پروژه بررسی عملکرد STATCOM در پایداری سیستم قدرت

فصل اول

  مقدمه

      بیش از 120 سال می‌گذرد که انرژی الکتریکی و توان الکتریکی پا به عرصه زندگی انسان گذاشته است ، در ابتدا دوسیستم جریان متناوب و جریان مستقیم مطرح بود(سیستم ac  و dc) ، که سیستم جریان مستقیم توسط ادیسون مورد مطالعه وپیگیری بود و سیستم جریان متناوب با ابداعات عملی نیکولا تسلا به صورت عملی مورد استفاده قرار گرفت . طولی نکشید که سیستم انتقال ac بر سیستم dc برتری یافت . پیشرفت تکنولوژی و احتیاج روزافزون بشر به انرژی الکتریکی باعث بزرگ شدن سیستم قدرت شد.

    با بزرگ شدن شبکه قدرت و به دنبال آن پیچیده تر شدن سیستم مسائل انتقال توان  وپایداری آن مطرح شد.پایداری سیستم قدرت به توانایی ماشین‌های سنکرون آن در گذر از یک نقطه کار حالت مانا متعاقب یک اغتشاش ، به یک نقطه کار حالت مانای دیگر بدون از دست دادن سنکرونیسم  اشاره می‌کند.

  سه نوع پایداری در سیستم قدرت مطرح است:

*پایداری حالت مانا

*پایداری گذرا

*پایداری دینامیکی

   پایداری حالت مانا به تغییرات آرام و تدریجی در نقاط کار مربوط است. مطالعات پایداری حالت مانا که اغلب توسط برنامه کامپیوتری پخش بار[1] صورت می‌گیرد به ما اطمینان می‌بخشد که زوایای فاز خطوط انتقال خیلی زیاد نیستند و ولتاژ باس‌ها به مقادیر نامی نزدیک‌اند وژنراتورها ، خطوط انتقال ، ترانسفورماتورها و تجهیزات دیگر دارای اضافه بار نمی‌باشند.

    پایداری گذرا[2] به اغتشاشات عمده مانند از دست رفتن تولید ، عملیات کلید زنی خط ، عیوب وتغییر ناگهانی در بار مربوط است . پس از ایجاد یک اغتشاش ، فرکانس ماشین سنکرون ،  اغتشاشات گذرایی را نسبت به فرکانس سنکرون (60 هرتز) تجربه می‌کند و زاویه توان ماشین تغییر می‌نماید . هدف از مطالعه پایداری گذرا این است که بفهمیم ماشین ها به یک زاویه توان حالت مانای جدید باز خواهند گشت یا نه . تغییر در سیلان توان وولتاژ باس ها نیز مورد نظر است .

     الگرد یک مقایسه زیبا بین برنامه پایداری گذرای سیستم قدرت و سیستم مکانیکی انجام داده است . همانطوری که در شکل-1-1 نشان داده شده است تعدادی جرم که نشانگر ژنراتورهای یک سیستم قدرت می باشد ، از یک شبکه شامل رشته‌های کشسان که به منزله خطوط انتقال انرژی الکتریکی هستند ، آویزان شده است(متناظر با حالتی که هر خط انتقال در کمتر از حد پایداری ایستای خود بهره برداری می‌شود ). در این لحظه فرض کنید که یکی از رشته ها به ناگهان بریده شود   ( متناظر با خروج ناگهانی یک خط الکتریکی از مدار ) این امر منجر به نوسانات گذرا و هم بستر تمامی جرمها خواهد شد ودر ضمن نیروهای کششی رشته ها نیز دچار نوسان خواهند شد . سیستم نهایتاً به یک نقطه کار جدید با یک مجموعه جدید از نیروهای وارد بر رشته ها می‌رسد و یا این که رشته‌های دیگری پاره شده و نتیجه حاصله یک شبکه ضعیف تر وپیامد آن فروپاشی[3] سیستم است . یعنی ، برای یک اغتشاش ، سیستم یا به صورت گذرا پایدار و یا ناپایدار است .

    در سیستم‌های قدرت بزرگ امروزی با ماشین‌های سنکرون زیاد که از طریق شبکه‌های پیچیده انتقال به هم متصل‌اند ، مطالعات پایداری گذرا به بهترین شکل توسط کامپیوترها صورت می‌گیرد . برای یک اغتشاش مشخص  برنامه متناوباً به صورت گام به گام معادلات جبری پخش بار را که نمایشگر یک شبکه غیر خطی و معادلات دیفرانسیل غیر خطی را که نشانگر ماشین‌های سنکرون است ، حل  می‌کند .

