تعيين مدل استاتيكي كولرهاي گازي اينورتري به منظور مطالعات پايداري ولتاژ

Transcript

1 تعيين مدل استاتيكي كولرهاي گازي اينورتري به منظور مطالعات پايداري ولتاژ اميرحسين حاجي ولي مقداد تورانداز كناري محمدصادق سپاسيان مهرداد ستايش نظر پرديس فني و مهندسي شهيد عباسپور دانشگاه شهيد بهشتي تهران ايران چكيده در اين مقاله ابتدا مدل رياضي كولرهاي گازي اينورتري استخراج گرديده و بر اين اساس مدل الكتريكي براي كولر گازي اينورتري پيشنهاد شده است. مدل پيشنهادي بر اساس روابط مداري بين پارامترهاي ورودي و خروجي در نرم افزار MATLAB/SIMULINK شبيه سازي شده است. با كمك اين مدل مدل استاتيكي كولرگازي اينورتري با استفاده از ابزارهاي برازش منحني معرفي گرديده است. با استخراج اين مدل رفتار استاتيكي بار كولر گازي اينورتري به ازاي ولتاژهاي عادي و اغتشاشي شبكه توزيع در حالتهاي مختلف مورد ارزيابي قرار گرفته است. مدل پيشنهادي در اين مقاله مدلي مناسب و دقيق براي كولر گازي اينورتري در مطالعات استاتيكي شبكه توزيع ميباشد. همچنين اين مدل قابليت بررسي تاثيرات بار كولر گازي اينورتري براي مطالعات پايداري ولتاژ شبكه توزيع را دارا ميباشد. واژههاي كليدي پايداري ولتاژ تحليل استاتيكي كولر گازي مدلسازي بار. 1 -مقدمه در طول سالهاي اخير مصرف برق در بخشهاي مختلف رشد چشمگيري روبرو بوده است. رشد سالانه مصرف برق در كشور در مقايسه با متوسط جهاني ) صنعت برق را درخصوص سرمايه گذاري حدود كشور با 10 درصدي 2 تا 3 درصد) احداث و بهرهبرداري از نيروگاهها شبكههاي انتقال و توزيع با مشكل مواجه نموده است. اين امر ضرورت بهبود مطالعات سيستم قدرت بخصوص مطالعات مربوط به سيستمهاي توزيع را بيش از پيش نمايان ميسازد. پايداري ولتاژ را ميتوان به صورت نگهداري ولتاژ داي مي در همه توانايي سيستم قدرت در شينهاي سيستم بعد از بروز اغتشاش در شرايط مشخصي از بهره برداري تعريف كرد. اغتشاش ممكن است خروج ناگهاني يكي از تجهيزات يا افزايش تدريجي بار باشد [1]. از طرف ديگر در بخشهاي خانگي و تجاري با تنوع وسايل الكتريكي و الكترونيكي جديد ساختار بار شبكههاي توزيع به سرعت قابل تغيير است. انجمن برق كانادا و همچنين استاندارد IEEE نياز به شناسايي بارهاي ولتاژ پايين و زمان بالا مانند كولرهاي گازي لامپهاي تخليهاي و وسايل الكترونيكي مانند منابع تنظيم شده توان را تاييد كردهاند. بدين منظور شناسايي بارهاي جديد و مدلسازي اين بارها و اجزي ديگر سيستم قدرت براي مطالعات ولتاژي ضروري ميباشد. بارها به دو صورت استاتيكي و ديناميكي قابل مدلسازي هستند. تغيير كمي در مصرف بار بر اثر انحراف ولتاژ شين يا فركانس به عنوان مدل بار استاتيكي بيان ميگردد شين يا فركانس به عنوان مدل بار ديناميك موتور القايي ميباشد و تغيير گذرا در مصرف بار بر اثر انحراف ولتاژ ي بيان مي شود كه نمونه ا ن [2]. يكي از بارهايي كه اثرات مهم و قابل توجهي بر پايداري ولتاژ سيستم قدرت دارد بار كولر گازي ميباشد. مهمترين اثر مخرب كولرهاي گازي جريان راهاندازي ا نها ميباشد. با توجه به اندازه گيريهاي صورت گرفته اين ميزان براي كولرهاي گازي بين - 15 تا 75 ا مپر ميباشد. اين ميزان جريان راهاندازي بر روي شبكه تاثير گذار است و ميتواند باعث افت ولتاژ و يا مساي ل مربوط به پايداري گردد. با توجه به مطالب بيان شده در اختيار داشتن مدل دقيقي از بار كولر گازي در سيستمهاي توزيع امري ضروري است. كولرهاي گازي به دو دسته تقسيم ميشوند: دسته اول كولرهاي گازي معمول (سرعت ثابت) و دسته دوم كولرهاي گازي اينورتري (سرعت

