بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مشکلات تولیدات پراکنده پدیده جزیره ای شدن ناخواسته می باشد. تا کنون روش های متعددی در این زمینه ارائه شده است که عموما محدود به نوع تولیدات پراکنده - سنکرون - اینورتری - می باشند و منجر به کاهش کیفیت توان می گردند. در این مقاله با حذف این محدودیت - وابستگی به نوع تولید پراکنده - و تکیه بر بهبود کیفیت توان، یک روش جدید مبتنی بر روش شیفت فاز با استفاده از ترانسفورماتورهای شیفت فاز ارائه شده است. ترانسفورماتورهای شیفت فاز از تپ چنجرهای مکانیکی زیر بار برای شیفت فاز بین ولتاژهای وروردی و خروجی ترانسفورماتور استفاده می کند. تپ چنجرهای مکانیکی ادواتی کند هستند. برای تغییر تپ به موقعیت جدید حدودا 3 تا 10 ثانیه زمان مورد نیاز است. از طرفی طبق استاندارد IEEE1547 باید حداکقر ظرف مدت 2 ثانیه جزیره ای شناسایی گردد. به منظور حذف این مشکل یک تپ چنجر تمام الکترونیکی برای ترانسفورماتورهای شیفت فاز ارائه شده است. روش پیشنهادی مطابق با استاندارد های IEEE1547 وUL1741 مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج شبیه سازی، قابلیت اطمینان و سرعت بالای روش پیشنهادی را نشان میدهد.
واژههای کلیدی: تشخیص جزیرهای، شیفت فاز، تپ چنجر تمام الکترونیکی، استاندارد IEEE1547، روش اکتیو
-1 مقدمه
طبق استاندارد IEEE STD 1547 -2003 جزیره بخشی از شبکه است که از بقیه سیستم جدا گردیده و تنها توسط واحد تولید پراکنده تغذیه می گردد. طبق استاندارد فوق ایجاد جزیره باید حداکثر 2 ثانیه پس از شکل گیری، شناسایی شده و واحد تولید پراکنده از شبکه جدا گردد.[1] روش های بسیاری جهت شناسایی جزیره ای ارائه شده است که بطور کلی به دو دسته روشهای محلی و از راه دور تقسیم می گردند. روش های از راه دور بر اساس ارتباط مخابراتی بین واحد تولید پراکنده و شبکه استوار است. این روش ها بسیار موثر بوده اما بدلیل هزینه بالای آن چندان مورد توجه قرار نگرفته اند. روشهای محلی نیز به دو دسته اکتیو و پسیو تقسیم می شوند. در روشهای پسیو از طریق اندازه گیری پارامترهای خروجی واحد تولید پراکنده جزیره ای تشخیص داده می شود، لذا هیچ تاثیر منفی در عملکرد سیستم ندارد.
اما در شرایطی چون تطبیق توان بین تولید و مصرف قادر به شناسایی جزیره ای نخواهد بود و روشهای اکتیو نیز تغییراتی را به واحد تولید پراکنده اعمال کرده و از دریافت پاسخ تولید پراکنده به این تغییرات جزیره ای تشخیص داده می شود. این روش نسبت به روشهای پسیو موثرتر می باشد اما بدلیل ایجاد اغتشاش در سیستم باعث کاهش کیفیت توان می گردند. با توجه به نقاط ضعف هر یک از روش ها، هیچ یک از دسته بندی های اکتیو و پسیو به تنهایی موثر نبوده و به همین جهت اخیرا" روشهای ترکیبی مورد توجه قرار گر فته است، که در ادامه برخی از مهم ترین روش های اکتیو، پسیو و ترکیبی را مورد بررسی قرار می دهیم. در روشهای پسیو از طریق اندازهگیری پارامترهای سیستم از قیبل ولتاژ، فرکانس، توان اکتیو، توان راکتیو و... جزیرهای تشخیص داده میشود، لذا تاثیر منفی در عملکرد عادی سیستم قدرت ندارد.
