بهبود پایداري شبکه قدرت با استفاده از TCSC در خط انتقال

Transcript

1 و بهبود پایداري شبکه قدرت با استفاده از در خط انتقال 3 علی شاهمرادي غضنفر شاهقلیان بهادر فانی محمد آبادي دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آبادalishahmorai365@gmail.com دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد shahgholian@iaun.ac.ir 3 دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد bahor-fani@yahoo.com چکیده : کاربرد خازنهاي سري کنترل شونده بعنوان یکی از تجهیزات سیستمهاي انتقال انعطاف پذیر (FACTS) در حال گسترش روزافزونی می باشد. بدین جهت براي بررسی عملکرد و کارآیی این وسیله در پایداري و کنترل سیستمهاي قدرت ساختار کنترل چند منظوره براي پیشنهاد می گردد. مدل بلوك دیاگرام یک با استفاده از معادلات غیر خطی براي سیستم تک ماشینه متصل به شین بینهایت (SMIB) و نیز مدل هاي کنترل کننده نیز اراي ه شده است.همچنین مفهوم پایداري از دیدگاه سیستم تولید یا همان ژنراتور نیز با وجود پایدار ساز سیستم قدرت (PSS) مورد مطالعه قرار گرفته است. در ادمه یک سیستم تک خطی SMIB با نصب PSS در ژنراتور و MATLAB/SIMULINK در خط انتقال در محیط شبیه سازي شده و نتایج عملی پیرامون بررسی پایداري شبکه اراي ه شده است. کلمات کلیدي : پایدارسازي پایداري سیگنال کوچک خازن سري کنترل شونده شبیه سازي نوسانات فرکانس پایین توسعه هاي اخیر در الکترونیک قدرت منجر به اراي ه و معرفی.مقدمه مسي له پایداري سیتم هاي قدرت یکی از مهمترین مساي لی است که در سال هاي اخیر مورد توجه قرار می گیرد., وقتی دو واحد تولیدي بزرگ با یک خط انتقال نسبتا ضعیف به هم متصل شوند نوسانات توان با فرکانس کم بین آن دو مشاهده می شود. این نوسانات اگر به موقع دمپ نشوند منجر به ناپایداري کل شبکه خواهد شد. براي مواجه با این مسي له تجهیزات الکترونیک قدرت موسوم به کنترل کننده هاي سیستم هاي انتقال AC انعطاف پذیر FACTS) ( در شبکه مورد استفاده قرار می گیرد. کنترل تحریک ژنراتور سنکرون یکی از مهمترین موثرترین و اقتصادي ترین روش ها براي افزایش و بالا بردن پایداري و میرا کردن نوسانات الکترومکانیکی فرکانس پاي ین در طی شرایط اختلال سیستم هاي قدرت می باشد.در حال حاضر سیستم هاي تحریک ژنراتور براي بالا بردن میرایی و گسترش محدودیت هاي انتقال قدرت و در نتیجه تضمین عملیات ایمن و پایدار از سیستم قدرت استفاده می شوند.با این حال کنترل تحریک با محدودیت هاي جریان تحریک و ثابت زمانی سیم پیچ تحریک محدود می شود و موقعی که یک خطاي بزرگ در سیستم رخ دهد ژنراتور تنها بوسیله کنترل جریان تحریک نمی تواند سنکرونیزم خود را حفظ نماید. سیستم هاي انتقال انعطاف پذیر AC هاي قدرت شده است.ادوات FACTS شبکه به روش بسیار سریعی می باشند ( FACTS) FACTS در سیستم قادر به کنترل وضعیت.از این مزیت ادوات می توان براي بهبود پایداري سیستم قدرت استفاده نمود. یکی از اعضاي مهم خانواده FACTS است که به طور فزاینده اي در سیستم هاي قدرت مدرن با خطوط انتقال بلند مورد استفاده قرار می گیرد.این بخش مهم می تواند داراي قواعد مهمی در بهره برداري و کنترل سیستم هاي قدرت از : قبیل برنامه ریزي پخش بار کاهش تلفات خالص فراهم نمودن ولتاژ قابل اطمینان محدود کردن جریان هاي اتصال کوتاه کاهش رزنانس زیر سنکرون SSR و میرا نمودن نوسانات قدرت و بهبود پایداري گذرا باشد[ ].