ملاحظات طراحی برای مبدل‏‌های FACTS پراکنده با اتصال سری - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: شبکه قدرت در حال فرسایش بوده و تراکم بار هر روز در حال بیشتر شدن است. از راه حل‏های مرسوم مانند سیستم‏های انتقال ac انتقال پذیر (ادوات فکتس facts) می‏توان برای کنترل پخش بار در شبکه، استفاده کرد. اگرچه، قیمت بالا و مشکلات قابلیت اطمینان، مانع از استفاده گسترده آن شده است. مفهوم ادوات facts پراکنده به عنوان جایگزینی برای تحقق کنترل پخش بار مقرون بصرفه، به تازگی به کار رفته است. این مقاله بر روی ملاحظات طراحی پیاده سازی راه حل‏های کنترل پخش بار پراکنده در شبکه‏ های قدرت، با نمونه‏ های مشخصی برای جبرانسازی var سری، و نیز اثرات قابل ملاحظه‌ای که می‏تواند در بهره برداری از شبکه و قابلیت اطمینان سیستم داشته باشد، بحث می‏کند. قابلیت استفاده از روش‏های تبدیل توان تکامل یافته، پتانسیل پیاده سازی مقرون بصرفه آن را نشان می‏دهد.

اصطلاحات شاخص ــ پخش بار اکتیو، سیستم‏های انتقال ac انعطاف پذیر پراکنده (ادوات D-FACTS)، FACTS، جبرانسازی var سری.

مقدمه

شبکه برق در آمریکا و بیشتر جا‌های جهان در حال فرسایش و تحت فشار رو به افزایش می‏باشد. ساختار صنعتی مدرن خواستار افزایش مقدار برق ارزان و قابل اطمینان است. با این حال، در یک محیط برق با ساختار نیمه-تنظیم شده و با رویارویی با احساس مخالفت مردم با قرار دادن خطوط برق در مجاورت جوامع، قابلیت استفاده از ساختار موجود به صورت کارآمدتر، تبدیل به مساله‌ای بحرانی گشته است.

شرکت‏های برق در در دسترس قرار دادن برق با قابلیت اطمینان خوب، موفق بوده اند. یک مولفه مهم با قابلیت اطمینان بالاتر، حرکت از توزیع برق شعاعی به سمت سیستمی که سریعا در حال شبکه شدن است، می‏باشد. با این کار، بخش (سکشن)‌های دارای خطا در شبکه، به سرعت ایزوله می‏شوند، بدون اینکه بخش عمده مشترکان برق، متحمل قطع برق شوند. شرکت برق نمی‌تواند به صورت کارآمد پخش بار را در چنین شبکه‌هایی کنترل کند. بعلاوه، هنگامی که نخستین خط به حد حرارتی خود می‏رسد، ظرفیت انتقال توان کلی را در کل سیستم محدود می‏سازد، حتی در صورتی که خطوط دیگر سیستم تنها در حال بهره برداری از کسری از ظرفیت خود باشند. در پایان، توپولوژی شبکه به صورت پیوسته در حال تغییر است، چرا که خطوط، بار‌ها و توان تولیدی هر روز در حال افزوده شدن و کاسته شدن می‏باشند. تثبیت یکپارچگی سیستم تحت شرایط جریان و نیز تحت شرایط ازدحام (N-۱) و (N-۲)، نیاز قانع کننده به کنترل پخش بار در شبکه را ایجاب می‏کند.

تکنیک مرسوم و اثبات فنی شده برای کنترل پخش بار در شبکه، تا به اینجا استفاده از سیستم‏های انتقال ac انعطاف پذیر (ادوات FACTS) بوده است. جبرانسازی var شنت همانند STATCOn-ها، فن آوری‏های مقرون به صرفه تری می‏باشند. Var شنت، ولتاژ شبکه را پشتیبانی می‏کند، در حالی که var سری برای کنترل پخش بار اکتیو بکار می‏روند. پخش توان اکتیو نیازمند پاسخ “var سری” بوده که بتواند امپدانس خطوط توان را تغییر داده یا زاویه ولتاژ اعمالی به خطوط را تغییر دهد. جبرانسازی راکتیو سری نیز، مگر برای خطوط انتقال طولانی، به دلیل هزینه بالا و پیچیده بودن پیاده سازی آن، به ندرت مورد استفاده قرار می‏گیرد. در پایان، می‏توان آمیزه‌ای از ادوات سری-موازی مانند کنترل کننده پخش بار سراسری (یونیورسال) که می‏تواند امکانات کنترلی بی شماری را _البته با قیمتی بیشتر_ ارایه دهد.

