ادوات برق قدرت

معرفي انواع ادوات FACTS و كاربردهاي آن

فصل اول : معرفي انواع ادوات FACTS و كاربردهاي آن 1-1- مقدمه با پيشرفت گسترده و افزايش استفاده از انرژي الكتريكي در صنايع، نياز به تغييرات گسترده در سيستم‌هاي برق رساني بسياري از كشورها احساس شد كه دليل عمده اين امر افزايش رشد فوق‌العاده بار شبكه‌هاي برق مي‌باشد. به همين دليل مديريت انرژي برق در بالاترين سطح تكنولوژي و مهندسي خود مورد توجه قرار گرفت و عملا به عنوان يك كالاي تجاري و يك سرمايه اقتصادي كلان مورد بررسي قرار گرفت. اين افزايش بار سبب مي گردد كه سيستم‌هاي انتقال انرژي با مسايلي همچون پايداري و نيز محدوديت‌هاي حرارتي عبور جريان روبرو شود كه براي تحويل انرژي با كيفيت مناسب، بايد اين مسائل را به حداقل رسانيد و پايداري را در سيستم انتقال به حداكثر ميزان ممكن افزايش داد. امروزه، بيش از پيش تكنولوژي‌هاي پيشرفته‌تر براي كار مطمئن سيستمهاي قدرت مورد استفاده قرار مي‌گيرند. به عبارت ديگر براي اينكه در سيستمهاي قدرت هم به كاركردي مطمئن و عملي و هم سود اقتصادي بيشتر امكان پذير باشد ، لازم است كه سيستمهاي كنترلي دقيق و داراي كارايي بالاتر در سيستمهاي قدرت مورد استفاده قرار گيرد، تا مشكلات سيستم انتقال را به حداقل خود برساند به عبارت ديگر، بهتر كردن عملكرد سيستم قدرت موجود با استفاده از سيستمهاي كنترل پيشرفته تر قابل انجام است. ادواتي كه بر پايه الكترونيك قدرت ساخته شده‌اند، امروزه در سيستمهاي قدرت كاربردهاي وسيعي دارند. توسط اين دستگاهها كه ادوات FACTS نام دارند، امكان بهبود انتقال انرژي با كمترين هزينه سرمايه‌گذاري و نيز كنترل سريع مشكلات سيستم قدرت را فراهم مي گردد. واژهFACTS به تمامي سيستم هاي مبتني بر الكترونيك قدرت اطلاق مي گردد كه در انتقال توان الكتريكي مورد استفاده قرار مي گيرند. اين ادوات بصوري سري، موازي و يا سري ـ موازي در خطوط انتقال قرار گرفته و بهره‌برداري سيستمهاي انتقال را در حالت ماندگار و همچنين رفتار ديناميكي سيستم در حالت گذرا كنترل مي‌نمايند. از سوي ديگر به روز كردن سيستم‌هاي انتقال و سيستم‌هاي كنترلي آنها كه از مسائل عمده مطرح است، بشكل عملي بسيار گران، مشكل و زمان‌بر مي باشد. ادوات FACTS يك روش مفيد و قابل استفاده و در عين حال با صرفه اقتصادي براي حل كردن مشكلات و محدوديت‌هاي خطوط شبكه انتقال و جايگزيني براي ايجاد خطوط جديد در شبكه مي باشند. امروزه استفاده از ادوات كنترلي بر پايه الكترونيك قدرت در هر سه زمينه توليد، انتقال و توزيع عمومي شده است. بطور مثال مي توان استفاده از سيستمهاي تحريك براي ژنراتورها و يا وسايل قدرت معمولي مورد استفاده در سيستمهاي توزيع را نام برد. اما مهمترين بخش استفاده از عناصر الكترونيك قدرت در پايدارسازي ، همان ادوات FACTS هستند كه در سيستمهاي انتقال مورد توجه قرار گرفته‌اند. توانايي‌ها و پتانسيل ادوات FACTS امروزه به شكل گسترده توسط مهندسان برق شناسايي و مورد استفاده قرار گرفته است. ادوات FACTS در انواع گوناگون و براي كاربردهاي مختلف مورد استفاده قرار مي‌گيرند كه در ادامه اين فصل از طرح برخي از اين ادوات معرفي مي گردند. 