اما در شرایطیچون تطبیق توان بین تولید و مصرف قادر به شناسایی جزیرهای نخواهند بود. برخی از این روشهای پسیو عبارتند از: روش فرکانسی [2]، روش ولتاژی [3]، نرخ تغییرات فرکانس [4]، روش مبتنی بر نامتعادلی ولتاژ [5]، نرخ تغییرات اختلاف زاویه ولتاژ و جریان [6]، نرخ تغییرات فرکانس به توان [7] و نرخ تغییرات امپدانس .[8] روشهای اکتیو نیز از تزریق اغتشاش به سیستم قدرت استفاده میکند. اغتشاش تزریقی باعث تغییر پارامترهای سیستم در شرایط جزیرهای میشود، لذا با اندازهگیری پارامترهای سیستم میتوان شرایط را شناسایی کرد. این روشها نسبت به روشهای پسیو موثرتر بوده اما بدلیل ایجاد اغتشاش باعث کاهش کیفیت توان میگردند .[1] برخی از مهم ترین روش های اکتیو عبارتند از: زاویه فاز ولتاژ [9]، جبرانسازی توان اکتیو و راکتیو [10]، تزریق سیگنال فرکانس بالا [11]، کنترل توان راکتیو [12]، تزریق جریان توالی منفی [13]، اعوجاج هارمونیکی ولتاژ با فیدبک مثبت [14]، اعمال امپدانس متغیر در سیستم .[15]
بنابر توضیحات فوق روشهای اکتیو تاثیر منفی بر کیفیت توان دارند، اما دارای نواحی غیر قابل تشخیص کوچکتری میباشند. از طرفی روش های پسیو دارای نواحی غیر قابل تشخیص کوچکتری بوده اما هیچ تاثیر منفی در عملکرد سیستم ندارند. لذا با ترکیب این روشها میتوان معایب هریک را توسط دیگری پوشش داد و به یک روش مناسب دست یافت. برخی از روشهای ترکیبی ارائه شده توسط محققان عبارتند از: نامتعادلی ولتاژ و فرکانس [16]، میانگین نرخ تغییرات ولتاژ و شیفت توان اکتیو [17]، نرخ تغییرات توان راکتیو و استراتژی اتصال بار [18]، نامتعادلی ولتاژ و اعوجاج هارمونیکی جریان [19]، نرخ تغییر ولتاژ و سوئیچینگ خازن .[20]
ایده اصلی این مقاله استفاده از روش شیفت فاز توسط ترانسفورماتورهای شیفت فاز می باشد. استفاده از این روش علاوه بر تشخیص جزیرهای، منجر به بهبود کیفیت توان نیز میگردد. تنها مشکل موجود، مکانیکی بودن تپ چنجر میباشد که دارای سرعت عملکرد پایین است 10-3 - ثانیه - . برای رفع این مشکل یک مدل تپ چنجر تمام الکترونیکی برای ترانسفورماتورهای شیفت فاز ارائه شده است. این تپ چنجر دارای سرعت عملکرد بسیار بالایی بوده و تغییرات آن میتواند با سرعت قابل قبولی جزیرهای را شناسایی کند.
-2 روش پیشنهادی
روش شیفت فاز یکی از روش های کارآمد و موثر در شناسایی جزیره ای در حضور تولیدات پراکنده اینورتری می باشد. عمل شیفت فاز با استفاده از واسط الکترونیک قدرت ایجاد می گردد. این روش تنها در تولیدات پراکنده اینورتری قابل استفاده می باشد و در تولیدات پراکنده از نوع ژنراتور سنکرون قابل استفاده نمی باشد. از طرفی ایجاد تغییر فاز از طریق مبدل قدرت، منجر به کاهش کیفیت توان و بروز اغتشاش در سیستم قدرت می گردد . یکی از تجهیزاتی که عمل شیفت فاز را در شبکه قدرت جهت بهبود کیفیت توان انجام میدهد ترانسفورماتور شبفت فاز می باشد. ترانسفورماتورهای شیفت فاز را می توان در دسته ادوات FACTS قرار داد. ترانسفورماتور شیفت فاز قابلیت انعطاف و سرعت مشابهی با ادوات FACTS مبتنی بر الکترونیک قدرت فراهم نمی کند اما می توان آنرا بعنوان یک کنترل کننده پخش توان در نظر گرفت. این تجهیز سبب بهبود کیفیت توان در سیستم قدرت می گردد. شکل - 1 - شماتیک اتصال تولید پراکنده و شبکه اصلی را نشان میدهد. روابط پخش توان و زاویه فاز را می توان بصورت ذیل تعریف کرد:جهت بررسی عملکرد ترانسفورماتور شیفت فاز دو حالت قابل بررسی است:
1. شبکه اصلی وصل باشد: ترانسفورماتور شیفت فاز در شرایط عادی، توان عبوری از شبکه را کنترل می کند. در شرایط وقوع حالت های گذرا - خطای اتصال کوتاه - سوئیچینگ - بدلیل اینکه ولتاژ شبکه و زاویه آن توسط شبکه اصلی تعیین می گردد تاثیر کمی بر زاویه فاز داشته و توسط ترانسفورماتور شیفت فاز شرایط به حالت عادی برمی گردد و عبور توان کنترل می گردد.