هرچند ادوات FACTS از نظر فنی اثبات شده و برای بیش از یک دهه در دسترس بوده اند، سازگاری این فن آوری با بازار زیاد موفق نبوده است. دلیل آن نیز به نظر می‏رسد که بیشتر به دلیل هزینه بالا و سطوح قابلیت اطمینان/در دسترس بودن بوده که احتمالا با انتظارات شبکه مطابقت نداشته است. تنش‏های بالا بویژه تحت شرایط خطا و متوسط زمان تعمیر بالا، عوامل اصلی در زمان خاموشی برنامه ریزی نشده این تجهیزات می‏باشد.

بهره برداری در حال افزایش و قیمت در حال کاهش فن آوری‏های الکترونیکی، الکترونیک قدرتی و مخابراتی، کل بخش‏های صنعتی را تغییر داده است. پیش بینی می‏شود که روشی مشابه برای پیاده سازی ادوات فکتس توان-بالا می‏تواند عملکرد بهتر و روشی ارزان‌تر برای بهبود قابلیت کنترل و قابلیت اطمینان سیستم T&D، بهبود استفاده از تاسیسات موجود و کیفیت توان کاربر-نهایی را با کمترین هزینه سیستمی و اثرات زیست-محیطی، ارایه دهد.

مفهوم ادوات FACTS پراکنده (D-FACTS) به تازگی به عنوان جایگزینی برای محقق ساختن عملیاتی بودن ادوات FACTS (به ویژه ادوات FACTS سری) با هزینه‌ای پایین‌تر و قابلیت اطمینانی بالاتر، ارایه شده اند. این مقاله تکنیکی برای دسته بندی ادوات D-FACTS ارایه داده و مهم‌ترین ملاحظات طراحی را که استفاده از این تجهیزات را راهنمایی و محدود می‏کند، مورد آزمون قرار می‏دهد.

مفهوم امپدانس سری پراکنده (DSI) که می‏تواند امپدانس خط متغیری را محقق ساخته و به کنترل پخش بار اکتیو نیز کمک می‏کند، برای نشان دادن عملی بودن روش D-FACTS مورد استفاده قرار گرفته است. این مفهوم را می‏توان با استفاده از ماژول‏های اینورتر تکفاز با قدرت نامی کم (حدود ۱۰ kVA) و ترانسفورماتور تک-دور (STT)، به علاوه مدارات منبع توان و کنترلی مربوطه و قابلیت‏های مخابراتی درونی، به منظور محقق ساختن یک جبرانساز سری استاتیکی پراکنده (DSSC)، بسط داد. این مفاهیم بطور دقیق، همراه با مزایا و مشکلات مربوط به کاربرد آنها، مورد بحث قرار می‏گیرد.


شکل ۱٫ D-facts قرار گرفته در خط برق.

شکل ۲٫ نوعی وسیله DSI.

