بررسی تاثیر ادوات مختلف FACTS بر پایداري ولتاژ 3 2 1 حمید فتاحی حمدي عبدي و آرش زرینی تبار 1 دانشجوي کارشناسی ارشد علوم تحقیقات کرمانشاه en.hamidfattahi@gmail.com 2 گروه برق دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه رازي hamdiabdi@razi.ac.ir 3 دانشجوي کارشناسی ارشد علوم تحقیقات کرمانشاه en.arashzarinitabar@gmail.com چکیده - کمبود توان رآکتیو در شبکه هاي قدرت سبب ایجاد افت ولتاژ و نوسانات ولتاژ می شود. با توجه به گسترش و پیچیدگی شبکه هاي قدرت جبرانسازي توان رآکتیو به منظور جلوگیري از فروپاشی ولتاژ از اهمیت خاصی برخوردار است. در میان جبرانساز هاي توان رآکتیو خازن شنت و به دلیل قابلیت انعطاف و کنترل پذیري قابل توجهی که دارند همواره مورد توجه محققان قرار گرفته اند. در این مقاله به مقایسه خازن شنت و در بهبود پایداري ولتاژ در ضمن انجام مطالعات شبیه سازي پرداخته شده است. مقایسه نتایج نشان می دهد که اگر و در محل مناسب نصب شوند سبب افزایش پایداري ولتاژ شده و توانایی انتقال قدرت را افزایش می دهند. کلید واژه- پایداري ولتاژ خازن شنت 1- مقدمه پیچیدگی روز افزون بهره برداري تجهیزات الکتریکی سیستم هاي قدرت را با چالش هاي جدیدي روبرو کرده است. ناپایداري ولتاژ یکی از مشکلاتی است که در سالهاي اخیر و به سبب بهره برداري بیش از حد از تجهیزات و افزایش تقاضاي بار بوجود آمده است. در حالت کلی دو روش براي تحلیل پایداري ولتاژ پیشنهاد شده اند تحلیل استاتیکی پایداري ولتاژ و تحلیل دینامیکی آن. تحلیل استاتیکی پایداري ولتاژ با استفاده از معادلات جبري و تجزیه و تحلیل صورت می گیرد. و در حالت کلی این تحلیل سریعتر از نوع دینامیکی انجام می شود[ 1 ]. فراهم آوردن توان رآکتیو در محل مناسب سبب حل مشکلات ناپایداري ولتاژ خواهد شد. کمبود توان رآکتیو در شبکه هاي قدرت سیستم را به سوي ناپایداري سوق می دهد و منجر به ایجاد افت ولتاژ و نوسانات ولتاژي می گردد. مصرف کننده ها باید ولتاژ را در حالت بسیار نزدیک به مقدار نامی نگه دارند. زیرا در غیر این صورت آسیب هایی به دلیل جریان هاي بالا به تجهیزات وارد خواهد شد. براي افزایش پایداري ولتاژ و جلوگیري از فروپاشی ولتاژ از ترانسفورماتور هاي مجهز به تپ چنجر هاي زیر بار (LTC) روش هاي حذف بار و تولید توان رآکتیو و جبرانسازي توان رآکتیو استفاده می شود. مهمترین گزینه هاي پیشنهادي براي جبران سازي عبارتند از: تولید مستقیم توان رآکتیو توسط ژنراتورها نصب بانک هاي خازنی ثابت نصب بانک هاي خازنی سوي یچ شونده نصب جبران ساز وار استاتیکی () و جبران سازي وار فعال با استفاده از. استفاده از تپ چنجر به دلیل محدودیت تپ ترانس ها بازه عملکرد کمتري دارد. همچنین روش حذف بار نسبت به روش تزریق توان رآکتیو مقبولیت کمتري دارد چرا که با وجود جبرانساز هاي کنترل پذیر و صدمات اقتصادي ناشی از حذف قسمتی از بارهاي مصرفی نقاط ضعف این استراتژي نمایان تر می شود. از طرفی توان رآکتیو تولید شده توسط ژنراتورها و بانک هاي خازنی براي تغییرات ناگهانی بارها و کاربردهاي فوري مثل توربین هاي بادي بسیار کند است. بنابراین بهترین راه حل استفاده از جبران ساز هاي موازي ادوات FACTS همچون و می باشد. در این بین به خاطر داشتن مزایاهاي بهتر همواره مورد توجه محققان بوده است[ 2 ]. از آنجایی که تشخیص تفاوتها و مزایاي این تجهیزات و نحوه عملکرد آنها در پایداري ولتاژ بسیار مهم است این مقاله بررسی 1004
