به کار گیري مانع هاي مقاومتی جهت بهبود پایداري گذرا سعید اباذري - هیات علمی دانشگاه شهرکرد saeedabazar@yah.cm چکیده میباشد. یکی از مساي ل مهم در سیستم هاي قدرت افزایش میرایی دامنه نوسانات و افزایش زمان بحرانی در پایداري گذرا لذا توجه به اهمیت میرا نمودن نوسانات در بهبود پایداري گذرا ما را به این سمت هدایت می نماید که از ابزاري بهره گیریم که بتواند در این امر ما را کمک نماید. یکی از ابزارهاي مهم در این کار قطع کننده مقاومتی می باشد اما چگونگی عملکرد آن در سیستم قدرت زمان کار و محل به کار گیري آن از مساي ل مهم می باشد. در این راه با استفاده از المانهاي الکترونیک قدرت و مدلسازي دقیق شبکه کنترل کننده بهینه اي طرح شده است که ما را به هدف نهایی خود رهنمون می سازد. مانع هاي مقاومتی در حقیقت به طور مو ثر انرژي اضافی که در اثر اختلال بوجود آمده است را جذب نموده و بدین ترتیب در بهبود پایداري کمک می نماید. کلمات کلیدي مانع هاي مقاومتی پایداري گذرا کنترل bang-bang کنترل بهینه - مقدمه پایداري یک سیستم قدرت یک ویژگی از سیستم است که تضمین می نماید که سیستم تحت شرایط کار نرمال و غیر نرمال در نقطه متعادل باقی می ماند. اصولا در مسا له پایداري گذرا این مسا له مطرح می گردد که آیا براي یک اغتشاش بزرگ مسیر حالت سیستم به ناحیه جذب باز می گردد یا خیر روشن است که پایداري گذرا بستگی به توپولوژي سیستم قدرت نقطه کار در حالت متعادل و همچنین نوع اغتشاش وارد شده به سیستم دارد. مانع هاي مقاومتی می توانند انرژي اضافی بارها را به سرعت جذب نماید و از این جهت انرژي گذرا را افزایش دهند و در حقیقت در زمان بروز اختلال انرژي اضافی ژنراتورها را جذب نمایند. معمولا در سیستم هاي قدرت یک مقاومت به صورت موازي مانند یک بار به ژنراتورها اتصال دارند و انرژي که این بار می تواند جذب نماید بستگی به ماکزیمم درجه حرارت قابل تحمل مواد تشکیل دهنده مانع هاي مقاومتی دارد []. این مانع هاي مقاومتی در کشورهاي روسیه آمریکا ژاپن به کار رفته است. به طور معمول قبلا سوي یچ مقاومتها بر اساس سیستم مدار باز بوده و استراتژي پیش بینی شده نیز بر اساس سیستم حلقه باز عمل می نمود. اما به مروز زمان استراتژي کنترل بهینه مطرح می گردد که نمونه اي از استراتژي مربوط به سیستم کنترل فازي bang-bamg میباشد[ ]. آلیو نیز پیشنهاد نموده است که یک قطع کننده مقاومتی و یک مانع مقاومتی و یک رآکتور قابل کنترل براي حالت اضطراري در نظر گرفته شود[ 3 ]. سوي یچ این مانع مقاومتی و رآکتور بر اساس استراتژي تغییر سرعت می باشد. مقاومت ها مقدار انرژي شتاب دهنده ژنراتور را جذب می نماید و رآکتور نیز ولتاژ ماشین ها را در زمانی که ماشین شتاب منفی دارد کاهش می دهد در این حالت قدرت الکتریکی کاهش می یابد و لذا این عمل باعث می شود که سیستم به نقطه تعادل باز گردد. یک استراتژي بهینه دیگر می تواند این باشد که علاوه بر مقاومت جبران کننده نیز به سیستم کنترل کننده اضافه گردد و این جبران کننده بتواند در مواقع لزوم ولتاژ را اضافه نماید تا بتواند قدرت انتقالی را اضافه و زاویه نوسان را کم نماید [8-4]. در مطالعه پایداري ما از این نوع کنترل کننده بهره گیریم که تلفیقی از کنترل کننده ها در مراجع ذکر شده میباشد.
