مروری بر کنترل کننده های FACTS موازی و DSTATCOM

قدرت توسط تغيير ساختار صنايع و بازگشايي آن به روي رقباي خصوصي، مطرح شده است. اين گرايش جهاني و تغييرات ساختاري مشابه در صنايع ديگر نظير حمل و نقل هوايي و صنايع مخابرات نيز اتفاق افتاده است. نتيجة اصلي اين گونه اصلاحات براي دستيابي به اين هدف خواهد بود که سيستم‌هاي توليد، انتقال و توزيع بايد هم اکنون خود را با يک سري قوانين جديد که توسط بازار آزاد تعيين مي‌شود، وفق دهند. به خصوص براي بخش انتقال سازمان برق اين توافق ممکن است به ايجاد يا اصلاح شبکه‌هاي به هم پيوسته بين مناطق و کشورها نيازمند باشد. به علاوه انطباق با الگوهاي توليد جديد، مستلزم تغييراتي خواهد بود و به سيستم‌هاي انتقالي با قابليت انعطاف و دسترس پذيري بالايي نيازمند خواهد بود. در عين حال تقاضاهاي اضافي دائماً شرکت‌هاي برق را مجبور ساخته است که بارهاي اضافي را تغذيه کنند، قابليت اطمينان را بهبود ببخشند و انرژي را با کمترين قيمت ممکن و با کيفيت توان بالايي تحويل مشترک دهند. صنعت برق به اين چالش‌ها با تکنولوژي مبتني بر الکترونيک قدرت پاسخ داده است که در اصطلاح به سيستم‌هاي انتقال ac انعطاف پذير[1] (FACTS) مشهور مي‌باشند. اين اصطلاح تمام خانوادة کنترل کننده‌هاي الکترونيک قدرت را پوشش مي‌دهد که برخي از آنها به توليد صنعتي رسيده اند، در حاليکه بعضي ديگر هنوز در مرحلة طراحي قرار دارند.

انجام پروژه متلب در این زمینه توسط مجریان سایت متلبی

تعريف ارائه شده توسط IEEE براي FACTS در زير آمده است[4]:

” يک سيستم مبتني بر الکترونيک قدرت و ديگر تجهيزات استاتيکي که کنترل يک يا تعداد بيشتري از پارامترهاي سيستم انتقال ac را براي بالا بردن قابليت کنترل و افزايش ظرفيت انتقال توان فراهم مي‌کند. ”

به طور کلي، کنترل کننده‌هاي FACTS مي توانند به سه دسته تقسيم شوند :

1. کنترل کننده‌هاي سري.

2. کنترل کننده‌هاي موازي.

3. کنترل کننده‌هاي موازي- سري ترکيب شده.

در ميان کنترل کننده هاي FACTS ، کنترل کننده‌هاي موازي براي حل بسياري از مشکلات سطوح انتقال تا توزيع قابل استفاده مي‌باشند. در دهه گذشته اثبات شده است که توسط جبران سازي مقداري مناسب توان يا جريان، مي‌توان توان قابل انتقال از ميان خطوط انتقال را افزايش داد و پروفيل ولتاژ در طول خطوط انتقال را کنترل کرد. علاوه بر اين، کنترل کننده‌هاي موازي مي‌توانند پايداري گذرا را بهبود ببخشند و نوسانات توان پس از رخ دادن خطا را ميرا کنند. با استفاده از يک مبدل قدرت سرعت بالا، کنترل کنندة موازي مي‌تواند مشکلات فليکر ايجاد شده توسط کوره‌هاي قوس الکتريکي را بيشتر کاهش دهد و يا حتي حذف کند.

2-2 کنترل کننده‌هاي موازي

در يك سيستم قدرت ac، توان الكتريكي قابل انتقال به پروفيل ولتاژ خط تحت حالت ماندگار و شرايط ديناميكي در محدودة وسيعي از پيامدهاي شبكه وابسته است. پروفيل ولتاژ در طول خط را مي‌توان به صورت موثري با كنترل پخش توان راكتيو در خط كنترل كرد. پروژه متلب با متلبی.

راكتورها و خازن‌هاي سوييچ شونده به صورت مكانيكي يا ثابت (سوئیچ الکتریکی)، روش‌هايي هستند كه بيشتر براي افزايش توان حالت ماندگار خطوط استفاده مي‌شوند. راكتورها در طول خطوط به صورت موازي نصب مي‌شوند و خازن‌هاي بزرگ هم به صورت سري يا موازي متصل مي‌شوند. با توسعة ادوات نيمه هادي توان بالا مانند تريستور به همراه كنترل‌هاي الكترونيكي، ادوات جديدي به وجود آمدند كه كنترل توان راكتيو را به صورت پيوسته فراهم كردند. جبران‌سازهاي سري قابل كنترل با تريستور[2](TCSC) مي توانند مقدار جبرانسازي سري خطوط انتقال را كنترل كنند و جبران‌سازهاي استاتيكي توان راكتيو[3](SVC) مي‌توانند مقدار توان راكتيو تزريقي به سيستم انتقال و يا جذب شده از آن را كنترل كنند. در طول دهة گذشته به صورت قانع كننده‌اي اثبات شد كه با استفاده از كنترل پيوسته و سريعي كه توسط تكنولوژي نيمه‌هادي به‌وجود آمده، مي‌توان پايداري ديناميكي و پايداري گذراي سيستم قدرت را بهبود بخشيد و فروپاشي ولتاژ را حذف كرد[5]. گسترش تريستورهايي كه توان نامي قابل تحمل آنها نسبت به تريستورهاي مرسوم بيشتر است باعث ايجاد مبدل‌هاي خود كموتاسيون به عنوان منابع توان راكتيو شده است. اين تكنولوژي جديد باعث به وجود آمدن تجهيزاتي شده است كه اساساً نسبت به جبران‌ساز استاتيكي توان راكتيو(SVC) كه با تريستور كنترل مي شود، متفاوت است. اين وسيلة جديد جبران‌ساز‌ سنكرون ا‌ستاتيكي[4] (STATCOM) ناميده مي‌شود. اين نوع از جبران‌سازها مزاياي فني بيشتري نسبت به SVC دارند.