1-2- محدوديت‌هاي سيستم‌هاي قدرت سيستمهاي انتقال داراي انواع مختلفي از محدوديت‌ها و قيود هستند كه باعث محدود شدن توان انتقالي بين دو نقطه از سيستم مي گردد. اين محدوديت‌ها يكي از مشخصه‌هاي زير را دارا هستند: ـ محدوديت‌هاي انتقال توان در حالت دائمي ـ محدوديت‌هاي ديناميك ولتاژ ـ محدوديت‌هاي پايداري ولتاژ هر قسمت از سيستم انتقال مي‌تواند شامل يك يا چند مورد از محدوديت‌هاي فوق باشد. راه حل كلي اين مشكلات استفاده از سيستمهاي مهندسي پيشرفته است كه بعدا مورد بحث قرار مي‌گيرد. بطور كلي هدف استفاده از عناصر FACTS اين است كه محدوديت هاي فوق الذكر را تا حد امكان تحت تاثير قرار داد و بدون تغييرات عمده اي سيستم انتقال را با حاشيه بهتري نسبت به اين محدوديت ها بكار برد. 1-3- قابليت كنترل سيستم قدرت براي مشخص كردن نحوه پايداري سيستم‌هاي قدرت و مقدار تغييرات مجاز آن نمودار توان ـ زاويه(شكل 1-1) را در نظر بگيريد. از اين نمودار و نيز مفهوم پايدارسازي سيستم قدرت مشخص مي‌شود كه براي پايدارسازي سيستم بررسي سه نكته زير حائز اهميت است. شكل 1-1 : نمودار توان - زاويه 1-ولتاژ 2-زاويه 3-امپدانس خط با كنترل اين سه پارامتر مي‌توان پايداري سيستم را بطور مستقيم كنترل نمود. پس از مشخص نمودن پارامترهايي كه بايد براي كنترل بكار گرفته شوند سوال اساسي نحوه كنترل آنهاست كه پاسخ به اين سوال در دو بخش قابل ارائه است. الف- كنترل كلاسيك: منظور استفاده از ادواتي است كه در آنها از عناصر مكانيكي براي كنترل سيستمهاي قدرت استفاده مي شود. مانند : ـ خازنهاي سري (براي كنترل امپدانس) ـ سويچ كردن خازن‌ها و سلف‌هاي موازي (براي كنترل ولتاژ) ـ ترانسفورماتور شيفت دهنده فاز (براي كنترل زاويه) ب- استفاده از عناصر الكترونيك قدرت : كه همان كنترل كننده هاي FACTS مورد استفاده در سيستم‌هاي قدرت مي باشند. مانند : ـ جبران‌ساز استاتيكي حالت سنكرون (STATCOM): كنترل ولتاژ ـ جبران‌ساز استاتيكي توان راكتيو :(SVC) جهت كنترل ولتاژ ـ كنترل‌كننده يكپارچه توان (UPFC):كنترل توان اكتيو و راكتيو 1-4- مزاياي ادوات FACTS همانگونه كه بيان شد كليد حل مسايل سيستمهاي قدرت، به يك روش اقتصادي، آناليز كامل سيستم است كه لازمه اين كار مقايسه مزايا و فوايد استفاده از سيستمهاي كنترل كلاسيك و سيستمهاي ادوات FACTS است. شكل 1-2 : مقايسه سرعت عملكرد كليد مكانيكي با كليد الكترونيكي مزاياي ادوات FACTS را مي توان در دو گروه زير قرار داد : 1- مسايل اقتصادي 2- مسايل كليدزني شكل 1-2 نمايشي از شكل موج ولتاژ در فركانس نامي سيستم است. همانطور كه در اين شكل ديده مي شود سرعت سويچ كردن مكانيكي (بريكرهاي خطوط انتقال) در سيستم‌هاي كنترل كلاسيك برابر چند سيكل از فركانس سيستم قدرت است كه فركانس نامي سيستم قدرت 50 يا 60 هرتز مي باشد. اين سرعت كليد زني مي‌تواند براي رفع بعضي از مشكلات و محدوديت‌هاي شبكه مناسب و كافي باشد با وجود اين استفاده از راه‌هاي مبتني بر الكترونيك قدرت و كليدها و سويچ‌هاي الكترونيك قدرت، سرعت را بسيار افزايش مي‌دهد. شكل1-2 نشان مي‌دهد كه سرعت كليد در اين حالت كسري از يك سيكل است. بر همين اساس مهمترين مزيت استفاده از كنترل كننده هاي FACTS، برگشت‌پذيري در يك سيكل و نيز كنترل سريع و يكنواخت و هموار آنهاست كه اين بدليل استفاده از عناصر الكترونيك قدرت مي باشد. 1-5- نكاتي