بخشی از مقاله

چکیده
شبکههای انتقال سیستمهای قدرت مدرن بدلیل افزایش تقاضا و محدودیت در احداث خطوط جدید بطور فزآیندهای در حال دگرگونی هستند. یکی از عواقب چنین سیستمهای تحت تنشی، خطر از دست دادن پایداری پس از یک اغتشاش میباشد. سیستمهای انتقال جریان متناوب انعطافپذیر - FACTS - 1، تجهیزات بسیار مؤثری برای جلوگیری از این اغتشاش و ایجاد پایداری مورد نظر میباشند. ادوات FACTS همانند جبرانساز استاتیکی سنکرون2 - STATCOM - آخرین تکنولوژی تجهیزات کلیدزنی الکترونیک قدرت در سیستمهای انتقال توان الکتریکی برای کنترل ولتاژ و ضریب توان میباشند.بهمین منظور در این مقاله ابتدا در مورد STATCOM و اساس عملکرد آن توضیح داده و به بیان منطق فازی - Fuzzy - 3 می-پردازیم. در ادامه کنترلکننده STATCOM مبتنی بر منطق فازی و FUZZY-PI برای بهبود پایداری گذرای سیستمهای دو ماشینه طراحی میشود. کنترلکننده پیشنهادی تحت محیط نرمافزار MATLAB/SIMULINK پیادهسازی شده و نتایج آن در سیستم دو ماشینه با کنترلکننده PI مرسوم مقایسه میشود.

واژه های کلیدی:کنترلر فازی، توان راکتیو، STATCOM، شبکه دو باشه

مقدمه

سیستمهای قدرت قدیمی با توجه به مقدار توان مورد نیاز طراحی میشدند و دارای ساختاری ساده و میزان توان انتقالی نیز در این خطوط کم بود. همچنین این سیستمها به منظور بازیابی از وضعیتهای اضطراری نظیر قطع یا خروج ژنراتورها، خطوط انتقال و تجهیزات دیگر با حاشیهی امنیت بالاتری طراحی میشدند، در نتیجه نیاز چندانی به استفادهی بهینه از ظرفیت واقعی خطوط انتقال احساس نمیشد و از اینرو بهرهوری کل سیستم قدرت نسبتاً پایین بود.برای غلبه بر محدودیتهای انتقال انرژی و استفادهی بهینه از ساختار شبکه، راهحلهایی ارائه شده است که از مهمترین آنها میتوان به تغییر در ساختار شبکهی موجود، استفاده از جبرانسازها جهت کنترل پارامترهای شبکه و تکنولوژی HVDC اشاره نمود.

در شبکههای موجود استفاده از جبرانسازها نسبت به دو راهحل دیگر بنا به دلایل کنترل توان در مسیرهای مورد نظر، عدم آسیبرسانی زیست محیطی و مقرون به صرفه بودن از لحاظ اقتصادی ترجیح داده میشود .[1]تجهیزاتی که قادرند هم به بهبود کیفیت توان و هم کمک بمنظور تسهیل در ادغام منابع انرژی توزیع شده با بخشی از یک شبکه سراسری الکتریکی شود، به عنوان سیستمهای انتقال AC انعطافپذیر یا به اختصار ادوات FACTS شناخته میشوند .[2] این تجهیزات مبتنی بر سنکرونیزم تجهیزات الکترونیک قدرت در شبکه AC موجود و سیستم توزیع جهت بهبود پایداری و عملکرد شبکه میباشد. برای مثال قادر به بهبود کارآیی شبکههای الکتریکی و کیفیت شکل موجهای ولتاژ مصرفکننده میباشد.

بطور کلی کنترلکنندههای FACTS به چهار دسته تقسیم میشود: - 1 کنترلکنندههای موازی - 2 کنترلکنندههای سری - 3 کنترلکنندههای سری- موازی - 4 کنترلکنندههای سری - سری. کاربردهای ادوات FACTS در سیستمهای قدرت میتواند بصورت چند مورد تنظیم و کنترل ولتاژ مؤثر، کاهش اضافه ولتاژهای موقتی، بهبود ظرفیت انتقال توان در حالت ماندگار، میرایی نوسانات سیستم قدرت و بهبود کیفیت توان باشد. در میان کنترلکنندههای FACTS ، کنترلکنندههای موازی تأثیر زیادی در سیستمهای انتقال و توزیع دارند. برای مثال با جبران توان راکتیو میتوان توان قابل انتقال از خطوط انتقال را افزایش داد و مقدار پروفیل ولتاژ را در طول خط انتقال کنترل نمود.

