بخشی از مقاله
چکیده -
با رشد و توسعه شبکههای راهآهن برقی مشکلات کیفیت توان ناشی از این سیستمها اهمیت ویژهای پیدا کرده است. از جمله این مشکلات کیفیت توان میتوان به هارمونیکها، مصرف زیاد توان راکتیو، مؤلفه توالی منفی جریان و ولتاژ، ضریب قدرت پایین و ... اشاره نمود. در سالهای اخیر استفاده از بهبود دهندههای کیفیت توان راهآهن برقی بهمنظور تخفیف این مشکلات کیفیت توان پیشنهاد شده است. جبرانساز کیفیت توان راهآهن برقی مبتنی بر دو مبدل نیم پل - HBRPQC - به منظور بهبود عملکرد جبرانسازهای راهآهن برقی مورد استفاده قرار گرفته است. اما اشکال اصلی این جبرانساز ظرفیت نامی بسیار بالای آن است که عملا هزینه ساخت بسیار بالا را بر آن تحمیل میکند.
در این مقاله در ادامه کارهای انجام گرفته، یک سیستم کنترلی برای مبدل HBRPQC ، پیشنهاد شده است که با استفاده از آن میتوان درصد نامتعادلی ولتاژ و جریان را در حد استاندارد حفظ نمود و در نتیجه ظرفیت مبدل را به میزان قابل توجهی کاهش داد. پیاده سازی این روش پیشنهادی نیاز به تغییری در ساختار سیستم کنترلی ندارد و همچنین میتوان با بکارگیری این روش میزان قطارهایی که در سیستم تغذیه راهآهن برقی قرار دارند را افزایش داد، بدون آنکه در شاخصهای کیفیت توان کاهش قابل ملاحظهای رخ دهد. در نهایت صحت محاسبات با شبیه سازی توسط نرم افزار بررسی میگردد.
کلید واژه- کیفیت توان- راهآهن برقی- بهبوددهنده استاتیکی توان راهآهن برقی مبتنی بر مبدل نیم پل - HBRPQC نوسانات ولتاژ- توالی منفی جریان- جبران سازی دینامیکی.
.1 مقدمه
با رشد و توسعه شبکههای راهآهن برقی مشکلات کیفیت توان ناشی از این سیستمها اهمیت ویژهای پیدا کرده است. از جمله این مشکلات کیفیت توان میتوان به هارمونیکها، مصرف زیاد توان راکتیو، مؤلفه توالی منفی جریان و ولتاژ، ضریب قدرت پایین و ... اشاره نمود .[1] در سالهای اخیر استفاده از بهبود دهندههای کیفیت توان راهآهن برقی بهمنظور تخفیف این مشکلات کیفیت توان پیشنهاد شده است .[3 ,2] اولین بهبود دهنده استاتیک توان سیستم راهآهن برقی یا بهاختصار RPC در اوایل دهه 90 میلادی توسط محققین ژاپنی معرفی شد .[4] سیستم RPC همچنین بهعنوان یک جبرانساز جریان توالی منفی نیز مورد استفاده قرار گرفته است 7]؛.[5 این بهبوددهنده در آغاز با استفاده از ترانسفورماتور اسکات در پستهای تراکشن ژاپن مورد استفاده قرار گرفت .[8] اساس کار RPC مبادله توان اکتیو و راکتیو از فیدرهای طرفین ترانسفورماتور تراکشن است.
در واقع با این کار بار تراکشن از دید شبکه بهصورت یک بار سه فاز متعادل دیده میشود. در ادامه به منظور بهبود عملکرد جبرانسازی، بهبود دهنده فعال کیفیت توان - APQC - که شامل یک مبدل منبع ولتاژ سه فاز و یک ترانسفورماتور اسکات در سال 2004 توسط آقای Zhuo Sun معرفی گردید .[9] در [10] نیز یک جبرانساز مبتنی بر دو مبدل نیم پل - H-bridge - برای کاهش ولتاژ نامی کلیدهای الکترونیک قدرت مورد استفاده در ساختار جبرانساز مورد استفاده قرار گرفت. این ساختار علاوه بر تعداد کمتر کلیدهای الکترونیک قدرت در مقایسه با RPC و APQC عملکرد مناسبتری در جبرانسازی مشکلات کیفیت توان سیستمهای راهآهن برقی داشته است .[11] کارهای بسیار زیادی در زمینه بهبود عملکرد این جبرانسازها در سالهای اخیر انجام گرفته است 15]؛.[12 اما اشکال اصلی این جبرانسازها ظرفیت نامی بسیار بالای آنها است که معادل هزینه ساخت بسیار بالا برای آنها میباشد.
