بخشی از مقاله
چکیده
برای تبدیل مکرر سطوح ولتاژ و فرکایس جهت اتصال منابع تولید کننده و مصرف کنندگان مختلف در ریزشبکهها و اتصال ریزشبکههای مختلرف به هم و شبکه قدرت، ییاز به مبدلی هوشمند را یشان میدهد که بتواید با ارائه ترمینالهای مختلف و کنترل شارش تروان در هرر ترمینرال، ایر چالش بزرگ را مدیریت کند. در ای مقاله ابتدا ضرورت کاربرد ترایسفورماتورهای هوشمند یا ترایسرفورماتورهای حالرت جامرد در شربکههرای هوشمند مطرح شده و در ادامه چالشهای پیش روی ساخت و توسعه ای فناوری ارائه میگردد.
-1 مقدمه
تولید، انتقال و توزیع توان الکتریکی، سه عنصر اصلی در سیستمهای قدرت مدرن محسوب میشوند كه در این بین، ترانسفورماتورهای قدرت نقش اساسی را بازی میكنند .]1[ ترانسفورماتورهای قدرت میتوانند توان الکتریکی را با راندمان باال به مکانهایی با فواصل طوالنی و دور دست منتقل كنند. این امر با افزایش سطح ولتاژ و به تبع آن كاهش جریان صورت می-گیرد.
در سمت توزیع سیستم قدرت، ولتاژ باال برای مصارف صنایع و كاربردهای تجاری و خانگی كاهش داده میشود. روند توسعه ترانسفورماتورهای قدرت مرسوم عموما روی مواد مغناطیسی جدید، مواد عایقی، پروسه ساخت و سایر فاكتورهای اقتصادی تمركز داشته است.اخیرا همزمان با پیشرفت تکنولوژیهای دیگر، الکترونیک قدرت كه بطور جدی به عنوان یکی از تکنولوژیهای پر مزیت شناخته شده است، میتواند در آینده شبکههای هوشمند موثر باشد.
پیشرفت این تکنولوژی به گونهای است كه میتوان آن را در همه سطوح ولتاژ و توان بکار گرفت. در دهه گذشته، مبدلهای توان باال كاربردهای گستردهای در سیستمهای انتقال و توزیع داشتهاند. برای مثال در سیستمهای انتقال HVDC، ادوات FACTS مانند SVC، STATCOM، UPFC و غیره، درایو موتورهای توان باال و همچنین بطور گسترده در سیستمهای تولید انرژی تجدید پذیر مانند نیروگاههای خورشیدی و توربینهای بادی .]2-4[ به دلیل رشد بار، افزایش نفوذ انرژیهای تجدید پذیر و آرایشهای مختلفی كه از منابع تولید پراكنده وجود دارد، شبکههای توزیع هوشمند بیشتر مورد توجه قرار گرفته است.
با توجه به وجود منابع تولید و مصرف DC و AC و در حالت عدم استفاده از ریزشبکههای تركیبی، نیاز به استفاده مکرر از مبدلهای AC/DCو بر عکس وجود خواهد داشت كه این امر موجب افزایش تلفات و هزینه در سیستم میگردد. یک راه حل برای اتصال منابع تولید پراكنده، بارها و منابع ذخیره انرژی به ریزشبکهها و همچنین برای اتصال ریزشبکهها به شبکه قدرت، استفاده از مبدلهای چند پورته و ترانسفورماتورهای الکترونیک قدرت و یا ترانسفورماتورهای حالت جامد - SST - میباشد.
تولیدات پراكنده مساله شبکههای هوشمند و ریز شبکهها و همچنین شبکه توزیع DC را به دنبال دارد. ضرورت كنترل دقیق و سریع شبکههای هوشمند و ایجاد خطوط جریان مستقیم، خود نیازمند ادوات الکترونیک قدرت مانند SST است. بنابراین در دورنمای شبکههای قدرت، استفاده از ادوات الکترونیک قدرت مخصوصا SST اجنتابناپذیر خواهد بود.
در دهه گذشته، یک مبدل توان باال با نام ترانسفورماتور حالت جامد - SST - ، كه با نامهای دیگری مانند ترانسفورماتور الکترونیک قدرت و یا ترانسفورماتور هوشمند یونیورسال نیز شناخته میشود معرفی شده كه بطور گسترده برای كاربرد در سیستم توزیع مورد بررسی قرار گرفته است .]5-11[ نخستین ایده برای SST در سال 1968 ارائه شده كه یک مبدل ac/ac ایزوله تکفاز بوده است .]12[
از آن زمان تا حدود سال 2007 میالدی، به دلیل وجود محدودیت در ساخت مبدلهای توان و ولتاژ باال و همچنین قیمت باالی تجهیزات الکترونیک قدرت، تحقیقات در این زمینه روند كندی داشته است. اما در ده سال گذشته، به دلیل پیشرفتهای اساسی در تکنولوژی ساخت نیمههادیهای قدرت با توان، ولتاژ و فركانس باال و همچنین كاهش چشمگیر قیمت این تجهیزات، تحقیقات در زمینه SST نیز روند جدیتری به خود گرفته و به موضوع جذابی برای محققان تبدیل شده است.