فصلنامه علمی - تخصصی مهندسی برق مجلسی / سال اول/ شماره دوم / پاي یز 386 - کنترل تایرستوري براي مانع هاي مقاومتی مانع هاي مقاومتی در اکثر موارد در در ترمینال ژنراتورهاي شبکه متصل می گردند و داراي دو المان اصلی می باشد: - قطع کننده الکترونیک قدرت که زمان قطع و صل آن قابل کنترل باشد. - قسمتی که شامل مقاومت می باشد. در شکل () بلوك دیاگرامی نشان داده شده است که در این بلوك دیاگرام ژنراتور را به همراه مانع مقاومتی نشان می دهد. مقاومتها از طریق مبدلهاي ac/ac کنترل می گردند. دستور مربوط به وصل مقاومتها از طریق وضعیت ولتاژ ترمینال ژنراتور صادر می گردد و با توجه به مقدار ولتاژ نسبت به حالت خاص میزان در مدار قرار گرفتن مقاومتها تعیین می گردد. علاوه بر این باید دقت نمود که میزان انرژي جذب شده توسط مقاومتها داراي محدودیت می باشند لذا به این ترتیب مدت زمان وصل مقاومتها نیز محدود می گردد. همچنین باید در نظر داشت که کل انرژي جذب شده توسط مانع هاي مقاومتی خیلی بزرگ نمیباشد اما اثر آنها بر روي جلوگیري از سرعت گیري ژنراتورها قابل ملاحظه می باشد. یک سو ال که در اینجا مطرح می گردد که میزان انرژي جذب شده توسط مانع هاي مقاومتی بایستی چه اندازه باشد پاسخ به این سو ال مشکل است اما به تجربه ثابت شده است که سیستمهایی که مانع هاي مقاومتی ظرفیت جذب انرژي آن بر حسب مگاژول در حدود درصد قدرت خروجی ژنراتور بر حسب مگاوات باشد می تواند پاسخ مناسبی جهت بهبود پایداري سیستم بدهد. روش کنترلی که براي در مدار قرار گرفتن مانع هاي مقاومتی از طریق مبدل فاز ac/ac تمام کنترل شده به نحوي که در شکل () نمایش داده شده صورت می پذیرد. در شکل فوق هر سوي یچ نماینده سه فاز با زاویه تا خیر α عمل می نماید. مقدار مو ثر ولتاژ فاز به نول را با V نشان می دهیم با تنظیم فاز یک ولتاژ سه فازac تولید می گرددو متوسط قدرت جذب شده توسط تایرستور با توجه به زاویه تا خیر α از رابطه زیر تبعیت می کند: 6V π α snα ( + α < 6 R π 6 4 8 π ( + 6V π P = 6 α < 9 R 3csα 3snα () + 6 6 π α ( + 6V 4 4 π 9 α < R 3csα snα + 6 6 در روابط فوقR اندازه مقاومت مانع مقاومتی می باشد. روابط () در حقیقت نحوه کنترل قدرت را نمایش می دهد. - 3 نحوه کنترل مانع مقاومتی در زمان اختلال معادله نوسان یک ژنراتوردر یک سیستم چند ماشینه به صورت رابطه زیر بیان می گردد: H d δ dδ + D = =,,.., n Pm P e () s dt dt در رابطه فوق δ زاویه نوسان n تعداد ماشینها H ثابت P e P m اینرسی و D ضریب میرایی ماشین و قدرت ورودي مکانیکی و خروجی الکتریکی می باشد. با توجه به اینکه معمولا سیگنال سرعت ژنراتور قابل اندازه گیري می باشد و اندازه گیري زاویه نوسان ماشینها به آسانی امکان پذیر نمی باشد لذا رابطه فوق را به صورت زیر بیان می نماي یم: H d + D = Pm e =,,..,n (3) s dt در رابطه فوق از وجود مانع مقاومتی صرفنظر نموده ایم. در حالت متعادل