خصوصیات عملکردي این تجهیزات و مقایسه بین آنها را بررسی نموده است. در چندین مقاله که مورد بررسی قرار داده ایم نویسندگان این مقالات به صورت ساده شبیه سازي با یکی از ادوات FACTS انجام داده اند. اما ما در این مقاله یک کار گسترده انجام می دهیم به این شکل یک مدار نمونه شبیه به واقعیت را شبیه سازي می کنیم و به طور همزمان با نصب و نتایج را مورد بررسی می کنیم. ساختار کلی این مقاله به شرح زیر می باشد. در بخش دوم به بررسی انواع پایداري ها و تشخیص ضعیف ترین باس پرداخته شده است. در بخش بعدي مشخصات جبران سازهاي مورد بحث در مقاله اراي ه شده است. بخش چهارم شبیه سازي یک مدار نمونه را به تفصیل تشریح نموده و سرانجام نتایج و پیشنهادات بیان شده اند. 2- تعاریف پایه 1-2 پایداري استاتیکی ولتاژ پایداري سیستم قدرت طبق تعریف عبارت است از توانایی سیستم قدرت در حفظ حالت تعادل در شرایط بهره برداري عادي سیستم و یافتن نقطه کار متعادل جدید پس از حادث شدن اغتشاش در آن [4]. پایداري استاتیکی به پایداري سیستم قدرت در اثر ایجاد تغییرات کوچک و پیوسته در بار و شرایط اولیه بار و باقی ماندن پایداري سیستم با وجود سیستم هاي تحریک و گاورنر هاي مرسوم می باشد. پایداري استاتیکی ولتاژ به طور عمده در ارتباط با عدم توازن توان رآکتیو می باشد. در نتیجه توانایی بار در یک باس سیستم بستگی به پشتیبانی توان رآکتیوي دارد که باس می تواند از سیستم دریافت کند. بنابراین پشتیبانی توان راکیتو باید در محلی مناسب صورت گیرد. باید دقت نمود که گسترش آرام تغییرات موجب کمبود برق و کاهش ولتاژ خواهد شد[ 2 ]. هنگامی که توان انتقالی افزایش می یابد ولتاژ در پایانه دریافت کاهش یافته و در نهایت یک نقطه بحرانی نقطه اي در آن سیستم از توان رآکتیو استفاده نمی کند حاصل می شود که هرگونه افزایش توان اکتیو منتقل ولتاژ خواهد شد. شده منجر به کاهش سریع تنها راه نجات سیستم براي جلوگیري از فروپاشی ولتاژ کاهش بار توان رآکتیو یا اضافه کردن توان قبل از رسیدن به نقطه فروپاشی ولتاژ است. براي بهبود پایداري استاتیکی می توان اقدامات زیر انجام داد: 1) افزایش سطح ولتاژ شبکه 2) اضافه نمودن خطوط جدید به سیستم انتقال 3) کاهش راکتانس سري خط با باندل کردن خطوط 4) نصب خازن هاي سري در خطوط انتقال و کاهش راکتانس سري ترانسفورماتور ها [4]. 2-2 ضعیف ترین باس ضعیف ترین باس به عنوان نزدیک ترین باس به فروپاشی ولتاژ تعریف می شود. می توان معادل ضعیف ترین باس را با معادله دیفرانسیل تغییرات دیفرانسیل ولتاژ به تغییرات بار بیان کرد. با استفاده از معادلات جریان قدرت تغییر در سیستم توان اکتیو برابر است با: dp = cdλ (1) در نتیجه در ضعیف ترین باس خواهیم داشت: Bus = max V C λ, V C λ,, V C λ (2) چون مقدار Cdλ همان dv براي هریک از عناصر در بردار مماس می باشد انتخاب ضعیف ترین باس به آسانی انتخاب با بزرگترین مقدار dv می باشد [1]. معمولا قرار دادن توان رآکتیو در ضعیف ترین باس موجب پایداري ولتاژ حاشیه اي می شود و این کار را می توان با خازن هاي شنت و یا با کنترل کننده هاي FACTS انجام داد. با این حال هریک از دستگاه هاي جبران کننده داراي خصوصیات مختلفی هستند و برخی از آنها ممکن است مشکلاتی را در خصوص پایداري استاتیکی ولتاژ سبب شوند. 3- مشخصات جبران ساز ها می توان از جبران کننده شنت براي جبران توان رآکتیو استفاده براي کرد. کننده هاي این منظور از خازن هاي شنت سنتی یا از کنترل FACTS استفاده کرد. کنترل کننده هاي FACTSبسیار گران قیمت می باشند. جدول (1) مقایسه تقریبی هزینه هاي کنترل کننده هاي مختلف شنت را نشان می دهد.[1] 1005
