بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله میرا کردن تشدیدهاي زیر سنکرون در سیستمهاي انتقال جبران شده با خازن سري موردبررسی قرار میگیرد. خازنهاي جبران ساز سري، خطر یک پدیده مضر که SSR نامیده میشود را افزایش میدهند. حضور تنش بر روي محور توربین-ژنراتور، باعث کاهش عمر مفید توربین میشود. هدف این است که با استفاده از قابلیتهاي جبرانکننده خازن سري کنترلشده تریستوري - TCSC - بهعنوان یک عضو از خانواده FACTS به کاهش SSR پرداخته شود. نتایج شبیهسازي با استفاده از نرمافزار Simulink/Matlab آورده شده است. موارد موردمطالعه بهمنظور نشان دادن این واقعیت است که الگوریتم موردنظر قادر به کاهش تشدیدهاي زیر سنکرون میباشد و نشان دادهشده که خازن سري کنترلشده تریستوري بهخوبی میتواند این نوسانات را کاهش دهد.
-1 مقدمه
در دنیاي امروز، با توجه به پیچیدگیها و اتصالات داخلی سیستمهاي قدرت الکتریکی، بهمنظور تأمین انرژيهاي مصرفی، نیاز است که عملکرد شبکهها، تجهیزات سیستم و کنترلکنندههاي 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 فشارقوي - HP - و فشار ضعیف - LP - ، ژنراتور - GEN - وجود دارد که بهوسیله فلنجها به هم متصل میشوند. چنین محوري در نیروگاه بهعنوان جسم صلب در حال چرخش، مدهاي نوسانی پیچشی متفاوتی دارد .[1]
درصورتیکه با ایجاد اغتشاشی همانند اتصال کوتاه، کلید زنی، قطع بار و اضافهبار 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 گشتاور الکتریکی در این فرکانس زیاد میشود که باعث تقویت دامنه نوسانات پیچشی روي محور میگردد .[3]
جبران سازي سري خطوط انتقال، با کاهش مقاومت ظاهري و طول الکتریکی و افزایش بار طبیعی خط، تأثیر به سزایی در بهبود حد پایداري ماندگار و گذرا داشته و پروفیل ولتاژ را نیز بهبود میبخشد .[4] در چنین شبکههاي جبران شده، فعلوانفعالات بین حالتهاي الکتریکی شبکه و حالتهاي مکانیکی شفت توربین ژنراتور منجر به یک پدیده مضر تحت عنوان نوسانهاي زیر سنکرون 1 - SSR - میشود .[5]
پدیده تشدید زیر سنکرون اغلب در سیستمهاي جبران شده با خازن سري رخ میدهد با توجه به محدودیت محور در تحمل این تنش ها، بروز خستگی و درنهایت شکست در محور به وجود میآید که خسارتهاي جبرانناپذیري را در پی دارد و بایستی در جلوگیري از پیدایش آن تلاش جدي انجام گیرد. بهمنظور جلوگیري از وقوع و میرا سازي سریع نوسانات در صورت بروز، تجهیزات و روشهاي متنوعی به عرصه آمدهاند؛ که میتوان به سیستمهاي انتقال AC - FACTS - و همچنین استفاده از سیستم تحریک ژنراتور و پایدارساز سیستم قدرت 1 - PSS - بهعنوان روش-هاي مؤثر اشاره داشت.
تاکنون استفاده از ادوات 2 - FACTS - بهمنظور کاهش نوسانهاي زیر سنکرون موفقیتآمیز بوده است؛ که در این راستا روشهاي کنترلی متنوعی نیز به کار گرفتهشده است. در این مقاله در راستاي بررسی این پدیده، سیستم تک ماشین متصل به شین بینهایت موردمطالعه قرارگرفته است. در قسمت دوم این مقاله، سیستم قدرت موردمطالعه ارائه میگردد، در بخش سوم SSR معرفی میشود و ساختار TCSC در قسمت چهارم و همچنین نتایج شبیهسازي سیستم موردمطالعه در قسمت پنجم نشان داده میشوند. نتایج حاصل از این مقاله در قسمت آخر بیان میگردد.
-2 سیستم قدرت
شکل 1 نمودار سیستم قدرت موردمطالعه را نشان میدهد. محور سیستم مربوط به واحد توربین - ژنراتور سیستم شکل - 1 - ، شامل یک توربین فشارقوي - 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 موردمطالعه در [6] دادهشده است.
میزان جبران سازي توسط خازن سري 52 ٪ از مجموعه راکتانس XL1 در نظر گرفتهشده است. روتور یک واحد تولید حرارتی، خود سیستم مکانیکی پیچیدهاي 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 تشکیلشده 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 برمیگیرد.
در مورد اول، عملکرد این سیستم بدون ماژول TCSC و بدون کنترلکننده خاصی موردمطالعه قرارگرفته است. هدف روشن کردن این واقعیت است که بدون وجود کنترلکننده، 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 اعمال میشود و پس از 75 میلیثانیه رفع میشود.