توضیحات مفصل در مورد کنترل کننده هاي FACTS در مراجع ] 3] داده شده است.تخمین پارامترهاي و تنظیم کنترل آن خود مسي له بسیار مهمی است و روش هاي مختلفی براي این کار اراي ه شده است.در [5] روش مبتنی بر مقادیر ویژه براي تحلیل و کنترل پارامترهاي استفاده می شود. [] در سازي چند منظوره استفاده می شود. براي تخمین و تنظیم از الگوریتم ژنتیک مبتنی بر روش بهینه ١٠١٦

2 شود.به طوري که min max. مروري بر توان اکتیو انتقالی طبق رابطه زیر به راکتانس خط انتقال وابسته است : v v P sin( ) () بنابراین با تنظیم امپدانس سري شبکه می توان توان انتقالی را تغییر داد. با استفاده از کنترل کننده هاي تریستوري می توان به این امر مهم دست یافت. یکی از مهمترین این کنترل کننده ها می باشد.مدار پایه از جبران کننده سري کنترل شده با تریستور( ) در شکل نشان داده شده است. این ساختار شامل یک جبران کننده خازنی است که با یک راکتور که توسط تریستور کنترل می شود می باشد. در عمل را به صورت سري با خط انتقال براي بدست آوردن ولتاژ نامی مطلوب و مشخصه هاي کاري مناسب پیاده سازي می کنند. تغییر می کند به طوي که( (αmin max = c= min خواهد بود. در این = (α=80) مطالعه فرض می شود که کنترل کننده فقط در منطقه خازنی کار می کند یعنی مطابقت دارد. α min>αr جایی که αr با نقطه رزنانس شکل. تغییرات را برحسب تغییرات زاویه آتش α روابط زیر را در مورد شکل. در مورد جریان ها داریم : ( ) Vc ic t C t it ( T ) V ( t) L t () (3) شکل. مدار اصلی یک i ( t) i ( t) i ( t) s T c (4) i ( ) T که در روابط( ) تا( 4 ) ic t و (T ( اي جریان خازن و سلف موازي آن هستند بر اساس تغییرات زاویه آتش ترسیتور ها (α) یا زاویه هدایت( σ ) این فرایند می تواند به عنوان یک سوي یچ سریع در تطابق با راکتانس مربوط به سیستم قدرت مدلسازي شود. شکل. تغییرات را برحسب تغییرات α (زاویه آتش تریستور ها) را نشان می دهد.درجه جبران سازي سري بوسیله کاهش یا افزایش پریود هدایت تریستور ها و در نتیجه جریان عبوري از TCR کنترل می شود.زاویه آتش α از TCR به عنوان اختلاف زاویه الکتریکی بین ولتاژ مثبت عبور کننده از صفر و جریان عبور کننده از صفر تعریف می شود. در زوایاي آتش کوچکتر از 90 درجه کنترلی روي جریان سلفی نداریم و همچنین زوایاي بالاي 80 درجه براي آتش تریستورها به خاطر محدودیت آتش شدن متقارن تریستور ها مجاز نمی باشند. مدل سازي شده در اینجا به عنوان یک راکتانس خازنی متغییر داخل منطقه کاري بوسیله محدودیت هاي α تعریف می اي جریان کل خط انتقال و می باشد تریستور.با توجه به شکل به ترتیب مقادیر لحظه is مقدار لحظه ( t). ولتاژ لحظه اي دو سر V ( (t it ( T) را به صورت زیر نوشت[ 6 ]: می توان جریان حالت داي می k cos( / ) it ( t) I (cos cos ) cm t rt k cos( k / ) / t / ( 5) ولتاژ لحظه اي خازن به صورت زیر تعریف می شود: Icm c k cos( / ) Vc ( t) [ sin t ] rt ( 6) k cos( k / ) ١٠١٧

