بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
رفع تراکم در خطوط انتقال با استفاده از جایابی ادوات FACTS به روش آنالیز
چکیده :
تجدید ساختار در صنعت برق با هدف تصحیح در مبادله انرژی الکتریکی شکل گرفته است . این امر باعث بوجود آمدن بستری جهت تعامل ہین اقتصادی و تکنیکی سیستم قدرت گردیده است. از جمله این مسائل می توان به تراکم خطوط انتقال اشاره کرد و یکی از عوامل عمده در مدیریت تراکم خطوط انتقال استفاده از ادوات FACTS به منظور کاهش تراکم است ، در میان ادوات FACTS جبران کننده خازنی سری TCSC با کنترل توان جاری در خط به کاهش توان در خطوط با بار سنگین کمک مینماید که خود منجر به افزایش بار پذیری شبکه و کاهش هزینه های تولید و انتقال انرژی می شود. مدیریت گرفتگی با استفاده از ادوات FACTS نیاز به دو گام اساسی دارد. اولین مرحله پیدا کردن مکان مناسب در شبکه برای این ادوات و دومین مرحله تنظیم بهینه پارامترهای این تجهیزات است. در ابتدا مکان یابی TCSC بوسیله روش آنالیز حساسیت مبتنی بر پخش بار DC انجام شده است و در ادامه از آنجا که توابع موجود در مدیریت گرفتگی غیرخطی است از روش الگوریتم ژنتیک و پخش بار AC برای بدست آوردن جواب بهینه استفاده شده است. روشن پیشنهاد شده بر روی شبکه ۵ شینه و ۳۰ شینه ارزیابی می شود. نتایج بدست آمده به وضوح کارایی الگوریتم ژنتیک را در رفع تراکم خطوط انتقال نشان می دهد.
واژه های کلیدی : TCSC، مدیریت گرفتگی ، آنالیز حساسیت ، الگوریتم ژنتیک
مقدمه
در سیستم های قدرت به دلایل مختلف نظیر افت ولتاژ مجاز و محدودیت های مربوط به انواع پایداریها، سبب می شود تا بهره برداری از ظرفیت کامل خطوط امکان پذیر نباشد و نتیجه آن این خواهد بود که حد توان قابل عبور از خطوط کمتر از حداکثر توان انتقالی آنها که همان حد حرارتی آنها است می گردد. با پدیدار شدن مساله تجدیدی رفتار در سیستم های قدرت و سیستم های با دسترسی آزاد، که نتیجه آن ایجاد بازار رقابتی در تولید، و اینکه مصرف کنندگان انرژی حق انتخاب در مورد منبع خریدار انرژی را دارند؛ استفاده حداکثر از ظرفیت خطوط انتقال لازم خواهد بود. در نتیجه اغلب اتفاق می افتد که بخاطر رقابت بین تولید کنندگان و مصرف کنندگان انرژی الکتریکی و مسائل قراردادی، شاهد افزایش ناخواسته در تبادل توان خارج از ظرفیت مجاز خطوط انتقال باشیم. اگر این تبادل توان به نحوه صحیح مدیریت نشود برخی از خطوط در مسیرهای مخصوص اضافه بار خواهند شد. این پدیده به عنوان گرفتگی خطوط نامیده میشود. گرفتگی در خطوط انتقال، چه به صورت گروهی و چه بصورت تکی نبایستی بیشتر از چندین لحظه کوتاه در خطوط حضور داشته باشد، چرا که با ادامه گرفتگی خطلوط، معادلات پخش بار واگرا شده، امنیت و قابلیت اطمینان سیستم از بین رفته و سیستم به سمت فروپاشی میل خواهد کرد. برای اینکه نخواهیم گرفتگی در خطوط را مدیریت نمائیم و گرفتگی را از خطوط رفع کنیم بایستی شبکه قدرت را طوری برنامه