح کمبود ولتاژ پرداخته شده است و میزان ولتاژ تزریقی توسط DVR برای جبران کمبود ولتاژ بر مبنای توان تزریقی محاسبه شده است.DVR در هنگام بروز خطا، ولتاژی به اندازه اختلاف بین ولتاژ پیش از خطا و ولتاژ حین خطا بوسیله تأمین توان اکتیو مورد نیاز از منبع ذخیره انرژی DC و توان راکتیو با هم تزریق میکند. ماکزیمم قابلیت تزریق DVR بوسیله ظرفیت نامی ذخیرهساز انرژی DC و مشخصات و نسبت تبدیل ترانسفورماتور تزریق محدود میشود.

در [7] اصلاح کمبود ولتاژ، هارمونیکها و نامتعادلی ولتاژ با استفاده از DVR تجزیه و تحلیل شده است و در [8] به تحلیل قابلیت جبرانسازی و کیفیت عملکرد DVR پرداخته شده است. در عملکرد DVR دو مورد قابلیت جبرانسازی و کیفیت ولتاژ خروجی DVR قابل توجه میباشد. مقدار منبع DC ولتاژ در DVR دارای اثرات جانبی مانند اعوجاج بر روی شکل موج خروجی میباشد. استراتژیهای کنترلی مختلفی به منظور تعیین دامنه و فاز ولتاژ تزریقی پیشنهاد شده است. در[9 ] به استراتژیهای جبرانسازی DVR از جمله روش پیش از خطا، روش هم فاز و روش حداقل انرژی پرداخته شده است.انواع مختلفی از بارها وجود دارند که بعضی از آنها نسبت به تغییر فاز بسیار حساس هستند و بعضی دیگر در مقابل این تغییر فاز سازگارند. مشخصات بار حفاظت شده، روش کنترل و استراتژی جبرانسازی مورد استفاده برای DVR را تعیین میکند.

بنابراین بسته به نوع بار، استراتژی مناسب برای سیستم کنترل باید اتخاذ شود. جبرانسازی کمبود ولتاژ توسط DVR به عوامل محدود کنندهای چون ظرفیت نامی DVR، شرایط مختلف بار و انواع کمبود ولتاژ در شبکه وابسته است. در [9] ، روشهای کنترل DVR از جمله روش ردیابی فاز و روش مولفه های متقارن و مقایسه آنها بیان شده است و در [5-6] عملکرد DVR به روش کنترل زاویه دلتا مدلسازی و شبیه سازی شده است. در [10 - 11] مدهای عملکرد DVR بیان شدهاند . DVR دارای سه مد عملکرد- نرمال - تزریق- حفاظت می باشد. در مواقعیکه وضعیت شبکه نرمال میباشد DVR هیچ ولتاژی به سیستم تزریق نمیکند.

در مواقع بروز خطا، بسته به قابلیت جبرانسازی DVR ، به میزان افت ولتاژ بوجود آمده ، DVR به سیستم ولتاژ تزریق می کند و ولتاژ سمت بار را در شرایط پیش از خطا حفظ می کند. اگر افت ولتاژ در سمت بار و یا به عبارتی پایین دست DVR رخ دهد ممکن است اضافه جریان در طرف بار بیشتر از حد قابل تحمل اینورتر DVR در اثر اتصال کوتاه در طرف بار یا جریان هجومی زیاد باشد، لذا جهت حفاظت از سوئیچ های اینورتر، DVR از طریق سوئیچهای بایپاس از سیستم AC ایزوله میشود. در [12] عوامل تأثیرگذار بر عملکرد DVR مانند ظرفیت ذخیره ساز انرژی، توان نامی ترانس DVR و ... و همچنین تأثیر پارامترهای مختلف بر عملکرد DVR بیان شده است. در [13] برای جبران افت ولتاژ sag، DVR پیشنهاد شده است.

.2 کمبود ولتاژ - Sagیا - Dip

کمبود ولتاژ و بیشبود ولتاژ دو مورد از مسائل مربوط به کیفیت توان میباشند که باعث صدمه یا عملکرد نادرست تجهیزات حساس به نوسانات ولتاژ مانند PLC ها، کامپیوترها و... میشوند. مهمترین عامل ایجاد کمبود ولتاژ، اتصال کوتاه میباشد. افت ولتاژها و کمبود ولتاژهای ناشی از خطاهای الکتریکی میتوانند برای تجهیزات مشترکین برق خیلی خطرناک باشند و از این رو اهمیت زیادی دارند. خطاها یا متقارن هستند مانند سهفاز به هم و سهفاز به زمین و یا نامتقارن میباشند مانند تکفاز به زمین. خطاهای اتصال کوتاه باعث ایجاد کمبود ولتاژ عمیق میشوند و تأثیرات بیشتری بر کیفیت توان میگذارند. در استاندارد IEEE-1159-1995 کمبود ولتاژ اینگونه تعریف شده است: »کاهش ناگهانی مقدار مؤثر ولتاژ به میزان %10 تا%90 در فرکانس نامی و در مدت زمان بین 0.5 سیکل تا 1 دقیقه.

« در این تعریف، ولتاژهای زیر 10 درصد ولتاژ نامی به عنوان وقفه یا قطعی ولتاژ در نظر گرفته شده است. در این تعریف هم برای حداکثر و هم برای حداقل ولتاژ یک حد آستانه در نظر گرفته شده است. شکل - 1 - نمودار تعریف کمبود و بیشبود ولتاژ توسط استاندارد IEEE-1159-1995 را بیان میکند.[17]در این استاندارد، کمبود ولتاژ بین نیم سیکل تا 30 سیکل کمبود ولتاژ آنی، کمبود ولتاژ بین 30 سیکل تا سه ثانیه کمبود ولتاژ لحظهای و کمبود ولتاژ بین سه ثانیه تا یک دقیقه کمبود ولتاژ موقت نامیده میشود. کمبود ولتاژ بیشتر از یک دقیقه کاهش ولتاژ و کمبود ولتاژ کمتر از نیم سیکل، گذرا محسوب میشود.