2 2 متغير). كولرهاي گازي معمول (سرعت ثابت) از يك موتور القايي دوفاز به همراه يك خازن راهانداز تشكيل شدهاند. اين كولرها مستقل از دماي اتاق با يك توان ثابت كار ميكنند. كنترل سرعت كمپرسور ا نلاين نيست و با خاموش و روشن شدن يك ترموستات كنترل ميشود. كولر گازي سرعت متغير مدل قبلي ذكر شده را بهبود ميبخشد كه به جاي ا ن از يك موتور القايي سه فاز (كه بوسيله مبدل فركانسي با ورودي تك فاز تغذيه ميگردد) بهره ميگيرد. كولرهاي گازي سرعت متغير از مبدلهاي فركانسي كه به طور اتوماتيك سرعت كمپرسور را مطابق با دماي اتاق كنترل ميكنند تشكيل شدهاند. مقاله [3] با استفاده از اندازهگيريهاي ا زمايشگاهي و مدلهاي استخراج شده بارهاي جديد را هنگام تغييرات بزرگ ولتاژي بررسي و اثراتشان را بر مطالعات پايداري ولتاژ معرفي ميكند. در اين مقاله مدل - هاي ولتاژ پايين زمان بالاي بارهايي مانند كولرهاي گازي لامپهاي تخليهاي و وسايلي با منابع تغذيه قابل تنظيم توسعه يافتهاند. اين مقاله اهميت كاربرد مدلهاي بار دقيق بخصوص بارهاي صنعتي بزرگ كه تركيبي از بارهاي گوناگون هستند را نشان ميدهد. در [4] مدل سادهاي براي كولرهاي گازي سرعت ثابت و سرعت متغير معرفي گرديد و بر پايه اين مدلها پاسخ شبكه به ازاي حالتهاي مختلف ولتاژي بررسي گرديد. مرجع [5] عملكرد كمپرسور كولرهاي گازي سرعت متغير را بر پايه اطلاعات ا زمايشگاهي مورد بررسي قرار داد. بررسي و مدل رياضي كولرهاي گازي اينورتري و مقايسه اين مدل با مدل چندين كولر گازي پرفروش در بازار از موارد ديگري بود كه در اين مقاله مورد ارزيابي قرار گرفت. در [6] دو نوع خطاي رايج در خط انتقال معرفي گرديد و سپس انواع مختلفي از كولرهاي گازي در يكي از شينهاي شبكه قرار داده شد. رفتار كولرها و پاسخ شبكه به اين خطاها با وجود كولر بررسي شدند. در بخش دوم مدل رياضي كولر گازي اينورتري بر پايه معادلات رياضي موتور القايي سه فاز معرفي گرديده است. در قسمت سوم نرم- معادلات استخراج شده در بخش قبلي در افزار MATLAB/SIMULINK شبيهسازي و نتايج حاصل مورد بحث قرار گرفتهاند. در بخش چهارم مدل استاتيكي كولر گازي اينورتري با استفاده از روشهاي معمول برازش منحني استخراج گشته و نهايتا در بخش ا خر نتيجه گيري مقاله اراي ه شده است. -مدل رياضي كولر گازي اينورتري كولرهاي گازي سرعت ثابت نوع غالب در بازارهاي تهويه مطبوع در گذشته بودند اما در حال حاضر به طور گستردهاي با كولرهاي گازي اينورتري درحال جايگزيني هستند. رويكرد گسترش كولرهاي اينورتري در سالهاي ا ينده به ميزان زيادي موجب افزايش كيفيت و در نتيجه كاهش هزينه و تلفات براي مشتريان خواهد شد. تحقيقاتي در سال 1999 نشان داده كه %86 از كولرهاي گازي در شبكه برق ژاپن از اين نوع مي - باشند [4]. در حال حاضر شبيهسازيهاي كامپيوتري ابزاري مناسب براي مطالعه سيستمهاي تهويه مطبوع و پمپهاي حرارتي شدهاند و به منظور مطالعه كارايي عملكردشان توجه زيادي به شبيهسازي كولرهاي گازي اينورتري شده است. به دليل انتقال حرارت در داخل كمپرسور عنصري پيچيده در يك سيستم خنك كننده ميباشد چون بدست ا وردن يك مدل ساده براي ا ن دشوار ميباشد. از سوي ديگر عملكرد سيستمهاي تهويه مطبوع به طور گستردهاي تحت تاثير كمپرسور ميباشد. بنابراين بدست ا وردن يك مدل صحيح از كمپرسور سرعت متغير پايهاي براي شبيه سازي كولر گازي اينورتري و پمپهاي حرارتي ميباشد -.