ریزی و تغییر دهیم که قابلیت انتقال توان درخواستی مصرف کششدگان را دارا باشد، اولین ایده که در این مورد به نظر می رسد تاسیس خطوط انتقال جدید در کار خطوط انتقال قبلی می باشد. ولی موانع اساسی موجود پرسر راه گسترش شبکه های قدرت از قبیل محدودیتهای زیست محیطی، حق راه و مسائل اقتصادی، باعث می شود که این ایده عملی نگردد دومین فکر استفاده از تجهیزات جبران کننده توان راکتیو مدرن یعنی سیستمهای انتقال جریان متناوب انعطاف پذیر (FACTS) می باشد. با استفاده از این ادوات می توان با کنترل پخش بار در شبکه، به کاهش پخش توان در خطوط با بار سنگین کمک نمود. توسط این ادوات میتوان بدون برنامه ریزی دوباره تولید و یا تغییرات توپولوژیک در شبکه، پخش توان را کنترل کرد، بطوری که محدودیت های حرارتی از حد مجاز خود فراتر نرود، بارگذاری سیستم افزایش یابد، تلفات کاهش یابد، هزینه تولید کاهش یافته و نیز حد پایداری شبکه افزایش یابد. لذا محل نصب و تنظیم پارامترهای ادوات FACTS و همچنین مدلسازی این ادوات بر اساس حالات واقعی آنها جهت دستیابی به اهداف مورد نظر حائز اهمیت است. در میان ادوات TCSC ،FACTS یکی از بهترین ادوات برای افزایش پایداری سیستم ، بهبود مشخصات دینامیکی سیستم قدرت و افزایش قابلیت انتقال سیستم های انتقال بوسیله کاهش دادن رآکتانس انتقال در میان دو باس که ارتباط بین یک خط انتقال است می باشد . به هر حال برای دستیابی به مزایای فوق الذکر لازم است که TCSC با تنظیم صحیح پارامترهای آن و تعیین مکان بهینه در شبکه قرار گیرد . TCSC میتواند در مکانهای متفاوت و با اثر گذاریهای متفاوت نصب شود و ما برای رویارویی با مشکلات ذکر شده از آن استفاده می کنیم. فاکتورهای در زیر آمده می توانند در بهینه سازی مکان یابی و نصب TCSC مطرح شوند. توپولوژی در نظر گرفته شده در سیستم عبارتند از: ۱. بهبود حاشیه پایداری ۲. افزایش ظرفیت انتقال توان ۳. ممانعت از خاموشی سیستم ۴. کاهش تلفات سیستم بنابراین الگوریتم توان متداول باید، با نظر به یک یا تمام فاکتورهای نامبرده با وجود TCSC ادامه یابد. در دو دهه اخیر الگوریتم های جدید برای بهینه سازی توان جاری با TCSC با در نظر گرفتن مکان یابی بهینه آن در حال پیشرفت است. در اینجا به منظور کاربرد ادوات FACTS در مدیریت تراکم خطوط انتقال قابلیت های این ادوات به ویژه TCSC بررسی شده است. در ادامه مروری بر روشهای قبلی مانند آنالیز حساسیت با پخش بار DC شده است . یک روشی بر مبنای الگوریتم ژنتیک و پخش بار AC برای تعیین مکان و پارامترهای TCSC ارائه شده است.
یج این شبیه سازی ن میدهد که حضور TCSC در محل و تنظیم مناسب باعث رفع گرفتگی خطوط می شود. در ادامه کارایی این روش برروی شبکه 400kv استان خوزستان در پیک بار سال ۸۶ تست شده است. این بررسلی با فرض هایی انجام شده است. از جمله : هزینه مربوط به TCSC در نظر گرفته نشده است . و مدل بارها ثابت و مدل بازار برق به صورت سنتی در نظر گرفته شده است.
