بخشی از مقاله
چکیده:
با توجه به رشد روزافزون تقاضا برای انرژی الکتریکی، نیروگاههای بادی دریایی جایگزین مناسبی برای منابع انرژی موجود میباشند. در بین راهکارهای موجود، سیستمهای انتقال HVDC بر پایه مبدلهای منبع ولتاژ VSC راه حلی آسان و مناسبی برای تجمیع این حجم وسیعی از انرژی بادی دریایی است. لذا بررسی و بهبود عملکرد سیستم انتقال HVDC امری ضروری به نظر میرسد.
در این پژوهش، مدلسازی و کنترل سیستم انتقال HVDC بر پایه مبدل VSC مورد بررسی قرار گرفته است. برای کنترل توانهای اکتیو و راکتیو سیستم انتقال VSC-HVDC، کنترلکننده پسیو - PBC - پیشنهاد میشود. کنترل-کننده پیشنهادی بر پایه مفهوم اکیدا پسیو بودن دینامیک - پایداری مجانبی - حلقه- بسته مبدلهای VSC طراحی شده است. نتایج شبیهسازی، عملکرد مناسب کنترلکننده PBC پیشنهادی در مقایسه با کنترلکننده PI را تصدیق مینمایند. لازم به ذکر است که هر دو کنترلکننده توان - حلقههای جریان داخلی - PBC و PI، برای کنترل ولتاژ لینک- DC - حلقه خارجی - از یک کنترلکننده PI بهره میبرند.
-1 مقدمه
خطوط جریان مستقیم ولتاژ بالا - HVDC - برای انتقال توان به مسافتهای طولانی توسعه پیدا کردهاند. انتقال توان مسافت طولانی به وسیله لینک HVDC برای انتقال هوایی مسافتهای بیشتر از 500 km به دلیل تلفات کمتر توان و هادیهای کمتر در مقایسه با خطوط انتقال AC اقتصادیتر است .[1] مسافت مناسب برای خطوط انتقال کابلی نیز در حدود 50 km میباشد.
به همین دلیل HVDC غالبا برای سیستمهای بادی دریاییٌ مناسب است .[2] امروزه تولید انرژی الکتریکی از منابع تجدیدپذیر در جهان در حال افزایش است. گزارش چشمانداز انرژی جهانی در سال 2012، نشان دهنده توسعه %24 این تکنولوژی در اروپا در سال 2010 میباشد. به منظور تسهیل در تجمیع مقدار زیادی از توان تولیدی از انرژی تجدیدپذیر به شبکه برق، سیستمهای انتقال HVDC نقش مهمی را بازی میکنند.
این سیستم روش سریع و منعطفی را به منظور کنترل شارش توان به شبکه برای تضمین قابلیت اطمینان و اتصال شبکههای قدرت غیرسنکرون - فرکانسهای 50 Hz و Hz - 60 را فراهم میکند. علاوه بر این، تولید توان از مزارع بادی دریایی نیازمند خطوط انتقالی کابلی به منظور انتقال توان تولیدی به نواحی مصرف، و در نتیجه خطوط HVDC تکنولوژی کلیدی برای نیل به این اهداف میباشند
سیستمهای انتقال HVDC غالبا میتوانند بر پایه دو نوع مبدل منبع جریان LCC - 2CSCَ - و مبدل منبع ولتاژ 4VSC باشد. سیستمهای HVDC کلاسیک بر پایه جیوه یا تریستور محدودیتهایی در کنترل راستای شارش توان دارند. این نوع مبدلها در هر دو عملکرد یکسوکننده و اینورتری مصرف کننده توان راکتیو میباشند. در نتیجه، برای جبران توان راکتیو فیلترهای AC بزرگ - در پست مبدلها - مورد نیاز است که هزینه سیستم HVDC را افزایش میدهد. علاوه بر این، خطای کموتاسیون و تلفات ارتباطی مابین مبدلهای LCC به عنوان معایب اساسی این تکنولوژی میباشند.
تکنولوژی HVDC برپایه مبدلهای منبع ولتاژ - VSC - دارای مزیتهای نسبت به سیستمهای LCC-HVDC میباشند [3-1]، که عبارتند از: کنترل مستقل توان اکتیو و راکتیو، کاهش اغتشاشات کیفیت توان، تامین توان راکتیو سیستمهای AC، ارتباطی - مخابراتی - مابین مبدلها نیاز نیست، مناسب برای ایجاد شبکههای DC چند- ترمیناله با تعداد زیادی از مبدلها. به منظور تسهیل مفهوم شبکه DC در سیستم انتقال قدرت فعلی، تکنولوژی انتقال VSC-HVDC نه تنها برای تجمیع مقدار وسیعی از انرژی تجدیدپذیر تولیدی به شبکه قدرت فعلی مناسب است، بلکه شبکههای HVDC در نقش واسط مابین چندین سیستم AC عمل میکنند.
