بخشی از مقاله
چکیده
در سیستم قدرت راه آهن برقی AC، یکی از مسائل با اهمیت که نقش مهمی را در طراحی شبکه کشش ایفا می کند، مسئله حل پخش بار شبکه راه آهن می باشد. در این مقاله، روشی جدید و دقیق به منظور حل پخش بار سیستم قدرت راهآهن برقی AC با تغذیه اتوترانسفورماتوري، ارائه شده است که با استفاده از تحلیل گره و به روش تکرار ساده قابل حل است. این روش جدید، پخش بار خطی ترتیبی نامیده میشود.
در این روش، تمامی اجزاي سیستم اعم از پست کشش، شبکه بالاسري و اتوترانسفورماتور به روش دقیقی براي حل پخش بار مدل می شوند. براي مدل بار قطار از مدل جریان استفاده می شود. پروفیل ولتاژ می تواند در سرتاسر سیستم قدرت راه آهن با در نظر گرفتن تعداد و موقعیت قطارها، تعداد اتوترانسفورماتورها، فاصله تغذیه از پست کشش و تعداد خطوط آهن به دست آید. خروجی هاي شبیه سازي، ولتاژ هادي تماس، ولتاژ ریل، ولتاژ هادي برگشت و ولتاژ قطار می باشد. به منظور تایید صحت نتایج روش پیشنهادي، نتایج آن با نتایج حاصل از روش نیوتن رافسون براي دو سیستم راه آهن برقی نوعی، مقایسه شده اند و مشاهده می شود که بین نتایج حاصل از دو روش تطابق بالایی وجود دارد. حل هر دو برنامه پخش بار پیشنهادي و نیوتن رافسون، با استفاده از زبان برنامه نویسی MATLAB پیادهسازي و اجرا شده است.
-1 مقدمه
امروزه سیستم قدرت راه آهن برقی AC با تغذیه اتوترانسفورماتوري با توجه به مزایاي فراوان آن در تمام نقاط دنیا پذیرفته شده است. از امتیازات این سیستم می توان به کاهش تعداد پستهاي کشش نصب شده، جلوگیري از تداخل مغناطیسی بین مبدل هاي کشش و مدارهاي مخابراتی مجاور، و افزایش بازده به دلیل استفاده از ولتاژ انتقال بالاتر، اشاره کرد. براي طراحی سیستم اولیه، تعیین فاصله بین پست هاي کشش، اتوترانسفورماتورها و مقادیر نامی آن ها، پخش بار، امپدانس تغذیه و تنظیم ولتاژ شبکه بالاسري ضروري می باشد و طراحی اشتباه می تواند باعث ضریب توان روش جدیدي براي حل پخش بار سیستم قدرت راهآهن برقی AC با تغذیه اتوترانسفورماتوري کم، تنظیم ولتاژ ضعیف، افزایش پتانسیل ریل و جریان هاي زمین شود .[1]
مشکل اصلی در راه آهن برقی AC، افت ولتاژ به دلیل عبور جریان پس فاز از عناصر سلفی سیستم تغذیه است. از این رو، تحلیل ولتاژي سیستم قدرت راه آهن برقی AC با تغذیه اتوترانسفورماتوري، پیچیده می باشد و پیش بینی مشخصات بهره برداري سیستم تغذیه در مراحل طراحی اولیه مشکل خواهد بود. چندین مقاله درباره تحلیل ولتاژي راهآهن برقی AC با تغذیه اتوترانسفورماتوري وجود دارد. یکی از روشهاي ارائه شده براي هدف فوق، نوشتن معادلات گره سیستم راه آهن براي محاسبات پروفیل ولتاژ در یک قسمت اتوترانسفورماتور است.
ویژگی خاص این روش، استفاده از مدار ساده نوع T با ولتاژ بهرهبرداري ثابت میباشد که ولتاژ قطار را در سیستمهاي با تغذیه شعاعی، تغذیه مرکزي و دوسو تغذیه به دست می دهد .[2] عملکرد جریان ثابت در سیستم هاي یک- سو و دوسو تغذیه داراي دو اتوترانسفورماتور براي محاسبه پروفیل ولتاژ در [3] توضیح داده شده است که در آن پس از نوشتن معادلات ولتاژ قطار، ریل و شبکه بالاسري براي عملکرد یک قطار، کارآیی سیستم دوسو تغذیه نسبت به یک- سو تغذیه با توجه به منحنی پروفیل ولتاژ شبکه بالاسري مشخص می شود. در [4] مدل قطار به هر دو روش جریان ثابت و توان ثابت براي محاسبه پخش بار در نظر گرفته شده و مقایسهاي بین نتایج این دو روش صورت گرفته است.
