ارائه روش ابتکاری در بهينه سازی ظرفيت SVC به منظور بهبود پایداری ولتاژ در سيستم های قدرت

Transcript

1 24 / 4 ارائه روش ابتکاری در بهينه سازی ظرفيت به منظور بهبود پایداری ولتاژ در سيستم های قدرت 2 2 سوركي محمد علي ابراهيمي رضا گروه برق دانشکده برق و كامپيوتر واحد گرگان دانشگاه آزاد اسالمي گرگان ایران msouraki@yahoo.com 2523 گروه برق دانشکده برق و كامپيوتر واحد گرگان دانشگاه آزاد اسالمي گرگان ایران چکيده - ادوات با توجه به اهميت پایداری ولتاژ و حداکثربارگذاری سيستمهای قدرت و تاثير توان راکتيو بر این پارامترها در سيستمهای قدرت کنترل و تزریق توان راکتيو اهميت به سزایی در سيستمهای قدرت دارند. یکی از روشهای تامين توان راکتيو در سيستم های قدرت استفاده از موازی مانند می باشند. در این مقاله ضمن بررسی تاثير این ادوات به مقایسه ظرفيتهای مختلف آن پرداخته شد و پس از شبيه سازی یک سيستم 4 باس استاندارد در محيط نرم فزار PSAT و تاثير ظرفيت های مختلف مشخص شد که ظرفيت با مقادیر مختلف هم در بارگذاری حداکثر سيستم و پروفيل ولتاژ تاثير گذار خواهد بود و با استفاده از دستورات خاص در نرم افزار مهندسی MATLAB ظرفيت بهينه بدست آمد. كليد واژه- پایداری ولتاژ حداكثر بارگذاری توان راكتيو 4- مقدمه با مطالعه خاموشيهای مختلف در نقاط جهان مشاهده مي شود كه بيشترین عامل در این خاموشيها فروپاشي ولتاژ و اضافه بارهای پيدرپي بوده كه به سبب عملکردهای رلهها و مدارشکن- ها به وجود ميآید. بر این اساس استفاده از ادوات كنترلي و پایدارساز در سيستم قدرت مي تواند تا حد زیادی باعث بهبودی پایداری شبکه شده و با بهينه شدن تعادل بين توليد و تقاضای توان از اضافه باری خطوط و فروپاشي ولتاژ ممانعت به عمل آورد[ و ]. بهطور كلي پایداری سيستم قدرت را ميتوان توانایي سيستم قدرت در باقي ماندن در حالت تعادل در شرایط عملکرد عادی سيستم و به دست آوردن نقطه كار متعادل جدید پس از حادث شدن اغتشاش در آن تعریف كرد. بنابراین جهت جلوگيری از خاموشيها مطالعه سيستم از لحاظ پایداری امری ضروری بوده كه بهكمک روشهای بهبود پایداری انجام ميپذیرد. همچنين با توجه به شاخصهای مختلف شبکه پایداری سيستم قدرت به سه دسته مهم تقسيم شده كه عبارتند است از: پایداری فركانسي پایداری زاویهای و پایداری ولتاژ[ ]. با وجود اهميت بسيار دو پایداری فركانسي و زاویهای تحليل و بررسي آنها بهصورت دیناميکي بوده كه با توجه به تابع هدف مورد نظر در این مقاله بدان پرداخته نخواهد شد. پایداری استاتيکي ولتاژ بهعنوان پایداری مورد نظر در این مقاله به توانایي سيستم قدرت در نگهداری ولتاژ محدوده تمامي باسها در قابل قبول گفته شده كه این توانایي باید در شرایط عملکرد عادی سيستم خاموشي با قدرت و جهت جلوگيری از رخداد كنترل توان راكتيو باشد. باید توجه داشت كه یک سيستم قدرت زماني دچار ناپایداری ولتاژ شده كه تقاضای بار به طور ناگهاني افزایش یافته و یا شرایطي در سيستم به وجود آید كه ولتاژ باسها بهطور پيوسته و غير قابل كنترلي شروع به افت كنند. یکي از عوامل مهمي كه در ناپایداری ولتاژ نقش بهسزایي ایفا ميكند ناتواني سيستم در تأمين توان راكتيو مورد نياز شبکه ميباشد. كمبود توان راكتيو در شبکه های قدرت سيستم را به سوی ناپایداری سوق داده و منجر به ایجاد افت ولتاژ و نوسانات ولتاژی ميگردد. همچنين دالیلي مانند توان باالی

