بخشی از مقاله
چکیده: در این مقاله روشی مبتنی بر الگوریتم ژنتیک برای کنترل بهینه و همزمان جبرانکننده سنکرون استاتیکی - STATCOM - 1 و مقاومت ترمزی دینامیکی سری - SDBR - 2 ارائه شدهاست. این روش بصورت همزمان باعث میرای نوسانات زیر سنکرون و بهبود توانایی گذر از خطا3 - FRT - یک نوع مزرعه بادی سرعت ثابت متصل شده به یک سیستم قدرت میگردد.
به منظور کمینه نمودن انرژی جنبشی ذخیره شده در روتور، تغییرات ولتاژ باس متصل به مزرعهی بادی و تغییرات سرعت روتور، مقدار مقاومت SDBR، ظرفیت STATCOM و پارامترهای کنترلی STATCOM بطور همزمان بهینه میشوند. نتایج شبیهسازی نشان میدهند در حالیکه ترکیب STATCOM و SDBR نسبت به یک STATCOM اقتصادی است بلکه توسط روش ارائه شده بهبود پایداری گذرا و میرایی نوسانات تشدید زیرسنکرون - SSR - 4 نیز حاصل میگردد.
-1 مقدمه
نگرانیهای ناشی از ضررهای محیطی منابع سوخت فسیلی مرسوم با توجه به افزایش تقاضای انرژی باعث شده که منابع تولید توان مانند باد، فتوولتاییک، پیلهای سوختی و بیوماس مورد توجه قرار گیرند. انرژی باد یکی از انواع اصلی انرژیهای تجدیدپذیر است و از نظر جغرافیایی گسترده و بفرم پراکنده و غیر متمرکز بوده کهتقریباً همیشه در دسترس است.
قدرت مانور زیاد در بهرهبرداری - از چند وات تا چندین مگاوات - ، عدم نیاز توربین بادی به سوخت، تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار انرژی، عدم نیاز به آب و نداشتن آلودگی محیط زیست از مزایای انرژی باد است. طبیعت نوسانی و متناوب باد و قابلیت متصل بودن توربینهای بادی به شبکه طی بروز خطا از چالشهای اجتنابناپذیر در سیستمهای قدرت مبتنی بر مزارع بادی است 2]،.[1 جبرانسازی سری خازنی خطوط انتقال یکی از روشهای مقرون به صرفه برای افزایش توان انتقالی و بهبود پایداری سیستم قدرت است که در زمان انتقال توان زیاد تاثیر بیشتری دارد. 4]،.[3
از طرف دیگر مشکل پدیدهی تشدید زیرسنکرون - SSR - در سیستم قدرت جبرانسازی شده با خازن سری وجود دارد که با ایجاد نوسانات شدید و ناپایدار بر روی محور ژنراتور، خسارتهای زیادی را به آن وارد میکند. بر اساس تعریف استاندارد IEEE، پدیدهی تشدید زیرسنکرون به شرایط الکتریکی سیستم قدرت اطلاق میشود که در آن شبکهی الکتریکی و سیستم توربوژنراتور در یک یا چند فرکانس طبیعی کمتر از فرکانس سنکرون با یکدیگر به مبادلهی انرژی میپردازند. در واقع به محض وقوع خطا فرکانسهای پیچشی تحریک شده و با فرکانس تشدید الکتریکی به تبادل میپردازند 6]،.[5
تاکنون روشها و ابزارهای جبرانسازی مختلفی برای حل مشکل ارائه شدهاست 8]،.[7 در مقاله [9] از جبرانکننده سنکرون استاتیکی - STATCOM - و مقاومت ترمزی دینامیکی سری - SDBR - به صورت همزمان برای بهبود توانایی گذر از خطا - FRT - و پایداری گذرا مزرعه بادی استفاده نموده است. نتایج شبیهسازی در انواع خطا نشاندهنده بهبود FRT و پایداری گذرا نسبت به حالتی است که STATCOM و SDBR بصورت جداگانه مورد استفاده قرار گیرند.
در مقاله [10] برای افزایش توانایی گذر از خطای توربینهای بادی سرعت ثابت از محدود-کنندههای جریان خطا نوع پل - BFCL - 5 بهره گرفته شده و به منظور بررسی کارایی و میزان برتری این روش، مقایسهای با نتایج مقاومت دینامیکی ترمزی صورت گرفته است. استفاده از BFCL تاثیر بسیار زیادی بر روی افزایش توانایی گذر از خطای توربینهای بادی داشته است و موجب کاهش چشمگیر هارمونیکها میگردد. در نهایت نشان داده شده که BFCL برتری بسیار نسبت به مقاومت تنها در مدار انتقال دارد.
