بخشی از مقاله
چکیده
در این نوشتار میراکردن تشدیدهاي زیر سنکرون در سیستم هاي انتقال جبران شده با خازن سري مورد بررسی قرار میگیرد. خازنهاي جبرانساز سري، خطر یک پدیده مضر که SSR نامیده میشود را افزایش میدهند. حضور تنش بر روي محور توربین - ژنراتور، باعث کاهش عمر مفید محور توربین میشود.
هدف این است که با استفاده از قابلیتهاي جبران کننده سري - DSSC - به عنوان یک عضو از خانواده D-FACTS به کاهش SSR پرداخته شود. براي رسیدن به هدف مورد نظر از کنترل کننده فازي که بر اساس کنترل میرایی - FLBDC - طراحی شده است، استفاده میشود که تاثیر قابل توجهی در کنترل تنشهاي بوجود آمده در سیستم مورد مطالعه دارد.
نتایج شبیهسازي با استفاده از نرمافزار Simulink / Matlab آورده شده است. موارد مورد مطالعه به منظور نشان دادن این واقعیت است که الگوریتم مورد نظر قادر به کاهش تشدیدهاي زیر سنکرون میباشد و نشان داده شده که کنترل کننده فازي به خوبی میتواند این نوسانات را کاهش دهد.
-1 مقدمه
در دنیاي امروز، با توجه به پیچیدگیها و اتصالات داخلی سیستمهاي قدرت الکتریکی، به منظور تامین انرژيهاي مصرفی، نیاز است که عملکرد شبکهها ، تجهیزات سیستم و کنترل کنندههاي موجود در سیستم بهینه گردد. یک سیستم قدرت شامل خط انتقال، ژنراتور، توربینها و بارهاي مختلف است و در قسمت مکانیکی محور توربین- ژنراتور، به تعداد توربینهاي فشار قوي - HP - و فشار ضعیف - LP - ، ژنراتور - GEN - وجود دارد که بوسیله فلنجها به هم متصل میشوند. چنین محوري در نیروگاه به عنوان جسم صلب در حال چرخش، مدهاي نوسانی پیچشی متفاوتی دارد
در صورتی که با ایجاد اغتشاشی همانند اتصال کوتاه، کلیدزنی، قطع بار و اضافه بار ناگهانی، فرکانس شبکه دچار تغییرات شود [2]، رفتار ژنراتور سنکرون همانند ژنراتور القایی میشود و در حالتی که تفاضل فرکانس جدید ژنراتور سنکرون و فرکانس سنکرون شبکه، با یکی از فرکانس مدهاي نوسانات چرخشی محور یکسان شود، باعث تشدید آن مد نوسانی محور میشود. در این حالت گشتاورالکتریکی در این فرکانس زیاد میشود که باعث تقویت دامنه نوسانات پیچشی روي محور میگردد
جبرانسازي سري خطوط انتقال، با کاهش مقاومت ظاهري و طول الکتریکی و افزایش بار طبیعی خط، تاثیر به سزایی در بهبود حد پایداري ماندگار و گذرا داشته و پروفیل ولتاژ را نیز بهبود میبخشد .[4] در چنین شبکههاي جبران شده، فعل و انفعالات بین حالتهاي الکتریکی شبکه و حالتهاي مکانیکی شفت توربین ژ نراتور منجر به یک پدیده مضر تحت عنوان نوسانهاي زیر سنکرون - SSR - 1 میشود
پدیده تشدید زیر سنکرون اغلب در سیستمهاي جبران شده با خازن سري رخ میدهد با توجه به محدودیت محور در تحمل این تنشها، بروز خستگی و در نهایت شکست در محور بوجود میآید که خسارتهاي جبران ناپذیري را در پی دارد و بایستی در جلوگیري از پیدایش آن تلاش جدي انجام گیرد. به منظور جلوگیري از وقوع و میراسازي سریع نوسانات در صورت بروز، تجهیزات و روشهاي متنوعی به عرصه آمدهاند. که میتوان به سیستمهاي انتقال - FACTS - AC و همچنین استفاده از سیستم تحریک ژنراتور و پایدارساز سیستم قدرت - PSS - 2 به عنوان روشهاي موثر اشاره داشت.
تاکنون استفاده از ادوات - FACTS - 3 به منظور کاهش نوسانهاي زیر سنکرون موفقیت آمیز بوده است. که در این راستا روشهاي کنترلی متنوعی نیز به کار گرفته شده است. در این مقاله در راستاي بررسی این پدیده، سیستم تک ماشین متصل به شین بینهایت مورد مطالعه قرار گرفته است. در قسمت دوم این مقاله، سیستم قدرت مورد مطالعه به همراه معادلات و نمودار بلوکی ارائه میگردد، در بخش سوم ساختار DSSC معرفی میشود و کنترل کننده طراحی شده فازي در قسمت چهارم و همچنین نتایج شبیهسازي سیستم مورد مطالعه در قسمت پنجم نشان داده میشوند. نتایج حاصل از این مقاله در قسمت آخر بیان میگردد.