در مرجع [ ۱] استفاده از آنالیز حساسیت برای جایابی ادوات FACTS بر اساسی ۳ تابع هدف انجام شده است. در مرجع [۲] روش پخش بار بهینه با در نظر گیری توابع هدف مختلف به هنگام استفاده از ادوات FACTS روی سیستم شده است. در مرجع [ ۳] استفاده از پخش بار | پیوسته برای بدست آوردن مقدارو مکان جبران کننده سری برای افزایش حد بارگذاری سیستم پیشنهاد شده است. در این تحقیق پس از جایگذاری جبران کننده در هرخط، بارگذاری خطوط توسط یک ضریب بارگذاری یکنواخت، در هر خط محاسبه می شود. استفاده از الگوریتم ژنتیک برای جایگذاری این ادوات در مرجع [۴و۵] پیشنهاد شده است. تابع هدف مورد استفاده در این مراجع بر اساسی فاکتورهای قیمت این ادوات می باشد. برای انجام مطالعات درباره ادوات FACTS در حوزه های مختلف کاربرد آنها، در گام اول نیاز به مدلسازی این کنترل کننده ها وجود دارد و بر همین اساس مدلهای متعددی برای مطالعات استاتیکی و دینامیکی پیشنهاد شده است [۶] در بخش ۲ مدل استاتیکی TCSC شرح داده می شود. در بخش ۳ تابع هدف از لحاظ گرفتگی خطوط معرفی می شود. در بخش ۴ روش آنالیز حساسیت بیان می شود. در بخش ۵ نصب خازن در سیستم تست ۵ شینه با روش انالیز حساسیت بررسی می شود. در بخش ۶ الگوریتم ژنتیک برای جایابی تشریح می شود و در بخش ۷. کارایی این روش بر سیستم ۵ و ۳۰ شینه و در نهایت شبکه استان خوزستان بررسی می شود. در بخش ۸ نیز نتایج حاصل از اعمال دو روش مطرح می شود. این مقاله به بررسی دو تکنیک آنالیز حساسیت و GIA جهت دستیابی به مقدار بهینه ، مکان یابی بهینه و تنظیم بهینه پارامترهای TCSC جهت ماکزیمم نمودن بار پذیری سیستم و کاهش تلفات سیستم بدون ایجاد هیچگونه نقضی در محدودیت های حرارتی و محدودیت های ولتاژ میباشد.
۲- مدلسازی استانیکی ادوات FACTS
۲-۱- مدلسازی استاتیکی خط انتقال
شکل زیر یک خط ساده با مدار زیر بین شین i و j را نشان می دهد. ولتاژها در شین i و j به ترتیب , هستند پخش توان اکتيو از شین i به j بترتیب زیر است:
شکل (۱) مدل خط انتقال
مدل TCSC
مدل خط انتقال با یک TCSC بین دو شین در شکل (۲) نشان داده شده است .
در حالت ماندگار TCSC به وسیله یک امپدانسjXc- معرفی می شود، پخش توان اکتیو و راکتیو از شین i به j به صورت
زیر بدست می باید :
تغییر در توان خط با توجه به امپدانس خازنی به وسیله یک خط بدون امپدانس خازن سری با تزریق توان به ابتدا و انتهای خط معرفی می شود.
مطابقاً توان راکتیو در دو شین مذکور بصورت زیر است :
شکل(۳) مدل تزریق TCSC
۳ - تابع هدف در مدیریت گرفتگی شدت بار گذاری سیستم قدرت در شرایط عادی و اضطراری به وسیله شاخصی PI پخش توان تعریف می شود:
در فرمول توان حقیقی جریان یافته در خط ظرفیت نامی خط انتقال است. W به عنوان ضریب نمایی یا مرتبه اندیس عملکرد،Ni تعداد خطوط شبکه و W نیز ضریب وزنی می باشد. ضریب وزنی W برای انعکاس دادن اهمیت خط بکار رفته است و معمولا دارای مقدار حقیقی وغیر منفی است. در سیستم های که تمام خطوط دارای اهمیت یکسانی باشند، معمولاً ضریب W یک است. در اغلب الگوریتم های انتخابی احتمالاتی استفاده از ضریب مرتبه دوم پیشنهاد می شود. اینگونه سیستم ها معمولا اثری بنام masking effect تاثیر پذیر می باشند. اثر اmasking cfTcc را می توان چنین بیان کرد، در سیستم های که هیچ گونه تمایزی بین مولفه های آن وجود ندارد مقدار اندیس Pl در مواردی که با نقص های خیلی کوچک همراه است، با مقدار ان در یک مورد نقص بزرگ قابل مقایسه می باشد.