به طور کلي همة کنترل کننده‌هاي موازي، جريان اضافي را به سيستم در نقطة اتصال مشترک[5] (PCC) تزريق مي‌کنند. امپدانس کنترل کنندة موازي که به ولتاژ خط وصل شده است، باعث عبور يک جريان متغير مي‌شود و از اين رو نمايندة تزريق جريان به خط مي‌باشد. تا زمانيکه جريان تزريق شده با ولتاژ خط هم‌فاز باشد، کنترل کنندة موازي تنها مصرف کننده يا توليد کنندة توان راکتيو مي‌باشد.

در سيستم قدرت کنترل توان اکتيو تقريباً معادل با کنترل فرکانس و کنترل توان راکتيو تقريباً معادل با کنترل ولتاژ مي‌باشد. بنابراين يکي از موثرترين روش‌هاي تنظيم ولتاژ، کنترل توان راکتيو مي‌باشد و با تزريق توان راکتيو مي‌توان از تغييرات ولتاژ جلوگيري نموده و تداوم عملکرد صحيح تجهيزات را فراهم نمود.

بيشتر اجزاي سيستم، توان راکتيو نياز دارند و براي تامين آن يا بايد توان راکتيو از شبکه گرفته شود و يا در محل مورد نظر توليد شود. امروزه به دلايلي چندکنترل توان راکتيو بيشتر مورد توجه قرار گرفته است :

1. گران شدن هزينه نصب تجهيزات جديد و حداکثر بهره برداري از تاسيسات موجود

2. بهره برداري بهينه از سيستم قدرت

3. به وجود آمدن انواع جديدي از جبران کننده‌هاي استاتيکي قابل کنترل

کنترل سطوح ولتاژ از طريق کنترل توليد، جذب و جريان توان راکتيو در تمام سطوح در سيستم عملي است.

هدف نهايي از کاربرد جبران‌سازي موازي راکتيو در يک سيستم انتقال، افزايش ظرفيت توان قابل انتقال از ژنراتور به سمت بار مي‌باشد که به منظور بهبود مشخصه‌هاي انتقال حالت دائمي و نيز پايداري سيستم مورد نياز مي‌باشد.

به طور کلي کنترل کننده‌هاي موازي شامل دو گروه مي‌باشند:

1. جبران کنندة استاتيکي توان راکتيو (SVC)

2. جبران کنندة سنکرون استاتيکي (STATCOM).

در ادامه ابتدا مشخصات SVC ، انواع آن و براي نمونه اصول کار TCR[6] توضيح داده مي‌شود. سپس مشخصات STATCOM ارائه مي‌شود و به محاسن آن نسبت به SVC اشاره مي‌شود.

2-3 جبران کنندۀ استاتيکي توان راکتيو (SVC)[6]

2-3-1 مشخصات جبران كننده‌هاي استاتيك

شکل (2-1) يک جبران کنندة استاتيک ايده آل را نشان مي‌دهد. يک جبران کنندة ايده‌آل وسيله‌اي است که قادر است توان راکتيو خود را بطور پيوسته تنظيم نموده و پاسخ آن سريع و بدون تاخير باشد و در يک رنج نامحدود (پس فاز و پيش فاز) عمل نمايد.

P

جبران كننده استاتيكجبران كننده ايده آل

پس فاز

Q

پيش فاز

شکل 2-1: الف-شماتيك جبران كننده استاتيك ب- مشخصۀ جبران كننده ايده آل]3[

2-3-2 انواع SVC

يک SVC شامل توليدکننده استاتيکي توان راکتيو يا وسايل جذب کننده و يک وسيله مناسب کنترلي است. يک سيستم استاتيکي توان راکتيو اجتماعي از SVC‌‌ ها و خازن‌هاي قابل کليدزني مکانيکي است که خروجي‌هاي آن‌‌ها هماهنگ شده است.

انواع اصلي عناصر کنترل توان راکتيو که تمام يا بخشي از هر سيستم استاتيکي توان راکتيو را تشکيل مي‌دهند، مطابق فهرست زير است:

1. راکتور قابل اشباع[7] (SR)

2. راکتور قابل کنترل به وسيلة تريستور (TCR)

3. راکتور قابل کليدزني به وسيلة تريستور[8] (TSR)

4. خازن قابل کليدزني به وسيلة تريستور[9](TSC)

5. ترانسفورمر قابل کنترل به وسيله تريستور[10] (TCT)

در عمل براي جبران سازي سيستم از تعداد متنوعي از ترکيبات SVC شامل ترکيبي از يک يا تعداد بيشتري از انواع اصلي SVC و مجموعه‌هاي خازن ثابت [11](FC) استفاده مي‌شود.

براي رسيدن به مشخصه ذکر شده در شکل (2-1- ب) يکي از بهترين جبران کننده‌هاي توان راکتيو، جبران کنندة راکتور قابل کنترل به وسيله تريستور همراه با خازن ثابت (TCR & FC) مي‌باشد که در شکل (2-2) آورده شده است. افزودن يک خازن ثابت به راکتور قابل کنترل به وسيلة تريستور باعث مي‌شود که علاوه بر داشتن سرعت پاسخ خوب بتوانيم در يک محدودة پيش‌فاز و پس‌فاز عمل کنيم و منحني عملکردي مطابق با شکل (2-3) داشته باشيم.

جبران کنندة راکتور قابل کنترل به وسيلۀ تريستور همراه با خازن ثابت
شکل 2-2 : جبران کنندة راکتور قابل کنترل به وسيلۀ تريستور همراه با خازن ثابت

 

مشخصه‌هاي تركيبي SVC
شکل 2-3 : مشخصه‌هاي تركيبي SVC

براي عملکرد صحيح SVC، سطح ولتاژ، اندازه گيري شده و با يک ولتاژ مرجع مقايسه مي‌گردد و آنگاه خطاي حاصل در جهت کنترل مورد استفاده قرار مي‌گيرد. همچنين مي‌توان از سيگنال‌هاي اضافي ديگري جهت بهبود پاسخ سيستم کنترل استفاده نمود.

2-3-3 راکتور قابل کنترل بوسيلۀ تريستور (TCR)

عنصر اصلي TCR راکتوري است که بطور سري به يک کليد دو طرفه تريستوري مطابق با شکل (2-4- الف) متصل است.