[5] مطالعات زيادي براي بدست ا وردن روش شبيهسازي كمپرسور سرعت متغير انجام گرديده است [6] و [7]. در اين روشها براي داشتن دقت كافي در مدلسازي احتياج به اطلاعات عملكرد كمپرسور از طرف سازنده وجود دارد. اگرچه اين اطلاعات فقط مناسب براي همان كمپرسور ميباشد و قابليت توسعه به ديگر كمپرسورها را ندارد. در كل ميتوان رفتار حالت ماندگار موتور كمپرسور كولر گازي را مشابه عملكرد موتور القايي سه فاز در نظر گرفت اما در شرايط اغتشاش و ناپايداري ولتاژي عملكرد كمپرسور متفاوت بوده و توان بيشتري از شبكه ميكشد و موجب فروپاشي ولتاژي ميگردد است..[8] شماتيك نوعي كولرهاي گازي اينورتري در شكل 1 نشان داده شده 2

3 [R [ : ماتريس مقاومت فازهاي Va Rectifier DC Link PWM Inverter M 3 THREE- PHASE INDUCTION MOTOR Compressor شكل 1: شماتيك كولرهاي گازي سرعت متغير مدار معادل تكفاز موتور القايي سه فاز در شكل 2 نشان داده شده است. كه Rs و Rr مقاومت استاتور و رتور Ls و Lr اندوكتانس نشتي استاتور و رتور ميباشند. باشد. M اندوكتانس مغناطيسي و Rs Ls M Lr (Rr(1-s))/s مطابق مرجع شكل 2 - مدار معادل تكفاز موتور القايي سه فاز [4] اين مدل با معادلات ) معادلات با ا زمايشات اثبات شده است بيان ميگردد: S لغزش رتور مي- Va 1) تا ) 3) كه صحت اين [ ] [ ][ ] [ ] [ ] [ ] [ ] di L dθ V = R I + L + I dt θ dt ( 1) d ω T = Te J Bω ( 2) dt T p dlij i j 2 dθ = ( 3) كه در ا ن: e i j i j [L [ : ماتريس اندوكتانس استاتور و رتور با عناصر فازهاي رتور A,B,C و فازهاي استاتور a,b,c هستند. L ij كه a,b,c,a,b,c كه در ا ن 0 R اگر ij R در غير اينصورت = 0 i = j ij : θ موقعيت زاويهاي T: گشتاور بار T: e گشتاور الكترومغناطيسي : ω سرعت زاويهاي رتور : J ممان اينرسي : B ضريب اصطكاك : p تعداد قطبها : i i جريان فازهاي رتور و استاتور j و j 3 -مدلسازي كولر گازي سرعت متغير در MATLAB/SIMULINK در اين قسمت معادلات استخراج شده در بخش قبلي در نرم افزار MATLAB/SIMULINK با استفاده از ابزارهاي موجود مدلسازي شدهاند. اين مدل در شكل 3 نشان داده شده است. اين مدل از دو زير سيستم تشكيل شده است. زير سيستم اول مطابق شكل 4 مربوط به كنترل كننده PWM ميباشد. روش PWM كاربرد گستردهاي در اينورترها دارد و كليدزني سريع ا ن بوسيله مقايسه شكل موج سينوسي و موج مربعي صورت ميگيرد. زماني كه مرجع سينوسي از حامل مربعي بزرگتر است خروجي مقايسه كننده نيمه هادي را وصل كرده و در غير اينصورت كليد قطع ميشود. در اين زير سيستم علاوه بر كنترل كننده كنترلي V/F ثابت نيز قرار دارد (شكل 5). PWM حلقه براي كنترل دور كولر گازي از روش تثبيت نسبت ولتاژ به فركانس استفاده ميشود. اين روش مشهورترين روش در روشهاي كنترل اسكالر (از قبيل كنترل فركانس ولتاژ يا جريان) ميباشد. هدف از كنترل ثابت نگهداشتن شار فاصله هوايي موتور القايي V/f AC و رسيدن به بازدهي بالا ميباشد. در عملكرد حالت ماندگار شار فاصله هوايي تقريبا وابسته به Vs به نسبت fs است كه Vs اندازه ولتاژ فاز موتور و الكتريكي سنكرون اعمال شده به موتور است. اين حلقه كنترلي به صورت شماتيك در شكل 5 نشان داده شده است. fs فركانس در زير سيستم دوم نمايشگر تغييرات دما توان اكتيو راكتيو سرعت موتور و گشتاور (كه با استفاده از معادلات ذكر شده در بخش 2 مدلسازي i,j شامل a,b,c,a,b,c بردار مربوط به ولتاژ فازهاي : [ [V a,b,c,a,b,c بردار مربوط به جريان فازهاي : [ [I 3

