بخشی از مقاله
چکیده
افزایش تقاضا برای الکتریسیتهی مصرفی، طراحان را به آن وا داشته است که راهحلهایی اصولی در ارتباط با این افزایش تقاضا ارایه کنند. جبرانسازی سری خطوط انتقال طولانی یک راهحل اقتصادی برای پاسخگویی به این افزایش تقاضا میباشد، چرا که ظرفیت خطوط را برای عبور حداکثر توان انتقالی آزاد میسازد و پایداری سیستم را بهبود میبخشد. در جبرانسازی سری خطوط انتقال معضلی وجود دارد که با نام تشدید زیر سنکرون شناخته میشود. در این مقاله مسالهی پدیدهی تشدید زیر سنکرون به صورت یک مسالهی بهینهسازی چند هدفه حل میگردد.
تجهیز جبرانساز به کار رفته شده برای جبران توان راکتیو، ابررسانای ذخیرهساز انرژی مغناطیسی میباشد. توابع هدف به کار رفته به صورت انرژی ابررسانای ذخیرهساز انرژی مغناطیسی، تغییرات سرعت روتور و اختلاف بین توان مکانیکی ورودی و توان الکتریکی خروجی میباشد. الگوریتمهای بهینهسازی پیشنهادی در این مقاله، الگوریتم انفجار بزرگ و فروپاشی بزرگ ترکیبی میباشد که بر سیستم کنترلی اینورتر ابررسانای ذخیرهساز انرژی مغناطیسی اعمال می-شوند. برای اثبات کارایی این الگوریتمهای پیشنهادی، روشهای پیشنهادی بر روی شبکهی نمونهی استاندارد IEEE first benchmark پیادهسازی میگردد و نتایج حاصل از هر یک از این روشها استخراج شده و با یکدیگر مقایسه میشوند.
مقدمه
امروزه اهمیت انرژی الکتریکی بر کسی پوشیده نیست و میتوان گفت در عصر حاضر، تصور زندگی بدون برق هم کار دشواری است. در سالهای اخیر به منظور غلبه بر افزایش تقاضای انرژی الکتریسیته، اندازه و پیچیدگی سیستمهای قدرت افزایش پیدا کرده است. اجزای اصلی یک سیستم قدرت واحد تولید، واحد انتقال، واحد توزیع و دیگر تجهیزات کنترلی آنها میباشد. واحد تولید خود شامل توربین و ژنراتور میباشد که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تولید میکند، انرژی الکتریکی تولیدی توسط واحدهای انتقال به سیستم توزیع منتقل میشود که در این فرآیند خطوط انتقال نقش مهمی را در انتقال توان ایفا می-کنند.
از جمله دلایل محدودیتهای توان انتقالی خطوط انتقال طولانی ملاحظات حد حرارتی خطوط، پایداری گذار و پایداری دینامیکی شبکه میباشد. چنانچه برخی خطوط انتقال نزدیک به حد حرارتی خود باشند و دیگر خطوط دارای حاشیهی وسیع-تری برای حد حراراتی باشند، الگوی پخش توان چندان مساعد نیست. افزایش توان اتقالی توسط بخش انتقال شبکهی AC به دو روش حاصل میشود:
الف - جبرانسازی سری برای جبران بخشی از راکتانس خط انتقال توسط خازن سری،
ب - جبرانسازی موازی برای حفظ ولتاژ باسهای شبکه در مقداری مطلوب توسط جبرانسازهای توان راکتیو. جبرانسازی سری خازنی یک راهحل اقتصادی و روشی مستقیم برای افزایش توان انتقالی خطوط طولانی میباشد. خازنهای سری طول الکتریکی خط جبرانشده را کاهش میدهند، علاوه بر این به تنظیم ولتاژ و کنترل توان راکتیو در مسیرهای موازی انتقال نیز کمک میکند. با این حال معرفی خازنهای سری در سیستم انتقال و تعامل آنها با توربوژنراتور سیستم، احتمال وقوع پدیدهی تشدید زیر سنکرون را افزایش میدهد. پدیدهی تشدید زیر سنکرون برای اولین بار در نتیجهی شکست شفتهای ژنراتور نیروگاه موهاوی آمریکا در سالهای 1970 و 1971 میلادی کشف شد.[1]
بر اساس تعریف استاندارد IEEE، پدیدهی تشدید زیر سنکرون به شرایط الکتریکی سیستم قدرت اطلاق میشود که در آن شبکهی الکتریکی و سیستم توربوژنراتور در یک یا چند فرکانس طبیعی کمتر از فرکانس سنکرون با یکدیگر به مبادلهی انرژی میپردازند. در طی وقوع پدیدهی تشدید زیر سنکرون و شکست شفت ژنراتور نیروگاه موهاوی، این موضوع که فرکانس یکی از مدهای پیچشی نزدیک به فرکانس جریانهای زیر سنکرون میباشد، کشف گردید که نتیجهی حاصل از آن در گشتاورهای بزرگ آسیبدیدن بخشی از شفت که بین سیستم تحریک و ژنراتور قرار دارد میباشد.