     محاسبات ، قبل از وقوع اغتشاش ، به هنگام اغتشاش وپس از رفع اغتشاش انجام  می‌شود . خروجی برنامه شامل زاویه توان وفرکانس ماشین‌های سنکرون ، ولتاژ باس‌ها وسیلان‌های توان برحسب زمان است .در اکثر حالات ، پایداری گذرا متعاقب یک اغتشاش ، در خلال اولین نوسان زوایای توان ماشین تعیین می‌شود . در خلال اولین نوسانی که به طور نمونه حدود یک ثانیه طول می‌کشد ، توان مکانیکی ورودی و ولتاژ داخلی ژنراتور ثابت فرض می‌شود . پایداری دینامیکی پریود طولانی‌تری( به طور نمونه چندین ثانیه ) را در بر   می‌گیرد . بنابراین ، شبکه خطوط انتقال ، ترانسفورماتورها و بارهای امپدانسی اساساً در حالت مانا هستند و ولتاژها ، جریان‌ها و توان‌ها را می‌توان از معادلات جبری پخش بار به دست  آورد .

                 شکل-1-1

    محدودیت‌های توان انتقالی در خطوط انتقال ac کلاسیک ( فاصله ، پایداری ، و قابلیت کنترل توزیع توان )که بهره برداری پائین‌تر از خطوط وتجهیزات را ایجاب می‌کرد باعث روی آوردن به جبران‌کننده‌ها و علی الخصوص جبران کننده‌های قابل کنترل گردید.

     استفاده از جبران‌کننده ها اثر به سزایی در کاهش هزینه مربوط به این محدودیت‌ها داشت . در سال‌های آخر دهه 1970 بوجود آمدن ابزارهای الکترونیک قدرت انگیزه استفاده از الکترونیک قدرت در جبران توان راکتیو را فراهم نمود . این فرایند تکاملی با توسعه‌های اخیر در صنعت برق ودر نتیجه افزایش مشکلات وشفاف شدن محدودیت‌ها ، شتاب بیشتری  گرفت . جستجو برای یافتن راه حل های مطلوب جهت حل مشکلات و رفع محدودیت‌ها منجر به توسعه تکنولوژیکی تحت عنوان سیستم انتقال ac قابل انعطاف [4]( FACTS ) توسط مؤسسه تحقیق در صنعت برق [5]( EPRI )  در آمریکا گردید که هدف نهایی از آن کنترل سیستم انتقال واقعی مبتنی بر سیستم قدرت بود .

     انستیتو تحقیقاتی توان الکتریکی ( EPRI ) پس از حمایت چندین ساله اش از کاربرد الکترونیک قدرت در سیستم‌های انتقال DC ولتاژ بالا  [6]( HVDC ) و در جبران کننده‌های راکتیو خطوط AC ، در اواخر دهه 1980 مفهوم کلی سیستم انتقال AC قابل انعطاف        ( FACTS ) را به رسمیت شناخت .  کلمه اختصاری FACTS معرف سیستم‌های انتقال جریان متناوب است که در آن با به کارگیری کنترل کننده‌های مبتنی بر الکترونیک قدرت ، قابلیت کنترل آن تقویت شده وقابلیت توان انتقالی آن افزایش یافته است .

    استفاده از ابزارFACTS  در ابتدا جهت حل مسائلی که در اواخر دهه 1980 به واسطه محدودیت در احداث خطوط انتقال بوجود آمد ، شروع شد ودر تبادل توان انتقالی رو به رشد بین مؤسسات مختلف توزیع نیروی برق با اهداف دوگانه زیر سهولت ایجاد کرد :

*افزایش توانایی توان انتقالی سیستم‌های انتقال

*هدایت عبور توان در مسیرهای مورد نظر

   توسعه ابزار FACTS دو روش فنی متمایز را در برداشته ، که هر کدام باعث ایجاد گروهی ازکنترل کننده‌ها شده‌اند که قادرند مشکلات مورد نظر در شبکه راحل نمایند . گروه اول از امپدانس‌های راکتیو و یا از ترانسفورماتورهای دارای تپ چنجر همراه با سوئیچ‌های تریستور   ( به عنوان عناصر کنترل‌کننده ) استفاده  می‌نمایند ، گروه دوم از کانورترهای استاتیکی با کموتاسیون خودی استفاده می‌نمایند .

    کنترل کننده های گروه اول شامل جبران کننده توان راکتیو استاتیکی [7](SVC ) ، خازن سری قابل کنترل با تریستور  [8]TCSC)) و جابجا کننده فاز هستندکه در آرایش مداری از تریستورهای معمولی ( تریستورهایی که قابلیت خاموش شدن ذاتی ندارند ) استفاده         می کنند .