عناصر اصلي TCRI

V

شکل 2-4 : الف- عناصر اصلي TCR

تريستورها بسته به زاويه آتش (که از لحظه عبور از صفر ولتاژ، اندازه گيري مي‌شود) در هر نيم‌سيکل در ميان فرکانس منبع هدايت مي‌کنند. هدايت کامل با زاويه آتش 90 درجه بدست مي‌آيد. جريان عملاً راکتيو و سينوسي است. هدايت جزئي[12] با زاويه آتش بين 90 تا 180 درجه بصورت ایدهآل مطابق با شکل (2-4-ب) بدست مي‌آيد. زواياي آتش بين 0 تا 90 درجه مجاز نيست، زيرا که آن‌ها جريان‌هاي نامتقارن با مولفه جريان مستقيم توليد مي‌کنند.

شكل موج جريان TCRشكل موج جريان TCRشكل موج جريان TCR
شکل 2-4 : ب- شكل موج جريان TCR

فرض کنيد که زاويه هدايت بصورت زير با مرتبط باشد:

(2-1)

در اين صورت جريان لحظه اي I بصورت زير خواهد بود:

(2-2)

تحليل فوريه شکل موج جريان، مولفه اصلي زير را نتيجه مي‌دهد:

(2-3)

که Iو V مقادير موثر و راکتانس در فرکانس اصلي است. تاثير افزايش (کاهش) کاهش مولفه اصلي است. اين موضوع معادل با افزايش اندوکتانس موثر است. در عمل و تا آنجا که مولفه جريان فرکانس اصلي مدنظر است،TCR يک سوسپتانس قابل کنترل است. سوسپتانس موثر،تابعي از زاويه آتش است.

(2-4)

مقدار حداکثر سوسپتانس موثر در هدايت کامل (0=90) مساوي با است و حداقل مقدار آن صفر است که با  (0=180) بدست مي‌آيد.\

2-3-4 هارمونيک‌ها

شکل (2-4-ب)تغييرات شکل موج جريان را در اثر تغييرات زاويه آتش نمايش مي‌دهد. افزايش زاوية آتش(کاهش زاوية هدايت)، هر چند باعث کاهش تلفات توان راکتيو مي‌شود اما سبب مي‌گردد که شکل موج جريان به ميزان بيشتري از حالت سينوسي خارج گردد. به عبارت ديگر TCR هارمونيک بيشتري توليد مي‌کند. اگر زاويه‌هاي آتش متعادل باشند (يعني براي هر دو تريستور يکسان باشند)، تمامي هارمونيک‌هاي ايجاد شده فرد مي‌باشند و مقدار موثر مولفه n ام هارمونيک از رابطه زير بدست مي‌آيد:

(1-5)

در سيستم سه‌فاز ترجيحاً سهTCR به صورت مثلث بسته مي‌شوند. در اين حالت وقتي سيستم متقارن باشد تمامي هارمونيک‌هاي سوم در مثلث بسته به گردش در مي‌آيند و از جريان‌هاي خط حذف مي‌گردند و نسبت به حالت ستاره جریان کمتری از TCRها میگذرد. در TCR اين مساله اهميت دارد که مطمئن باشيم زاويه هدايت در دو تريستور يکسان است. نامساوي بودن زاويه هدايت باعث توليد مولفه‌هاي هارمونيک زوج و مولفه dc در جريان مي‌گردد. براي حذف ساير هارمونيک‌هاي ايجاد شده توسط TCR معمولاً از فيلتر استفاده مي‌شود. اما روش ديگر حذف هارمونيک‌هاي مرتبه 5و7 اين است که TCR را به دو قسمت کرده، به گونه‌اي که هر دو قسمت از ثانويه هاي يک ترانسفورمر کاهنده، که مطابق شکل (2-5) يکي از ثانويه‌ها داراي اتصال ستاره و ديگري داراي اتصال مثلث مي‌باشد، تغذيه شوند.

untitled
شکل 2-5 : آرايش TCR با ترانسفورمر شامل دو ثانويه با ترتيب 12 پالس [3]

به اين ترتيب يک جابجايي فاز 30 درجه، بين جريان‌ها و ولتاژهاي دو TCR به وجود آمده و هارمونيک‌هاي مرتبه 5و7 را از جريان خط در طرف اوليه ترانسفورمر حذف مي‌نمايد. اين ترتيب قرارگرفتن TCR، به آرايش 12 پالس معروف است زيرا در هر پريود 12 تريستور تريگر مي‌شوند. در آرايش 12 پالس پايين‌ترين مولفه مشخص هارمونيک مرتبه 11 و 13 است. بنابراين بدون فيلتر 5 و 7 به کار مي‌رود. براي هارمونيک‌هاي مرتبه بالاتر، اغلب اتصال يک خازن به طرف فشار ضعيف ترانسفورمر کاهنده کفايت مي‌کند.

2-3-5 سوابق و کاربردها

از زمان اولين کاربرد در اواخر دهة 1970 ميلادي، استفاده از SVC ها در سيستم‌هاي انتقال به طور پيوسته در حال افزايش بوده است. به علت توانايي آن ها در تامين و کنترل سريع و پيوسته توان ‌راکتيو و ولتاژ،SVC ها مي‌توانند چندين جنبه عملکرد سيستم انتقال را تقويت کنند. کاربردهاي SVC شامل موارد زير است:

1. کنترل اضافه ولتاژهاي موقتي (فرکانس اصلي توان)

2. جلوگيري از فروپاشي ولتاژ

3. افزايش پايداري گذرا

4. افزايش ميرايي نوسان‌هاي سيستم

در سطوح سيستم زير انتقال و توزيع، از SVC ها براي متعادل کردن سه فاز سيستم‌هايي که بارهاي نامتعادل را تامين مي‌کنند، استفاده مي‌شود. همچنين از آن‌ها براي حداقل‌سازي نوسان ولتاژ که در اثر ضربه‌هاي مکرر بارهايي از قبيل ماشين حفاري در معادن، نورد و کوره هاي قوسي ايجاد
مي‌شود، بهره گرفته مي‌شود.