نوع کنترل کننده خازن شنت قیمت ) بر اساس دلار بر کیلوولت آمپر رآکتیو) 8 40 50 1-3 خازن شنت جدول( 1 ) هزینه کنترل کننده هاي مختلف شنت خازن هاي موازي نسبتا ارزان و نصب و نگهداري آنها راحت می باشد. خازن شنت در قسمتی که تراکم بار زیاد است نصب می شود. مشکل خازن شنت ضعف تنظیم ولتاژ در یک سطح معین ولتاژ است [1]. نکته مهم دیگر آن است که توان رآکتیو تولیدي متناسب با مربع ولتاژ ترمینال می باشد که در شرایط کاهش ولتاژ این پشتیبانی کمتر می شود. شکل (1) منحنی عملکرد خازن شنت را نشان می دهد. شکل( 1 ) خصوصیات خروجی خازن شنت Static Var Compensator () 2-3 جبرانساز را می توان از اولین نسل جبران ساز هاي پیشرفته دانست که در اوایل دهه هفتاد میلادي معرفی شد[ 2 ]. این جبران ساز ها به صورت موازي به نقطه اي که قرار است عمل جبران سازي انجام شود متصل می شوند. اساسا یک تولید کننده یا مصرف کننده توان رآکتیو ایستایی است که بصورت موازي متصل شده و خروجی آن براي تغییر جریان کاپاسیتیو یا اندکتیو تنظیم شده به گونه اي که متغیرهاي سیستم قدرت حفظ و یا کنترل شوند. متغیر کنترل شده عموما ولتاژ باس است[ 5 ]. این تجهیز به عنوان وسیله اي جهت بهبود کیفیت توان پیامدي از فشار اقتصادي بر سسیتم هاي انرژي الکتریکی در سراسر دنیا است. بنابراین درك صحیح ساختار و عملکرد کنترلی و رفتار دینامیکی آن بسیار مهم است[ 6 ]. مدل عمومی به صورت زیر می باشد: محدوده رنج کنترلی (I I I, V V ): V = V X I (2) محدودیت کاپاسیتیو ) (V < V : B = B (3) محدودیت اندکتیو ) (I > I : B = B (4) که در آنها : دامنه ولتاژ مرجع : امپدانس مشخصه سیستم کنترلی : جریان جبران V X I محدودیت گستره شبیه منبع ولتاژي با راکتانس داخلی بوده و بیشتر محدودیت آن شبیه کاپاسیتور یا اندکتیو تثبیت می باشد [7]. رفتار مانند یک خازن ثابت یا سلف می باشد و انتخاب اندازه مناسب یکی از مساي ل مهم ها است. شکل هاي (2) و (3) ساختار اساسی و ویژگی خروجی آن را نشان می دهد. شکل (2) ساختار پایه 1006
شکل (3) خصوصیات ترمینال 3-3 جبرانساز استاتیکی سنکرون ) ( یک منبع تبدیل ولتاژ می باشد که ولتاژ DC ورودي را به ولتاژ AC خروجی به منظور جبران نیاز هاي اکتیو و رآکتیو سیستم تبدیل می کند. این تجهیز داراي ویژگی هاي بهتري نسبت به می باشد. زمانیکه ولتاژ سیستم کاهش پیدا می کند نیروي به حداکثر خود می رسد و حداکثر توان رآکتیو خروجی تحت تاثیر مقدار ولتاژ قرار نمی گیرد [1]. دیاگرام شماتیک و خصوصیات در شکل هاي (4) و (5) نشان داده شده است. شکل( 4 ) ساختار پایه همانگونه که در شکل دیده می شود اگر مبدل منبع ولتاژ فقط براي جبران سازي توان رآکتیو به کار رود منبع انرژي DC می تواند با یک خازن DC کوچک جایگزین شود. در صورتیکه توان تبادلی بین سیستم DC و AC فقط توان رآکتیو باشد مبدل خازن را شارژ کرده و در سطح ولتاژ مورد نیاز نگه می دارد. مبدل از سیستم AC مقداري توان اکتیو جذب و آنرا به عنوان تلفات داخلی مصرف می کند و ولتاژ خازن را در سطح ولتاژ مورد نظر نگه می دارد. اگر ولتاژ تولیدي از ولتاژ سیستم کمتر باشد به عنوان یک بار سلفی عمل نموده و توان رآکتیو از سیستم جذب می کند. اگر بخواهد به عنوان خازن موازي عمل کندو توان رآکتیو به سیستم تزریق نماید ولتاژ آن باید بیشتر از ولتاژ سیستم شود [2]. برخلاف جریان خروجی را می تواند مستقل از ولتاژ سیستم AC کنترل نماید. 