بخشی از مقاله
چکیده -
جبرانساز استاتیکی توان بخشی از خانوادهی سیستمهای انتقال منعطف AC است. مانند تمامی سیستمهای الکترونیک قدرتی دیگر، در جبرانسازهای استاتیکی توان راکتیو هم کنترل مبدل از اهمیت بالایی برخوردار است. در واقع مانند سایر مبدلهای الکترونیک قدرت، یک کنترل کننده با قرائت مقادیر مورد نیاز و پردازش این سیگنال های قرائت شده قادر است تا با به کار گیری حلقه های کنترلی و با مقایسه ی مقادیر قرائت شده با مقادیر مطلوب، سیگنال های پالس مورد نیاز برای روشن نمودن تایریستورها را تولید نماید و از این طریق شبکه را به شرایط مطلوب برساند.
در این مقاله، از یک حلقهی فیدبک برای اطمینان از پاسخ حالت دائم مناسب، و همچنین یک حلقهی مستقیم برای اطمینان از زمان پاسخ سریع استفاده شده است. در واقع در حلقهی مستقیم، یک الگوریتم جبرانسازی سریع بر مبنای تئوری توان راکتیو برای پاسخ به بارهای نامتعادل پیاده شده است. این کنترلکننده، بر خلاف برخی از کنترلکنندههای پیشنهادی مقالات مختلف، علاوه بر پاسخ سریع نسبت به اغتشاشات بزرگ، نسبت به اغتشاشات کوچک در شبکه نیز پاسخ سریعی از خود نشان میدهد. نتایج شبیهسازی، موثر بودن کار کنترل کننده را تأیید مینماید.
-1 مقدمه
از مدتها پیش جبرانسازی موازی توان راکتیو به عنوان یکی از راهکارهای افزایش توان قابل انتقال در خطوط انتقال، و همچنین تنظیم پروفیل ولتاژ در طول خط شناخته شده است. هدف این جبرانسازی موازی تغییر مشخصات الکتریکی ذاتی خط انتقال برای سازگار کردن آن با خواستههای بار است. بنابراین خازنها و راکتورهای نصب شده به صورت موازی، - چه به صورت ثابت و چه به صورت قطع و وصل با سوئیچ های مکانیکی - از مدتها پیش برای تنظیم سطح ولتاژ در شرایط اضافه بار و کمباری استفاده شده است
جبرانساز استاتیکی توان راکتیو - Static VAR Compensator - که به اختصار SVC نامیده می شود بخشی از خانواده سیستم های انتقال منعطف AC یا همان Flexible AC - FACTS - Transmission Systems است. هدف اصلی این سیستم ها، تامین سریع، دقیق و قابل تنظیم توان راکتیو مورد نیاز شبکه است. SVC ها این عمل را با وارد یا خارج کردن خازن - TSC - و تنظیم زاویه ی آتش راکتورهای قابل تنظیم - TCR - انجام می دهند.
کاربرد عمده ی SVC ها را به طور عمده می توان به دو کاربرد اصلی تنظیم ولتاژ در خطوط انتقال و اصلاح ضریب توان در محل بارهای صنعتی - با ضریب توان پایین - تقسیم می شود . همچنین استفاده از SVC ها قابلیت انتقال توان خط را افزایش می دهد و نوسانات ولتاژ در سمت بار را حذف می نماید.
مانند تمامی سیستمهای الکترونیک قدرتی دیگر، در جبرانسازهای استاتیکی توان راکتیو هم کنترل مبدل از اهمیت بالایی برخوردار است. در واقع مانند سایر مبدلهای الکترونیک قدرت، یک کنترل کننده با قرائت مقادیر مورد نیاز - به طور مثال ولتاژ شبکه - ، و پردازش این سیگنال های قرائت شده قادر است تا با به کار گیری حلقه های کنترلی و با مقایسه ی مقادیر قرائت شده با مقادیر مطلوب، سیگنال های پالس مورد نیاز برای روشن نمودن تایریستورها را تولید نماید و از این طریق شبکه را به شرایط مطلوب برساند.