قدرت مکانیکی و الکتریکی برابر و لذا تغییرات سرعت برابر با صفر می باشد. با بروز اختلال نظیر اتصال کوتاه قدرت مکانیکی تغییر نمی یابد ولی قدرت الکتریکی کاهش می یابد لذا ماشینها سرعت گرفته و به همین دلیل انرژي جنبشی ماشینها افزایش می یابد و با افزایش سرعت زاویه نوسان افزایش می یابد لذا مقدار قدرت خروجی پس از اختلال اضافه می گردد و در این حالت ماشین شتاب منفی گرفته و سرعت ماشین کم می گردد ولی انرژي جنبشی قبلی اکنون به صورت پتانسیل ظاهر می گردد اگر انرژي U D/A P PC A/D شکل -: بلوك دیاگرام سیستم تمام کنترلی قطع کننده ها
3 به کار گیري مانع هاي مقاومتی جهت بهبود پایداري گذرا پتانسیل در این حالت بیشتر از انرژي جنبسی کسب شده در زمان اختلال باشد سیستم پایدار در غیر اینصورت ناپایدار است حال اگر از مانع مقاومتی استفاده شود رابطه (3) به صورت زیر قابل بیان است: H s d + D + P B= Pm e =,,.., n (4) dt P B که مقدار قدرت جذب شده توسط مانع مقاومتی می باشد در اینجا مشخص است که هر چقدر قدرت جذب شده توسط مانع مقاومتی بیشتر باشد از افزایش انرژي جنبشی سیستم جلوگیري مینماید اما به دلیل محدودیت جذب انرژي به دلایلی که ذکر شد نمیتوان این انرژي را به صورت کامل جذب نمود اما با توجه به جلوگیري از افزایش بیش از اندازه انرژي جنبشی میتوان ادعا نمود که به طریقی زمان بحرانی رفع خطا افزایش یافته لذا امکان دستیابی به پایداري را افزایش دادهایم. مانع هاي مقاومتی نه تنها در جذب انرژي جنبشی در زمان اختلال مو ثر می باشند بلکه آنها می توانند دامنه نوسانات را بعد از رفع اختلال میرا کنند. استراتژي کنترل در این حالت براي قدرت تلف شده توسط مقاومتها می تواند به صورت زیر در نظر گرفته شود: PB = S Ke =,,.., n () که در آن وδ به صورت زیر تعریف می گردند. که در آن δ و به صورت زیر تعریف می گردند: > S = < (6) t > t cl e = -B(t-t cl ) e t > t cl (7) در رابطه () K میزان مجاز افزایش ضریب میرایی را نشان میدهد و t cl زمان رفع خطا می باشد. مو لفه نمایی در عبارت بالا به این دلیل در نظر گرفته شده که مانع مقاومتی در یک زمان کوتاه به صورت مستقیم عمل می نماید و پس از گذشت زمان مشخص این ضریب میرایی بایستی کاهش یابد تا از به هدر رفتن بیشتر انرژي جلوگیري گردد. نکته قابل توجه این است که در اینجا کنترل به صورت غیر خطی می باشد ولی کنترل آن به صورت پیوسته میباشد. همچنین لازم به ذکر است به دلیل آنکه زمان عملکرد مانع مقاومتی کوتاه می باشد نمیتوان انتظار داشت که حالت تعادل سیستم مطابق زمانی باشد که مانع مقاومتی خارج از سیستم میباشد. با توجه به روابط (4) و () می توان رابطه زیر را داشت: H d + ( D + S K e) = Pm e =,,.., n(8) s dt رابطه (8) دقیقا نشان می دهد که میرایی ماشینها به اندازه S K e اضافه گردید که این ضریب می تواند در مستهلک نمودن نوسانات سیستم بعد از اختلال کمک نماید. براي میرایی