بخشی از مقاله
خلاصه:
این مقاله به معرفی نوع جدیدی از Flexible AC Transmission System - FACTS - ، تحت عنوان Distributed Power Flow Controllers - DPFC - می پردازد. DPFC ها عملکردی مشابه Unified Power Flow Controller - UPFC - ها دارند با این تفاوت که کانورترهای تکفاز سری پخش شده در طول خط انتقال، جایگزین کانورتر سری سه فاز شده اند، که این جایگزینی باعث پیدایش نوع جدیدی از ادوات FACTS شده است. خلق هر پدیده جدیدی را باید با تفکر سیستماتیک منطبق نمود تا از آن طریق بتوان به درک مناسبی از فرایند به وقوع پیوسته در سیستم دست یافت و نیز در صورت نیاز سیستم را در راستای آن اهداف بهبود بخشید. با توجه به تفاوت های ساختاری UPFC، تفکر غالب بر پیدایش DPFC را می توان به اصل جداسازی تکنیک TRIZ مرتبط نمود و در نتیجه آن به محاسنی همچون کاهش هزینه، افزایش قابلیت اطمینان سیستم علاوه بر حفظ کلیه ی محاسن و ویژگی های سیستم UPFC همچون تنظیم امپدانس خط و زاویه انتقال و ولتاژ باس دست یافت. با توجه به موارد ذکر شده، اینگونه به نظر می رسد که رمز خلق چنین سیستمی که توانسته، پیش فرض ذهنی تناسب میان کاهش قیمت و کاهش قابلیت اطمینان را در هم شکند، بخش کانورترهای سری آن می باشد؛ لذا در این مقاله تمرکز خود را بر چگونگی ساختار کانورتر سری منعطف می نماییم و پس از آن با ارائه نتایج شبیه سازی و مقایسه آن با حالت بدون استفاده از DPFC نشان می دهیم که به دلیل ولتاژ اعمالی از سوی کانورتر سری به شبکه، دامنه و نوسانات ولتاژ، نسبت به حالت بدون استفاده از این سیستم به طور قابل ملاحظه ای بهبود یافته است و بدین طریق این سیستم صحت عملکرد خود را اثبات می نماید.
کلمات کلیدی: Distributed Power Flow Controllers - DPFC - ، کانورتر موازی، کانورتر سری، Unified Power Flow
.1 مقدمه
اهمیت کنترل سریع توان همزمان با افزایش قابلیت اطمینان، در سیستم انتقال به دلیل افزایش تقاضا و قدیمی شدن شبکه های انتقال، در حال حاضر بسیار حائز اهمیت است .[1] Unified Power Flow Controllers - UPFC - یکی از مهمترین ادوات Flexible AC Transmission Systems - FACTS - است که کاربرد وسیعی در سیستم های انتقال و توزیع دارند و شامل دو کانورتر که به صورت منبع ولتاژ عمل می کنند، هستند که توسط یک اتصال مشترک DC به یکدیگر وصل شده اند 2]وUPFC .[3 در اصل ترکیبی از یک جبران کننده سنکرون استاتیکی - STATCOM - و یک جبران کننده سری سنکرون استاتیکی - SSSC - است که از طریق اتصال DC مشترک با یکدیگر کوپل شده اند تا امکان جاری شدن توان اکتیو در دو جهت بین ترمینال خروجی سریStatic Synchronous Series Compensator - SSSC - و ترمینال خروجی موازی STATCOM فراهم شود .[4] کانورتر سری با خط انتقال، کنترل تابع اصلی UPFC را به وسیله تزریق ولتاژ چهار ربعی با دامنه و فاز قابل کنترل بر عهده دارد. ولتاژ تزریق شده به عنوان منبع ولتاژ ac سنکرون عمل می کند که برای تغییر زاویه و امپدانس خط به کار می رود، در نتیجه به طور مستقل توان اکتیو و راکتیو خط را کنترل می کند.