جبرانسازهای استاتیکی توان راکتیو به طور معمول در محل یا در نزدیکی محل بار قرار داده می شوند تا مشکلات کیفیت توانی شبکه در آن نقاط را برطرف نمایند. مشکلاتی از قبیل: نوسانات ولتاژ، فلیکر، عدم تعادل فازها، و سایر مسائل کیفیت توانی.[1,2] در این مقاله، یک کنترل کننده برای کنترل فاز پالس های اعمالی به تایریستورها معرفی و پیشنهاد میشود.
در این کنترل کننده، از یک حلقهی فیدبک برای اطمینان از پاسخ حالت دائم مناسب، و همچنین یک حلقهی مستقیم برای اطمینان از زمان پاسخ سریع استفاده شده است. در واقع در حلقهی مستقیم، یک الگوریتم جبرانسازی سریع برای پاسخ به بارهای نامتعادل پیاده شده است. این الگوریتم بر مبنای تئوری توان راکتیو لحظهای پیاده شده است. در حلقهی فیدبک نیز، یک کنترل کنندهی تناسبی، انتگرالی، مشتقی یا PID استفاده شده است.
-2 مروری بر ادبیات موضوع
در سالهای اخیر، با گسترش استفاده از ادوات FACTS، به ویژه ادوات موازی مانند SVC، نحوه ی کنترل این مبدل ها اهمیت ویژه ای پیدا نموده است. جبرانساز استاتیکی توان راکتیو، در کاربردهای متنوعی استفاده میشود. این جبرانساز برای اینکه بتواند توان راکتیو را به خوبی جبران نماید و ولتاژ شبکه را تنظیم نماید، نیازمند داشتن پاسخ ماندگار مناسب است. همچنین کنترلکنندهی مناسب برای این سیستم، برای جبران اغتشاشهای شبکه، نیازمند این است که پاسخ سریعی داشته باشد.
در [4] کنترلکنندهی PID با پارامترهای متغیر مورد بررسی قرار گرفته است. در [5] تعدادی کنترلکنندهی مناسب سیستم جبرانساز استاتیکی توان راکتیو مورد بررسی قرار گرفته است و مزایای هر کنترلکننده نسبت به سایر کنترلکننده ها مورد بررسی دقیق قرار گرفته است. در واقع، استفاده از کنترلکنندهی مناسب برای عملکرد صحیح سیستم از اهمیت بالایی برخوردار است. کنترلکنندهای که نتواند توامان پاسخ ماندگار و پاسخ گذرای مناسبی را داشته باشد، نمیتواند از تمامی ویژگیهای SVC استفاده نماید. در [6]، یک جبرانساز استاتیکی نصب شدهی صنعتی مورد بررسی قرار گرفته است. در این مقاله، یک روش جدید برای کنترل سیستم SVC پیشنهاد شده است و نتایج شبیهسازی برای عملکرد حالت ماندگار و حالت گذرای سیستم ارائه شده است.
در ادامه ی این مقاله، کنترلکنندهی پیشنهادی برای داشتن پاسخ ماندگار و پاسخ گذرای مناسب پیشنهاد شده است و پس از آن نتایج شبیهسازیها برای تأیید نتایج مورد انتظار این مقاله ارائه شده است.
-3 معرفی کنترلکنندهی پیشنهادی
برای بهبود پایداری ولتاژ شبکه با کنترل توان راکتیو، و میراسازی نوسانات توان، که مهمترین دلایل قرار دادن SVC در شبکه هستند[7,8]، سیستم کنترل SVC باید به دو حلقه ی کنترل مجزا مجهز گردد. یکی از این حلقه ها، به صورت حلقه باز است تا بتواند کنترل توان راکتیو را به صورت سریع انجام دهد. حلقه ی دیگر، به صورت حلقه بسته برای کنترل جریان راکتیو است. حلقه ی حلقه باز از محاسبات جبران سازی بار بر مبنای تئوری توان راکتیو لحظه ای استفاده می کند. در کاربردهای مختلف SVC متغیرهای حلقه ی بسته می تواند توان راکتیو، جریان راکتیو، یا ضریب توان باشد. شکل 1 سیستم کنترل یک SVC را در حالتی که حلقه ی بسته برای کنترل جریان راکتیو استفاده شده نشان می دهد:
شکل -1 سیستم کنترل یک [9] SVC
در شکل 1، حلقه ای که "Susceptance Calculation" در آن قرار دارد، حلقهی باز است و حلقه ای که "Fuzzy PID" در آن قرار دارد، حلقه ی بسته است. خروجی های هر دو حلقه با هم جمع می شوند تا مقدار سوسپتانس مورد نیاز جبران سازی را مشخص نمایند. خروجی حلقه ی باز بین 100- تا 100+ درصد سوسپتانس نامی TCR و خروجی حلقه ی بسته بین - 10 تا 10+ درصد این مقدار تغییر می نماید. بنابراین تمامی ویژگی های پاسخ سریع، دینامیک مناسب و مشخصه های حالت پایدار تأمین می شوند.