معايب SVC كه در مرجع [7] به بعضي از آن‌ها اشاره شده است عبارتند از:

الف) بانك‌هاي خازني ac شامل واحدهاي خازني موازي مي‌باشند؛ بنابراين محافظت ويژه در بين گروه‌هاي خازني بايد اعمال شود تا از جداسازي مناسب در مواقع ايجاد تخلية الكتريكي خارجي بين آنها اطمينان حاصل شود.

ب) به خاطر اندازة فيزيكي و ملاحظات ديگر، بانك‌هاي خازني و سلفي در فضاي آزاد نصب شده‌اند. سيستم ايزولاسيون آنها بايد شرايط محيطي نامساعد را تحمل كند.

پ) FC به سمت فركانس‌هاي تشديد پاييني سيستم ميل مي‌كند (تشدید زیر سنکرون).

ت) SVC توان راکتيو قابل کنترل را به وسيلة وارد يا خارج کردن همزمان راکتور يا بانک‌هاي خازني، جذب يا توليد مي‌کند. در نتيجه SVC در پاسخ به مشکلات گذراي سريع بسيار کند مي‌باشد. به علاوه، توان راکتيو جبران شده به پارامترهاي سيستم وابسته شده است. مثلاً ظرفيت جبران کننده TSC به طور غير مستقيم با مجذور ولتاژ خط متناسب است[7]

ث)به خاطر دلايل (الف) و (ب)، جبران‌سازهاي استاتيكي توان راكتيو مرسوم، يك سيستم واقعاً بزرگ با تجهيزات مورد نياز بسيار گران را تشكيل مي‌دهند. اين موضوع ممكن است كاربرد آنها را در مناطق پرجمعيت كه محدوديت‌هاي فضايي و محيطي شديدي وجود دارد، محدود كند.

با استفاده از توانايي خاموش شدن وسايل نيمه هادي، سوييچ زني مبدل‌هاي قدرت قادر است در فرکانس سوييچ زني بالايي انجام شود و يک پاسخ سريعتري را فراهم کند. اين قضيه باعث شده است که مبدل‌هاي منبع ولتاژ[13] (VSC) و منبع جريان[14](CSC) بخش مهمي را در کنترل کننده‌هاي FACTS عهده‌دار باشند[7].

2-4 D-STATCOM

D-STATCOM اولين کنترل کنندة موازي بر اساس مبدل قدرت مي‌باشد. ايدة اصلي STATCOM D-توسط آقاي گايوگي[15] در سال 1976 ارائه شد. به جاي استخراج مستقيم توان راکتيو از اجزاي ذخيره‌کنندة انرژي، D-STATCOM اساساً توان را با شبکة متصل شده به گردش در مي‌آورد. بنابراين اجزاي راکتيو استفاده شده در D-STATCOM ، مي‌تواند بسيار کوچکتر از اجزاي SVC باشد. در سال 1995 اولين D-STATCOM با قدرت در ايستگاه فرعي “ساليوان[16]” متعلق به “سازمان دره تنسي”(TVA) در شمال شرقي ايالت تنسي ايالات متحده نصب شده است. پروژه با حمايت مشترك انستيتو تحقيقات صنعت برق (EPRI) و TVA انجام شد و توسط شركت برق وستينگهاوس طراحي و ساخته شد.TVA وابسته به دولت فدرال است و به عنوان يك واحد خدماتي بزرگ داراي ظرفيت توليد نصب شدة بيش از 30 هزار مگاوات است كه از طريق 16000 مايل (25806 كيلومتر) خط انتقال، توان الكتريكي را براي شركت‌هاي خدماتي ديگر و مشتركان صنعتي در هفت ايالت تامين مي‌كند.

تولباکس مت پاور | MATPOWER toolbox

برق شمال شرقي ايالت تنسي توسط پست “ساليوان” در نزديكي شهر”جانسون” تامين مي‌شود. پست “ساليوان” توسط شبكة قدرت حجيم 500 كيلوولت و چهار خط 161 كيلوولت تغذيه مي‌شود. فيدر 500 كيلوولت پست “ساليوان” 55 درصد از پيك بار زمستاني 900 مگاواتي را تامين مي‌كند. هفت شركت توزيع‌كنندة و يك مشترك بزرگ صنعتي از اين پست تغذيه مي‌شوند[8]. D-DSTATCOM نصب‌ شده در اين واحد بيشتر براي تنظيم باس kV161 در طول دورة بار روزانه براي کاهش عملکرد تپ چنجر يک ترانسفورماتور 1.2GVA-161kV/500kV استفاده شده است. مبدل قدرت 48 پالسه اين D-STATCOM شامل 8 مبدل VSC دو سطحي به همراه مدارهاي مغناطيسي مشترک پيچيده مي‌باشد. به خاطر اينکه اين مبدل يک مبدل VSC دو سطحي است، از اتصال سري 5 تريستور با گيت خاموش کننده[17](GTO) به عنوان يک سوييچ اصلي استفاده شده است. طرح کنترلي استفاده شده در اين D-STATCOM يك پله كان 60 هرتزي مي باشد. به علت سرعت پايين كليدزني GTOها، زواياي آتش شكل موج خروجي ثابت هستند؛ بنابراين دامنة هر شكل موج خروجي به وسيلة مبادلة توان اكتيو خازن لينك dc با شبكة قدرت كنترل مي‌شود. در ادامه اين فصل ابتدا قواعد اصلي و اصول كار D-STATCOM توضيح داده مي‌شود و سپس مزاياي D-STATCOM نسبت به SVC بيان مي‌شود.

2-4-1 قواعد اصلي [DSTATCOM]

DSTATCOM يك معادل الكترونيكي براي كندانسور سنكرون مي‌باشد. مدار معادل و دياگرام فازي كندانسور سنكرون در شكل (2-6) نشان داده شده است. با تغيير دامنة تحريك(يا جريان ميدان)، مي‌توان هم مقدار و هم جهت توان راكتيو توليد شده توسط كندانسور سنكرون را تغيير داد. به اين صورت كه اگر جريان تحريك تا جايي كه دامنة ولتاژ كندانسور سنكرون بيشتر از ولتاژ معادل سيستم ac شود(E>U)، افزايش داده شود، جريان از ميان راكتانس سنكرون و مقاومت سيم پيچي كندانسور سنكرون به سمت سيستم ac جاري مي‌شود و كندانسور سنكرون توان راكتيو را براي سيستم ac توليد مي‌كند(خازني).