3 مولفه اساسی ولتاژ به صورت زیر قابل محاسبه می باشد : / 4 V ( )sin. CF Vc t t t ( 7) 0 با فرض اینکه جریان عبوري از سینوسی است راکتانس القایی معادل در فرکانس اساسی می تواند به عنوان راکتانس متغییر نشان داده شود.یک رابطه حالت ماندگار بین α و وجود دارد این رابطه به معادله زیر بیان می شود[ 7 ]. ولتاژ داخلی ژنراتور می باشد.معادلات حالت به صورت زیر بیان می شوند [4]. [ Pm Pe D( )] / M t ( 9) ( ) b t ( 0) VT V jvq ( ) IT i jiq ( ) جایی که Pm وPe به ترتیب قدرت هاي ورودي و خروجی ژنراتور می باشند M و D به ترتیب ثوابت اینرسی و میرایی می باشند سرعت سنکرون Vt ترمینال I ولتاژ جریان, به wb ترتیب زاویه رتور و سرعت می باشند.. x VCF c sin 4c ( ) c. I c p c p cm cos ( / ) K tan( K / ) tan( / ) K (8) جایی که: راکتانس نامی خازن ثابت با ظرفیت c راکتانس القایی سلف l که به صورت موازي با خازن c متصل c l شده است. زاویه هدایت کنترل کننده σ =(π-α) شکل 3. سیستم قدرت تک ماشینه SMIB با مولفه هاي محور هاي و q از جریان آرمیچر I به صورت زیر r k نسبت جبران سازي می باشد. c P جریان ماکزیمم بخش خازنی محاسبه می شوند : I cm فرکانس شبکه فرکانس کلید زنی 3. مدل سازي. 3. مدل سازي سیستم تک ماشینه با سیستم تک ماشینه نشان داده شده در شکل 3. در این مطالعه در نظر گرفته شده است.ژنراتور داراي بار محلی با ادمیتانس Y=G+JB و خط انتقال داراي امپدانس Z=R+J می باشند.در این شکل Vt و Vb به ترتیب ولتاژ خروجی ژنراتور و ولتاژ باس بینهایت می باشند.ژنراتور سنکرون بوسیله مدل مرتبه سوم خطی می شود که شامل معادلات نوسان الکترومکانیکی و معادله i y V R sin B E q (3) i q y q Z e R cos جایی که : y ( C C R ) / Z, y ( C R C ) / Z e q e C RG B, C RB G, ( ) eff C, C, R R C eff q eff R R C, Z R R q e r ١٠١٨

4 و] و] قدرت Pe و ولتاژ داخلی تعریف می شوند : (4) E q و ولتاژ ترمینال Vt به صورت زیر هنگام وقوع خطا مسي له ساز است استفاده از این کنترل کننده مناسب نیست. 3. ساختار مبتنی بر کنترل کننده Lea-Lag معمولترین مدل مورد استفاده براي مدل مبتنی بر P E qi ( ) i i e q q q کنترل کننده Lea-Lag است. تابع انتقال در این مدل در شکل. 5 نشان داده شده است [9 :[0] E q [ E E q ( ) i ] / T t f o V ( i ) ( E q i ) T q q (5) (6) E f در معادلات بالا ولتاژ میدان T ثابت زمانی مدار یاز o, میدان به ترتیب راکتانس محور و راکتانس گذراي محور ژنراتور می باشند. مدل تحریک پیاده شده از نوع IEEE-ST شکل 4. نشان داده شده است. می باشد که در شکل 5. بلوك دیاگرام تابع انتقال در مدل مبتنی بر کنترل کننده Lea-Lag شکل 4. مدل تحریک نوع STA طبق استاندارد IEEE رابطه سیستم تحریک بالا به صورت زیر تعریف می شود : این ساختار تشکیل شده است از یک بلوك بهره Kt یک بلوك حذف سیگنال با ثابت زمانی T T و دو بلوك جبران ساز فاز دو مرحله اي.بلوك حذف سیگنا مانند یک فیلتر پایین گذر عمل می کند و ثابت زمانی T T آن به اندازه اي بزرگ است که سیگنال ورودي فرکانس پایین را بدون تغییر عبور دهد. بلوك دیاگرام مربوط به ساختار یک مدل مبتنی بر کنترل کننده Lea-Lag نهایتا به صورت شکل 6. قابل پیاده سازي است[ 7.[3] E [ K ( V V ) E ] / T t f A ref T f A (7) جایی که T, K بهره و ثابت زمانی سیستم تحریک می باشند A A V ref ولتاژ مرجع می باشد. 3. مدل سازي ساختار کنترل کننده بر اساس دو مدل معروف براي کنترل کننده هاي شناخته شده است : مدل مبتنی بر کنترل کننده پیش فاز-پس فاز و مدل مبتنی بر کنترل کننده PID [ 7 ].