تا کنون تحقیقات زیادی در خصوص میرایی نوسانات حاصل از پدیدهی تشدید زیر سنکرون به عمل آمده است. در مرجع [2] یک ساختار کنترلی برای میرایی نوسانات زیر سنکرون یک سیستم قدرت که شبکهی انتقال آن با خازن سری جبران شده است، به کار برده شده است. این ساختار مبتنی بر کنترل توان اکتیو واحد ابررسانای ذخیرهساز انرژی مغناطیسی می باشد. در این مقاله، فرآیند بهینهسازی برای تعیین پارامترهای موجود در ساختار کنترلی استفاده شده است. تابع هدف به کار رفته شده در این مقاله، اختلاف بین توان مکانیکی ورودی و توان الکتریکی خروجی میباشد.
از جمله نقاط ضعف این کار تکهدفه بودن فرآیند بهینهسازی میباشد. در مرجع [3] پیادهسازی ژنراتور القایی دو سو تغذیه برای میرایی نوسانات حاصل از پدیدهی تشدید زیر سنکرون به کار گرفته شده است. مکانیسمهای کنترلی پیشنهادی آن به صورت میباشد: کنترلکنندهی میراساز فازی و کنترلکنندهی میراساز مرسوم، برای میرایی موثر نوسانات یادشده این دو کنترلکننده به ساختار کنترلی اصلی ژنراتور القایی دو سو تغذیه اضافه میشوند.
در ساختار کنترلی کنترلکنندهی مرسوم از الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات استفاده شد است که برای تعیین پارامترهای کنترلکنندهی پیشنهادی مورد استفاده قرار میگیرد. تابع هدف به کار رفته در این مرجع به صورت انتگرال حاصلضرب زمان در تغییرات سرعت شفت توربین میباشد. از جمله ضعفهای این مرجع این است که کنترل-کنندهی فازی فقط در ساختار کنترلی مبدل سمت شبکهی ژنراتور القایی دو سو تغذیه تعبیه شده است و هیچ توجهی به مبدل سمت روتور نشده است. از دیگر نقاط ضعف این کار میتوان به تکهدفه بودن تابع هدف در ساختار کنترلی کنترلکنندهی مرسوم اشاره کرد.
در مرجع [4] نویسندگان از الگوریتم جستجوی گرانشی برای یافتن پارامترهای کنترلکنندهی جبرانساز سری سنکرون استاتیک که برای میرایی نوسانات پیچشی به کار گرفته شده است، استفاده کردهاند. در این مرجع نیز تابع هدف به صورت انتگرال حاصلضرب زمان در تغییرات سرعت در نظر گرفته شده است. از جمله نقایص این مرجع میتوان به تکهدفه بودن تابع هدف انتخابشده اشاره کرد.