-2سیستم قدرت تک ماشینه متصل به شین بینهایت
شکل 1 نمودار سیستم قدرت مورد مطالعه را نشان میدهد. محور سیستم مربوط به واحد توربین - ژنراتور سیستم شکل - 1 - ، شامل یک توربین فشار قوي - HP - ، توربین فشار ضعیف - LP - ، روتور ژنراتور - GEN - ، سیستم تحریک - EXC - و دو خط انتقال موازي است. روتور یک واحد تولید حرارتی، خود سیستم مکانیکی پیچیدهاي دارد. اطلاعات سیستم قدرت مورد مطالعه در [6] داده شده است.
میزان جبرانسازي توسط خازن سري 52٪ از مجموعه راکتانس XL1 در نظر گرفته شده است. روتور یک واحد تولید حرارتی، خود سیستم مکانیکی پیچیده اي است. روتور ممکن است مجموعا بیش از 50 متر طول و صدها تن وزن داشته باشد و از قسمتهاي تراشکاري شده محوري با اندازههاي مختلف و تزویجهایی تشکیل شده باشد که یا یکپارچه هستند و یا داراي قسمتهاي کوچکتري میباشند که به روتور محکم شدهاند که توربین، دیسکها، تیغهها و قسمتهاي کوچکتر دیگري را در بر میگیرد.
جهت نوشتن معادلات مکانیکی محور و مدلسازي سیستم مکانیکی توربین ژنراتور، از شکل ساده - 2 - که شامل مجموعهاي از جرم و فنر میباشد، استفاده شده است.
در مورد اول، عملکرد این سیستم بدون ماژول DSSC و بدون کنترل کننده خاصی مورد مطالعه قرار گرفته است. هدف روشن کردن این واقعیت است که بدون وجود کنترل کننده، روتور آسیب خواهد دید و نوسانها در این سیستم افزایش مییابند. براي شبیهسازي حالت اول یک خطاي سه فاز به زمین در وسط خط انتقال در t = 3s اعمال میشود و پس از 168 میلی ثانیه رفع میشود.
در مراحل بعد DSSC به همراه کنترل کننده مربوطه وارد ساختار سیستم قدرت خواهد شد و علت این که در ساختار از دو جبران کننده استفاده شده، قدرت کم DSSC است که مستلزم نصب و راه اندازي دو ماژول DSSC در خط انتقال است. معادلات مکانیکی جرم i ام براي N سیستم جرم و فنر به صورت زیر در نظر گرفته میشود :
-3 ساختار DSSC
١ - DSSC - در واقع یک مدل تک فاز - SSSC - 2 اما در اندازه کوچکتر است .[7] که درخطوط انتقال و توزیع براي کنترل جریان مورد استفاده قرار میگیرد. هر دستگاه DSSC تک فاز در هر فاز خط انتقال براي حفظ تقارن جریان قرار داده میشود. همانطور که قبلا اشاره شد قدرت کم DSSC مستلزم نصب و راهاندازي چندین ماژول DSSC در هر خط انتقال است. شکل - 3 - اجزاي ماژول DSSC را به صورت شماتیک نشان میدهد.
این ساختار به طور عمده از یک ترانسفورماتور، واحد پردازش به عنوان کنترلکننده، اینورتر براي تولید ولتاژ سینوسی، ترانسفورماتور STT براي وارد کردن ولتاژ در خط انتقال، یک منبع تغذیه انرژي، پردازنده و رابطهاي سختافزاري براي ارسال و دریافت سیگنالها به سایر ماژولها و یا کنترل کنندهها تشکیل شده است
-4 کنترل کننده فازي
به طور کلی، با توجه به اینکه سیستم قدرت رفتاري غیرخطی دارد، استفاده از کنترلکنندههاي فازي در بسیاري از بخشهاي آن مورد توجه قرار گرفته است. از این کنترلکنندهها در سیستمهاي قدرت به منظور بهبود پایداري، کنترل فرکانس بار، در مدار قرار گرفتن نیروگاهها، جبران توان راکتیو در شبکه توزیع و بسیاري موارد دیگر استفاده شده است
شکل - 4 - دیاگرام شماتیک کنترل DSSC بر اساس منطق فازي را نشان میدهد. با تزریق ولتاژ سري، یعنی Vq، DSSCs راکتانس متغیر فراهم میکنند ، Xq با خط انتقال سري است و در تنظیم راکتانس خط موثر است. در شرایط حالت پایدار Vq ثابت است. در شرایط دینامیکی تزریق ولتاژ سري Vq براي کاهش نوسانهاي سیستم استفاده شده است. کنترل کننده فازي طراحی شده بر اساس روش استنتاج Mamdani است. ورودي کنترل کننده فازي شامل دو سیگنال انحراف سرعت و مشتق انحراف سرعت میباشد. توابع عضویت براي ورودي و خروجی در شکل - 5 - نشان داده شدهاند. براي هر ورودي و خروجی 7 تابع عضویت معرفی شده است. قوانین نیز در جدول - 1 - آورده شده است.
الف: تابع عضویت تغییرات سرعت به عنوان ورودي در کنترل کننده فازي
ب: تابع عضویت مشتق تغییرات سرعت به عنوان ورودي در کنترل کننده فازي
ج: تابع عضویت تغییرات ولتاژ به عنوان خروجی در کنترل کننده فازي