شکل 2-6 : مدار معادل و دياگرام فازي كندانسور سنكرون[7]

اگر جريان تحريك تا حدي كاهش داده شود كه ولتاژ كندانسور سنكرون از ولتاژ سيستم ac كمتر شود(E<U)، بنابراين جريان از ميان راكتانس و مقاومت سيستم ac به سمت كندانسور سنكرون جاري مي‌شود و كندانسور سنكرون توان راكتيو را از سيستم ac جذب مي‌كند(سلفي). اگر دامنة ولتاژ كندانسور سنكرون برابر با ولتاژ معادل سيستم ac باشد(E=U)، تبادل توان راكتيو برابر صفر مي‌باشد.

اگر مقاومت استاتور(R) از راكتانس سنكرون(Xs) خيلي كوچكتر باشد، زاوية بسيار كوچك مي‌شود و و در اصل هم‌فاز مي‌شوند. عمدة پخش توان در ماشين سنكرون براي غلبه بر تلفات ماشين مي‌باشد.

2-4-2 اصول عمليات DSTATCOM‌

DSTATCOM مدل حالت استوار مبدل قدرت SVC مي باشد. مفهوم DSTATCOM توسط گايوگي در سال 1976 پيشنهاد شده است. در كاربرد به عنوان يك SVC موازي متصل شده، مي‌توان جريان خروجي سلفي يا خازني را به صورت مستقل از ولتاژ باسac متصل شده به آن كنترل كرد. به علت مشخصات كليدزني سريع مبدل‌هاي قدرت،‌ DSTATCOM پاسخ سريعتري نسبت به SVC فراهم مي‌كند. همچنين DSTATCOM حاشية پايداري ولتاژ و دامنة ولتاژ را در گره‌هاي مجاور بهبود مي‌بخشد[10]. در مجموع، در صورت تغييرات سريع در ولتاژ سيستم، ولتاژ خازن نمي‌تواند به صورت آني تغيير كند؛ بنابراينDSTATCOM به صورت موثر براي دستيابي به پاسخ‌ مطلوب واكنش نشان مي‌دهد. براي مثال، اگر ولتاژ سيستم به هر دليلي افت كند، تمايل DSTATCOM به تزريق قدرت خازني براي تقويت ولتاژهاي پايين آمده وجود دارد.

به طور فرض، مبدل قدرت به كار رفته در DSTATCOM مي تواند هر دوي مبدل منبع ولتاژ (VSC) و مبدل منبع جريان (CSC) باشد. به هر حال، در عمل VSC ترجيح داده مي‌شود زيرا وسايل نيمه هادي قدرت در CSCها بايد قابليت بلوك كردن ولتاژ در دو جهت را داشته باشند. براي دستيابي به اين نوع مشخصة سوييچ زني، يك ديود اضافي بايد به صورت سري با يك سوييچ نيمه‌هادي مرسوم قرار بگيرد، وگرنه ساختار فيزيكي نيمه‌هادي بايد اصلاح شود. VSCها با بازده بهتري نسبت به CSCها مي‌توانند كار كنند ، در صورتيكه CSCها در كاربردهاي توان بالا بيشتر مورد استفاده قرار مي‌گيرند. با توجه به اينکه مبدل‌هاي VSC در کاربرد DSTATCOM مرسوم‌تر مي‌باشند در اين فصل صرفاً به بررسي DSTATCOM هايي كه از مبدل‌هاي VSC استفاده مي‌كنند، مي‌پردازيم. يك VSC مناسب بر اساس ملاحظات زير انتخاب مي‌شود:

ولتاژ نامي شبكة قدرت، هارمونيك جريان مورد نياز، پيچيدگي سيستم كنترل و غيره.

به طور كلي، سيستم DSTATCOM از سه بخش اصلي تشكيل شده است: يك VSC، يك مجموعه از راكتورهاي اتصال يا يك ترانسفورماتور افزاينده و يك كنترل كننده. در يك سيستم با ولتاژ بسيار بالا، اندوكتانس‌هاي نشتي ترانسفورماتورهاي افزايندة قدرت را مي‌‌توان به عنوان راكتورهاي اتصال به كار برد. هدف اصلي از راكتورهاي اتصال فيلتر كردن مولفه‌هاي هارمونيكي جريان خروجي مي‌باشد كه به طور عمده توسط ولتاژ خروجي ضرباني مبدل‌هاي قدرت توليد مي‌شود. DSTATCOM به شبكه‌هاي قدرت در نقطة اتصال مشترك[18](PCC) متصل شده است، در جايي كه مسئلة كيفيت ولتاژ مورد توجه قرار داشته باشد. همة ولتاژها و جريان‌هاي مورد نياز، اندازه گيري شده و به كنترل‌كننده براي مقايسه با مقادير مرجع تزريق مي‌شوند. كنترل‌كننده سپس كنترل فيدبك را انجام مي‌دهد و يك مجموعه از سيگنال‌هاي كليد زني را براي تحريك سوييچ‌هاي نيمه‌هادي اصلي مبدل قدرت توليد مي‌كند. دياگرام تك خطي سيستم DSTATCOM در شكل (2-7) نشان داده شده است. به طور كلي، VSC شامل يك منبع ولتاژ ايده آل به همراه تلفات داخلي مي‌باشد كه به يك شبكة قدرت ac از طريق راكتورهاي اتصال متصل شده است.

untitled

مربع خالی مبدل منبع ولتاژ است

شکل 2-7 : دياگرام تك خطي مبدل منبع ولتاژ مستقر در STATCOM [5]