در مرجع [5] کاربرد یک مدل فازوری بهبودیافته از جبرانساز استاتیکی وار برای مطالعات پدیدهی تشدید زیر سنکرون سیگنال کوچک بیان شده است. مدل ارایهشده برای تحلیل فرکانس بالا مناسب میباشد که در آن اثر دینامیکی حلقهی قفلشدهی فاز نیز در نظر گرفته شده است. کنترلکنندهی مورد استفاده در این مرجع با استفاده از تئوری کنترل مدال طراحی شده است که برای میرایی مدهای بحرانی در محدودهی وسیعی از جبرانسازی سری و شرایط بارگذاری مورد استفاده قرار میگیرد.
ضعف این کار در آن است که روش حل اعمالشده فاقد تنظیم خودکار پارامترهای کنترلکننده در هنگام وقوع تغییرات در سیستم میباشد و به دلیل آنکه نقطهی کار سیستم به علت وجود تغییرات در شبکه به صورت پیوسته در حال تغییر است، استفاده از بهرههای ثابت برای کنترلکنندهی به کار رفته در این مطالعه نمیتواند پاسخ-گوی مناسبی برای ارضای اهداف کنترلی باشد. در مرجع [6] یک کنترلکنندهی مکمل برای جبرانساز استاتیکی سنکرون پیشنهاد شده است که توانایی میرایی نوسانات سیستم قدرتی که خط انتقال آن با خازن سری جبرانسازی شده است.
طراحی این کنترلکننده با استفاده از سیگنال تغییرات سرعت روتور ژنراتور سنکرون میباشد که به عنوان سیگنال پایدارساز شناخته میشود. در مرجع [7] برای میرایی نوسانات تشدید زیر سنکرون، کنترلکنندهی میراکنندهای در پایانهی ژنراتور طراحی شده است. کنترلکنندهی پیشنهادی از یک کنترلکنندهی دیجیتالی و یک اینورتر الکترونیکقدرت که مبتنی بر کنترل ردیابی جریان میباشد، تشکیل شده است. در این کنترلکننده تغییرات سرعت شفت توربوژنراتور به عنوان یک سیگنال فیدبک برای تنظیم جریان اینورتر استفاده میشود.
در این مقاله از الگوریتم قدرتمند انفجار بزرگ و فروپاشی بزرگ ترکیبی برای حل مسالهی میرایی نوسانات حاصل از پدیدهی تشدید زیر سنکرون استفاده شده است. این الگوریتم، بر مبنای تکنیکهای محاسباتی هوشمند بنا گذاشته شده است و دارای سرعت همگرایی بالای می باشد. در این مطالعه، سه تابع هدف کمینهسازی انرژی ذخیرهساز انرژی مغناطیسی، کمینهسازی انحرفات سرعت روتور و کمینهسازی اختلاف بین توان مکانیکی ورودی و توان الکتریکی خروجی به عنوان اهداف مورد نظر برای بهینهسازی به کمک الگوریتم پیشنهادی در نظر گرفته شده است.
تشدید زیر سنکرون
تشدید زیر سنکرون پدیدهای است که مربوط به مبادلهی انرژی بین سیستم مکانیکی توربین - ژنراتور و سیستم الکتریکی می-باشد. تعدادی از بخشهای توربین - ژنراتور در چندین فرکانس نوسان میکنند که این نوسانات با عنوان نوسانات پیچشی شناخته میشوند، این نوسانات پیچشی بر اساس برخی مشخصات مکانیکی نظیر سختی، جرم و اینرسی بخشهای مختلف شفت مشخص میشوند.
در صورتی که فرکانس سیستم برابر با 60 هرتز باشد، فرکانس این نوسانات از 10 تا 55 هرتز تغییر میکند.[8] در شکل 1 ساختار سادهای از سیستم قدرت متصل به شین بینهایت که با خازن سری جبرانسازی شده است، نشان داده شده است. این سیستم دارای یک توربین - ژنراتور بزرگ میباشد که از طریق یک خط انتقال جبرانشده با خازن سری به شین بینهایت متصل شده است. توربین ژنراتور به صورت یک جسم چند بخشی میباشد که بخشهای مختلف توربین و روتور ژنراتور توسط یک شفت مرتجع با یکدیگر کوپل شدهاند.