ادوات D-FACTS سری

شکل ۱ شماتیکی مفهومی از ادوات D-FACTS بکار رفته در یک خط برق به منظور تغییر پخش بار با استفاده از تغییر دادن امپدانس خط را، نشان می‏دهد. هر ماژول حدود ۱۰ kVA قدرت نامی می‏باشد و به خط کلمپ شده است که هم از نظر الکتریکی و هم از نظر مکانیکی، شناور است. از هر ماژول می‏توان برای افزایش یا کاهش امپدانس خط استفاده کرد، یا اصلا بودن تغییر گذاشت. با زیاد بودن تعداد ماژول‌هایی که با هم در حال کار می‏باشند، می‏توان تاثیر ژرفی بر روی پخش بار در خط گذاشت. ولت-آکپر نامی کم ماژول ها، در راستای تولید انبوه سیستم‏های الکترونیک قدرتی در تجهیزات صنعتی و بازار منابع برق توان اضطراری بوده، و بیان می‏دارد که می‏توان به هزینه بسیار پایینی دست یافت. در پایان، استفاده از تعداد زیاد ماژول‏ها منجر به بالا رفتن قابلیت اطمینان می‏باشد، چرا که عملکرد سیستم با نقص تعداد کمی از ماژول ها، به خطر نخواهد افتاد. معادله (۱) نشان می‏دهد که چگونه توان امتیو با راکتانس خط تغییر می‏کند. کنترل پخش بار حقیقی در خط از این رو، نیازمند تغییر زاویع δ. یا امپدانس خط XL می‏باشد. از یک ترانسفورماتور شیفت فاز می‏توان برای کنترل زاویه δ. استفاده کرد. این یک راه حل غیر قابل مقیاس بندی بوده و قابلیت کنترل دینامیکی محدودی را ارایه می‏کند. در عوض، یک جبرانساز سری تکی را می‏توان برای افزایش یا کاهش امپدانس راکتیو موثر XL خط استفاده کرده و بدین ترتیب امکان پخش بار حقیقی بین دو شین را ممکن ساخت. تغییر امپدانس می‏تواند تحت تاثیر تزریق سری یک عنصر القایی یا خازنی پسیو در خط، قرار بگیرد. در عوض، یک اینورتر استاتیک می‏تواند برای محقق ساختن یک عنصر بدون تلفات فعال قابل کنترل مانند یک القاگر مثبت یا منفی یا یک ولتاژ مولفه اصلی سنکرون که متعامد بر جریان خط است، مورد استفاده قرار گیرد:

که V۱ و V۲ دامنه ولتاژ شین بوده، δ. اختلاف فاز ولتاژ بوده، و XL امپدانس خط می‏باشد.

مفهوم D-FACTS بیشترین پتانسیل برای افزایش پخش بار، و در نتیجه ظرفیت انتقال یک شبکه انتقال، فوق-توزیع، و توزیع را ارایه می‏دهد. در یک شبکه مش شده T&D، ظرفیت انتقال توان سیستم توسط نخستین خطی که به حد حرارتی خود می‏رسد، محدود می‏گردد. عدم توانایی در کنترل موثر پخش بار در چنین شبکه ای، منجر به عدم بهره برداری صحیح سیستم سرارسی می‏گردد. ادوات D-FACTS دارای قابلیت بهبود ظرفیت انتقال و بهره برداری شبکه _با مسیریابی پخش بار از خطوط دارای اضافه بار به بخش‏های کم تراکم شبکه_ می‏باشد. جبرانسازی خازنی در خطوط با تراکم بار کمتر، آنهار را به عبور جریان پذیراتر ساخته، در حالی که جبرانسازی القایی در خطوط دارای اضافه بار، آن‌ها را به عبور جریان، آن‌ها را کم اهمیت‌تر می‏نماید. در هر دو مورد، توان عملیاتی سیستم با انحراف پخش بار اضافی از بخش‏های دارای ازدحام بیشتر شبکه به خطوط با ظرفیت موجود بیشتر، افایش می‏یابد.

تزریق سری امپدانس یا ولتاژ در هر ماژول، می‏تواند با استفاده از یک STT و یک سوییچ، محقق شود. پیاده سازی یک نوع DSI در شکل ۲ نشان داده شده است. STT معمولا توسط یک سوییچ الکتریکی-مکانیکی SM که در حالت نرمال بسته است، بای پس می‏شود؛ در حالی که باز شدن این سوییچ بای پس امکان تزریق امپدانس مطلوب را فراهم می‏آورد. سوییچ S۱ را می‏توان بست تا اندوکتانس سراسری XR تزریق شود، در حالی که S۲ را می‏توان به منظور تزریق ظرفیت خازنی Xc بست. توان کنترلی بایستی از خود خط یا از ولتاژ تولید شده در ترانسفورماتور، بدست آید. همچنین، سیستم نیازمند یک ساختار مخابراتی مقرون به صرفه مانند سیستم مخابراتی مبتنی بر خط برق، برای اینکه بتواند به صورت هماهنگی کار کند، می‏باشد.