در اصل، مبادلة توان اكتيو و راكتيو بين DSTATCOM و سيستم قدرت را مي‌توان به وسيلة تنظيم دامنه و فاز ولتاژ خروجي مبدل تنظيم كرد. در مورد يك مبدل قدرت بدون تلفات، ولتاژ خروجي مبدل طوري كنترل مي‌شود كه با ولتاژ شبكة قدرت هم‌فاز باشد. در اين مورد هيچ توان اكتيوي در DSTATCOM به گردش در نمي‌آيد؛ بنابراين به يك منبع توان اكتيو نياز نمي‌باشد. براي عملكرد DSTATCOM در حالت خازني يا توليد توان راكتيو (+Q)، دامنة ولتاژ خروجي مبدل بايد بزرگتر از ولتاژ PCC باشد. در مقابل، براي جذب توان راكتيو يا عملكرد DSTATCOM در حالت سلفي(-Q) دامنة ولتاژ خروجي مبدل بايد طوري كنترل شود كه كمتر از ولتاژ سيستم در PCC شود. هر چند در عمل، به خاطر كليدهاي نيمه‌هادي قدرت غير‌ايده‌آل و مولفه‌هاي پسيو، مبدل با تلفات داخلي نيز همراه مي‌باشد. در نتيجه بدون استفاده از يک روش کنترلي صحيح، ولتاژ خازن براي جبران اين تلفات دشارژ خواهد شد و به صورت پيوسته دامنه‌اش كاهش مي‌يابد. براي تنظيم كردن ولتاژ خازن، يك اختلاف فاز کوچک بين ولتاژ مبدل و ولتاژ سيستم قدرت ايجاد مي‌شود. ولتاژ کمي پس‌فاز مبدل نسبت به ولتاژ PCC باعث مي‌شود كه توان اكتيو از سيستم قدرت به سمت DSTATCOM جاري شود. در صورتيكه ولتاژ مبدل نسبت به ولتاژ در PCC پيش فاز باشد، توان اكتيو از DSTATCOM به شبكة قدرت، با كنترل ولتاژ مبدل منتقل مي‌شود. شكل (2-8) دياگرام فازوري ولتاژ PCC، جريان و ولتاژ خروجي مبدل در تمام چهار ناحية صفحة PQ را نشان مي‌دهد.

شکل 2- 8 : دياگرام فازوري براي مبادلات قدرت در كاربردهاي STATCOM [5]

از شكل (2-7) و شكل (2-8)، توان اكتيو (P) فراهم شده براي DSTATCOM را مي توان از رابطة زير به دست آورد :

(1-6)

به طوريكه زاويه فاز بين Vo و Vpcc مي‌باشد.

به طور مشابه، توان راكتيو تحويل داده شده توسط DSTATCOM از رابطة زير به دست مي‌آيد :

(1-7)

بر اساس معادلة (1-6)، توان اكتيو را مي‌توان با تغيير زاوية فاز براي شارژ و دشارژ خازن‌هاي ذخيره‌سازي در STATCOM كنترل كرد. معادلة (1-7) نشان مي‌دهد كه توان راكتيو به وسيلة تغيير دامنة ولتاژ خروجي STATCOM كنترل مي‌شود تا بتوان توان راكتيو پيش فاز يا پسفاز را به سيستم تحويل داد.

به خاطر اصول عملياتي، DSTATCOM مي‌تواند جريان سلفي يا خازني اسمي را حتي زمانيكه ولتاژ سيستم پايين است فراهم كند. اين قضيه يكي از مزاياي بزرگ DSTATCOM در مقابل TSCها يا TCRهاي مرسوم مي باشد كه در آنها جريان ها به صورت خطي با ولتاژ سيستم كاهش مي يابد. يك مقايسة تئوري بين مشخصه هاي V-I حالت دائمي بين يك TSC، يك TCR و يك DSTATCOM در شكل (2-9) نشان داده شده است. نكته اينكه، در هر دو ناحية سلفي و خازني، DSTATCOM همچنين قابليت 20% اضافه بار گذرا را براي يك مدت كوتاه(معمولاً چندين سيكل خط) دارا مي باشد.

ولتاژ سيستم

شکل 2-9 : مقايسۀ مشخصه هاي حالت دائمي V-I [9]

براي مثال يك مبدل قدرت 6 پالسه مبتني بر GTO كه يكي از ساده ترين انواع قابل اجراي مبدل قدرت مي‌باشد به همراه شكل‌موج ولتاژ خروجي خط به خط آن در شكل (2-10) نشان داده شده است. در عمل، يك شكل‌موج شبه مربعي مانند اين، هنگامي كه به يك خط انتقال متصل مي‌شود هارمونيك‌هاي جريان غير‌قابل قبولي را توليد مي‌كند. در نتيجه يك DSTATCOM عملي، بايد از بعضي از تكنيك‌ها براي كنترل هارمونيك‌ها استفاده كند. روش‌هايي كه در بسياري از اين مبدل‌ها استفاده مي‌شود عبارتند از: استفاده از خروجي‌هاي چند مبدل كه با تغيير فازهاي مناسب با هم تركيب شده‌اند تا بتوان شكل‌موج برآيند تقريباً سينوسي ايجاد كرد[7]، استفاده از روش كليدزني نوع PWM و(يا) استفاده از مبدل‌هاي چند سطحي براي بهبود هارمونيك ها. در فصل‌هاي بعد هر دو روش بالا توضيح داده مي‌شود. در ادامه به مزاياي DSTATCOM نسبت به SVC اشاره خواهد شد.

دياگرام فازوري STATCOM

شکل 2-10 : اساس DSTATCOM با يك اينورتر 6 پالسۀ ابتدايي[7]

2-4-3 مقايسۀ ميان DSTATCOM و SVC ]7]

به هر حال اصول اساسي عملكرد DSTATCOM كه با مولد توان راكتيو مبتني بر مبدل‌هاي قدرت به صورت منبع ولتاژ سنكرون موازي بسته شده، عمل مي‌كند با SVC كه با راكتورهاي كنترل شده توسط تريستور و خازن‌هاي سوييچ شده با تريستور به صورت يك ادميتانس راكتيو كنترل شده و موازي بسته شده عمل مي‌كند، از نظر بنيادي متفاوت است. اين تفاوت بنيادي در عملكرد(منبع ولتاژ در مقابل ادميتانس راكتيو) باعث مي‌شود كه DSTATCOM در مشخصات عملياتي برتر باشد و كاركرد بهتر و انعطاف پذيري بيشتري نسبت به SVC داشته باشد.در زير مشخصه‌هاي عملياتي و كاركردي هر دو جبران‌ساز با ذكر دلايل فيزيكي آنها با هم مقايسه شده است.

