بخشی از مقاله
خلاصه
به دلیل افزایش سطح اتصال کوتاه در سیستمهای قدرت استفاده از محدود کنندههای جریان خطا در سیستم قدرت، گسترش فراوانی یافته است. استفاده از این تجهیزات سبب بهبود پایداری سیستم میشود. لذا مدلسازی این تجهیزات و بررسی عملکرد آن در سیستم قدرت بسیار مهم است. لذا در این مقاله مدلسازی محدود کننده جریان خطا نوع ابررسانای مقاومتی ارائه شده است. مدل ارائه شده بر مبنای رفتار الکترومغناطیسی داخلی محدود کننده است. شبیه سازی در شبکهای دارای توربین بادی پیاده شده است. نتایج تحلیل سیستم مورد مطالعه به ازای خطای سه فاز، نشانگر کاهش جریان خطا توسط محدود کننده و بهبود پایداری سیستم است.
.1 مقدمه
در شبکههای الکتریکی انتقال و توزیع نیاز اساسی جهت حفاظت کابلها، ترانسفورماتورها، کلیدها و تجهیزات در مقابل خطاهای اتصال کوتاه وجود دارد. در سالهای اخیر با رشد سریع و توسعهی شبکههای قدرت، اتصال شبکهها به همدیگر و افزایش سطح ولتاژ خطوط انتقال و نیز گسترش استفاده از منابع تولید پراکنده - Distributed Generator - سطح جریان اتصال کوتاه در شبکهها نیز افزایش یافته و از ظرفیت تجهیزات مانند بریکرها و دیگر تجهیزات پست بالاتر رفته است.
افزایش سطح اتصال کوتاه به نوعی منجر به کاهش قابلیت اطمینان و تخریب تجهیزات موجود در شبکه شده است. تا به حال روشهای متعددی برای رفع این مشکلات صورت گرفته است؛ از جمله جدا نمودن باس بارها، استفاده از ترانسفورمرهای امپدانس بالا، بالا بردن مقادیر نامی تجهیزات موجود در شبکه و ...؛ به هر حال استفاده از این روشها نه تنها بسیار پرهزینه و پیچیده است، بلکه منجر به کمتر شدن سطح قابلیت اطمینان شبکه و افزایش تلفات توان در شبکه میشود.
بنابراین روش بهتر، محدود کردن و پایین آوردن سطح جریان اتصال کوتاه در شبکهی قدرت است. بدین منظور استفاده از محدودکنندههای جریان خطا پیشنهاد گردید. تجهیزات محدودکننده جریان اتصال کوتاه با هدف کاهش جریان خطا در زمانهای بسیار کوتاه طراحی میشوند و عملکرد بسیار موثری دارند، بگونهای که سوئیچگیر موجود بتواند شبکه را محافظت کند. اساس کار یک محدود کننده ایدهآل در شبکه بر سه اصل استوار است که عبارتند از :
-1 عملکرد بدون تلف توان در کار عادی شبکه قدرت.
-2 عملکرد سریع و بلافاصله بعد از اتصال کوتاه.
-3 بازگشت سریع به حالت عادی پس از رفع اتصال کوتاه.
یکی از انواع پرکاربرد محدود کنندهها محدودکننده جریان خطای ابررسانا - Superconducting Fault Current - Limiter - SFCL - میباشد. این محدود کننده میتواند در کمتر از یک سیکل بعد از وقوع خطا جریان آن را محدود کند. این محدودکننده علاوه بر کاهش جریان خطا و جلوگیری از تخریب به تجهیزات، باعث بهبود پایداری گذرای شبکه نیز خواهد شد.
در مرجع [2] تاثیر موقعیت محدودکننده جریان خطا در کاهش جریان خطا بررسی شده است. ریزشبکه مورد بررسی متشکل از سلول خورشیدی و بارهای خانگی و صنعتی بوده که به شبکه بالادست متصل میباشد. نتایج این مرجع نشان میدهد که محل اتصال سلول خورشیدی به ریزشبکه، مناسبترین مکان برای نصب محدودکننده جریان خطا است.
مرجع [3] به ارزیابی تاثیر موقعیت محدودکننده جریان خطا در ریزشبکه متشکل از سلول خورشیدی پرداختهاند، با این تفاوت که در این ریزشبکه تولیدکنندگان به وسیله خطوط DC به مصرفکنندگان متصل شدهاند.
عملکرد مناسب محدودکنندههای جریان خطا به سرعت عملکرد و موقعیت آنها وابسته است. تغییر در موقعیت محدودکننده جریان در برخی مواقع میتواند باعث افزایش جریان حالت گذرای اتصال کوتاه شود. از اینرو، پیدا کردن موقعیت مناسب برای نصب آن از اهمیت بالایی برخوردار است. مرجع [4] به موضوع جایابی محدودکننده جریان در شبکههای توزیع پرداخته و با استفاده از الگوریتم ژنتیک برای محدودکننده جریان، بهترین مکان نصب را تعیین میکند.