2 25 / 4 و 8 خطوط انتقال دوربودن منابع ولتاژ از مراكز مصرف پایين بودن تعداد منابع ولتاژ جبرانسازی ناكافي توان راكتيو استفاده و بيش از حد از جبرانسازی خازني موجب ناپایداری ولتاژ و بهتبع فروپاشي ولتاژ آن شده سيستم دیگر قادر به بازیابي آن نيست. آن بهطوریکه آنقدر ولتاژ افت كه كرده بهطور متداول برای افزایش پایداری ولتاژ و جلوگيری از فروپاشي از روشهایي همچون جابهجایي توان راكتيو بهكمک استفاده از ترانسفورماتورهای مجهز به تپ چنجرهای تحت بار حذف بار و یا توليد توان راكتيو توسط جبرانسازهایي همچون بانکهای خازني و ادوات استفاده مي شود] 8 و [. باید توجه داشت كه استفاده از تب چنجرها بهدليل محدودیت تپ ترانسفورماتورها حذف بار بازه عملکرد كمتری دارد. همچنين روش با ایجاد محدودیت برای مصرف كنندگان نسبت به روش تزریق توان راكتيو به دليل مسایل اقتصادی و اجتماعي از مقبوليت كمتری برخوردار است. این در حالي است كه توان راكتيو توليد شده توسط ژنراتورها و بانکهای خازني برای تغييرات ناگهاني بارها و كاربردهای آني مانند توربين بادی بسيار كند بوده كه در نتيجه بهترین راه حل استفاده از جبران سازها ادوات مي باشند. با توجه به گستردگي این تجهيزات مطالعات بسياری در این رابطه انجام شده و اثر عملکرد انواع آنها مورد ارزیابي قرار گرفته است. در مرجع [2] بهبود پایداری ولتاژ یک سيستم قدرت به- كمک توسط و با استفاده از الگوریتم پخش بار پيوسته آقای ایمانپور و همکارانش بررسي )CPF( شد. نتایج بررسي نشان داده كه استفاده از این جبرانساز نقش مؤثری بر بهبود پایداری ولتاژ داشته است. در مرجع [] بهبود پایداری شبکه قدرت با استفاده از TCSC در خط انتقال مورد بررسي قرارگرفت. در مرجع[ 2 ] افزایش پایداری استاتيکي ولتاژ در شبکه 2 كيلوولتي خوزستان توسط و بررسي شده و نتایج آن مورد مقایسه قرار گرفته است. در مرجع [] پایداری استاتيکي ولتاژ با بهكارگيری و كه انواع ادوات شامل SSSC TCSC مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج مطالعه نشان داده دیگر ادوات با در مقایسه ولتاژ پایداری حاشيه باالتری ایجاد كرده كه در نتيجه عملکرد مناسبتری برای شبکه مورد نظر بهدنبال داشته است. همچنين در این مقاله نشان داده شده كه شبکه در ضعيفترین باس خود به توان راكتيو بيشتری نياز داشته كه قرار گرفتن در آن شين موجب افزایش بيشتر حاشيه بارگذاری خواهد شد. در مرجع [ 2 ] اثر دوكنترلر به نامهای شده است.پخش بار پيوسته و بر پایداری ولتاژ مطالعه ) CPF ( با مدل دقيق ادوات این استفاده شده است. نتایج بهدست آمده در این مقاله نشان مي- دهد كه با استفاده از این تجهيزات ميتوان متغيرهایي همچون دامنه ولتاژ و زاویه فاز را در باس انتخاب شده و بهكمک امپدانس خط كنترل كرد.. در مرجع انواع ادوات پایداری استاتيکي ولتاژ [] ضمن انجام مروری بر توسعه عملکرد هر یک از آنها و اثراتشان بر پرداخته شده است. همچنين این بررسيها شامل ویژگيهای نصب و سيستم كنترل هر یک از آن- ها در شرایط عملياتي با در نظر گرفتن شبکه قدرت كشور هندوستان ميباشد. باید توجه داشت كه در بيشتر مقاالت فوق تنها به مسأله بررسي اثرات ادوات پرداخته شده و در صورت انجام بهينهسازی تنها مکان آنها مورد بررسي قرار گرفته است. بر این اساس در این مقاله ضمن معرفي اجمالي ادوات ابتدا ساختار به- عنوان تجهيز جبرانساز موازی مورد بررسي قرار گرفته و سپس اثرر بهكارگيری آن بر حد بارگذاری شبکه و در نتيجه پایداری استاتيکي ولتاژ مورد ارزیابي قرار گرفته است. در ادامه با ارائه روشي مبتني بر رسم منحني تغييرات