برای کاهش SSR ادوات مختلفی تاکنون استفاده شده که میتوان به [11] - SVC - 6، جبرانکننده سری استاتیکی توزیعی7 [12] - DSSC - ، کنترلکنندهی یکپارچهی توان [13] و خازن سری کنترلشده با تریستور [14] اشاره کرد. در مقاله [15] از منطق فازی برای کنترل جبرانساز سری سنکرون استاتیکی، در مرجع [16] از کنترلکنندهی PI از مرتبهی کسری برای ساختار کنترلکنندهی پخش توان یکپارچه، در مقاله [17] با استفاده از طراحی فیلتر کالمن برای جبرانساز سری سنکرون استاتیکی و در مقاله [18] با استفاده از جبرانسازی بهینهی خط انتقال و کمینهسازی کاهش ریسک SSR به مقابله با پدیدهی SSR اهتمام ورزیده شده است.
در این مقاله تشدید زیر سنکرون و توانایی گذر از خطا به صورت همزمان در نظر گرفته شده و روش جدیدی برای کنترل هماهنگ و بهینهی STATCOM و SBDR با هدف کاهش نوسانات زیر سنکرون و بهبود توانایی گذر از خطا ارائه شده است. برای دستیابی به کنترل مقاوم، الگوریتم ژنتیک برای بهینهسازی ظرفیت STATCOM و SDBR پیشنهاد شده که هدف آن کمینهسازی انرژی جنبشی ذخیرهشده در روتور، تغییرات ولتاژ باس مزرعهی بادی و تغییرات سرعت روتور است. برای ایجاد یک تابع هدف واحد از فرمولبندی ماکزیمم متوسط هندسی استفاده میشود.
نتایج شبیهسازی نشان میدهند که روش به کار گرفته-شده علاوه بر بهبود توانایی گذر از خطا، توانایی بالایی در میرایی نوسانات حاصل از پدیدهی تشدید زیر سنکرون دارد. از جمله مزایای این مقاله در مقایسه با مراجع [9] و [19] میتوان به قدرت و سرعت همگرایی بالای الگوریتم مورد استفاده و بهبود موثر پدیدهی تشدید زیر سنکرون و توانایی گذر از خطا به صورت همزمان اشاره نمود.
-2 تشدید زیرسنکرون
تشدید زیر سنکرون پدیدهای است که مربوط به مبادلهی انرژی بین سیستم مکانیکی توربوژنراتور و سیستم الکتریکی است. تعدادی از بخشهای توربوژنراتور در چندین فرکانس نوسان میکنند که این نوسانات با عنوان نوسانات پیچشی شناخته میشوند. این نوسانات پیچشی بر اساس برخی مشخصات مکانیکی نظیر سختی، جرم و اینرسی بخشهای مختلف محور مشخص میشوند.
با توجه به اینکه سطح جبرانسازی خط انتقال معمولا کمتر از 100 درصد است، طبق رابطه فرکانس تشدید، fe کمتر از فرکانس سنکرون fo میباشد. به همین دلیل فرکانس fe فرکانس طبیعی زیرسنکرون سیستم الکتریکی نامیده میشود. پیچش متقابل شامل هر دو سیستم الکتریکی و مکانیکی میشود. چنانچه فرکانس زیر سنکرون مولفهی ولتاژی القاشده در آرمیچر نزدیک یا برابر با فرکانس تشدید الکتریکی باشد، جریان زیرسنکرون منتجه باعث تولید گشتاور در روتور شده که سبب نوسانات روتور میشود. این نوسانات باعث تقویت گشتاور روتور شده که منجر به فرسودگی و آسیبدیدن روتور میشود. نوسانات روتور ژنراتور در فرکانس پیچشی fm باعث القایی مولفههای ولتاژی با فرکانس fem در استاتور میشود. فرکانس fem برابر است
-3 مدل و ساختار کنترلی سیستم
شکل - 1 - سیستم برای مطالعه و آنالیز شبیهسازی را نشان میدهد. در این ساختار ژنراتور سنکرون G1 از طریق ترانسفورماتور T1 و ژنراتور سنکرون G2 از طریق ترانسفورماتور T2 و خط انتقال جبرانسازی شده با خازن سری به یک مزرعهی بادی شامل 20 ژنراتور بادی متصل شده است. اطلاعات مربوط به پارامترهای ژنراتور سنکرون G1 و G2 به ترتیب در مراجع [22] و [23] آمده است. برای دستیابی به اطلاعات مربوط به خط انتقال و پارامترهای محور چند جرمی توربین ژنراتور G2 از اطلاعات مرجع [23] استفاده شده است. محور ژنراتور G2 که به صورت یک مدل 6 جرمی مطابق شکل - 2 - در نظر گرفته شده است. اطلاعات مدل چندجرمی محور ژنراتور در مراجع [22] و [23] اشاره شده است.