4- شبیه سازي در این شبیه سازي از یک و براي تنظیم ولتاژ نقطه میانی در یک خط انتقال 500 کیلوولت استفاده شده است. شبکه مورد بررسی داراي دو منبع 500 کیلوولت با قدرتهاي 3000 و 2500 مگاولت آمپر می باشد. این دو منبع توسط یک خط انتقال 600 کیلومتري به هم متصل شده اند. هنگام عدم اتصال قدرت انتقالی از باس 1 به باس 3 برابر 930 مگاوات می باشد. شکل( 6 ) مدار نمونه شبیه سازي شده را نشان می دهد. در مطالعه انجام شده بین باسهاي 1 و 2 یعنی در نقطه میانی قرار گرفته و در بازه ± 100 مگاولت آمپر عمل می کند. مدل از سه سطح تشکیل شده است. اگر باز نمودن بلوك و انتخاب گزینه اطلاعات سیستم قدرت مشاهده می شود که داراي ولتاژ DC نامی برابر با 40 کیلوولت و شامل خازنی برابر 375 میکروفاراد می باشد. نیز امپدانس کل 0/22 پریونیت با 100 مگاولت آمپر می باشد. این امپدانس نشان دهنده مقاومت القایی و خازنی نشتی در ترانسفورماتور می باشد. نیز راکتور فازي در IGBT یک واقعی می باشد. شکل( 5 ) مشخصات ترمینال 1007
وB با اجراي شبییه سازي در شکل( 7 ) مشاهده می شود که سیگنال ولتاژ مرجع (رنگ قرمز) و همچنین توالی مثبت ولتاژ V اندازه گیري شده توسط (رنگ زرد) نشان داده شده است. نیز توان رآکتیو اندازه گیري شده Q (رنگ زرد) اراي ه شده است. به دنبال سیگنال Q می توان ثابت کرد که سیستم حلقه بسته ثابت بوده و حدود 20 میلی ثانیه می باشد. این زمان ثابت عمدتا به قدرت سیستم در باس 2 و نتایج V برنامه ریزي شده در بستگی دارد. با ضرب نمودن بهره ها در عدد 2 و انجام مجدد شبیه سازي پاسخ سریعتر می شود. با توجه به سیگنال هاي V و V مشاهده می شود که به عنوان یک نتظیم کننده ولتاژ کامل کار نمی شکل( 6 ) مدارنمونه شبیه سازي شده 1-4 اعمال تنظیمات و نتایج شبیه سازي جهت انجام مطالعات دینامیکی بهره ولتاژ K) ) AC برابر 5 و ) K) برابر 1000 انتخاب می شوند. در بلوك پله اي ولتاژ مبنا ولتاژ مرجع به شرح زیر تنظیم می شود: ابتدا ولتاژ مبنا در 1 پریونیت و در زمان 0/2 ثانیه ولتاژ مبنا به 0/97 پریونیت کاهش پیدا کرده و سپس در زمان 0/4 ثانیه ولتاژ مبنا به مقدار 1/03 پریونیت افزایش می یابد و در نهایت در لحظه 0/6 ثانیه ولتاژ مبنا دوباره به مقدار اولیه خود که همان 1 پریونیت بود باز می گردد. البته باید به این نکته توجه کرد که در زمان شبیه سازي بریکر در باس 1 عمل نکند( پارامترهاي فاز هاي B A و C بهتر است انتخاب نشود). شکل( 7 ) نتیجه شبیه سازي اسیلوسکوپ VQ- کند ) زیرا V دقیقا از V پیروي نمی کند). این موضوع به آن دلیل است که تنظیم کننده شیب برابر 0/03 پریونیت می باشد. با تنظیم مجدد پارامتر می شود که V از ولتاژ K V K در 5 و پیروي می کند. در 1000 مشاهده 2-4 مقایسه با در حالت خطا در این بخش مقایسه مدل با یک مدل که داراي مقدار ± 100 مگاولت آمپر است اراي ه می شود. مثل به شبکه برق متصل بوده و هر دو سیستم از قطع کننده سري خطا و یک امپدانس خطا تشکیل شده اند. قبل از انجام عمل شبیه سازي باید بلوك پله اي پایه را غیر فعال کرده و بجاي آن از بردار زمان 100 استفاده نماییم. در ادامه بریکر خطا با انتخاب پارامتر سویچ هاي A C در زمان 0/2 ثانیه براي حدود 10 سیکل