4 شكل 3 : مدل شبيهسازي كولر گازي اينورتري 4 شده است) قرار دارد. اين زيرسيستم به صورت شماتيك در شكل 6 نشان داده شده است. شكل 4 : زيرسيستم مربوط به كنترل كننده PWM و حلقه كنترلي V/F ثابت -تعييين مدل استاتيكي كولر گازي همانطور كه ذكر شد ديناميكي تقسيم ميشود كه در اين استاتيكي كولر گازي اينورتري سرعت متغير در نرم افزار مدل بار به دو دسته مدل بار استاتيك مقاله هدف بدست ا وردن ي و مدل بار ميباشد. بعد از مدلسازي كولر گازي MATLAB ميتوان مدل استاتيكي اين كولر را با استفاده از روشهاي موجود بدست ا ورد. مدل استاتيكي بار را با دو روش مختلف ميتوان بيان كرد كه عبارتند از: مدل چند جملهاي و مدل نمايي. مدل نمايي به طور گسترده در شبكه برق ژاپن استفاده ميشود و مدل چند جملهاي نيز در ساير كشورها مرسوم ميباشد. در اين مقاله نيز از مدل چند جملهاي براي بيان مدل استاتيكي بار كولر گازي استفاده شده است. براي بدست ا وردن مدل استاتيكي به ازاي ولتاژهاي مختلفي كه به عنوان ورودي به كولر داده ميشود عملكرد بلند مدت و پايدار ا ن به ازاي هر ولتاژ ذخيره ميگردد و سپس با استفاده از ابزارهاي موجود برازش منحني رابطهاي منطقي بين ولتاژ اعمال شده و توان اكتيو و راكتيو خروجي حاصل ميشود. مدل استاتيكي بار چند جملهاي بدين صورت بيان ميگردد: شكل 5 : بلوك دياگرام مربوط به كنترل V/F ثابت 4

5 P 0 كه شكل 6: زير سيستم مربوط به نمايشگرهاي مختلف U 0 اندازه ولتاژ در شين بار بوده و Q 0 بار راكتيو بار اكتيو P و Q توانهاي بار به ازاي ولتاژهاي مختلف U هستند. در ضمن رابطه زير براي ضرايب ثابت برقرار است: a + b + c = 1 p p p a + b + c = 1 q q q 5

6 شكل 11 : برازش اطلاعات توان اكتيو بر روي تابع نمايي درجه چهار شكل 9 : تغييرات توان اكتيو خروجي كولر گازي با استفاده از شكل بالا مدل استاتيك چند جملهاي توان اكتيو بدين صورت بدست ا مده است: Linear model Poly4: f(x) = p1*x^4 + p2*x^3 + p3*x^2 + p4*x + p5 Coefficients (with 95% confidence bounds): p1 = -6/455e-07 (-7/471e-07, -5/439e-07) p2 = 0/ (0/ , 0/ ) p3 = -0/4238 (-0/4732, -0/3744) p4 = 91/49 (82/94, 100) p5 = (-3959, -2934) شكل 10 : تغييرات توان راكتيو خروجي كولر گازي بعد از بدست ا وردن اطلاعات فوق ميتوان مدل استاتيكي كولر گازي را بدست ا ورد. براي اين منظور از يكي از ابزارهاي MATLAB به نام CURVE FITTING استفاده شده است. هدف بدست ا وردن رابطه بين تغييرات توان اكتيو يا راكتيو با تغييرات ولتاژ است كه با اين كار مدل استاتيكي چندجملهاي بار كولر گازي حاصل ميشود. اين مدل براي بررسي عملكرد كولر گازي در شرايط مانا و پايدار مورد نياز است. با استفاده از ابزار ذكر شده تغييرات توان اكتيو- ولتاژ شين با استفاده از تابع درجه چهار تخمين زده شده و منحني برازش اطلاعات بدين صورت بدست ا مده است: با استفاده از ابزار ذكر شده تغييرات توان راكتيو- ولتاژ شين با استفاده از تابع درجه چهار تخمين زده شده و منحني برازش اطلاعات بدين صورت بدست ا مده است: شكل 12 : برازش اطلاعات توان راكتيو بر روي تابع نمايي درجه چهار با استفاده از شكل 12 مدل استاتيك چند جملهاي توان راكتيو بدين صورت بدست ميا يد: 6