هر چه بهتر دامنه نوسانات می توان از وجود جبران کننده هاي مدرن نظیر ASVC بهره برد که این جبران کننده ها بعد از رفع اختلال به کار می آیند و می توانند میزان انرژي پتانسیل را افزایش دهند و به این ترتیب به جبران انرژي جنبشی باقی مانده کمک نمایند لذا در شبیهسازي از این جبران کننده استفاده شده است. 4- نتایج حاصل از اعمال کنترل کننده درشبیه سازي براي شبیه سازي سیستم 9 شینه IEEE را مطابق شکل (3) در نظر گرفته همچنین مشخصات و اطلاعات اولیه سیستم مربوط به خطوط انتقال پخش بار و مشخصات سه ماشین سیستم در[ ] G 7 8 Lad A 4 G 6 Lad c 9 Lad B 3 G3 شکل - سیستم 9 شینه IEEE براي شبیه سازي اراي ه شده است. براي نمونه قدرت جذب انرژي مانع هاي مقاومتی MJ در نظر گرفته شده است. برروي این سیستم مطالعه زیر صورت پذیرفته است: - اتصال کوتاه سه فاز بر روي شین 7 و مدت زمان اختلال میلی ثانیه می باشد. در این حالت سه وضعیت را به طور جداگانه مد نظر قرار داده ایم. وضعیت اول مربوط به زمانی است که سیستم هیچ نوع کنترلی نداشته باشد در این حالت همانطور که در شکل (3) نشان داده شده است شکل رفتار زاویه نوسان ماشین سوم نسبت به ماشین مبنا مشابه یک سیستم ناپایدار است و در شکل (4) نمودار صفحه فاز ماشین سوم نسبت به ماشین مبنا این وضعیت را بیشتر نمایان می سازد در صورتی که در شکل (3) سیستم داراي کنترل bang-bang و بهینه به سمت پایداري میل می کند و در حالت کنترل بهینه دامنه نوسانات سریعتر مستهلک می گردد و این بیانگر قدرت روش به کار رفته می باشد.
فصلنامه علمی - تخصصی مهندسی برق مجلسی / سال اول/ شماره دوم / پاي یز 386 4 rad/ sec Bang -Bang cntrl - - 4 6 - degres s در شکل () و (6) نمودارصفحه فاز ماشین سوم نسبت به ماشین مبنا در حالت کنترل bang-bang و کنترل پیوسته رسم گردیده است. در این حالت فرض بر این است که مانع مقاومتی و جبران کننده با توجه به استراتژي بهینه تعیین می گردد همان طور که در شکل (6) رسم شده است در این حالت سیستم رفتار مناسبی از خود نشان می دهد و سیستم به نقطه تعادل میل می نماید. لازم به ذکر است که در این مطالعه فوق باتوجه به اینکه اختلال بیشتر بر زاویه نوسان ماشین سوم تا ثیر بیشتري می گذارد لذا رفتار این ماشین بررسی گردید. در این حالت مشاهده گردید که حالت کنترل بهینه در میرایی دامنه نوسانات و رساندن سیستم به نقطه تعادل نقش مو ثرتري نسبت به کنترل bang-bang دارد که این حالت کاراي ی روش به کار گرفته را نشان می دهد. - نتیجه گیري و پیشنهادات با بررسی کلی و شبیه سازي صورت گرفته نتایج زیر را می توان استنتاج نمود: - مانع هاي مقاومتی می توانند انرژي سرگرادان سیستم که سبب شتاب گرفتن ژنراتورها می گردد را جذب کنند و مانع هاي مقاومتی به این ترتیب می توانند از ناپایدار شدن سیستم جلوگیري نماید. - با توجه به ظرفیت محدودیت جذب انرژي مانع هاي مقاومتی با توجه به محدودیتهاي