علاوه بر این کنترلکنندههای موازی میتوان پایداری گذرا را بهبود داده و نوسانات توان را در طول اغتشاش یا پس از رفع خطا میرا نمود. در این مقاله به معرفی کنترلکنندههای موازی ادوات FACTS پرداخته میشود و نحوهی عملکرد آنها مورد بررسی قرار میگیرد.تحولات روزافزون فنآوریهای حالت جامد باعث شده است که تجهیزات الکترونیکی توان بالا از جمله STATCOM توسعه یابد. این نوع از ادوات FACTS با استفاده از خازنهای نسبتاً کوچک باایجاد یک ولتاژ لینک DC و پس از مدولاسیون بوسیلهی یک اینورتر به کنترل توان راکتیو میپردازد .[3] استفاده از خازنهای لینک DC کوچکتر، هزینهها و اثرات فیزیکی تصحیح ضریب قدرت سیستم را کاهش میدهد. از اینرو STATCOM امکان انعطافپذیری بیشتر و بهبود مشخصههای دینامیکی سیستم را فراهم میکند.

در این مقاله کنترلکنندههایی به منظور بهبود عملکرد STATCOM جهت استفاده در سیستمهای قدرت معرفی میشوند. اولین کنترلکننده بنام کنترلکننده Fuzzy است که از قوانین و اصول منطق فازی برای طراحی این کنترلکننده استفاده میشود. کنترلکننده بعدی بنام کنترلکننده Fuzzy-PI میباشد که با تنظیم جداگانه ولتاژ و جریان بعنوان ورودی برای تطبیقکننده فازی جهت سازگاری پارامترهای بهره PI مورد استفاده قرار میگیرد. برای STATCOM مبتنی بر کنترلکننده فازی، سرعت ژنراتوریعنی و مشتق آن یعنی d  / dt بعنوان پارامترهای ورودی وزاویهی - یعنی Alpha مبدل منبع ولتاژ - بعنوان پارامتر خروجی برای کنترلکنندههای STATCOM در نظر گرفته خواهند شد. ورودیهای کنترلکنندههای سیستم برای ارائه میرایی بهتر با دقت انتخاب شده و دامنهی آنها بوسیله نتایج شبیهسازی فرآیند فازیسازی تعیین میگردند.

در ادامه به بررسی جداگانه این کنترلکنندهها پرداخته میشود. ظرفیت بهرهبرداری عملی خطوط انتقال بسیار کمتر از ظرفیت واقعی خطوط که همان حد حرارتی آنهاست، میباشد. این امر موجب عدم بهرهبرداری بهینه از سیستمهای انتقال انرژی میشود. یکی از راههای افزایش ظرفیت انتقال توان احداث خطوط جدید است که بخاطر هزینههای بالا، مشکلات قانونی و زیست محیطی به راحتی قابل اجرا نمیباشد. راهحل دوم استفاده از جبرانسازها میباشد.در چند دههی اخیر با پیشرفت سریع نیمههادیها در سطح ولتاژ و توان و نیز پیشرفت سیستمهای کنترلی، جبرانسازهایی با انعطافپذیری و دامنهی عملکرد بالا طراحی و ساخته شده و در سیستمهای قدرت نصب گردیده است.

این جبرانسازها که تحت عنوان سیستمهای انتقال AC انعطافپذیر یا به اختصار ادوات FACTS شناخته میشوند و به دو دستهی کلی؛ کنترلکنندههای موازی و سری طبقهبندی میشود.با توجه به مزایا و معایب، مشخصات و ویژگیهای کنترلکنندههای FACTS ، کنترلکنندههای موازی تأثیر زیادی را در سیستمهای انتقال و توزیع داشته است. برای مثال STATCOM با جبران توان راکتیو میتواند توان قابل انتقال از خطوط انتقال را افزایش داده و مقدار پروفیل ولتاژ را در طول خط انتقال کنترل نماید. علاوه بر این میتواند پایداری گذرا را بهبود داده و نوسانات توان را در طول اغتشاش یا پس از رفع خطا میرا نماید. بنابراین میتوان نتیجه گرفت که STATCOM گزینهی مناسبی برای بهبود پایداری گذرای سیستمهای قدرت میباشد.

جبرانکنندهی استاتیکی سنکرون - - STATCOM

اولین کنترلکننده موازی مبتنی بر مبدل قدرت میباشد که در سال 1976 توسط Gyugyi معرفی شد. اساس عملکرد STATCOM مشابه کندانسور سنکرون است. از آنجا که در ساخت این وسیله از ادوات الکترونیک قدرت استفاده شده است به آن جبرانساز استاتیکی نیز گفته میشود .[2] مبدلهای بکار رفته در این جبرانساز، توان راکتیو مورد نیاز را بطور محلی - در محل اتصال STATCOM به شبکه - تأمین کرده و خروجی آن بطور پیوسته قابل تنظیم میباشد. به همین دلیل در مواردی که ولتاژ شبکه قدرت تغییرات وسیعی داشته باشد - در حین اغتشاش یا در حالت پس از رفع خطا - از این جبرانساز استفاده میشود.هدف اصلی STATCOM کنترل جریان توان راکتیو، تصحیح هارمونیکهای سیستم و تأمین ولتاژ پیشتیبان در صورت بروز خطا میباشد. STATCOM در شبکههای انتقال با ولتاژ بالا کاربرد وسیعی دارد و در سالهای اخیر در شبکههای ولتاژ متوسط نیز جایگاه مناسبی پیدا کرده است.