7 نمودارهاي مربوط به سرعت موتور گشتاور ولتاژ توان اكتيو و راكتيو استخراج شده است. مدل پيشنهادي به عنوان مدلي مناسب و دقيق از رفتار بلند مدت كولر گازي اينورتري براي مطالعات پايداري ولتاژ استاتيكي شبكههاي توزيع قابل استفاده است. Linear model Poly4: f(x) = p1*x^4 + p2*x^3 + p3*x^2 + p4*x + p5 Coefficients (with 95% confidence bounds): p1 = -1/484e-06 (-6/132e-06, 3/164e-06) p2 = 0/ (-0/003656, 0/006505) p3 = -0/4955 (-2/558, 1/567) p4 = 69/84 (-298/8, 438/4) p5 = (-2/598e+04, 2/293e+04) با استفاده از مدل استاتيكي استخراج شده ميتوان عملكرد كولر گازي سرعت متغير را در حالت پايدار و ماندگار بررسي كرد. در ضمن مدل اراي ه شده براي بررسي عملكرد كولر گازي در شبكه توزيع و بررسي انواع خطاها مناسب ميباشد. - نتيجهگيري در اين مقاله مدل استاتيكي كولرهاي گازي نسل جديد (اينورتري) به منظور مطالعات استاتيكي ولتاژ سيستم قدرت معرفي گرديد. مدل پيشنهادي با در نظر گرفتن عملكرد بلند مدت موتور القايي سه فاز عملكرد يكسوسازها كمپرسور و توليد كننده پالس PWM و با توجه به معادلات رياضي مربوطه در نرم افزار MATLAB شبيهسازي گرديد. سپس با استفاده از ابزارهاي برازش منحني مدل استاتيكي چند جملهاي بار كولر گازي اينورتري استخراج شد. در تمام مراحل شبيه سازي منابع [1] R. A. Schlueter, "A voltage stability security assessment method," Power Systems, IEEE Transactions on, vol. 13, pp , [2] Y. Xu, D. Si, and Y. Qian, "Effect of Load Model on Yunnan Power Grid Transient Stability," in Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), 2011 Asia-Pacific, 2011, pp [3] L. M. Hajagos and B. Danai, "Laboratory measurements and models of modern loads and their effect on voltage stability studies," Power Systems, IEEE Transactions on, vol. 13, pp , [4] S. M. R. Sanhueza, F. L. Tofoli, F. L. de Albuquerque, J. C. de Oliveira, and G. C. Guimaraes, "Analysis and Evaluation of Residential Air Conditioners for Power System Studies," Power Systems, IEEE Transactions on, vol. 22, pp , [5] S. Shao, W. Shi, X. Li, and H. Chen, "Performance representation of variable-speed compressor for inverter air conditioners based on experimental data," International Journal of Refrigeration, vol. 27, pp , [6] J. W. Shaffer, "Air conditioner response to transmission faults," Power Systems, IEEE Transactions on, vol. 12, pp , [7] S.K. Fischer, C.K. Rice, W.L. Jackson, "The oak ridge heat pump design model: mark III," version program documentation.ornl/tm Oak ridge National [8] Y.T.Ge, "Study on simulation model of room air conditioner,". PhD Thesis, Tsinghua University, Beijing;