اخیرا مطالعات زیادی در زمینه استراتژیهای کنترلی سیستمهای انتقال VSC-HVDC انجام شده است .[9-4] از جمله این مطالعات میتوان به: روشهای کنترل کلا سیک [5]، کنترل فازی [6]، کنترل ع صبی [7]، کنترل تطبیقی [8]، کنترل مد لغز شی [9] و .... ا شاره نمود. از روشهای مذکور کنترلکننده [5] 5PI سادهترین ساختار را دا شته و پرکاربرد میبا شد. روشهای کنترل تطبیقی، عصبی و فازی دارای عملکرد بهتری نسبت به PI میباشند، اما از حجم محاسبات بیشتری برخوردارند.
استراتژی کنترل مبدل VSC بر روی عملکرد سیستم HVDC تاثیر مستقیم دارد. بطور سنتی کنترلکننده PI در حلقههای جریانها و ولتاژ سی ستم HVDC بکار گرفته می شود. اگر چه این کنترلکننده ساختاری ساده دارد، اما دارای بع ضی ایراداتی ا ست. به عنوان مثال: رفتار این کنترلکننده در مقابل تغییر پارامترهای سی ستم مقاوم نمیبا شد. به عبارت دیگر، کنترلکننده PI قابلیت رفع نیازهای سیستم انتقال در شرایط غیرایدهآل را ندارد.
در سمت مقابل، تئوری کنترل غیرفعال یا کنترل بر پایه پ سیو بودنّ - PBC - عملکرد کنترلی برج ستهای را ن شان داده ا ست .[13-10] از دیدگاه انرژی، تئوری PBC در ج ست و جوی تابع ذخیره - انرژی - برای متغیرهای کنترلی ا ست. با طراحی کنترلکننده پ سیو، تابع انرژی برای رسیدن به اهداف کنترلی تابع انرژی مورد انتظار را ردیابی مینماید.
در نتیجه پایداری سیستم تضمین شده، متغیرهای حالت سیستم به مقادیر مرجع به صورت مجانبی همگرا شده، و خروجیهای هدف کنترلی به مقادیر مرجع خود همگرا میشوند. در مقایسه با روشهای کنترل خطی، برتری روش PBC در طراحی کنترلکننده پسیوی که بر خواص طبیعی سیستم تمرکز دارد، نهفته است. لذا رفتار سیستم با PBC بطور قابل ملاحظهای بهبود پیدا کرده و پایداری سیستم تضمین میگردد. این پایاننامه نیز سعی در تو سعه و تحلیل کاربرد کنترلکننده PBC بر روی سی ستم انتقال HVDC را خواهد داشت.
در این مطالعه توصیف ریاضی و مدلسازی سیستم انتقال VSC-HVDC ارایه شده و پسیو بودن سیستم HVDC بررسی میشود. همچنین روش کنترل PBC تشریح شده و کنترلکننده مناسب بر روی مبدلهای HVDC طراحی میگردد. ساختار کلی این مقاله حاضر، به این شرح است که: در بخش دوم، سیستم انتقال HVDC بررسی شده و مدل دینامیکی آن در مختصات مرجع چرخان dq با در نظر گرفتن نامتعادلی ولتاژ ارایه میگردد.
در بخش سوم نیز، ارتباط مابین پسیو بودن و پایداری سیستم به کمک قضیه لیاپانوف مورد بحث قرار گرفته است. در انتهای این فصل، پسیو بودن مدل دینامیکی سیستم VSC-HVDC اثبات میگردد. در ادامه در بخش چهارم، کنترلکننده PBC بر روی سیستم VSC-HVDC طراحی شده و برای نشان دادن قابلیت کنترلکننده PBC پیشنهادی، شبیهسازیهای جامعی ارایه شده و نتایج حاصل با کنترلکننده PI مقایسه میشوند. و در انتها، نتیجه گیری های تحقیق انجام گرفته ارایه می شود.
-2 نحوه عملکرد و مدل دینامیکی سیستم انتقال HVDC
در این بخش، اجزای تشکیل دهنده سیستم انتقال HVDC از قبیل: مبدلها، فیلترها، راکتورهای فاز، ترانسفورماتورها و ... توصیف شده و در نهایت، مدل ریاضی این سیستم در مختصات dq نوشته میشود.
سیستم HVDC دارای چهار کاربرد عمده است که عبارتند از: انتقال کابلی زیرزمینی/زیردریایی، انتقال توان - هیدروالکتریک، بادی - خیلی زیاد به مسافتهای طولانی، اتصال سیستمهای قدرت AC غیرسنکرون و پایدارسازی شارش توان در سیستمهای قدرت مجتمع.
سیستم VSC-HVDC تکنولوژی جدیدی برای انتقال توان در خط DC است. برپایه اتصالات مابین ایستگاه مبدلها، میتوان به چهار دسته شماتیک مهم سیستم انتقال VSC-HVDC اشاره کرد: سیستم انتقال VSC-HVDC تکقطبی - Monopolar - ، سیستم انتقال VSC-HVDC دوقطبی - Bipolar - ، سیستم انتقال VSC-HVDC پشت به پشت - Back to Back - و سیستم انتقال VSC-HVDC چند- ترمیناله .[3-1] - Multi-terminal - در شکل 1 میتوان شماتیک چهار سیستم انتقال اشاره شده را مشاهده کرد.