2. شبکه اصلی قطع باشد: در لحظه قطع شبکه اصلی، زاویه فاز در جهت رسیدن به زاویه فاز واحد تولید پراکنده سریعا دچار تغییر می گردد و به تعقیب آن می پردازد. اگر بخواهیم از تولیدات پراکنده در شرایط جزیره ای بهره برداری کنیم می توانیم توسط توانسفورماتور شبفت فاز توان عبوری را کنترل کنیم. از این تغییر زاویه فاز می توان جهت شناسایی جزیره ای شدن شبکه استفاده کرد و در صورتی که تغییرات زاویه فاز کم باشد - زاویه فاز شبکه اصلی و تولیدات پراکنده هماهنگ باشند - می توان براحتی با تغییر تپ ترانسفورماتور شیفت فاز و مانیتور زاویه فاز در مورد شرایط تصمیم گیری کرد.
مشکل اصلی ترانسفورماتور شیفت فاز جهت شناسایی جزیره ای استفاده از تپ چنجر مکانیکی می باشد. تپ چنجر های مکانیکی به نسبت ادواتی کند هستند. زمان مورد نیاز برای حرکت از یک موقعیت تپ به موقعیت بعدی معمولا بین 3 تا 10 ثانیه است. طبق استاندارد IEEE-1547 باید حداکثر در مدت 2 ثانیه جزیره ای شناسایی شود. لذا به استناد مرجع [21] به منظور رفع مشکل کند بودن تپ چنجر های مکانیکی یک تپ چنجر تمام الکترونیکی برای ترانسفورماتور شیفت فاز طراحی شده است. در این ساختار برای هر تغییر در موقعیت تپ - افزایش یا کاهش - از دو عدد کلید قدرت یکطرفه بعنوان کلید قدرت دو طرفه استفاده شده است.
این ساختار هم به لحاظ تپ های ترانسفوماتور و هم به لحاظ آرایش کلید های الکترونیکی بهینه می باشد. ساختار الکترونیکی ارائه شده ، مشکلات تپ چنجرهای مکانیکی از قبیل - حجم و وزن زیاد، سرویس و نگهداری مداوم، محدودیت در تعداد دفعات تغییر تپ و سرعت پایین تعویض تپ - را کاملا مرتفع کرده است. بر اساس وضعیت قطع و وصل کلید قدرت ، حالت های محتلفی برای تعویض تپ آن قابل حصول می باشد که به ازای هر تغییر تپ، شیفت فاز معینی حاصل می گردد. وضعیت تغییر تپ بر حسب زاویه فاز مطابق شکل - 2 - می باشد. وضعیت کلید ها بدلیل حداقل بودن تلفات و فشارهای حاصل از کلید زنی فقط در لحظات عبور از صفر جریان اجازه تغییر دارند. بدین ترتیب در هر سیکل 2 بار اجازه تغییر وضعیت کلید های تپ چنجر وجود دارد بنابراین سرعت کلید زنی تپ چنجر تمام الکترونیکی در حد 10میلی ثانیه می باشد.
با استفاده از این تپ چنجر در حالت عادی پخش توان در شبکه کنترل شده و در شرایط لازم جهت شناسایی جزیره ای، با تعویض تپ ، زاویه ولتاژ تغییرات پیش بینی نشده ای خواهد داشت و اگر جزیره ای رخ نداده باشد زاویه فاز ولتاژ به اندازه تعویض تپ تغییر خواهد کرد. این روش تاثیر منفی - اغتشاش - روش های شیفت فازی که از طریق اینورتر تولیدات پراکنده ایجاد می گردد را ندارد و سبب بهبود کیفیت توان شبکه می گردد. این روش بدون محدودیت برای همه انواع تولیدات پراکنده - اینورتری - سنکرون - قابل استفاده می باشد. در روش پیشنهادی این مقاله، هر شیفت فاز با وضعیت تپ ترانسفورماتور مقایسه شده و سپس در مورد شرایط تصمیم گیری صورت می گیرد لذا امکان اشتباه آن کاملا مرتفع می گردد. در حالیکه ، اگر از روش مانیتور شیفت فاز به تنهایی استفاده گردد همان مشکلات روش های پسیو وجود خواهد داشت. و در شرایط تطبیق توان قابلیت استفاده نخواهد داشت.