۴- آنالیز حساسیت
در روش آنالیز حساسیت جهت بدست آوردن مکان بهینه ادوات FACTS برای مدیریت گرفتگی خطوط لازم است سه تابع هدف زیر را برای TCSC بدست می آوریم.
۱-۴- شاخص حساسیت تلفات خط
شاخص حساسیت به تلفات خط K با جبران کننده خازنی بصورت زیر تعریف می شود:
و از معادله (۱۴) بر اساس معادلات پخش بار بصورت زیر بدست می آید:
۴- ۲- شاخص حساسیت کل تلفات سیستم قدرت
فرمول دقیق کل تلفات یک سیستم N شینه از رابطه زیر محاسبه می شود:
Pj و Qj به ترتیب توان اکتیور و راکتیو تزریق شده به شین j و ضریب تلفات بر اساس روابط زیر تعریف میشود
شاخص حساسیت کلی تلفات نسبت به پارامتر های خازن سری بصورت زیر تعریف می شود:
3-4 شاخص PI
شدت بار گذاری سیستم قدرت در شرایط عادی و اضطراری به وسیله شاخص PI پخش توان تعریف می شود:
شاخصی پخش توان PI نسبت به پارامترهای خازن سری به صورت زیر تعریف می شود
تغییرات شاخص PI نسبت به پارامتر های کنترلی TCSC بین دو شین I , j بصورت زیر است که XK مقدار راکتانس خازنی است .
با محاسبه شاخص حساسیت برای هر نوع ادوات FACTS بر اساس معیارهای زیر می توان جای بهینه را پیدا کرد
۱- ادوات FATCS می تواند در حساسترین خط نصب شود.
2- TSC در خطوطی که دارای بیشترین شاخص منفی باشد نصب می شود .
۴-۴- بکار بردن خازن سری در یک سیستم ۵ شینه
برای اثبات روش آن را بروی شبکه ۵ باسه تست می کنیم. و حساسیت PI را برای هر خط محاسبه می کنیم . مشخصات شبکه ۵ با سه در جدول زیر آمده است . این سیستم شامل ۲ ژنراتور و ۳ بار و ۷ خط انتقال است . شین یک به عنوان شین مرجع است . مقدار مبنا و توان مجاز خطوط ۱۰۰ مگاولت امپر است.
شکل (۴) سیستم ۵ شینه
جدول (۱) مشخصات شبکه ۵ باسه
بعد از انجام عملیات پخش بار نتایج را بررسی می کنیم. - همانطور که از جدول زیر مشخص است خط مابین شین ۲ و ۳ با ۱۰۸ درصد بارگیری در حالت اضافه بار قرار دارد.
از روش آنالیز حساسیت در روش سوم شاخصی PI هر خط را نسبت به پارامتر کنترلی TCSC بدست می آوریم مطابق جدول زیر:
جدول (۳) شاخص PI هر خط نسبت به Xk
خطی که بیشترین حساسیت منفی را داشته باشد، مکان مناسب برای نصب خازن سری است. خط ۴ دارای منفی ترین مقدار است . با قرار گرفتن TCSC در خطی که دارای شاخصی منفی است (خط ۴) همانطور که از نتایج پخش بار مجدد مشخص است قرار گرفتن TCSC در خط ۴ با مقدار ۸۰ درصد جبران سازی باعث کاهش درصد بار خط ۳ میشود. به عبارتی به کاهش تراکم خطوط کمک میکند.
جدول (۴) نتایج پخش بار DC پس از نصیب TCSC