اندازه پایداری ولتاژ اندازه و مکان بهينه آن در شبکهای 2 برحسب شينه نمونه با هدف بهبود پایداری استاتيکي ولتاژ تعيين خواهد شد. بدین ترتيب ميتوان به كمک روش ارائه شده اندازه و مکان بهينه ولتاژ شبکه حاصل شود. 2- ادوات را بهنحوی تعيين كرد كه حداكثر ميزان پایداری :[9 ] در یک عبارت كلي عبارت است از بهكارگيری ادوات الکترونيک قدرت در شبکههای فشار قوی كه با استفاده از یک سری روشها ميتوان شاخصهای آنرا كنترل كرد. با توجه به اینکه مشخصات یک سيستم قدرت شامل ميزان مصرف و توليد با زمان تغيير ميكند اگر شرایط شبکه انتقال نيز بهروز نشود به علت مسائل پایداری حالت ماندگار و پایداری سيستم گذرا قدرت صدمه دیده و حدود پایداری كاهش ميیابد. همچنين باید توجه داشت كه انتقال در سيستم توانایي انتقال توان ميزان

3 و 8 26 / 4 icmax capacitive XL il(t) V(pu) XC inductive - irmax ic(t) I(pu) i(t) توسط محدودیته یا دیناميکي و حالت ماندگار مانند پایداری زاویهای دامنه ولتاژ محدودیتهای حرارتي كاهش مي یابد. در عمل ه یا این محدودیتها توان الکتریکي ماكزیمم را كه بدون آسيب رساندن به خطوط انتقال و تجهيزات الکتریکي مي تواند منتقل شود تعيين ميكنند. این در حالي است كه محدودیت- انتقال توان با افزایش امکانات توليد و انتقال جدید ميتواند تا حد زیادی تعدیل شده جکله این تجهيزات ميباشد. كننده های كه كنترل كننده های از جمله مزیتهایي باز كه كنترل برای شبکهها بههمراه خواهند داشت عبارتند از : كاهش هزینه اجرایي و سرمایهگذاری در انتقال توان افزایش قابليت اطمينان سيستم افزایش ظرفيت انتقال توان و بهبود كيفيت انرژی الکتریکي تحویلي به مشتری. همچنين باید توجه داشت كه این ادوات بهصورت تجهيزات سری و موازی انواع مختلفي داشته كه متداولترین آنها عبارتند از:. SSSC TCSC با توجه به ویژگيهای مطلوب و كاربرد گسترده آن در عمل در این مقاله به بررسي عملکرد این تجهيز و بهينهسازی آن پرداخته شده است. --2 و مشخصه آن[ :[9 یکي از مهمترین عناصر است كه سالهاست به دليل مزیت فني و اقتصادی در حل مساله دیناميک ولتاژ مورداستفاده قرار ميگيرد. دقت دسترسپذیری و پاسخ سریع در مقایسه با جبرانگرهای موازی كالسيک آنرا به وسيلهای بسيار كارآمد در كنترل ولتاژ حالت گذرا و حالت ماندگار تبدیل نموده است. شکل ساختمان V-I آنرا نشان ميدهد. و مشخصه شکل ساختمان و مشخصه V-I آن به صورت موازی به شبکه وصل ميشود و همانطور كه از شکل پيداست ميتواند در دو مود راكتيو سلفي یا خازني ظاهر شود. در جریان خازني بزرگتر از Icmax به یک خازن تبدیل ميشود و توان راكتيو آن به صورت تابعي از ولتاژ شبکه تغيير ميكند. شيب نمودار V-I بين Icmax و -Irmax 2% تا 5% درنظرگرفته ميشود. مهمترین كاربردهای عبارتنداز : تثبيت ولتاژ در شبکههای ضعيف كاهش تلفات انتقال افزایش ظرفيت انتقال توان افزایش ميرایي اغتشاشات كوچک بهبود پایداری ولتاژ حذف نوسانات توان. معموال حوزه تغييرات ولتاژ سيستم توسط 5% ميشود. اغلب سه محل برای نصب پيشنهاد ميشود: در مجاورت بارهای عمده و بزرگ )نواحي وسيع شهری( نزدیک به بارهای حساس به ولتاژ در مجاورت بارهای صنعتي. معموال لحاظ در واقع نصب بارهای شبکه قدرت دارد. در سه محل مزبور بيشترین تاثير را بر