جزئیات بیشتر کنترلر Fuzzy PID در شکل 2 مشاهده می شوند. مقدار خطا و همچنین نرخ تغییرات خطا با مقایسه ی توان راکتیو SVC با توان راکتیو بار به دست می آید.
شکل -2 کنترلر [9] Fuzzy PID
قانون کنترل کنترلر فازی به صورت زیر است:
که در آن، خروجی کنترل U از روی مقدار E - انحراف - و EC - تغییرات انحراف - و همچنین ضریب α مشخص می گردد. رابطه ی زیر برای تعریف α استفاده می شود:
این ساختار کنترلکننده که در [9] و تعدادی دیگر از مقالات استفاده شده است، با استفاده از حلقهی فیدبک و همچنین حلقهی مستقیم میتواند پاسخ قابل قبولی را در خروجی داشته باشد. اما با بررسی نتایج خروجی شبیهسازیهای این کنترلکننده، مشخص میشود که کنترلکنندهی فوقالذکر، نسبت به نوسانات و اغتشاشاتی که مقدار کوچکی دارند، با تاخیر پاسخ میدهد. در واقع برای اغتشاشات ولتاژی با مقدار کمتر 0,02 پریونیت، این کنترلکننده، مقدار خطا را کوچک تشخیص میدهد و حلقهی کنترلی خود را با هدف کاهش اورشوت تنظیم مینماید.
در این مقاله، برای داشتن پاسخی سریع نسبت به اغتشاشات مقدار کوچک، از دو رابطهی زیر برای تعیین مقادیر e و e استفاده مینماییم:
هنگامی که اندازه ی خطا عدد بزرگی است، وظیفه ی این کنترل کننده این است که خطا را در سریع ترین زمان ممکن کاهش دهد. برای این منظور، مقدار خطا باید تأثیر بزرگی در خروجی داشته باشد. هنگامی که اندازه ی خطا مقدار کوچکی است، وظیفه ی کنترل کننده این است که مقدار اورشوت را محدود کرده و سیستم را در سریع ترین زمان ممکن به پایداری برساند. بنابراین، نرخ تغییرات خطا باید تأثیر بزرگی در خروجی داشته باشد. رابطه های زیر برای تعیین مقادیر e و c استفاده می شود:
در بخش بعدی، نتایج شبیهسازی موثر بودن این پارامترها را در پاسخ مناسب در هر دو زمینهی - 1 تنظیم ولتاژ در حالت ماندگار، - 2 پاسخ به اغتشاشات کوچک و بزرگ نشان میدهد.
-4 نتایج شبیهسازی
سیستم SVC در محیط متلب شبیه سازی شده و شماتیک کلی مانند شکل 3 می باشد. سه TSC و یک TCR در سمت راست شکل دیده می شود. کنترل سیستم SVC در داخل بلوک SVC Controller انجام می شود.
نحوه ی کار این کنترل کننده به این شکل است که می تواند در دو حالت کاری تنظیم ولتاژ و همچنین کنترل توان راکتیو عمل نماید. کنترلر، ابتدا داده های ولتاژ و جریان شبکه را دریافت می نماید و با محاسبه ی خطا و اعمال این خطا به حلقه ی کنترل کننده ی PID، پالس های مورد نیاز را برای روشن شدن تایریستورهای TCR ها و TSC ها فراهم می کند