تحقیقات در زمینههای مختلفی در حال انجام است و محققان متعددی در زمینه كاربردهای مختلف SST در صنعت برق كار میكنند .]13-21 ,11 ,6[ از كاربرد بهعنوان ترانسفورماتور كاهنده در قطارهای برقی بین شهری گرفته تا استفاده بهصورت مجموعه كانورتر-ترانسفورماتور در توربینهای بادی، نیروگاههای خورشیدی، ادوات FACTS مانند STATCOM، ایستگاههای شارژ خودروهای برقی و ترانسفورماتورهای توزیع كه میتوانند در ارائه و كنترل ریز شبکهها و شبکههای هوشمند نقش كلیدی داشته باشند.
توپولوژیهای مختلفی برای اجرای SST ارائه شده كه هر كدام مزایا و معایب مختص به خود را دارا میباشند. برخی از ساختارها سادهتر بوده، اما قابلیت-های كمتری را ارائه میدهند. برخی دیگر اما پیچیدهتر و بسیار كاراتر هستند. بنا به كاربرد، توپولوژیهای خاص و بهینهای برای آنها ارائه میشود. ساختارهای ماژوالر جهت افزایش قابلیت اطمینان سیستم ارائه شده است. برای چالشهای مهم دیگر در زمینه كاربرد وسیع SST راه حلهای زیادی ارائه و كارهای زیادی در حال انجام است. همچنین راهكارهایی در زمینه نحوه كلیدزنی كلیدهای قدرت با هدف كاهش تلفات ارائه شده است.
-2 ترایسفورماتور حالت جامد
ترانسفورماتورهای معمولی كه با فركانس شبکه 50 - یا 60 هرتز - كار میكنند - LFT - ، از زمان معرفی سیستمهای AC برای تبدیل سطح ولتاژ و ایزوالسیون مورد استفاده قرار گرفتهاند. بخاطر قیمت ارزان، راندمان و كارایی و قابلیت اطمینان باال و تکنولوژی بالغ آن، گستره استفاده از این ابزار بسیار وسیع بوده و هر گونه بهبود در عملکرد آن، هزینه باالیی را در بر خواهد داشت .]22[ علیرغم استفادۀ گسترده از آن، LFTها از چند مشکل عمده برخوردارند. چند نمونه از این مشکالت عبارت است از:
- اندازه بزرگ و وزن باالی آنها
- نیاز به روغن ترانسفورماتور كه برای محیط زیست خطرناک و زیانبار است.
- اشباع هسته كه باعث ایجاد هارمونیکهای جریان و جریان هجومی بزرگی خواهد شد.
- مشخصههای ناخواسته ولتاژ در سمت ورودی مانند فرو رفتگیهای ولتاژ، به شکل موج ولتاژ سمت خروجی منتقل میشود.
- هارمونیکهای جریان خروجی، تاثیراتی روی میزان هارمونیک جریان ورودی خواهد داشت. بسته به نوع اتصال ترانسفورماتور، هارمونیکها در شبکه منتشر شده و یا باعث افزایش تلفات اهمی در اولیه - سمت ورودی - ترانسفورماتور خواهد شد.
- داشتن تلفات نسبتا باال در بار میانگین. ترانسفورماتورها اغلب طوری طراحی میشوند كه راندمان ماكزیمم خود را در بارهای نزدیک به بار نامی داشته باشند. در حالی كه ترانسفورماتور در یک سیستم توزیع، دارای میانگین باری در حدود 30 درصد بار نامی میباشد.
- همه LFTها از تنظیم ولتاژ نامناسب رنج میبرند. در سطوح توان شبکه توزیع، توان ترانسفورماتورها غالبا كوچک بوده و تنظیم ولتاژ آنها مناسب نیست. اولین كسی كه نام SST را برای این تکنولوژی بکار برد، James Brooks در سال 1980 بود كه اولین بار بهعنوان جایگزینی برای LFTها ارائه شده است .]23[ بعد از گذشت سه دهه و پیشرفت كافی فناوری نیمههادیهای قدرت و مواد مغناطیسی، تحقیقات در این زمینه دوباره سرعت گرفت. تا جایی كه در سال SST 2010 به عنوان یکی از ده فن آوری نوظهور، توسط دانشگاه MIT معرفی شده است .]24[
این ترانسفورماتورها از ابزار الکترونیک قدرت و یک ترانسفورماتور فركانس باال برای تبدیل ولتاژ و ایزوالسیون مورد نیاز استفاده میكنند - شکل . - 1 باید توجه شود كه SST یک جایگزین با تناظر یک به یک با LFT نیست، بلکه یک ابزار چند كاره بوده كه یکی از وظایف آن، تبدیل یک سطح ولتاژ AC به سطح ولتاژ AC دیگر است. ویژگیها و مزایای دیگر SST كه در یک LFT وجود ندارد عبارت است از :]26 ,25[
- قابلیت كنترلپذیری باال به دلیل استفاده از ادوات الکترونیک قدرت.