برنامه ریزي می شود. باید دقت نمود که بریکر قطع کننده خطا در داخل سیستم قدرت همان پارامترهاي یکسان را داشته باشد. سپس دوباره در همان مقدار پایه 0/03 پریونیت پایه تنظیم می شود. با انجام شبیه سازي در شکل( 8 ) مشاهده می شود ولتاژ اندازه گیري شده در هر دو سیستم (قرمز رنگ مربوط به ( مشاهده می شود. نمودار دوم نشان دهنده توان رآکتیو Q تولید شده که با رنگ قرمز و با رنگ زرد نشان داده شده است. در طول 10 سیکل تفاوت کلیدي بین و به صورت زیر مشاهده می شود. توان رآکتیو در 0/48-1008
پریونیت تولید شده در حالیکه توان رآکتیو در هم در حالت گذرا و هم در حالت ماندگار می شود. مسي له جایگزاري در سیستم قدرت را می توان با روشهاي Soft 0/71- پریونیت تولید می شود. Neural Ant Colony Fuzzy Logic computing مانند : و حل کرد.... همچنین Genetic Algorithm Networks طراحی کنترل کننده هاي کاملتر براي کنترل عملکرد بهینه می تواند یکی از مسایلی باشد که در آینده مورد پژوهش قرار می گیرد. یکی دیگر از مساي ل قابل پژوهش بررسی تا ثیر هماهنگی و همکاري بین و ادوات مختلف قابل استفاده در سیستم قدرت از جمله ادوات ULTC UPFC PST FACTS و... می باشد. 6- مراجع [1]ArthitSode-Yome and N. Mithulanthan, Comparison of shunt capacitor, and in static coltage stability margin enhancement, Proc. Internatioal Journal of Electrical Engineering Education, pp. 159-160. [2] لرکی فربد مشکین لکی و همایون افزایش پایداري استاتیکی ولتاژ در شکل( 8 ) نتیجه شبیه سازي اسیلوسکوپ vs می توان مشاهده کرد که حداکثر توان خازنی تولید شده توسط متناسب است با مجذور ولتاژ سیستم در حالیکه حداکثر توان خازنی تولیدي توسط بصورت خطی با ولتاژ تغییر می کند. پس یکی از برتري هاي نسبت به آن است که در هنگام خطا می تواند توان خازنی بیشتري را تولید کند. می توان اضافه نمود که به طور نرمال داراي سرعت پاسخ دهی سریعتري نسبت به می باشد. شبکه برق منطقه اي خوزستان با استفاده از ادوات FACTS موازي بیست و چهارمین کنفرانس بین المللی برق 2009. [3] عبداللهی حسین جاذبی سعید اثر بر پایداري گذراي ژنراتور هاي سنکرون در مدل دینامیک سیستم قدرت صفحه 2-1 [4] دهقانی حسن بهبود پایداري در سیستم هاي قدرت جهت جلوگیري از blackout با استفاده از pss و ادوات FACTS دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی صفحه 3-2 2011. [5]A.C.Zambroni de Souza, Discussion on some voltage collapse indices, Proc. Electr.Powersyst.Res, pp. 53-58,2000. [6]E. G. Nepomuceno, The Dynamic Modeling of static var system in Power system blockest, Proc. Federal Institution of High Education of sao Joao del Rei,Brazil. 5- نتیجه گیري در این مقاله مقایسه خازن شنت و به منظور افزایش پایداري استاتیکی ولتاژ اراي ه گردید. خازن شنت و افزایش می دهد. پایداري ولتاژ و توانایی انتقال قدرت را و وسیله اي براي فراهم کردن رفتار بهتر در حالت کاهش نلفات و وضعیت ولتاژ می باشد. و نیز این دو رفتار بهتري از یک خازن شنت ساده را دارد. با این حال این کنترل کننده ها در مقایسه با خازن شنت گران قیمت تر می باشند. جایگذاري در محل مطلوب از مهمترین مسایلی است که در استفاده بهینه از باید مورد توجه بسیار قرار گیرد. جایگذاري بهینه باعث کاهش هزینه هاي اقتصادي و همچنین پاسخگویی بهینه سیستم به اختلالات 1009