مدل دیگري هم موسوم به کنترل کننده Bang-Bang در [8] معرفی شده است که در واقع کنترل کننده on-off خطی است و چون در سیستم هاي واقعی عموما خطرات دینامیکی با رفتار غیر خطی در شکل 6. ساختار یک مدل مبتنی بر کنترل کننده Lea-Lag در شکل 6. ورودي کنترل کننده اختلاف فرکانسی است که باعث ایجاد نوسانات توان در خط انتقال می شود و خروجی راکتانس قابل تنظیمی است که توسط راکتانس خط اضافه می شود تا این نوسانات را خنثی کند. به ١٠١٩

5 3.. ساختار مبتنی بر کنترل کنندهPID بلوك دیاگرام ساختار مبتنی بر کنترل کنندهPID در شکل 7. قابل مشاهده است. شکل a.9 تغییرات زاویه دلتا پس از ایجاد خطا و پایدار شدن آن با کنترل کننده Lea-Lag شکل 7. ساختار مبتنی بر کنترل کننده PID براي تخمین ضرایب ثابت بلوك هاي تشکیل دهنده هر دو ساختار روش هاي بسیاري اراي ه شده است. یکی از متداولترین این روش ها تخمین و بهینه سازي این ضرایب به کمک الگوریتم ژنتیک است که در [] و [] و [9] و [3] در مورد آن بحث شده است. 4. مدل سازي و شبیه سازيPSS در تولید ورودي PSS تغییرات سرعت زاویه رتور ژنراتور سنکرون است و بر اساس این تغییر سرعت سیگنالی به صورت ولتاژ( Vs ) از طرف PSS براي بخش تحریک ارسال می گردد.با توجه به آن چه در [] آمده است می توان یک سیستم تولید (ژنراتور و محرك) را به همراه PSS به صورت شکل زیر مدل نمود. شکل b.9 تغییرات زاویه دلتا پس از ایجاد خطا و ناپایدار شدن سیستم Lea-Lag.5 مدل سازي و شبیه سازي براي شبکه SMIB PSS و با مدل خطی سازي شبیه سازي شده در سیمولینک مطلب در شکل 0. نشان داده شده است. شکل 0. شبیه سازي PSS با درمحیط MATLAB/SIMULINK شکل 8. شبیه سازي PSS درمحیط MATLAB/SIMULINK نتایج بررسی اثر PSS براي مدل شکل 8. وپاسخ حلقه بسته سیستم به ورودي پله واحد در شکل 9. قابل مشاهده است. شبیه سازي PSS درمحیط MATLAB/SIMULINنتایج بررسی اثر PSS به همراه براي مدل شکل 0. وپاسخ حلقه بسته سیستم به ورودي پله واحد در شکل 3 و 4, قابل مشاهده است. ١٠٢٠

6 پیوست A مشخصات سیستم تک ماشینه متصل به شین بینهایت M=8, D=4.4, =, q =.8, =.3, T =5.044, o F=60, P e =.9,Q=.53, 0 =5.796 KA=0, TA=.0 شکل. تغییرات زاویه دلتا پس از ایجاد خطا و پایدار شدن آن با کنترل مشخصات سیستم تحریک مشخصات کنترل کننده کننده PID Ttcsc=5ms, tcsc0=.3369, α0=58, c=.5x, p=.5c,k=,tcscmax=.8, tcscmin=0 7. مراجع [] P. Kunur, Power System Stability an Control, McGraw-Hill, New York, 994. [] N.G. Hingorani, L. Gyugyi, Unerstaning FACTS: Concepts an Technology of Flexible AC Transmission Systems, IEEE Press, New York, 000. [3] R.K. Aggarwal, A.T. Johns, A. Kalam, Computer moelling of series compensate EHV transmission systems, IEE Proc. Gener. Transm. Distrib. 