بخشی از مقاله
چکیده -
در شبکه توزیع فشار ضعیف، تولید توان راکتیو محلی با کاربرد وسیع، میتواند پروفایلهای ولتاژ را بهبود بخشد و افت مربوط به انتقال انرژی را کاهش دهد. این مقاله، ساخت جبرانساز استاتیک توان راکتیو مناسب برای تولید توان راکتیو محلی قابل تنظیم را بررسی میکند که این مقاله شامل توصیف سیستم مورد بحث، طراحی و ساخت جبران کننده استاتیک توان راکتیو جهت بار 11 KVAR میباشد. مقایسه پاسخهای اندازهگیری شده و محاسبه شده، نتایج رضایت بخشی را نشان میدهد.
مقدمه
افزایش تعداد بارهای متصل به شبکههای الکتریکی موجب افزایش تقاضای توان اکتیو و راکتیو میشود. چون قدرت راکتیو، تبادل انرژی معکوس را نشان میدهد، از طریق خطوط انتقال نیازی به تحویل از طریق ژنراتورها نمیباشد.[1] بنابراین، توان راکتیو در سایت تقاضا، با استفاده از دستگاههایی که جبرانسازهای توان راکتیو نامیده میشود، میتواند تولید شود. رایجترین جبرانساز مورد استفاده، باطری خازن است .[2] که توان راکتیو ثابت را متناسب با ظرفیت خازن و فرکانس شبکه تولید میکند.
عیب اصلی این جبرانساز، عدم توانایی آن در تنظیم تولید توان راکتیو مطابق با تغییر تقاضا میباشد. بنابراین، جبرانسازهای استاتیک توان راکتیو - SVC - ، خازنها را در مواردی جایگزین میکند که پاسخهای دینامیک سریع و تولید توان راکتیو قابل تنظیم، مورد نیاز است. این مقاله، متمرکز بر ساخت جبران کننده توان راکتیو 11 KVAR میباشد . عملکرد آن بر اساس تبادل جریان انرژی - توان - بین جبران کننده و شبکه مشخص شده است. توان اکتیو P و توان راکتیو Q توسط روابط - 1 - و - 2 - بیان میشوند:
که U ولتاژ شبکه است، E، ولتاژ RMS تولید شده با SVC است، ، زاویه فاز بین ولتاژها است و X، راکتانس خط اتصال است. مطابق با - 1 - و - - 2، ولتاژ E و زاویه فاز را میتوان استفاده کرد تا توان راکتیو و اکتیو را کنترل نمود. به طور عادی، توان راکتیو با ولتاژ E و توان اکتیو با زاویه فاز کنترل میشود.
توصیف SVC
SVC مورد بحث، مطابق شکل - - 1، شامل مدار لینک-DC، یک اینورتور سه فاز و یک فیلتر خروجی است. برای خازن لینک-DC، خازنهای 400 V متصل به هم در 4 جفت استفاده شد. این توپولوژی به ولتاژ لینک-DC اسمی اجازه میدهد تا به 800V برسد. به منظور اتصال خازنها به ولتاژ شبکه تصحیح شده، استفاده از مقاومت شارژینگ، توصیه میشود.
برای اینورتور، مدل SKiiP 132 استفاده شد. این مدول به جریان اجازه میدهد که در 900V ولتاژ لینک-DC به 150A برسد. که شامل 6 جفت دیود-IGBT است که میتواند در فرکانس تا 20kHz اعمال شود. برای فیلتر خروجی، انواع فیلترها میتواند استفاده شود. رایجترین فیلترهای مورد استفاده، خفهکن L، ترکیبی از خفهکنها و خازنها - فیلتر LC یا - LCL یا ترانسفورماتور ایزوله هستند.
در تحقق آزمایشگاهی SVC، فیلتر LCL، که در شکل - 2 - ، نشان داده شده. این نوع فیلتر، معمولاً با قیمت کم و اندازه و جرم اندک مشخص میشود، ولی برای طراحی، بیشتر مورد تقاضا است. در تصویر 2، Li، اندوکتانس خفهکن سمت اینورتور است، Lg، اندوکتانس خفهکن سمت شبکه است، Ri و Rg، مقاومتهای خفهکنها هستند، Rd، مقاومت میرایی است، Cf، ظرفیت خازنها در فیلتر است و N’، نقطه خنثای مدار است. مقاومت میرایی برای ثبات سیستم بسیار مهم است.
شکل :1 دیاگرام شماتیک STATCOM
شکل :2 دیاگرام شماتیک از فیلتر LCL
به منظور طراحی فیلتر LCL، یک روش ساده مورد استفاده قرار گرفت .[3] این روش، بر اساس مقدار مجاز از پیش تعیین شده تغییرات جریان عبوری از سلف خفهکن سمت شبکه - - Lg میباشد. SVC، با استفاده از پارامترهای نشان داده شده در جدول 1 و معادلات - 3 - تا - 6 - که در [3] بیان شده، طراحی شد.
جدول :1 پارامترهای SVC
که i ، مقدار مجاز تغییرات جریان است. در این مورد، مقدار انتخابی، %5 جریان اسمی است. اگر خفهکن در سمت اینورتور،دارای اندوکتانس دو برابر خفهکن در سمت شبکه باشد، سطح تضعیف خوب، بدست میآید.
برای دستیابی به تضعیف خوب، فرکانس همنوا - - fres فیلتر باید مطابق با شرایط 10fr<fres<fsw/2، باشد. زیرا مقدار کمتر fres، به معنای تضعیف بیشتر برای فرکانسهای بالاتر است. مقدار kHz با در نظر گرفتن شرایط مورد نظر انتخاب شد. با استفاده از این فرکانس همنوا، ظرفیت خازن در فیلتر - Cf - ، مطابق معادله - 5 - ، تعریف میشود.
بهترین مقدار برای مقاومت میرایی Rd ، مطابق معادله - - 6 به صورت 1/3 راکتانس خازن در فیلتر انتخاب میشود. با این وجود، اگر این مقدار بسیار کم باشد، میرایی کاهش مییابد که اغتشاش هارمونیک کل - THD - را افزایش میدهد و میتواند موجب عدم ثبات سیستم شود.
کنترل ولتاژ:
به منظور دستیابی به عملکرد مناسب SVC، ولتاژ لینک-DC نیز میبایست کنترل شود. کنترل ولتاژ لینک DC، ضروری است زیرا SVC، ولتاژهایی با دامنههای بیشتر از ولتاژهای شبکه ایجاد میکند. برای انجام این کار، ولتاژ لینک DC باید بیشتر از ولتاژهای به طور عادی تصحیح شده شبکه باشد. برای کنترل ولتاژ لینک DC، یک کنترلکننده PI ساده اعمال شد.
حفاظت در مقابل جریان بیش از اندازه و ولتاژ بیش از اندازه لینک DC، با مقایسه مقادیر اندازهگیری شده با مقادیر از پیش تنظیم شده تحقق مییابد. که مقادیر بیش از مقادیر از پیش تعیین شده را اندازهگیری میکند و این مقادیر اندازهگیری شده اگر بیش از مقادیر از پیش تعیین شده شد که عملکرد SVC متوقف میشود. با این وجود، باید اشاره شود که این حفاظت، جایگزین استفاده از قطعکنندههای مدار نمیشود . فقط در صورت ازکارافتادگی، آنها قادر به قطع SVC از شبکه هستند.
پس از این که سیستم تجربی SVC طراحی شد، با استفاده از کتابخانه SimPowerSystem و پارامترهای سیستم تجربی، مدل شبیهسازی در Matlab/Simulink ایجاد شد. مدل شبیهسازی SVC در شکل - - 3 ارائه میشود.