جبرانساز کیفیت توان سیستم راهآهن برقی نیم پل یا به اختصار HBRPQC مزایای* بیشتری نسبت به جبرانسازهای دیگر سیستم راهآهن برقی دارد؛ بهعنوان نمونه نسبت به مبدل RPC تعداد کلیدها به نصف کاهش پیدا کرده است و همچنین قادر است پیچیدگی مدار را از نظر سختافزاری و هزینه کاهش دهد؛ اما ظرفیت مبدل همچنان بالا است. سیستمهای کنترلی مرسوم، هدفشان رساندن شاخصهای کیفیت توان به حد ایدهآل - ضریب قدرت واحد، جریان و ولتاژ توالی منفی صفر و هارمونیک خیلی پایین - بوده است. این شرایط ایدهآل باعث افزایش زیاد ظرفیت جبرانساز میشود. اما میتوان با رساندن شاخصها به مقادیر ذکرشده در استانداردهای صنعت برق، علی رغم جبرانسازی شاخصهای کیفیت توان به میزان مناسب، ظرفیت جبران ساز را نیز کاهش داد. ایده کاهش ظرفیت جبرانساز با در نظر گرفتن مقادیر مجاز شاخصهای کیفیت توان ابتدا توسط خانم Dai و همکارانشان در سال 2012 مطرح گردید .[16] آنها همچنین کار خود را در این زمینه ادامه دادند و با اعمال یک جبرانسازی جزئی ظرفیت RPC و HRPC را در شبکه تغذیه راهآهن برقی تکفاز کاهش دادند .[18 ,17] آقای Hu و همکارانش نیز راهکاری مبتنی بر کاهش ظرفیت جبرانساز RPC با کنترل ضریب قدرت ارائه دادهاند .[19]
در این مقاله در ادامه کارهای انجام گرفته، یک سیستم کنترلی برای مبدل HBRPQC، پیشنهاد شده است که با استفاده از آن میتوان درصد نامتعادلی ولتاژ و جریان را در حد استاندارد حفظ نمود و در نتیجه ظرفیت مبدل را به میزان قابل توجهی کاهش داد. پیاده سازی این روش پیشنهادی نیاز به تغییری در ساختار سیستم کنترلی ندارد و همچنین میتوان با بکارگیری این روش میزان قطارهایی که در سیستم تغذیه راهآهن برقی قرار دارند را افزایش داد، بدون آنکه در شاخصهای کیفیت توان کاهش قابل ملاحظهای رخ دهد. ادامه مقاله بدین صورت تقسیم بندی شده است: بخش دوم در مورد ساختار سیستم تغذیه راهآهن برقی به همراه جبرانساز HBRPQC توضیحاتی ارائه شده است. بخش سوم به بررسی روش کنترلی پیشنهادی پرداخته است. در بخش چهارم ظرفیت جبرانساز HBRPQC به همراه سیستم کنترلی پیشنهادی محاسبه شده و با ظرفیت جبرانساز نیم پل مرسوم مقایسه شده است. در بخش پنجم، با استفاده از مطالعات شبیهسازی صحت عملکرد جبرانساز و روش کنترلی پیشنهادی در نرم افزار MATLAB/Simulink مورد بررسی قرار گرفته است. نهایتاً در بخش ششم، نتیجه گیری و بحث روی نتایج بدست آمده ارائه گردیده است.
.2 بررسی ساختار سیستم تغذیه مبدلHBRPQC
ساختار سیستم تغذیه راهآهن برقی به همراه جبرانساز HBRPQC در شکل - 1 - نشان داده شده است. در این شکل یک پست تراکشن به همراه یک ترانسفورماتور تراکشن Vv نشان داده شده است. ولتاژ سه فاز سیستم فشار قوی با استفاده از ترانسفورماتور Vv به دو ولتاژ تکفاز 27/5 کیلوولت کاهش پیدا میکند . این ولتاژها فیدرهای خروجی ترانسفورماتور تراکشن را تغذیه میکنند. از این بع بعد فیدر سمت راست با نام فیدر و فیدر سمت چپ با نام فیدر نامگذاری میشوند. جبرانساز HBRPQC در واقع یک مدل ساده شده از RPC است. این جبرانساز شامل دو مبدل نیم پل است که با دو خازن سری به هم متصل شدهاند. مبدلهای نیمپل از طریق سلفها و ترانسفورماتورهای تزویج کاهنده به فیدرهای خروجی ترانسفورماتور تراکشن متصل میشوند.
شکل -1 ساختار مبدل نیم پل[10] HBRPQC
در این جبرانساز ریلها و نقطه نوترال ترانسفورماتورهای تزویج به نقطه وسط دو خازن متصل شده است. این بهبوددهنده از دو ستون دارای دو کلید و دو خازن dc، تشکیل شده است. دو مبدل نیمپل میتوانند عمل یکسوسازی را برای جذب انرژی و شارژ کردن خازنهای dc انجام دهد و مبدل دیگر عمل معکوس کردن را برای انتقال انرژی و تخلیه خازنها انجام دهد. HBRPQC در مقایسه با مبدل RPC ، تعداد پایهها را به دو پایه کاهش میدهد؛ یا بعبارت دیگر، در این حالت نسبت به مبدل RPC، تعداد کلیدها از 8 به 4 کاهش پیدا میکند. مبدل نیم پل توانایی انتقال توان اکتیو به فیدرهای سیستم تغذیه راهآهن برقی را نیز دارند. جدول - 1 - مقایسه مشخصه این دو مبدل را نشان میدهد. همان طور که از این جدول مشخص است، تنش ولتاژ کلیدهای مبدل HBRPQC دو برابر خواهد شد، فرکانس کلیدزنی معادل 50 درصد کاهش یافته که میتواند مؤلفههای هارمونیکی را افزایش دهد. این مبدل هدفهای جدیدی برای مدیریت بحث کیفیت توان در سیستمهای ریلی را نیز فراهم میکند.[20]