3 (5) (984) [4] Musthafa. P, Murugesan. G, Transmission Line Stability Improvement Using, (IJAEST) International Journal of Avance Engineering Science an Technologies, VOL No. 3, Issue No., p 70, 0. [5] M.W. Mustafa, MIEEE, Nuraeen Magaji, IEEE Stuent Memberan, Z. Bint Mua, Control of Power System Oscillation an Analysis Using Eigenvalue Techniques, International Journal of Engineering & Technology, IJET VOL: a, No: 0, University Technology Malaysia, Department of Power Engineering, pp 47-50, Malaysia, 007. [6] Preeti Singh, Mrs. Lini Mathew, Prof. S. Chatterji, MATLAB Base Simulation of FACTS Controller, Proceeing of th National Conference on Challenges & Opportunities in Information Technology (COIT-008), RIMT-IET, Mani Gobingarh, pp 9697, Inia, March 9, 008. [7] Rashmi Vikal, Garima Goyal, Controller Design Using Global Optimization for Stability Analysis of Single Machine Infinite-Bus Power System, Department of Electrical Engineering, PEC University of Technology, pp -, Chanigarh, Inia, 007. [8] Sarin Baby, V.P. Mini, Transient Stability Enhancement of Power System Using a Thyristor th شکل. تغییرات tcsc(α) پس از وقوع خطا با کنترل کننده Lag شکل. تغییرات زاویه دلتا پس از ایجاد خطا و پایدار شدن آن با کنترل کننده Lea-Lag Lea- شکل 4. تغییرات tcsc(α) پس از وقوع خطا با کنترل کننده Lea- Lag. 6 نتیجه گیري در این مقاله مسي له پایداري یک سیستم تک ماشینه متصل به شین بینهایت SMIB مورد بررسی قرار گرفت.و در حالتی که فقط از پایدار ساز سیستم قدرت (PSS) در ژنراتور استفاده شده بود نوسانات قدرت با سرعت کمی دمپ گردید و همچنین دامنه توان تا حدودي تضعیف شد.در حالی که با ترکیب PSS به همراه نوسانات زودتر دمپ گردید. ١٠٢١

7 Controlle Series Capacitor, 0 National Conference on Technological Trens (NCTT09), pp 73-75, College of Engineering Trivanrum, 6-7 Nov 009. [9] Sihartha PANDA, -Base Controller Design by Multi-Objective Non-Dominate Shorting Genetic Algorithm-II, ACTA ELECTROTECHNICA, pp 080, Meiamira Science Publisher, Volume 50, Number, 009. [0] Sihartha Pana an Narayana Prasa Pahy, Power System With PSS an FACTS Controller: Moeling, Simulation an Simultaneous Tuning Employing Genetic Algorithm, International Journal of Electrical an Electronics Engineering, :, pp 9-, 007. [] Sihartha Pana, N.P. Pahy, R.N Patel, Genetically Optimize Controller for Transient Stability Improvement, Worl Acaemy of Science, Engineering an Technology 6, pp , 007. [] Sihartha Pana, R.N Patel, N.P. Pahy, Power System Stability Improvement by Controller Employing a Multi-Objective Genetic Algorithm Approach, International Journal of Intelligent Systems an Technologies, 4, pp 66-68, Fall 006. [3] S. V. Heiari, M. Seighzaeh, M. Ahmazaeh, S. Mohammazaeh, Optimal Coorination of PSS an for Improving of Dynamic Stability in Power Systems Using Genetic Algorithm, Canaian Journal on Electrical an Electronics Engineering VOL., No. 5, pp 36-37, May 0 [4] A.D. Del Rosso, C.A. Canizares, V.M. Dona, A stuy of controller esign for power system stability improvement, IEEE Trans. Power Syst. 8 (4) (003) ١٠٢٢