4 27 / 4 3- روش انجام کار و نتایج شبيه سازی: با توجه به اینکه در تحليل پایداری استاتيکي از روش های مختلفي چون تحليل حساست V-Qو منحني V-Q تحليل مدال منحني P-V وجود دارد كه هر كدام از این روشها در مرجع[ 5 ] به تفضيل شرح داده شد.در این مقاله تحليل پایداری استاتيکي با استفاده از منحني P-V با استفاده از نرم افزار (PSAT جعبه ابزار آناليز سيستم قدرت( استفاده شده است و در این روش تغييرات ولتاژ در هر یک ازباسها ناشي از تغيير در بار سيستم مراحل ها در دسترس هستند CPF روند در پيش بيني مي تواند كه به دست آید. به آساني از با استفاده از معادالت جریان توان مشتق توان اكتيو سيستم عبارتست از: شروع خواندن داده ایجاد معادله های پخش بار با استفاده از معادله های حل معادله های پخش بار به همراه مرحله پيش بيني در روش CPF مرحله اصالح در روش CPF dptotal=cd )( بنابراین ضعيف ترین باس باسي خواهد بود كه: BUS=max{,,, )2( از آنجا كه مقدار C dλ برای هر یک از عناصر در dv ریکسان است ضعيف ترین باس به آساني انتخاب مي شود بطوریکه ایا منحني P-V تکميل شد خیر بله مولفه dv باس ضعيف بيشترین مقدار را دارد ضعيف ترین در توان راكتيو مقدار كافي با تزریق معموال باس پایان حاشيه پایداری ولتاژ استاتيکي افزایش مي یابد.. برای بکارگيری ادوات دستگاه های فرآیندCPF تعداد نياز در در سيستم قدرت معادالت و متغيرهای حالت از در معرفي مي شوند. متغيرهای حالت فرمول به پخش بار معادالت تعداد همان مي باشد. پخش بار با استفاده از روش CPF فلوچارت در شکل (2) و مرحله معادالت اصالح مورد پایداری ولتاژ با نشان داده شده است. با توجه به شکل )2( مي توان مشاهده كرد كه معادالت دستگاه های چگونه در معادالت پخش بار اضافه شده است.معادالت پخش بار جدید سپس در مرحله اصالح روند استفاده مي شوند. در بخش زیر درسيستم CPF 2 باسه تست IEE ميشودو باابزارهای استفاده شده در این تحقيق فواید استفاده از در افزایش حاشيه پایداری استاتيکي ولتاژ در سيستم 2 باس IEEE تجزیه و تحليل خواهد شد. شکل 2 -فلوچارت روند انجام CPF سيستم قدرت مورد آزمایش ما یک سيستم 2 باسه IEEE مي باشد.با توجه به شکل) ( این سيستم دارای 5 واحد توليدی است كه باس به عنوان باس اصلي )مبنا(در نظر گرفته شده است.این سيستم دارای 3 خط انتقال 2 ترانسفورماتور و باس بار است.در این سيستم واحدهای توليدی بعنوان باس های PV استاندارد با حدود Q p مدلسازی مي شوند و بارها بعنوان بارهای PQ ثابت در نظر گرفته مي شوند.

5 28 / 4 در این حالت ضعيف ترین باس باس شماره 5 با دامنه ولتاژ /3522 پریونيت و حداكثر بارپذیری سيستم 2/937 پریونيت مي باشد. با استفاده از در باس شماره 5 ولتاژ باس ضعيف به مقدار /3792 پریئونيت و حداكثر بارپذیری سيستم نيز به مقدار 2/8289 پریونيت رسيده است و پروفيل ولتاژ در شکل 3 و نمودارP-V در شکل 9 نشان داده شد..4 Voltage Magnitude Profile.2 V [p.u.].8.6 شکل 3 - سیستم 4 باس استاندارد Bus # پس از آناليز پخش بار سيستم 2 باس در محيط PSAT و مشاهده نتایج پخش بار باس 5 دارای كمترین سطح ولتاژ بوده و بعنوان ضعيف ترین باس شناخته شد و پروفيل ولتاژ در شکل 2 و نمودار P-V در شکل 5 بدون حضور ادوات داده شد. و محل مناسب برای نصب جبران ساز و ادوات مي باشد. نشان شکل 3 -پروفيل ولتاژ با حضور V Bus Voltage Magnitude Profile V Bus 5 V Bus 9 V Bus Loading Parameter (p.u.) شکل 9- منحني ولتاژ حداكثر بارپذیری با V [p.u.] : پس از بررسي ظرفيت های Bus # شکل 2 پ- روفيل ولتاژ بدون حضور ادوات V Bus 4 V Bus 5 V Bus 9 V Bus Loading Parameter (p.u.) شکل 5- منحني ولتاژ حداكثر بارپذیری بدون ادوات بررسي ظرفيت های مختلف مختلف است. در سيستم مورد مطالعه بدست آمده جدول جدول جدول نتایج شبيه سازی با ظرفيت های مختلف 2 2 /992 / / /977 / / / / / Svc حداكثر بارگذاری ولتاژ باس 5 Svc حداكثر بارگذاری ولتاژ باس 5