یکی دیگر از روش هاي ارائه شده، به کارگیري یک مدل کاهش یافته براي سیستم راهآهن برقی 2 25 kV میباشد .[5] استفاده از قضیه جمع آثار در پخش بار سیستم راه آهن داراي محاسنی از جمله در نظر گرفتن تعداد و موقعیت هاي مختلف قطارها می باشد که با استفاده از آن، معادلات ولتاژ شبکه بالاسري براي سرتاسر سیستم راهآهن به دست میآید .[6] روش هاي پخش بار نیوتن رافسون و گوس سایدل دو شیوه معروف بر مبناي تکرار براي حل مسائل پخش بار هستند که می توان آن ها را علاوه بر سیستم قدرت معمولی در شبکه راهآهن نیز به کار برد [7]، اما این روش ها در شبکه راه آهن، به دلیل متحرك بودن بارها و ساختارهاي تغذیه خاص، در بعضی از شرایط ناکارآمد هستند.
به منظور حل این مشکل، در این مقاله، روش موثر و جدیدي براي حل پخش بار سیستم اتوترانسفورماتوري، ارائه شده است که بر پایه تحلیل گره و مبتنی بر تکرار، می باشد. این روش جدید، پخش بار خطی ترتیبی نامیده میشود که براي حل پخش بار در آن، از مدل دقیقی براي عناصر سیستم قدرت راه آهن برقی AC با تغذیه اتوترانسفورماتوري استفاده می شود تا شرایط واقعی تري از شبکه تغذیه براي تحلیل ولتاژي به دست آید. سپس شبیهسازيها بر روي یک سیستم تست اتوترانسفورماتور دو خطه نوعی انجام و نتایج حاصل از پخش بار براي هر دو روش پیشنهادي و نیوتن رافسون مورد مقایسه و تحلیل قرار میگیرد.
-2 مدلسازي سیستم قدرت راه آهن برقی AC با تغذیه
اتوترانسفورماتوري
سیستم اتوترانسفورماتوري، ساختار تغذیه پیچیده اي دارد که تفاوت زیادي با سیستم قدرت صنعتی دارد. شکلهاي 1 و 2 ساختار تغذیه سیستم اتوترانسفورماتور را نشان می دهد. مدل سازي دقیق قسمت هاي مختلف این سیستم از جمله پست کشش، اتوترانسفورماتور، شبکه بالاسري و قطار براي حل پخش بار امري ضروري است. همچنین نمی توان از تاثیرات قابل توجه جریان هاي ریل به زمین، مغناطیس کنندگی اتوترانسفورماتور و ... چشم پوشی کرد.
از سال هاي 1980 تا 1990، روش هاي بسیاري براي مدلسازي اجزاي سیستم اتوترانسفورماتوري، پیشنهاد شد. با توجه به سیستم قدرت AC خطی، بهتر است از مدلی استفاده شود که خط به قسمتهاي نسبتا کوتاهی تقسیم شود - مثلا 1 کیلومتر - و مشخصات هر قسمت به وسیله پارامترهاي فشرده ارائه شود. بدین منظور یکی از قدرتمند ترین و پرکاربردترین مدل ها، تحلیل سیستم قدرت راهآهن برقی بر اساس مدل شبکه فشرده می باشد. این مدل سرتاسر شبکه قدرت را به قطعات کوچک در حوزه فرکانس تقسیم می کند که هر یک از عناصر شبکه، مدل مخصوص به خود را دارند.
در این بخش، به طور مجزا روابط ریاضی حاکم بر بخشهاي مختلف شبکه تعریف میشود. شکل 3 مدل پست کشش را نشان می دهد که در واقع یک ترانسفورماتور تک فاز سه سیم پیچه می باشدکه هر یک از سرهاي سیم پیچ هاي ثانویه به هادي تماس، ریل و هادي برگشت متصل می شود. شکل 4 مدل اتوترانسفورماتور را نشان می دهد که داراي نسبت تبدیل 1 : 1 میباشد. ولتاژ اولیه اتوترانسفورماتور دو برابر ولتاژ شبکه بالاسري و ولتاژ ثانویه آن برابر ولتاژ بالاسري است. در سیم پیچ ثانویه اتوترانسفورماتور، ولتاژ 25 kV از طریق هادي تماس و ریل به قطار اعمال میشود.