یکی از مزیتهای عمده برای نفوذ STATCOM به شبکههای ولتاژ متوسط، افزایش استفاده از منابع تولید پراکنده مانند؛ انرژی باد و انرژی خورشیدی میباشد. ماهیت دینامیکی این منابع منجر به استفاده از تجهیزات جبرانکننده دینامیکی قوی شده است، در حالیکه STATCOM قادر به تأمین این نیاز میباشد.تکنولوژی STATCOM جایگزین مناسبی برای کلیدهای مکانیکی و تریستورهای کنترلکننده راکتانس میباشد. خازنها یا سلفهای کنترلشونده با کلیدهای مکانیکی قادر به ایجاد یک سوسپیتانس برای کنترل جریان توان راکتیو جهت اصلاح ضریب قدرت میباشد. هر چند با توجه به ماهیت متغیر ضریب توان و شرایط بارگذاری شبکههای برق، اصلاح ضریب توان در همهی زمانها با سرعت کافی امکانپذیر نمیباشد. این عیب در این تجهیزات موجب توسعهی دستگاههای کنترلکننده تریستوری شد که بعنوان جبرانکنندهی VAR استاتیکی شناخته میشود. با این حال جبرانکنندهی VAR استاتیکی با استفاده از یک تریستور بصورت دینامیکی، سوسپیتانس مؤثر از دید شبکه را تغییر میدهد .[4]

اساس عملکرد STATCOM

STATCOM از یک ترانسفورماتور تزویج، مبدل منبع ولتاژ و تجهیزات ذخیرهسازی انرژی DC تشکیل شده است، که قادر به تبادل توان راکتیو با سیستم قدرت میباشد .[2] شکل - 1 - ساختار مداری و مشخصه V-I یک STATCOM که بصورت موازی به شبکه متصل میباشد، نشان میدهد.با توجه به شکل -1 - الف - ، اگر مبدل منبع ولتاژ فقط برای جبرانسازی توان راکتیو بکار رود، منبع انرژی DC میتواند با یک خازن DC کوچک جایگزین شود. در این صورت توان تبادلی بین سیستم AC و DC فقط توان راکتیو میباشد. در این حالت مبدل خازن را شارژ کرده و در سطح ولتاژ مورد نیاز نگه میدارد. مبدل از سیستم AC مقداری توان اکتیو جذب و مصرف میکند تا بتواند تلفات داخلی را تأمین کرده و ولتاژ خازن را در سطح ولتاژ مورد نظر نگه دارد. این عمل با تأخیر کم زاویهی فاز ولتاژ خروجی مبدل - Vout - نسبت به ولتاژ سیستم - Vac - AC انجام میشود. رابطهی بین بخش ولتاژ مؤثر خروجی مبدل و ولتاژ DC طرف خازن برابر است با:

و k ضریبی است که به ساختار مبدل، تعداد پالسهای کلیدزنی و کنترلهای مبدل بستگی دارد.با توجه به مشخصهی V-I شکل -1 - ب - ، اگر ولتاژ تولیدی STATCOM از ولتاژ سیستم کمتر باشد، STATCOM بعنوان یک بار سلفی عمل کرده و از سیستم توان راکتیو جذب میکند. اما اگر STATCOM بخواهد بعنوان خازن موازی عمل کند و توان راکتیو به سیستم تزریق نماید، ولتاژ آن باید بیشتر از ولتاژ سیستم باشد .[25] اگر دامنهی ولتاژهای سیستم قدرت و STATCOM برابر باشد توان راکتیو تبادل نخواهد شد. دامنهی جریان AC از رابطه زیر محاسبه میشود:

که Vout و Vac به ترتیب ولتاژ خروجی مبدل و ولتاژ سیستم AC و X راکتانس نشتی ترانسفورماتور تزویج میباشد. توان اکتیو و راکتیو مبادله شده بین سیستم AC و مبدل منبع ولتاژ بصورت زیر خواهند بود:

با توجه به مزایا و معایب، مشخصات و ویژگیهای کنترلکنندههای FACTS ، کنترلکنندههای موازی تأثیر زیادی را در سیستمهای انتقال و توزیع داشته است. برای مثال STATCOM با جبران توان راکتیو میتواند توان قابل انتقال از خطوط انتقال را افزایش داده و مقدار پروفیل ولتاژ را در طول خط انتقال کنترل نماید. علاوه بر این میتواند پایداری گذرا را بهبود داده و نوسانات توان را در طول اغتشاش یا پس از رفع خطا میرا نماید. بنابراین میتوان نتیجه گرفت که STATCOM گزینهی مناسبی برای بهبود پایداری گذرای سیستمهای قدرت میباشد.

بهبود پایداری گذرا توسط STATCOM

یک سیستم تک ماشین- باس بینهایت در شکل - 2 - نشان داده است. لازم بذکر است که راکتانس خط انتقال، ترانسفورماتور و راکتانس خود ماشین در پارامتر X لحاظ شده است.

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید