مقاله طراحی و شبیه سازی کنترل توان اکتیو در شبکه های قدرت به وسیله DVR با استفاده از نرم افزار MATLAB

بخشی از مقاله

چکیده

امروزه با وجود کاربرد وسیع بارهای حساس نظیر ادوات الکترونیک قدرت، کامپیوترها و بارهای غیرخطی در شبکههای توزیع، مسئله کیفیت توان اکتیو بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. اکثر این بارها به تغییرات ولتاژ، نظیر کمبود و بیشبود ولتاژ، حساس بوده و جهت عملکرد مناسب به منبع ولتاژ سینوسی نیاز دارند. بنابراین استفاده از بهسازهای کیفیت توان جهت کاهش اثر نامطلوب این اختلالات بر عملکرد بارهای حساس ضروری به نظر میرسد. هدف از انجام این پژوهش بهبود کیفیت توان در شبکههای توزیع نیروی برق با وجود اغتشاشاتی نظیر کمبود و بیشبود ولتاژ با استفاده از DVR پیشنهادی میباشد.

در این مقاله جهت نیل به اهداف فوق، مبدل منبع ولتاژ چند سطحی با ساختار مدولار شده و اتصال آبشاری - MMCC - جهت بهبود عملکرد DVR در جبرانسازی اغتشاشات ولتاژ ارائه میشود. به منظور مشاهده عملکرد DVR پیشنهادی در بهبود کیفیت توان، سیستم تست در محیط MATLAB/SIMULINK شبیهسازی میشود. جهت ارزیابی کیفیت ولتاژ و مشاهده عملکرد DVR با استفاده از مبدل پیشنهادی، THD ولتاژ دو سر بار و ولتاژ تزریقی توسط DVR پیشنهادی هفت سطحه محاسبه شده و با DVR معمولی - مبتنی بر اینورتر دو سطحه - PWM مقایسه میگردد. نتایج حاصل از شبیهسازی، سرعت عملکرد و دقت DVR پیشنهادی را در بازیابی ولتاژ دو سر بار تأیید میکند.

مقدمه

نامتعادلیهای ولتاژ، کاهشهای کوتاه مدت در موثر ولتاژ میباشد که توسط اتصال کوتاههای موجود در سیستم، اضافه بارها و راه اندازی موتورهای بزرگ رخ میدهد. توجه به فروافتادگیولتاژ اساساً مربوط به مسائلی است که آنها روی چند نوع از اجزاء تاثیر میگذارند: محرکههای سرعت تنظیم پذیر، اجزاء کنترل فرآیندها و کامپیوترها که بهعلت حساسیتشان مشکل زا میباشند. تحریک کردن خازنها و سوئیچینگ بارهای الکترونیکی نیز منجر به اضافه جریان با دوره کوتاه میگردد.

اما بدلیل اینکه طول اضافه جریان آنقدر کم است، منجر به کاهش موثر ولتاژ نمیگردد. از این عوامل بهعنوان فروافتادن ولتاژ یاد نمیشود و لی آنرا بهعنوان برش ولتاژ یا گذرای ولتاژ طبقهبندی میکنند. فرو افتادن ولتاژ ناشی از اتصال کوتاه و خطای زمین از مهمترین عوامل پدید آمدن مسائل مربوط به تجهیزات میباشند. امروزه توجه شرکتهای برق و مشترکین آنها به شکل روزافزونی به مسئله کیفیت توان معطوف شده است. واژه کیفیت توان در کشورهای صنعتی و در صنعت برق کاربرد فراوانی پیدا کرده است.

مبحث فوق تعداد بسیار زیادی از اعوجاجهای موجود در شبکه برق را پوشش میدهد. موضوعاتی که تحت مبحث کیفیت توان قرار میگیرندلزوماً مفاهیم تازهای نیستند، لیکن آنچه جدید است تلاش مهندسین برای جمعآوری این مطالب و قرار دادن آنها در الگوهای مشخص میباشد. عنوان کیفیت توان و یا کیفیت برق به صورت یک مفهوم کلی برای تمام اغتشاشات موجود در شبکههای توزیع میباشد. مهندسین برق - قدرت، کیفیت توان را باید به عنوان ضرورتی مهم مورد توجه خود قرار دهند. ضرورتی که ولتاژ، جریان و فرکانس توان تغذیهکننده، یک مصرفکننده را تحت تأثیر خود قرار میدهد. مشکلات کیفیت توان زمانی رخ میدهد که ولتاژ متناوب منبع قدرت 50 یا 60 هرتز از حالت سینوسی خارج شود و تغییر شکل دهد .[1]

در شبکههای توزیع در کنار عوامل سنتی کاهنده کیفیت توان نظیر صاعقه، کلیدزنی و... پدیدههای دیگری از قبیل کمبود ولتاژ - - Sag، بیشبود ولتاژ - - Swell، موج ضربهای - - Im pulses و هارمونیکها - Harmonics - مطرح میباشد. این پدیدهها نه تنها روی مشترکین بلکه بر روی تجهیزات شرکتهای توزیع نیروی برق نیز میتوانند اثرات سوئی مانند عملکرد نامطلوبRemot Control، افزایش دمای کابلها، افزایش تلفات فوکو و عملکرد نامطلوب تجهیزات حفاظتی و ... ایجاد کنند.[2]

مطابق با استاندارد IEEE1159-1995 کمبود ولتاژ عبارت است از کاهش در مقدار مؤثر ولتاژ در فرکانس اصلی، به اندازه 0/1 تا 0/9 پریونیت برای مدت زمان نیم سیکل تا یک دقیقه، که سالها در جمع متخصصین کیفیت توان مورد استفاده قرار گرفته است تا نوع خاصی از اغتشاش کیفیت توان را توصیف کند .3[] عمدتاً بر مبنای دو پارامتر دامنه و دوره زمانی تعریف میشود. پارامترهای مهم دیگری که در تعریف کمبود ولتاژ مؤثر میباشند عبارتند از - - 1 نقطهای از موج که در آن کمبود ولتاژ اتفاق میافتد و - 2 - چگونگی تغییرات زاویه فاز در حین کمبود ولتاژ. عوامل مختلفی در بروز پدیده کمبود ولتاژ در سیستمهای قدرت نقش دارند. که برخی از این عوامل عبارتند از :[4] خطاهای اتصال کوتاه، کلیدزنی بارهای سنگین، کورههای قوس الکتریکی، ترانسفورماتورهای بزرگ و افزایش شدید و ناگهانی بار در شبکههایی با امپدانس نسبتاً زیاد.

بیش از 90 درصد از مشکلات کیفیت توان مربوط به کمبود ولتاژ - - Voltage Sag در شبکه میباشد. تعداد و شدت کمبود ولتاژ در شبکه قدرت به عواملی همچون حلقوی بودن شبکه وجود کابلها و خطوط هوایی، سیستم زمین، قدرت اتصال کوتاه، مشخصههای الکتریکی تجهیزات مصرف کنندگان و وجود منابع تولید پراکنده در شبکه قدرت وابسته است[5] و .[6]
از این رو به منظور حفظ کیفیت توان در محدوده مشخص که توسط استانداردهای کیفیت توان تعریف شده است و مقابله با اغتشاشات کیفیت توان، استفاده از وسیلهها و تجهیزات مختلفی پیشنهاد شده است .[7]

یکی از این تجهیزات کارآمد و سودمند در بهبود کیفیت توان ادواتی مبتنی بر الکترونیک قدرت تحت عنوان ادوات FACTS میباشند .[8] تجهیزات دیگر در این مورد میتوان به ادوات [9-10] Power Custom، جبرانکننده استاتیکی سیستم توزیع - [11] - D-STATCOM، بهساز یکپارچه کیفیت توان - [12] - UPQC و بازیاب دینامیکی ولتاژ - [13-18] - DVR اشاره نمود. یکی از بهترین و مؤثرترین روشهای مقابله با مشکلات کیفیت توان روش استفاده از DVR میباشد. DVR یکی از ادوات Custom Power بوده که به صورت سری به شبکه توزیع متصل میگردد و با تزریق یک ولتاژ دینامیکی کنترل شده علیرغم وجود اغتشاش در ولتاژ منبع، این امکان را فراهم میکند که ولتاژی سینوسی با دامنه و فاز از پیش تعیین شده در دو سر بارهای حساس داشته باشیم .[13]

در سالهای اخیر راهحلهای مختلفی جهت بهبود عملکرد DVR ارائه شده است که یکی از این راهحلها استفاده از اینورترهای چند سطحی به جای اینورترهای معمولی - دو سطحی - در ساختار DVR میباشد. با بهرهگیری از اینورترهای چند سطحی اعوجاج هارمونیکی کل - THD - ولتاژ خروجی اینورتر کاهش مییابد که این امر سبب کاهش اندازه فیلتر موجود در ساختار DVR میگردد و در نهایت سبب کاهش اندازه و هزینه نهایی DVR میشود. در این مقاله، با بهرهگیری از اینورتر منبع ولتاژ چند سطحی با ساختار مدولار شده و اتصال آبشاری - MMCC - مبتنی بر روش مدولاسیون پهنای پالس بردار فضایی - SVPWM - در ساختمان DVR عملکرد آن را تا حد قابل قبولی بهبود میدهیم.

بازیاب دینامیکی ولتاژ - DVR - 1

چناچکه قبلا اشاره کردیم یکی از بهترین روش های مقابله با مشکلات کیفیت توان استفاده از DVR میباشد . این جبرانکننده به دلیل قابلیت دینامیکی خوب و سرعت عملکرد قابل ملاحظه، یک وسیله مناسب برای حفاظت از بارهای حساس در مقابل کمبود و بیشبود ولتاژ میباشد. اولین DVR جهان توسط شرکت ویستینگهاوس2 آمریکا در یک پست واقع در ایالت کارولینای جنوبی در سال 1996 نصب شد. هدف از این نصب محافظت از اتوماسیون یک کارگاه فرش بافی از کمبودهای ولتاژ بود.[14]

DVRاساساً یک منبع ولتاژ کنترل شده است که بین شین تغذیه و بارهای حساس نصب میگردد. به دلیل اینکه DVR، باید ولتاژ را در شبکه توزیع نیروی برق بازیابی کند، لازم است که توان اکتیو از سوی DVR در سیستم تزریق شود. بطور عملی قابلیت تزریق ولتاژ توسط DVR، 50% ولتاژ نامی است .[14] این مقدار برای جبرانسازی کافی است زیرا آمار نشان میدهد که خیلی از موارد کمبود و بیشبود ولتاژ کمتر از 0/5 پریونیت است.

دو فاکتور مهم در رابطه با قابلیت جبرانسازی و نحوه عملکرد DVR در مواجه با کمبودهای ولتاژ در یک سیستم معین وجود دارد: - 1 شدت کمبود ولتاژ - 2 اعوجاج هارمونیکی کل - THD - ولتاژ دو سر بار حفاظت شده. این تجهیز به صورت سری به شبکههای توزیع متصل میگردد و با تزریق یک ولتاژ دینامیکی کنترل شده، دامنه و فاز ولتاژ بار را به نحوی کنترل میکند که علیرغم وجود اغتشاش در ولتاژ منبع، ولتاژ دو سر بار حساس به صورت سه فاز متقارن بوده و دامنه آن در اثر اغتشاش تغییر نکند. این تجهیز قابلیت تولید و جذب توان اکتیو و راکتیو را داراست .[17]

اگر زاویه بین VDVR و IL قائم نگه داشته شود، توان اکتیو تزریقی صفر خواهد شد و تنها توان راکتیو توسط DVR تزریق خواهد شد. DVR هیچگونه توان اکتیوی در حالت ماندگار تولید نمیکند و این مسئله منجر میشود که زاویه بین ولتاژ DVR و جریان خط900 باقی بماند. برای عملکرد DVR میتوان دو حالت کاری فعال و انتظار را در نظر گرفت: در حالت فعال با نمونهبرداری از ولتاژهای ورودی و خروجی و مقایسه آنها با مقدار مرجع، ولتاژی با چنان دامنه و فازی تولید میکند که وقتی این ولتاژ توسط ترانسفورماتور تزریق به ولتاژ باس توزیع اضافه میشود در خروجی یک ولتاژ سینوسی عاری از اغتشاش داشته باشیم. اما در حالت انتظار فرمانهای گیت طوری هستند که سیمپیچی اولیه ترانسفورماتور را اتصال کوتاه میکند.

در مدار معادل DVR از دیدگاه شبکه، فقط یک راکتانس نشتی ترانسفورماتور به طور سری با خط وجود خواهد داشت. بایستی در طراحی ترانسفورماتور تزریق، این راکتانس نشتی کوچک در نظر گرفته شود تا افت ولتاژ چندانی نداشته باشد. با توجه به عبور جریان از سیم پیچی اولیه ترانسفورماتور تزریق و اتصال کوتاه شدن آن توسط بازوهای مبدل جریان با احتساب نسبت تبدیل ترانسفورماتور از کلیدهای قدرت که اولیه را اتصال کوتاه کردهاند نیز عبور خواهد کرد در نتیجه از ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق شده - IGBT - 3 که تلفات هدایتی کمتری دارد استفاده میشود عامل دیگر تلفات مسی ناشی از عبور جریان از سیم پیچیهای ترانسفورماتور است. شکل - - 2 عملکرد DVR را بر روی ولتاژ یک فاز در حین بروز کمبود ولتاژ در سیستم را نشان میدهد.

معرفی تجهیز DVR

ساختار DVR شامل پنج جزء اصلی میباشد که با توجه به شکل - - 3 بطور مختصر توضیح داده میشوند:

- 1 المان ذخیره ساز انرژی: بازیاب دینامیکی ولتاژ، علاوه بر تبادل توان اکتیو و راکتیو با شبکه برای جبرانسازیکمبود ولتاژ نسبتاً زیاد و همچنین برای بارهایی با ضریب توان بالا باید قابلیت تبادل توان اکتیو با شبکه را هم داشته باشد. بنابراین، المان ذخیره کننده انرژی که در این تحقیق برای DVR پیشنهادی در نظر گرفته شده است، باتری میباشد که هر باتری - ولتاژ DC ثابت - به کار رفته در سلولهای اینورتر جهت تولید ولتاژ DC، برابر 1000 ولت در نظر گرفته شده که به واسطه آن ولتاژ خروجی اینورتر پیشنهادی برابر 6000 ولت خواهد بود - شکل . - 4

- 2 فیلتر غیر فعال: با توجه به فرکانس کلیدزنی بالا در اینورتر، ولتاژ خروجی اینورتر به کار رفته در ساختار DVR ، محتوای هارمونیکی فرکانس بالا - نزدیک فرکانس کلیدزنی - تولید میشود که باید قبل از تزریق به شبکه حذف شود. در این تحقیق برای حذف محتوای هارمونیکی فرکانس بالا و حفظ پیوستگی ولتاژ تولید شده از فیلتر غیر فعال سلفی استفاده شده است.