در صورتی که از یک اینورتر تکفاز برای تزریق اندوکتانس مثبت یا منفی قابل کنترل یا برای تزریق ولتاژ مربع پیشفاز یا پسفاز مطلوب استفاده شود، سطح بالاتری از قابلیت انعطاف و عملکرد دینامیکی را می‏توان بدست آورد. شماتیک مداری و پیاده سازی مفهومی این سیستم در شکل ۳ نشان داده شده است. نام این وسیله، جبرانساز سنکرون استاتیکی پراکنده می‏باشد. در این وسیله از یک STT با سوییچ بسته در حالت نرمال SM نیز که واحد را در حالت بای پس حفظ می‏کند تا اینورتر فعال شود، استفاده شده است. منبع توان کنترل dc نیز توسط جریان عبوری در ثانویه STT، تحریک می‏شود. با خاموش شدن سوییچ SM، شین dc اینورتر شارژ شده و عملکرد اینورتر آغاز می‏شود. اکنون اینورتر می‏تواند یک ولتاژ مربع به خط ac تزریق کند تا راکتانس مثبت یا منفی شبیه سازی شود. همچنین، قابلیت اینورتر در تقلید هر امپدانس یا ولتاژی، واضح است که پله‏های بیشتری در کنترل سیستم ارایه می‏دهد.

کنترل وسایل DSI یا DSSC نوعی در شکل‏های ۲ و ۳، ایجاد افزایش یا کاهش در امپدانس خط می‏نماید. این به طور واضح نیازمند اطلاعات فرعی از بقیه شبکه قدرت بوده و نیاز به سیستم مخابراتی را مشخص می‏کند. اپراتور‌های سیستم، ورودی کنترلی برای سیستم DSI ارایه می‏دهد که افزایش یا کاهش در امپدانس‏ها را به منظور مطابقت با اهداف سیستم، دستور می‏دهد. سیستم مخابراتی لایه‌ای دیگر از پیچیدگی و هزینه را به سیستم کلی اِعمال می‏کند. در صورت حذف سیستم مخابراتی، نمی‌توان به وضوح دریافت که آیا سیستم به طور کارآمد کنترل می‏شود یا خیر. اگرچه، در صورت لحاظ کردن عملیات محدودتر _یعنی قابلیت تنها افزایش امپدانس خط_ می‏توان سیستم مخابراتی را حذف نمود. نمونه‌ای از این سیستم محدود، راکتور سری پراکنده (DSR) می‏باشد که در شکل ۴ نشان داده شده است.

شکل ۳٫ نوعی وسیله DSSC.


شکل ۴٫ شماتیک مداری DSR.

در مورد DSI، یک سوییچ الکترومکانیکی (SM) که در حالت نرمال بسته است، برای بای پس کردن ماژول به هنگام عدم برقدار بودن آن، بکار می‏رود. هنگامی که SM باز می‏شود، اندوکتانس مغناطیس کنندگی STT که با ست شدن فاصله هوایی به مقدار مطلوب تغییر می‏یابد، به خط وارد می‏شود. با بسته شدن SM، سطح کمینه‌ای از راکتانس، مطابق با رامتانس نشتی STT در خط وارد می‏گردد. S۱ یک سوییچ تریستوری است که برای ارایه پاسخ کوتاه‌تر از یک سیکل _به منظور بای پس کردن سریع ماژول پس از آشکار سازی خطا_ مورد استفاده قرار می‏گیرد. می‏توان دید که سیستم DSR دارای کمتریم عناصر و پیچیدگی، و کمینه هزینه می‏باشد.

جدول ۱٫ پارامتر‌های خط.


مهم‌ترین مسایل مربوط به طراحی این ماژول ها، مربوط به جنبه‏های منحصر به فرد کاربرد مورد نظر می‏باشد. مسایل مربوط به کلمپ کردن مکانیکی، پتانسیل آسیب به هادی، حذف گرما، محیط‏های شدید، شارژ کرونا، جریان‏های خطا و برخورد آذرخش، مسایل بحرانی هستند که بایستی بدان‌ها پرداخت. از نظر کنترل سیستم و ماژول، مسایل کلیدی زیادی هستند که باید به آن‌ها توجه نمود. عملکرد سیستم تحت شرایط خطا و نرمال، کلیدزنی هماهنگی چندین واحد به منظور دستیابی به هدف کنترلی مطلوب، وزن کل سیستم، و انتقال گرمای موثر به اطراف، بازده عملکرد سیستم را تعیین می‏کنند. برخی از این ملاحظات طراحی مهم در این ادامه این مقاله آورده شده است.