SSR -3
نوسانهاي زیر سنکرون - SSR - یک پدیده دینامیکی از میل داشتن سیستمهاي قدرت به ویژگیهاي خاص است. طبق تعریف قراردادي که توسط IEEE از SSR ارائهشده است: نوسان زیر سنکرون یک شرایط الکتریکی از سیستم قدرت است، جایی که شبکه الکتریکی انرژي ذخیره را با یک توربین ژنراتور دریک یا بیش از یک فرکانس طبیعی در زیر فرکانس سنکرون ترکیب کرده است. SSR در سه طبقهبندي مرتبشده است:
• اثر القاي ژنراتور
• اثر پیچشی
• افزایش گشتاور
در اکثر موارد SSR به علت اثر متقابل یک خازن سري با توربین ژنراتور به وجود میآید. دو نوع اول با یک اختلال در حالت ماندگار ایجاد میشوند، درصورتیکه سومی برانگیختهشده با اختلال گذرا است. خازنهاي سري که از سال 1950 استفادهشده بودند کارایی زیادي مانند افزایش توان انتقالی در یک سیستم قدرت با خطوط انتقال با طول 150 مایل یا بیشتر را دارا هستند، بهخصوص که در آن مقدار زیادي از قدرت باید از طریق خطوط انتقال طولانی منتقل شود. خازنهاسري عمدتاً محدوده پایداري حالت ماندگار و گذرا را افزایش میدهند، این منجر به جبران سازي جزئی راکتانس خطوط انتقال میشود.
از حدود سال 1971عموماً در 70 ٪ موارد خازنهاي سري میتوانند بدون هیچ نگرانی یا با نگرانی کمتري در خطوط استفاده شوند. نتیجه مشکلات SSR از اثر متقابل بین یک مود الکتریکی از جبران ساز سري شبکه و یک مود محور مکانیکی از گروه توربین ژنراتور است که میتواند منجر به شکست شفت توربین ژنراتور و بیثباتی در نوسانات فرکانسهاي پائین تر از فرکانس نرمال سیستم شود.
مشکل SSR زمانی که عمل متقابل مضر بین مودهاي زیر سنکرون شبکه الکتریکی و مودهاي پیچشی ناکافی دمپ شده، از توربین ژنراتور اتفاق افتاده است رخ میدهد. زمانی که نسبت جبران سازي سري در برابر یک سطح خاصی افزایشیافته است، یک پاسخ الکتریکی از ژنراتورها، ترانسفورماتورها، خطوط انتقال و خازنهاي سري معمولاً در محدوده فرکانس زیر سنکرون نمایان خواهند شد. هنگامیکه فرکانس رزونانس الکتریکی مکمل یکی از فرکانسهاي پیچشی از توربین ژنراتور سیستم مکانیکی میشود، برخی از این مودهاي پیچشی ممکنه خفه یا پایدار نشوند که میتوانند منجر به آسیب دیدن محور شوند .[7]
-4 ساختار TCSC
ازجمله ادواتی که در سالهاي اخیر توجه زیادي را به خود معطوف کرده است، TCSC میباشد. مدار قدرت TCSC که در شکل - 2 - نشان دادهشده است، شامل یک خازن ثابت بهموازات یک سلف سري با تریستورهاي موازي معکوس است. یک منحنی امپدانس نمونه براي TCSC بهعنوان یک تابع از زاویه آتش در شکل - 3 - نشان دادهشده است که حداکثر مقدار امپدانس TCSC در ناحیه خازنی است. این مقدار مربوط به امپدانس معادل TCSC براي حداقل زاویه آتش - - است. این زاویه بهمنظور جلوگیري از عملیات بسیار خطرناك در نزدیکی ناحیه رزونانس موازي است و همچنین رزونانس موازي داخلی در شکل نشان دادهشده است .[8]
ازجمله کاربردهاي TCSC میتوان به کنترل امپدانس خطوط با جبران ساز سري آنها، کنترل توان عبوري خطوط و میرایی نوسانات توان و پدیده SSR اشاره نمود. پیش از معرفی شدن TCSC، خازنهاي سري در خطوط انتقال مورداستفاده قرار می-گرفتند و نقش مهمی در بهبود عملکرد خطوط بلند داشتهاند ولی مسئله عمدهاي که بر سر راه استفاده از آنها بروز نمود مسئله تشدید زیر سنکرون - SSR - بود .[9] با معرفی شدن TCSC آشکار شد که قابلیت کنترلی این وسیله میتواند خود عاملی براي از میان بردن SSR باشد، درعینحال که مزایاي جبران سازي سري را حفظ میکند.
مطالعات انجامشده نشان دادهاند که TCSC قابلیت خوبی در کاهش اثرات مخرب این پدیده از طریق ایجاد میرایی در نوسانات الکترومکانیکی دارد و میتواند عاملی مفید در این خصوص باشد .[10] خازنهاي سري کنترلشده با تریستور TCSC بهبود کلی جبران سازي سیستم همراه با کنترل سریع، منعطف و مؤثر راکتانس خط انتقال را فراهم میسازند. علاوه براین TCSC توانایی زیادي براي کاهش نوسانات سیستم قدرت را داراست. این ویژگیها در چندین تأسیسات عملی جهانی نشان دادهشدهاند .[11]