نتایج ولتاژ سری در تزریق توان اکتیو و راکتیو و یا جذب بین کانورتر سری و خط انتقال خود را نشان می دهد. توان راکتیو توسط کانورتر سری تولید[5]، و توان اکتیو توسط کانورتر موازی تامین می شود. کانورتر موازی، ولتاژ خازن DC را به وسیله جذب یا تولید توان اکتیو از باس کنترل می کند؛ بنابراین، به عنوان منبع سنکرون و به صورت موازی با سیستم عمل می کند. همچون STATCOM، کانورتر موازی می تواند، جبران کننده راکتیو را برای باس مهیا کند. UPFCیکی از قوی ترین ادوات FACTS است که همزمان قابلیت کنترل کلیه ی پارامترهای سیستم همچون امپدانس خط، زاویه انتقال و ولتاژ باس را دارد.[6] لیکن به دلیل ارتباط اجزا UPFC با مقادیر ولتاژ و جریان بالا، هزینه نهایی سیستم افزایش می یابد. به دلیل وجود لینک DC مشترک، وقوع یک خطا در یک کانورتر منجر به تاثیرگذاری بر کل سیستم می شود. به منظور دستیابی به قابلیت اطمینان مورد نیاز برای سیستم قدرت، به مدار bypass و ترانسفورمر پشتیبان نیاز است که باعث افزایش قیمت سیستم می شود. بنابراین، با وجود قابلیت های بالا، UPFC هنوز به صورت عمده مورد استفاده قرار نگرفته اند. مبحث DPFC یکی از مباحث جدید است که در سال های اخیر به آن پرداخته شده است و تمرکز بر بررسی تاثیر آن بر توان شبکه بوده است.[7]
اما در اینجا تمرکز بیشتر بر ولتاژ خروجی و کاهش sag ولتاژ است. همچنین به صورتی مدون به بیان نحوه طراحی اینگونه کنترل کننده پرداخته شده است. در متن این مقاله به طور واضح به تفاوت های میان UPFC و DPFC پرداخته شده است. در این مقاله به نوعی از اینگونه ادوات اشاره می شود که با وجود اینکه محاسن UPFC را دارد عیوب آن را نیز برطرف کرده است و این کنترلر تحت عنوان DPFC می باشد. با توجه به قطع بودن اتصال مابین کانورتر سری و موازی از طریق لینک DC، توان اکتیو در این سیستم از طریق خط انتقال و در فرکانس هارمونیک سوم بین کانورتر سری و موازی منتقل می شود. DPFC دارای دو مزیت عمده می باشد، اولین مزیت آن این است که، به دلیل وجود کانورترهای سری متعدد در خط انتقال، قابلیت اطمینان افزایش می یابد و در صورت وقوع خطا در تعدادی از کانورترهای سری، همچنان کانورترهایی وجود دارند که تا حد مناسبی وضعیت خط انتقال را کنترل نمایند؛ این در حالی است که در UPFC تنها در صورت وقوع یک خطا، کل سیستم مختل شده و عملکرد مناسب را نخواهد داشت؛
دومین مزیت DPFC، قیمت پایین آن در مقایسه با قیمت بالای UPFC است که دلیل این کاهش قیمت، کاهش هزینه های ایزولاسیون ولتاژ، به دلیل تغییر وضعیت کانورترهای سری از حالت ولتاژ بالا در UPFC به حالت ولتاژ پایین در DPFC است. لذا با توجه به صرفه اقتصادی و اهمیت کاربرد آن، در ادامه پس از بررسی و معرفی اجمالی DPFC، روابطی را برای دستیابی به تعداد بهینه کانورتر سری معرفی می نماییم و در گام بعد با کمک نتایج شبیه سازی نرم افزار SIMULINK/MATLAB، تاثیر کانورتر سری DPFC بر کاهش نوسانات و افزایش تعادل ولتاژ و کاهش sag خط انتقال را نشان می دهیم.
.2 معرفی DPFC و پیش زمینه ذهنی خلق آن بر اساس تکنینک TRIZ
هر نوآوری نیازمند یک فکر و ایده خلاق است. لذا برای حل هر هر مسئله ابتدا باید سوال مربوطه مشخص شود و سپس از طریقی علمی و سیستماتیک اقدام به حل آن نمود. لذا باید در ابتدا ساختار فکری غالب بر مقاله مشخص گردد. بنابراین در این مقاله از یکی از پرکاربردترین روش های حل مسئله یعنی روش - Teoriya resheniva Izobretatelskikh Zadatch - TRIZ که یک کلمه مختصرشده روسی به معنای تئوری خلاقانه حل مسئله است، استفاده می شود. این روش بیان می دارد که اکثر مسائل از طریق یک یا چند اصل از40 اصل TRIZ و با توجه به جدول تناقضات قابل حل هستند. در اینجا از این تکنیک به منظور پاسخ به سوالی با این مفهوم که چگونه می توان از محاسن کنترل کنندهUPFC استفاده کرد و در عین حال عیوبی همچون قیمت بالا و نیز فضای زیاد مورد نیاز برای آن را کاهش داد، استفاده می کنیم.