حرارتی می توان این محدودیت را در شبیه سازي دخالت داد و با توجه به آن میزان جذب انرژي این مانع هاي مقاومتی را محدود نمود تا از آسیب رسیدن به آنها جلوگیري نمود. - با توجه به استراتژي کنترل پیوسته با استفاده از مانع هاي مقاومتی و جبران کننده ها تا حد زیادي دامنه نوسانات را نسبت به کنترل bang-bang کاهش داد و نتایج شبیه سازي نیز حاکی از این مطلب می باشد. - طراحی مانع هاي مقاومتی می تواند به سیستم کنترل قابلیت اطمینان بیشتري ببخشد و با طراحی مناسب کنترل مقاوم می توان اندازه مانع مقاومتی بهینه را انتخاب نمود و با این طرح مناسب وابستگی سیستم را به نقطه کار از بین برد. - کنترل تایرستورها در مانع هاي مقاومتی را می توان به صورت n-lne به کار برد و سرعت عمل سیستم را به این طریق بالا برد. Study f Brakng Resstr 6 4-4 6-4 Tme(sec) شکل 3- نمودار زاویه نوسان ماشین 3 نسبت به ماشین مبنا در سه وضعیت بدون کنترل و کنترل BangBang و کنترل بهینه Rad/sec Phase Plane -4 - - 4 6 - شکل - 4 نمودار صفحه فاز ماشین 3 نسبت به ماشین مبنا در حالت بدون کنترل شکل - نمودار صفحه فاز ماشین 3 نسبت به ماشین مبنا در حالت کنترل bang-bang Rad/Sec Optmal Cntrl 6 4 - - - شکل - 6 نمودار صفحه فاز ماشین 3 نسبت به ماشین مبنا در حالت کنترل بهینه
به کار گیري مانع هاي مقاومتی جهت بهبود پایداري گذرا با توجه به ظرفیت محدود مانع هاي مقاومتی سعی شود که اندازه این مانع ها با بالاترین کارایی حداقل باشد تا در جاهایی که مشکلات زمین وجود دارد مسا له اي از این حیث برروز ننماید. میزان و محل مانع هاي مقاومتی با توجه به معیار بهینه تعیین گردد. 6- مراجع M.SHELTON "BPA 4MW Brakng Resstr" IEEE Trans,97,Vl pas-88,pp-6-69 A.Rahm "A clsed lp quas-ptmal Dynamc Brakng resstr and shunt reactr cntrl strategy r transent stablty" IEEE Trans n pws,vol3 N3,Aug 988,pp879-886 W.Jhann "Desgn and Expermental Evaluatn f the lss tree Brakng Resstr fr Applcatn n ntegrated cnverter machne systems" IEEE,Pwer system 988,pp.66-63 A.Rahm " ptmal swtchng f dynamc brakng resstr reactr r capactr fr transent stablty f pwer system " IEEE Prceedng, Vl 38,N,Jan.99. J. SHT " Augmentatn f transent stablty lmt f pwer system by autmatc multpltple applcatn f dynamc brakng " IEEE Trans, Nv. 98,PWRS-4,pp34-3. A.Mehd " Imprvement f transent stablty lmtatn Mcrprcessr Cntrlled Dynamc Brakng System " IEEE 99,PP3-3 J.W.klar "A Nvel Cncept fr regeratve Brakng f PWM Emplyng alss tree Brakng resstr" n Recrd f the IEEE Cnternce,Feb pp.3-3,997. V.Mansur "Brakng resstr applcatn and experence" Canadan Electrcal Asscatn, sprng Meetng, March 983. [] [] [3] [4] [] [6] [7] [8] - 7 پینوشتها - Brakng Resstr - Dman f Attractn