6 29 / 4 با استفاده از دستورات نرم افزار مهندسي MATLAB منحني ولتاژ باس ضعيف را بر اساس ظرفيت 8 مي توان مطابق شکل بدست آورد و با حداكثر یابي منحني ولتاژ باس ضعيف ظرفيت بهينه بدست مي آید. بهبود حد پایداری نشده كه این امر عالوه بر شاخص فني از نقطه نظر اقتصادی نيز بسيار حائز اهميت خواهد بود. مراجع [] Ahmadi Kamarposhti Mehrdad Lesani Hamid Effects of STATCOM, TCSC, SSSC and on static voltage stability Springer-Verlag,2. [2] K. Gupta Sandeep, R.Trapathi Prof., Voltage Stability Improvement in Power System using Controllers:State-of-the-Art Review,IEEE,2. [3]A.Messina.R,Perez.A,Hernandez, Coordinated application of devices to enhance steady-state voltage stability Electrical power and energy system, ELSEVIER,23. [4] Power System Analysis Toolbox version 2..8, January 6, 23. [5] [6] ]9] آنریکو آچا و همکاران 83 "مدلسازی و شبيه سازی عناصر شکل - 8 ولتاژ باس ضعيف ظرفيت مختلف svc همچنين با توجه به منحني فوق نيز مشخص مي شود كه مقدار دامنه ولتاژ باس ضعيف در ظرفيتMVA 2 بيشترین مقدار و در این حالت حداكثر بارپذیری سيستم نيز برابر پریونيت مي گردد. - نتيجه گيری 2/8782 با توجه به اهميت روزافزون مسأله پایداری در سيستمهای قدرت و ضرورت بهكارگيری از جبرانسازها در بهبود آن در این مقاله روشي ابتکاری جهت تعيين ظرفيت بهينه مناسب ارائه شده است. انجام بهينهسازی در مکاني در دو مرحله شامل تعيين مکان و اندازه بوده كه هریک بهطور مستقل و بهترتيب با نرمافزارهای PSAT و MATLAB صورت گرفته است. با توجه به نتایج بهدست آمده ميتوان گفت كه مکان بهينه جبرانساز همواره ضعيفترین باس بوده كه كمترین ميزان ولتاژ را به ازای بار شبکه دارد. این در حالي است كه اندازه بهينه جبرانساز به ميزان حد پایداری شبکه بستگي داشته كه با توجه به معادالت یک رابطه غيرخطي خواهد داشت. همچنين نتایج حاصل شده نشان ميدهد كه همواره افزایش ظرفيت جبرانساز منجر به در شبکه های قدرت" كاظمي كارگر حسين مهدوی ميثم دانشگاه زنجان. [ 8 ]تي.جي.ای.ميلر 9 الکتریکي قاضي رضا جهاد دانشگاهي مشهد. كنترل توان راكتيو در سيستمهای [ 7 ]جورابيان محمود قره پتيان گئورگ ميرعباسي داور " 83 سيستمهای انتقال جریان متناوب انعطاف پذیر " انتشارات دانشگاه شهيد چمران اهواز. [ ]كندور پرابها "پایداری و كنترل سيستمهای قدرت " 93 سيفي حسين و خاكي صدیق علي تهران داننشکاه تربيت مدرس مركز نشر. [ ]همداني گلشن محمد اسماعيل 83 "پایداری ولتاژ در سيستمهای قدرت" چاپ اول انتشارات آستان قدس رضوی. ایمان پور بهجت [2] اله خواجه زاده عليمراد زاینده رودی هادی 7 " بهبود پایداری ولتاژ توسط با استفاده از الگوی الگوریتم پخش بار پيوسته كنفرانس بين المللي برق. "CPF بيست و هفتمين

7 2 / 4 [] شاهمرادی علي شاهقليان غضنفر فاني محمد آبادی بهادر 7 " بهبود پایداری شبکه قدرت با استفاده از TCSC خط انتقال اولين كنفرانس ملي ایده های نو در مهندسي برق. [2] در لركي فرید مشگين كلک همایون جورابيان محمود 89 "افزایش پایداری استاتيکي ولتاژ در شبکه برق منطقه ای خوزستان با استفاده از ادوات چهارمين كنفرانس بين المللي برق. موازی" بيست و