شکل -2 مدل چندجرمی محور ژنراتور
در این مقاله یک شماتیک کنترلی هماهنگ برای STATCOM و SDBR به منظور میرایی نوسانات سیستم در شرایط خطا مطابق شکل - 3 - توسعه داده شده است. در شرایط وقوع خطا SDBR با بازیابی ولتاژ ترمینال مزرعهی بادی، توانایی گذر از خطا را بهبود داده و دامنه نوسانات را کاهش میدهد و STATCOM نیز با تزریق توان راکتیو، نوسانات موجود در سیستم را میرا میکند.
ساختار کنترلی STATCOM در شکل - 4 - نشان داده شده است در این ساختار با استفاده از حلقهی قفل فاز - PLL - ، زاویه-ی تبدیل ولتاژ از حالت ولتاژهای سه فاز - Va,Vb,Vc - به ولتاژهای محور d-q به دست میآید. مبدل تغذیهشده با ولتاژ را میتوان با استفاده از چهار کنترلکنندهی PI کنترل نمود. اولین کنترلکننده، کنترلکنندهی - PI-1 - PI است که برای ایجاد مقدار مرجع جریان محور - I d-ref - d از اختلاف بین مقدار واقعی ولتاژ لینک DC و مقدار مرجع ولتاژ لینک DC مورد استفاده قرار میگیرد.
با مقایسهی مقدار مرجع جریان محور d و مقدار واقعی جریان محور - I d - d، نتیجهی حاصل به عنوان سیگنال ورودی سومین کنترلکننده - PI-3 - PI مورد استفاده قرار میگیرد. سپس مقدار مرجع ولتاژ محور - Vd-ref - d به عنوان سیگنال خروجی این کنترلکننده به دست میآید. به طریقی مشابه دومین کنترلکننده - PI -2 - PI برای ایجاد مقدار مرجع جریان محور - I q-ref - q از اختلاف بین مقدار واقعی ولتاژ باس دو - Vbus2 - و مقدار مرجع ولتاژ باس دو - Vbus2-ref - مورد استفاده قرار میگیرد.
با مقایسهی مقدار مرجع جریان محور - Iq-ref - q و مقدار واقعی جریان محور - Iq - q، نتیجهی حاصل به عنوان سیگنال ورودی چهارمین کنترلکننده - PI-4 - مورد استفاده قرار میگیرد، سپس مقدار مرجع ولتاژ محور q - Vq-ref - به عنوان سیگنال خروجی این کنترلکننده به دست میآید. هر دو مقدار Vd-ref و Vq-ref با استفاده از زاویهی تبدیل ولتاژ ایجادشده توسط حلقهی قفل فاز به ولتاژهای مرجع سه فاز - VA,B.C-ref - تبدیل میشوند.
با مقایسهی - VA,B.C-ref - با یک موج حامل مثلثی با فرکانس 1980 هرتز، سیگنال خطا به منظور تولید سیگنالهای تحریک اینورتر وارد مدولاسیون بردار فضایی میشود. این بلوک وظیفهی تولید شش سیگنال تحریک برای سه ساق اینورتر منبع ولتاژ را بر عهده دارد. همانطور که مشاهده میشود برای از بین بردن اختلاف میان مقدار اندازه گیری شده با مقدار نامی Vdc، Vbus2، Id و Iq به ترتیب از کنترلکنندههای - PI-1 - ، - PI-2 - ، - PI-3 - و - PI-4 - با قابلیت تنظیم بهرههای آنها استفاده شده است.
-4 روش پیشنهادی برای بهینهسازی
همانطور که بیان شد، توابع هدف به صورت کمینهسازی انرژی جنبشی ذخیرهشده در روتور، تغییرات ولتاژ باس مزرعهی بادی و تغییرات سرعت روتور در نظر گرفته شده است. متغیرهای بهینهسازی مقاومت - Ropt - SDBR، ظرفیت - Sopt - STATCOM و بهرههای تنظیمکنندهی ولتاژ - kp1 ,ki1 - AC، ولتاژ kp2 - DC - ,ki2 و جریان - kp1,ki1 ,kf - STATCOM است.