- كاهش اندازه و وزن آن به دلیل استفاده از ترانسفورماتور فركانس باال. اندازه هسته ترانسفورماتور بطور معکوس متناسب با فركانس كاری آن است.
- داشتن ضریب قدرت واحد، زیرا طبقه AC/DC میتواند بهعنوان یک ابزار اصالح ضریب قدرت عمل كند. ضریب قدرت واحد معموال باعث آزاد شدن 20 درصدی ظرفیت ترانسفورماتور و بنابراین افزایش توان اكتیو قابل دسترس خواهد شد.
- بدلیل وجود خازن لینک DC در SSTها، افزایش و كاهش ناگهانی ولتاژ ورودی روی ولتاژ خروجی تاثیر به مراتب كمتری دارد.
- قابلیت حفظ توان خروجی برای چند سیکل، به دلیل وجود خازن لینک
- عملکرد بصورت یک مدار شکن. وقتی ادوات الکترونیک قدرت موجود در SST خاموش گردند، شارش توان متوقف شده و مدار قدرت ترانسفورماتور قطع خواهد شد.
- شناسایی سریع خطا و حفاظت در برابر آن
- محدود كردن جریان خطا
- بهبود پروفیل ولتاژ ورودی و خروجی و افزایش پارامترهای كیفیت توان مانند جبرانسازی عدم تعادل ولتاژ و هارمونیک برای SSTها ساختارهای متنوعی در نظر گرفته شده است. برخی از این آرایشها قابلیت انتقال توان در دو جهت را دارا نیستند. بطور كلی میتوان ساختارهای SST را بصورت زیر طبقهبندی كرد :]27[
-1 یک طبقه و بدون لینک DC
-2 دو طبقه به همراه لینک DC سمت ولتاژ پایین - LVDC - -3 دو طبقه به همراه لینک DC سمت ولتاژ باال - HVDC - -4 سه طبقه با لینکهای LVDC و HVDC در شکل 2 شماتیک این ساختارها نشان داده شده است. یکی از كاربردهای جذاب SST در سیستمهایی است كه عالوه بر مبدلی كه برای كنترل استفاده میشود، از ترانسفورماتوری برای افزایش ولتاژ و اتصال به شبکه نیز استفاده میگردد.
SST میتواند مجموعه مبدل و ترانسفورماتور را به یک سیستم واحد تبدیل نماید. این امر میتواند باعث كاهش تلفات كلی سیستم، حجم و اندازه كوچکتر، قیمت ارزانتر و مزایای دیگر گردد. ادوات FACTS مانند STATCOM، شارژرهای خودروهای الکتریکی در ایستگاه-های شارژ، مبدلهای توان باالی نیروگاههای خورشیدی، مبدلهای توربین-های بادی و درایوهای توان باالی صنعتی از جمله این سیستمهایی است كه میتوانند SST را جایگزین مجموعه مبدل و ترانسفورماتور نمایند .]24[
-3 کاربردهای کلی SST
یک SST میتواند بهعنوان جایگزینی برای LFTهای معموول در هور سیسوتم الکتریکی در نظر گرفته شود. اما بهدلیل مزایا و ویژگیهای اضوافهای كوه دارد، كاربرد SST در زمینههای خاصی بسیار جذاب است.
-3-1 کاربرد SST در شبکه
سناریوهای زیر برای كاربرد SST در شبکه توزیع امکانپذیر است :]28[
-1 كاربرد بین منابع تولید انرژی و بار یا شبکه توزیع - شکل -4الف و ب - . در این سناریو، SST میتواند ولتاژ و فركانس ثابتی در خروجی خود داشته باشد، حتی اگر ولتاژ و فركانس در ورودی متغیر باشد. همچنین SST میتواند قابلیت انتقال توان بین منبع انرژی و بار و یا از منبع به شبکه را با ایجاد ضریب قدرت واحد مهیا كند. این عملکرد باعث میشود كه بهرهبرداری بهتری از خطوط انتقال صورت گرفته و ظرفیت شارش توان اكتیو را افزایش میدهد. ویژگی دیگری كه SST ارائه میدهد، بهبود میرایی سیستم در طول مدت حالت گذرای سیستم است.
-2 كاربرد بین دو شبکه توزیع - شکل -4ج - . یکی از ویژگیهای SST این است كه به سطح ولتاژ یکسان در دو شبکه برای عملکرد سنکرون نیازی ندارد. SST میتواند برای كنترل شارش توان اكتیو بین دو شبکه مورد استفاده قرار گیرد. همچنین میتواند بهعنوان جبرانساز توان راكتیو برای هر دو شبکه مورد استفاده قرار گیرد. یک كاربرد خاص در شکل -4ج وقتی است كه سیستمهای قدرت را از نقطه نظر اقتصادی بررسی كنیم. در طول مدت زمانی كه انرژی شبکه 2 ارزانتر از شبکه 1 است، اپراتور شبکه 1 میتواند تولید خود را كاهش داده و انرژی را از شبکه 2 خریداری كند .]29[
-3 اتصال بین شبکه MV و LV - شکل -4د - . در مقایسه با LFT، SST می-تواند كنترل دقیقی روی میزان شارش توان اكتیو از شبکه MV به شبکه LV.