    کنترل‌کننده‌های گروه دوم از کانورتر های سوئیچینگ منبع ولتاژ با کموتاسیون خودی استفاده می‌نمایند تا منابع ولتاژ با جریان ac ، سنکرون واستاتیک قابل کنترل را به سرعت تحقق بخشند . این روش در مقایسه با روش‌های جبران‌سازی مرسوم که از خازن سوئیچ شونده با تریستور وراکتور قابل کنترل با تریستور استفاده می‌نمایند ، عموماً مشخصه‌های عملکردی بهتری ارائه می‌کنند وکاربرد یکسانی را برای کنترل ولتاژ ، امپدانس خط و زاویه انتقال فراهم می‌نمایند . همچنین علاوه بر فراهم‌کردن جبران توان راکتیو مستقل و قابل کنترل قادر است مستقیماً با سیستم ac مبادله توان اکتیو نماید بنابراین یک امکان قدرتمند کنترل توان انتقالی را فراهم نموده واغتشاشات دینامیکی را حذف می‌نماید .

    پیشرفت تکنولوژی نیمه هادی های قدرت و الکترونیک قدرت علاوه براینکه  انتقال dc ولتاژ بالا را میسر نموده ، توانسته است مشکلات انتقال ac  را تا حدی مرتفع نماید و بر کیفیت توان بیفزاید . استفاده از ابزار FACTS (سیستم انتقال ac قابل انعطاف) در یک سیستم قدرت می‌تواند بطور بالقوه بر محدودیت‌های سیستم‌های انتقال کنترل شده ازطریق مکانیکی حاضر، غلبه کند .

    به کمک انتقال توان اکثریت ، این شبکه‌های درون اتصالی به ماکمک می‌کنند که نیاز به توسعه ماشین‌های قدرت را به حداقل می‌رسانند فضا وابزار مجاور را قادر می‌سازد تا به مبادله توان بپردازند . وقتی که صنعت به سمت وضعیت رقابتی حرکت می‌کند قیمت دستگاه های FACTS درون سیستمها ی قدرت به طور پیوسته افزایش می‌یابد که در نتیجه آن قدرت به عنوان یک کالا خرید و فروش می‌شود . هنگامیکه گردش قدرت به طور فزاینده‌ای متداول می‌شود، دستگاه‌های الکترونیکی قدرت به طور مکرر  به منظور اطمینان از ثبات واعتبار سیستم ونیز به منظور افزایش انتقال قدرت ماکزیمم در مسیرهای انتقال مختلف به کار می‌رود .

   امروزه اهمیت وجود منابع توان اکتیو و راکتیو قابل کنترل با سرعت پاسخ بالا جهت    بهبود وضعیت  بهره‌برداری و افزایش قابلیت اطمینان شبکه‌های قدرت بخوبی شناخته             شده است. بهمین منظور در مطالعه بر شبکه‌های قدرت در سطح ولتاژهای                       انتقال و فوق توزیع (و حتی توزیع ) از عناصر FACTS همچون STATCOM[9]                                               ( یا [10]D-STATCOM ) جهت بهبود پایداری ولتاژ و بهبود پایداری گذرا و دینامیکی استفاده شده است به نحوی که در بعضی موارد استفاده عملی از این عنصر تحقق یافته است .

    در کشور ما نیز نیاز به منابع توان راکتیو کنترل پذیر بدلایل مختلف از جمله ، عدم استفاده از سیستم‌های کنترل  [11]AVR   بصورت  حلقه بسته ( در بعضی از نیروگاهها ) ، عدم وجود تنظیم‌کننده‌های تپ‌چنجر اتوماتیک  ( بعضی از پست‌ها ) ، محدودیت تولید توان راکتیو ( در برخی از نیروگاهها ) ، اختلاف زیاد بین حداکثر وحداقل بار در زمان‌های مختلف و توپولوژی‌های خاص شبکه در بعضی از مناطق ، بسیار جدی و ضروری به نظر می‌رسد بنحوی که مطابق شواهد یکی از دلایل برخی از حوادث منجر به خاموشی شبکه در سال های اخیر عدم وجود منابع توان راکتیو کنترل شونده مناسب وکافی بوده است.

روش‌های طراحی برای بهبود دادن پایداری گذرا شامل موارد زیر است :

1 - بهبود پایداری گذرا

   الف- سطوح ولتاژ بالاتر

   ب- اضافه نمودن خطوط انتقال

   ج- راکتانس سری خط انتقال کمتر

   د- راکتانس نشتی ترانسفورماتور کمتر

   و- جبران خازنی سری خط انتقال

   ه- جبران اکتیو – راکتیو موازی خط انتقال

2- برطرف نمودن سریع عیب

3- کلیدهای باز وبست سریع

4- کلید زنی تک قطب

5- ثابت اینرسی بیشتر ، راکتانس گذرای کمتر( ماشین )

6- پاسخ سریع وبا بهره زیاد( اکسایتر[12] )

7- کنترل سریع شیر بخار

8- مقاومت‌ های ترمز