مرجع [5]، مطالعهای بر روی محدود کردن جریان اتصال کوتاه با استفاده از محدود کننده های جریان خطای ابررسانای مقاومتی انجام داده و استفاده از SFCL مقاومتی را در خروجی یک پست، و حفاظت از فیدر توزیع، مورد تجزیه و تحلیل قرار داده است. هدف اصلی این مقاله، ارزیابی عملکرد SFCL و تأثیر آن بر کیفیت توان با توجه به مکانهای مختلف خطا در سیستم و با لحاظ پیچیدگی توپولوژی شبکه میباشد. نتایج این تحقیق نشان میدهد که محدود کنندههای فعلی جریان خطا ابررسانای مقاومتی دارای یک منطقه عملیاتی مطلوب هستند که در صورت عملکرد آن خارج از این ناحیه، ممکن است قطع برق ناخواسته رخ دهد.
در مرجع [6]، کاربرد SFCL برای حفاظت از ذخیره کننده انرژی در سیستم توزیع ارائه شده است. اگر چه یک سیستم ذخیره انرژی مزایای متعددی را برای سیستمهای قدرت میافزاید، اما حفاظت از خطای زمین را دچار اختلال میکند. این مقاله تاثیر افزودن SFCL بر ترانسفورماتور اتصال دهنده ذخیرهساز به شبکه را از طریق نرمافزار شبیهساز حالت گذرا تحلیل کرده است. مرجع [7] تاثیر SFCL نسل دوم را بر پستهای توزیع بررسی کرده است. هدف اصلی این مقاله کاهش اثرات منفی خطاها در شبکه است.شبکه بررسی شده بخشی از یک شبکه توزیع در کشور اسپانیا میباشد. نتایج بدست آمده نشان میدهد که استفاده از باعث کاهش پیک جریان خطا، کاهش تلفات بهرهبرداری و استفاده صحیح از پستهای متصل به باسبارها میگردد.
در مرجع [8] با استفاده از محدود کننده جریان خطا ابررسانا و کنترل کننده FACTS شنت - STATCOM - پایداری گذرا یک سیستم قدرت مورد بررسی قرار گرفته است. مدل ترکیبی پیشنهادی بر روی شاخهی خاصی از شبکه برمبنای شاخص پایداری ولتاز قرار گرفته است. ویژگی اصلی مدل ترکیبی پیشنهادی کنترل همزمان توان راکتیو توسط STATCOM و کاهش جریان خطا توسط SFCL است. نتایج شبیهسازی نشان دهنده بهبود پایداری سیستم توسط مدل پیشنهادی است.
.2 مدلسازی SFCL
محدود کننده جریان خطای نوع ابررسانا مقاومتی چنانچه به خوبی طراحی شود یکی از بهترین انواع محدود کنندهها است. این محدودساز خود تحریک است. یعنی اگر جریان خطا از جریان بحرانی ابررسانا تخطی کند، محدودساز با گذر از حالت ابررسانایی به حالت عادی جریان خطا را محدود میکند. در شرایطی که سیستم خطایی ندارد مقاومت محدودساز صفر است و تاثیری در عملکرد و تلفات سیستم ندارد. اما بلافاصله پس از افزایش جریان ناشی از خطا و گذر آن از جریان بحرانی، مقاومت ابررسانا افزایش یافته و جریان خطا محدود میشود.
SFCL دستگاه های الکترونیکی بر اساس اصل ابررسانایی است. رفتار محدود کننده جریان بستگی به پاسخ غیرخطی خود به جریان، درجه حرارت و تغییرات میدان مغناطیسی دارد. این پارامترها باعث انتقال از حالت رسانای عادی به حالت ابررسانایی می باشد. مقاومت نوارهای تشکیل دهنده ابررسانای یک عملکرد متغیر متناسب با دما و چگالی جریان دارد. تغییرات مقاومت ابررسانا در دماهای مختلف با روابط - 3 - – - 1 - مدل شده است :
در روابط بالا، ρc، Tc و Jc به ترتیب مقاومت بحرانی، چگالی جریان بحرانی و دمای بحرانی هستند. Jc0 چگالی جریان بحرانی در دمای 77 درجه کلوین است. Top دمای بهرهبرداری و n شاخص نمایی و یک پارامتر بسیار مهم از مشخصه ابررسانا است. HTS تابعی از دما بوده و بر حسب نانو اهم در متر از رابطه - 4 - بدست میآید:
برای یک ابررسانایی با درجه حرارت بالا، رابطه ریاضی بین میدان الکتریکی E و چگالی جریان J ماده ابررسانا می-تواند به صورت رابطه - 5 - بیان شود
مشاهده میشود که با افزایش چگالی جریان، ولتاژ به صورت نمایی افزایش خواهد یافت. سرعت تبدیل حالتهای ابررسانا برای مقادیر بزرگ n بسیار سریع است.
.3 سیستم مورد مطالعه
سیستم مورد مطالعه برای بررسی تاثیر محدودساز جریان خطا در شکل 1 نشان داده شده است. این سیستم از یک مزرعه بادی 9 مگاواتی که دارای بانک خازنی 1/2 مگاوار است توسط یک ترانسفورماتور 575 ولت به 25 کیلوولت به شبکه متصل شده است. توان نامی ترانسفورماتور 12 مگاولت آمپر است.