2-3-4-1 مشخصه‌هاي V-I و V-Q

DSTATCOM در اصل يك منبع ولتاژ متناوب در پشت يك راكتانس اتصال مي‌باشد كه مشخصه‌هاي V-I وV-Q آن به ترتيب در شكل‌‌هاي (2-11-الف) و (2-12-الف) نشان داده شده است. اين شكل‌ها نشان مي‌دهند كه DSTATCOM مي‌تواند در محدودة كامل جريان خروجي خود حتي در ولتاژهاي بسيار كم (از نظر تئوري در حد صفر) و نوعاً در حدود 2/0 پريونيت ولتاژ سيستم، كار كند. به عبارت ديگر حداكثر جريان خروجي خازني يا سلفي DSTATCOM مي‌تواند مستقل از ولتاژ سيستم حفظ شود .

بر عكس DSTATCOM ،SVC كه از خازن‌ها و راكتورهاي سوييچ شونده با تريستور تشكيل شده، در خروجي كامل تبديل به يك ادميتانس خازني ثابت مي‌شود. بنابراين حداكثر جريان جبران‌سازي قابل حصول در SVC به صورت خطي با ولتاژ ac سيستم كاهش مي‌يابد و همان‌طور كه به‌ترتيب در شكل‌هاي (2-11-ب) و (2-12-ب) نشان داده شده، حداكثر توان راكتيو خروجي با مجذور اين ولتاژ كاهش مي‌يابد. بنابراين DSTATCOM از نظر تامين پشتيباني ولتاژ تحت اغتشاش‌هاي بزرگ سيستم كه در زمان وقوع آن‌ها تغييرات ولتاژ خارج از محدودة عملكرد خطي جبران‌ساز است، بر SVC برتري دارد. قابليت تامين حداكثر جريان جبران‌سازي در ولتاژ كاهش يافته سيستم، DSTATCOM را قادر مي‌سازد كه در انواع كاربردها همان جبران‌سازي ديناميكي يك SVC را كه توان نامي به مراتب بيشتري دارد انجام دهد.

همان‌طور كه شكل‌هاي (2-11-الف) و (2-12-الف) نشان مي‌دهند، DSTATCOM بسته به نيمه‌هادي قدرتي كه در آن به كار رفته مي‌تواند توان نامي بيشتري هم در محدودة كاري سلفي و خازني داشته باشد.(SVC هيچ روشي براي افزايش توليد توان راكتيو در وضعيت گذرا ندارد، زيرا حداكثر جريان خازني كه مي‌تواند بكشد دقيقاً با اندازة خازن و مقدار ولتاژ سيستم تعيين مي‌شود). حداكثر اضافه جريان گذراي قابل حصول DSTATCOM در محدودة خازني با قابليت قطع حداكثر نيمه‌هادي‌هاي قدرت( مثلاً GTO) مورد استفاده تعيين مي‌شود.

Picture
شکل 2-11: مشخصۀ V-I يك STATCOM (الف) و يك SVC (ب)[6]
Picture 001
شکل 2-12 : مشخصۀ V-Q يك STATCOM (الف) و يك SVC (ب)[6]

2-4-3-2 پايداري گذرا

توانايي DSTATCOM در حفظ جريان خروجي كامل خازني در ولتاژهاي كم سيستم نيز آن را ثمربخش‌تر از SVC در اصلاح پايداري گذرا (نوسان اول) مي‌نمايد. موثر بودن DSTATCOM در افزايش توان قابل انتقال در شكل (2-13-الف) نشان داده شده، كه در آن توان انتقال يافتهدر برابر زاويه انتقال براي مدل معمول دوماشينه، در مقادير نامي خازني مختلف كه با حداكثر جريان خروجي خازني مشخص شده است، آمده است. رابطة معادلدر برابر براي SVC به منظور مقايسه در شكل (2-13-ب) نشان داده شده است.

Picture 002
شکل 2-13 : توان انتقال يافته در برابر زاويه انتقال يك سيستم دوماشينه با نقطۀمياني مجهز به DSTATCOM(الف) و SVC(ب) كه در توان‌هاي نامي متفاوتي به دست آمده‌اند[6]

مي‌توان مشاهده كرد كه DSTATCOM درست مانند SVC تا رسيدن به حداكثر جريان خروجي خازن، شبيه به يك جبران‌ساز موازي نقطة مياني ايده‌آل با رابطة P در برابر همانند رابطة رفتار مي‌كند. از اين نقطه به بعد DSTATCOM مستقل از افزايش بيشتر زاوية و تغيير ولتاژ نقطة مياني ناشي از آن (بر خلاف SVC كه به صورت ادميتانس خازني ثابت عمل مي‌كند) به تامين اين جريان خروجي خازني ادامه مي‌دهد. در نتيجه، از كاهش سريع توان انتقال يافته P در ناحية كه مشخصة انتقال توان سيستم جبران‌سازي SVC است اجتناب شده و محدودة قابل حصول كه نمايان‌گر اصلاح در حد پايداري است، به ميزان قابل توجهي افزايش مي‌يابد.

افزايش حد پايداري قابل حصول در DSTATCOM نسبت به يك SVC كه داراي همان مقدار نامي باشد، به روشني با استفاده از معيارهاي “سطح معادل” در شكل‌هاي (2-14-الف و ب) نشان داده شده است.

سيستم ساده دو ماشينه‌اي را در نظر بگيريد كه در نقطة وسط توسط يك DSTATCOM و يك SVC با مقادير نامي توان راكتيو يكسان جبران‌سازي شده است.