پاسخ مناسب به این سوال بر اساس 40 اصل و جدول تناقضات TRIZ و تجربیات عبارت است از استفاده از اصل جداسازی. براین اساس می توان کانورتر سری سه فاز را به کانورترهای سری تکفاز پخش شده در طول خط انتقال تبدیل نمود 8] و.[9 همانگونه که در فوق ذکر شد، به منظور رفع معایب موجود در UPFC کنترل کننده جدیدی تحت عنوان DPFC به وجود آمد، بدینگونه که به منظور کاهش قیمت و افزایش قابلیت اطمینان، قسمت اتصال DC بین کانورتر سری و موازی که در تصویر - 1 - نشان داده شده است، حذف گردید و همچنین کانورتر سری سه فاز ولتاژ بالا، با هزینه های ایزولاسیون بسیار زیاد که در تصویر - - 1 نشان داده شده، جای خود را به کانورترهای تک فاز توزیع شده در خطوط انتقال با قیمت پایین تر دادند و باعث کاهش هزینه ایزولاسیون کانورتر سری گردید.
تصویر - : - 1 نمای کلی از قرارگیری UPFC در خط انتقال
در تصویر - 2 - نمای کلی از DPFC نشان داده شده است. همانگونه که در تصویر - 2 - مشاهده می شود، به منظور هماهنگی و عملکرد مناسب کانورترهای سری و موازی، از کنترل کننده های مختلفی در ساختار DPFC استفاده شده است؛ لیکن در DPFC می توان سه بخش اصلی کانورتر سری و موازی و کنترل کننده ها را در نظر گرفت و آن ها را مورد بحث و بررسی قرار داد. تصویر - : - 2 نمای کلی از نحوه قرارگیری DPFC در خط انتقال و چگونگی توزیع کانورترهای سری DPFC در سطح شبکه
.2.1 کانورتر موازی
کانورتر موازی شامل یک کانورتر سه فاز است که به یک کانورتر تکفاز متصل شده است. همچون STATCOM، کانورتر سه فاز به قسمت ترانسفورمر متصل شده است و هدف آن جذب توان اکتیو شبکه می باشد و لذا تنها شامل مولفه اصلی فرکانس می باشد. کانورتر تکفاز نیز به منظور تزریق هارمونیک سوم، بین زمین و نقطه نوترال ترانسفورمر Y- قرار گرفته است. تصویر - 3 - اجزا یک کانورتر موازی را نشان می دهد.
تصویر - : - 3 نمایی از کانورتر موازی
.2.2 کنترل کننده
همانطور که در تصویر - - 4 مشخص است، یک DPFC به طور کلی سه نوع کنترل کننده سری، موازی و مرکزی وجود دارند. تصویر - : - 4 نمای کلی کنترل کننده های سری و موازی مرتبط با کانورترهای مربوطه در DPFC هر کانورتر سری دارای یک کنترل کننده سری می باشد و همانگونه که در شکل نشان داده شده است، کلیه این کنترل کننده ها به کنترل کننده مرکزی متصل می باشند تا بتوانند سیگنال ولتاژ مرجع مناسب را دریافت نمایند. کنترل کننده سری علاوه بر اینکه با کمک مولفه ی هارمونیک سوم، ولتاژ DC خازن مربوطه را در ولتاژ مناسب تثبیت می کند، همچنین با توجه به فرکانس اصلی مشخص شده توسط کنترل کننده مرکزی، مولد ولتاژ سری نیز می باشد. به منظور تولید توان اکتیو برای کانورترهای سری، کنترل کننده موازی، جریان هارمونیک سوم را به خط اعمال می کند. کنترل کننده مرکزی به عنوان تولید کننده سیگنال مرجع برای کانورترهای سری و موازی به کار می رود و بر اساس عواملی همچون کنترل توان، نوسانات توان فرکانس پایین، سیگنال کنترلی مربوطه را تولید می کند. بنابراین برطبق نیاز سیستم، کنترل کننده مرکزی سیگنال های متناظر را ارسال می کند که این سیگنال ها برای کانورتر سری به صورت ولتاژ مرجع و برای کانورتر موازی به صورت جریان راکتیو است، لیکن کلیه سیگنال های مرجع تولید شده به وسیله کنترل کننده مرکزی