قسمت بالا در شکل - 3 - ، مؤلفههای الکتریکی آزمایش SVC، مانند لینک DC، اینورتور منبع ولتاژ IGBT، فیلتر LCL خروجی، قطعکننده مدار، زنجیرههای اندازهگیری و شبکه را نشان میدهد. قسمت پایین شکل - 3 - ، دارای قسمت منطقی آزمایش مانند کنترل ولتاژ محور، PWM بردار فضا و منطق حفاظت است.
لینک DC بلوک، شامل مدل بانک خازن لینک-DC، فیلتر LCL خروجی بلوک است که در شکل - - 2، ارائه شد. حفاظت بلوک، شامل منطقی است که در صورت ولتاژ بیش از اندازه در لینک DC یا در مورد جریانهای بسیار بالا یا ولتاژها در نقطه پیوند با شبکه، PWM را متوقف میکند.
شکل :3 بلوک دیاگرام شبیه سازی شده جهت SVC
شبیهسازی و آزمایش
تحقق آزمایشگاهی SVC در شکل - 4 - ، نشان داده میشود. تصویر بالا، اینورتور و خازنهای لینک DC را نشان میدهد در حالی که تصویر پایین، فیلتر LCL خروجی را نشان میدهد. که از نظر تجاری از مؤلفههای قابل دسترس ایجاد میشود.
شکل - 5 - و - - 6، نتایج آزمایشات و شبیهسازی را نشان میدهد. جریانهای مرجع idr و iqr به طریقی ایجاد شد که توان راکتیو Q از +6 kVAr به -6 kVAr تغییر یافت. توان اکتیو P، افت در سیستم را نشان میدهد که به علت جریان مرجع محور d ایجاد شده توسط کنترلکننده PI ولتاژ لینک DC، ظاهر میشود.
شکل :4 تحقق آزمایشگاهی SVC
شکل - 5 - ، جریانها و ولتاژهای خطی محاسبه شده - شبیهسازی شده - و اندازهگیری شده - تجربی - را نشان میدهد . میتوان دید که در طی تغییر مرجع، زاویه جریان از القایی به خازنی تغییر میکند. جریانها در جهتی از اینورتر به شبکه، اندازهگیری میشوند. تنها عدم انطباقی که میتوان دید، عدم وجود چند هارمونیک مرتبه بالاتر در ولتاژهای اندازهگیری شده است که به علت ولتاژهای شبکه منحرف شده، ظاهر میشود. که میتواند موجب مشکلاتی در تحقق کنترل شود. که منجر به ولتاژهای اندکی در حال نوسان در چارچوب مرجع dq و جریانهای اندکی انحراف یافته در مورد آزمایش میشود. تبدیل از یک حالت به حالت دیگر، به اندازه کافی سریع است ولی با تغییر پارامترهای عنصر مرتبه اول، حتی میتواند سریعتر باشد. چون تغییرات سریع در شبکه، ناخواسته هستند، تنظیم این پارامتر برای زمان دو یا سه چرخه فرکانس شبکه، معقول است.
شکل - 6 - ، مقایسه ولتاژها و جریانها در چارچوب مرجع dq را نشان میشود. در مورد آزمایش، ولتاژ لینک DC، همراه با توان اکتیو و راکتیو نشان داده میشود. میتوان دید که در مورد آزمایش، ولتاژ ud، اندکی زیر 400V است و ولتاژ uq، اندکی در حال نوسان است که نتایج ولتاژهای خط منحرف شده هستند. یک تفاوت در جریان اندازهگیری شده و محاسبه شده id را میتوان دید. در مورد آزمایش، این جریان، منفی و مستقیماً مربوط به افت توان در سیستم میباشد. بنابراین، توان اکتیو، در تمام زمانها منفی است زیرا توان اکتیو بدست آمده از شبکه، افت توان در سیستم را میپوشاند. وقتی سیستم در حال تولید 6000 VAr میباشد، افت توان، حدود 400W است.
افت توان با سوئیچ افت ترانزیستورها و افت توان در مقاومتهای فیلتر LCL خروجی ایجاد میشود. افت توان با بهینهسازی الگوی سوئیچ یا بهینهسازی فیلتر خروجی میتواند کاهش یابد.