Picture 003
شکل 2-14 : اصلاح پايداري گذرا با استفاده از يك STATCOM(الف) و يا يك SVC(ب)در نقطۀمياني و در يك مقدار توان راكتيو نامي معين[6]

فرض شده است كه سيستم در حاليكه كه توان الكتريكي حالت ماندگار P1 را با زاوية 1 منتقل مي‌كند در معرض خطايي قرار گيرد كه در طول مدت آن P1 به صفر مي‌رسد. در طول دورة خطا ماشين طرف توليد كننده شتاب مي‌گيرد (به دليلي توان ورودي مكانيكي ثابت)، و انرژي جنبشي – كه با سطح سايه‌دار زير خط ثابت P1 نشان داده شده است- را جذب مي‌كند، و 1 به c افزايش مي‌يابد. به اين ترتيب هنگامي كه سيستم اصلي پس از برطرف شدن خطا بازيابي مي‌شود، توان انتقال يافته به دليل زاوية انتقال بزرگتر c بسيار بيشتر از P1 مي‌شود. در نتيجه، ماشين طرف توليد كننده شروع به كاهش شتاب مي‌كند، اما شتاب بيشتر افزايش مي‌يابد تا اين كه ماشين تمام انرژي جنبشي جذب كرده در مدت خطا را از دست بدهد. انرژي جنبشي بازيافتي با سطح سايه‌دار بين منحني P1 در برابر و خط ثابت توان P1 نشان داده شده است. باقيمانده سطح غير سايه دار زير منحني P در برابر   و بالاي خط ثابت توان P1 ، تامين كنندة حد پايداري گذرا است. همان‌گونه كه مي‌توان مشاهده كرد حد پايداري گذراي حاصل شده توسط DSTATCOM به دليل پشتيباني بهتر از نقطة ولتاژ مياني به ميزان قابل توجهي بزرگتر از آن حدي است كه با SVC داراي همان مقدار نامي توان راكتيو قابل حصول است. البته مفهوم اين امر آن است كه اگر جبران‌سازي موازي با DSTATCOM انجام شود، توان قابل انتقال بيشتر از وقتي است كه SVC مورد استفاده قرار بگيرد يا در حد پايداري مشابه، توان نامي DSTATCOM مي‌تواند كمتر از SVC باشد.

2-4-3-3 زمان پاسخ

زمان پاسخ قابل حصول در كنترل حلقه بستة ولتاژ در DSTATCOM به ميزان چشمگيري بهتر از SVC مي‌باشد. اگر چه تابع تبديل حلقة بستة تنظيم ولتاژ در هر دو جبران‌ساز را مي‌توان با فرمول بيان كرد ، ولي ثابت زماني Td در تابع انتقال G2 ( كه شاخص ذاتي “تاخير انتقال” در مدارهاي قدرت DSTATCOM و SVC است) براي DSTATCOM تا چند برابر كمتر از SVC است.يعني مقدار آن نوعاً كمتر از 200 تا 350 ميكروثانيه براي DSTATCOM و بين 5/2 تا 5 ميلي ثانيه براي SVC است (بعلت سرعت سوئیچینگ بالاتر کلیدها در DSTATCOM نسبت به SVC).

2-4-3-4 قابليت تبادل توان حقيقي

در كاربردهايي كه نياز به جبران‌سازي توان حقيقي دارند، واضح است كه DSTATCOM مي‌تواند بر خلاف SVC واسطة مناسب ذخيره‌سازي انرژي با سيستم ac به منظور تبادل توان حقيقي باشد. يعني اينكه DSTATCOM قادر است توان حقيقي كنترل شده را از يك منبع انرژي(خازن بزرگ، باطري، پيل سوختي و غيره) از طرف ترمينال dc خود كشيده و آن را به صورت توان ac به سيستم تحويل دهد. اين قابليت بالقوه ابزار جديدي را براي جبران‌سازي ديناميكي، اصلاح بازدهي سيستم قدرت و عملاً جلوگيري از قطع توان فراهم مي‌كند.

تبادل توان حقيقي و راكتيو بين DSTATCOM و سيستم ac مي‌تواند مستقل از يكديگر كنترل شود و هر تركيبي از توليد و جذب توان حقيقي و توليد و جذب توان راكتيو قابل حصول است. بايد توجه كرد كه براي اغتشاش‌هاي ديناميكي كوتاه مدت يك دستگاه مصرف كنندة انرژي (مثل يك مقاومت سوييچ شونده) مي‌تواند به صورت موثرتري به جاي دستگاه گران‌قيمت‌تر ذخيره‌ساز انرژي، همراه با DSTATCOM به منظور جذب توان از سيستم ac به كار رود. با اين طرح ساده، DSTATCOM انرژي را از سيستم ac به ترمينال‌هاي dc منتقل خواهد كرد و در آن‌جا هرگاه مقدار انرژي اضافي شناسايي شود(مثلاً با افزايش ولتاژ dc ) توسط دستگاه مصرف كنندة انرژي كه به داخل مدار سوييچ مي‌شود، تلف خواهد شد.

2-4-3-5 ابعاد فيزيكي و نصب

از ديدگاه نصب فيزيكي، DSTATCOM نه‌تنها توان راكتيو خروجي(خازني و سلفي) را كنترل مي‌كند، بلكه آن را در درون خود توليد مي‌كند و به خازن‌هاي بزرگ و بانك‌هاي راكتور و حفاظت‌هاي مرسوم در SVC ها احتياج ندارد. نتيجة اين امر كاهش چشمگير در ابعاد كلي (در حدود 30 تا 40 درصد) و نيز نيروي انساني و هزينه‌ها مي‌باشد. ابعاد فيزيكي كوچك DSTATCOM استفاده از آن را در مناطقي كه هزينة زمين در اهميت اول است و يا كاربردهايي كه در اثر تغييرات پيش بيني نشدة سيستم ممكن است جابه‌جايي تاسيسات الزام‌آور باشد، مناسب مي‌سازد.

نشر این پست با ذکر منبع به صورت https://www.matlabi.ir بلامانع است.

انجام پروژه متلب در زمینه ادوات فکس و دی استتکام توسط مجریان متخصص متلبی

  1. 1- Flexible AC Transmission Systems
  2. 1-Thyristor Controlled Series Compensators
  3. 2-Static Var Compensator
  4. 3- Static Synchronous Compensator
  5. 1- Point of Common Coupling
  6. 2-Thyristor-controlled reactor
  7. 1- Saturated reactor
  8. 2- Thyristor-switched reactor
  9. 1- Thyristor-switched capacitor
  10. 2- Thyristor-controlled transformer
  11. 3- Fixed Capacitor
  12. 1- Partial
  13. 1- Voltage Source Converter
  14. 2- Current Source Converter
  15. 1- Gyugyi
  16. 2- Sullivan
  17. 3- Gate-Turn-Off thyristors
  18. 1- Point of Common Coupling
0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

برای امنیت، استفاده از سرویس reCAPTCHA گوگل مورد نیاز است که موضوع گوگل است Privacy Policy and Terms of Use.

من با این شرایط موافق هستم .