در مورد ادوات FACTS در اين بخش بصورت كلي به بيان برخي نكات مهم در مورد ادوات FACTS مي پردازيم: 1) توانايي سيستم قدرت در حفظ پايداري تا حد زيادي به ميرا كردن نوسانات الكترومكانيكي بوسيله كنترل كننده هاي موجود سيستم قدرت مي‌باشد. مطالعات و تحقيقات قابل ملاحظه‌اي جهت افزايش ميرايي و پايداري سيستم‌هاي قدرت بر روي كنترل‌كننده‌هاي تحريك ژنراتور صورت گرفته كه يكي از اين كنترل‌كننده‌ها پايدارساز سيستم قدرت (PSS) مي‌باشد اين نوع پايدارسازها بر روي مدهاي بين ناحيه‌اي موثر نمي‌باشند. با ظهور ادوات FACTS نوع ديگري از كنترل‌كننده‌هايي كه توانايي ميرا كردن مدهاي بين ناحيه‌اي را دارند مورد استفاده قرار گرفتند. 2) ادوات FACTS با افزايش ظرفيت خطوط انتقال و حذف محدوديت‌هاي خطوط باعث مي‌شوند كه نياز به ايجاد خطوط جديد كه بسيار پرهزينه هستند برطرف شود. يعني در واقع بدون احداث خطوط جديد مي توان از ظرفيت واقعي سيستم انتقال استفاده نمود. 3) با ظهور قطعات نيمه هادي در سطح ولتاژ و توان سيستم قدرت كه قابليت خاموش و روشن شدن زير بار را هم دارند (از قبيل GTO و IGBT) تحول ديگري در سيستم‌هاي انتقال انرژي رخ داد كه عمده‌ترين آنها استفاده از مبدل‌هاي منبع ولتاژ مي‌باشد. مهمترين مشخصه اين مبدل توليد و جذب توان راكتيو مي‌باشد، بدون اينكه از عناصر مولد و يا جاذب توان راكتيو از قبيل خازن و يا راكتور استفاده شود. كليه ادوات FACTS كه با استفاده از مبدل‌هاي منبع ولتاژ ساخته شده‌اند به نام نسل جديد ادوات FACTS ناميده مي‌شوند. علت اين نامگذاري، به خاطر مشخصات برجسته اين ادوات نسبت به ادواتي است كه با تريستور كار مي‌كنند. با استفاده عملي از كنترل كننده هاي الكترونيكي بسيار سريع، اين تكنولوژي چند فرصت و موقعيت مفيد را براي افزايش كارايي سيستم انتقال ايجاد مي‌كند كه عبارتند از: الف)كنترل بيشتر توان: توان بيشتري را مي توان از خطوط موجود عبور داد. ب)تامين بار توسط خطوط انتقال با نزديكترين سطح ممكن به قيود حرارتي خطوط . ج)توانايي بيشتر انتقال توان بين نواحي كنترل شده، به گونه‌اي كه حاشيه توليد رزرو كه نوعا 18% است تا حدود 15% كاهش مي‌يابد. د)جلوگيري از خروج متوالي باستفاده از محدودسازي اثر خطاها و عملكرد ناموفق تجهيزات. ه)از بين بردن نوسانات سيستم قدرت كه مي‌تواند باعث تخريب و آسيب تجهيزات و يا محدود كردن ظرفيت معمولي انتقال شود. 4)فوايد و مزاياي سيستمهاي الكترونيك قدرت در برابر قيمت و هزينه آنها بسيار بيشتر است. 5)ادوات FACTS خواص زير را در سيستم هاي قدرت به نمايش مي گذارند: الف)قابليت جبران سازي ديناميكي توان راكتيو و كنترل ولتاژ . ب)نياز سيستم قدرت به ايجاد خطوط انتقال ، خازنها،راكتورها وساير تجهيزات انتقال كاهش مي يابد و در نتيجه : · نگراني هاي تنظيم و كنترل ولتاژ را كاهش مي يابد. · از لحاظ فضاي اشغال شده و توجه به امور ساختماني نيز بدليل حجم مناسب آنها فوايدي را به همراه خواهند داشت. ج)پايداري سيستم را بهبود خواهند بخشيد. د)توان انتقالي اكتيو و راكتيو را كنترل مي كنند. ه)عوامل ايجاد كننده مسايل تشديد زير سنكرون را تخفيف مي دهند. 1-6-مروري بر برخي از ادوات FACTS: در اين بخش برخي ازمهمترين ادوات FACTS و نيز مشخصات اجرايي آنها مورد بحث قرار مي‌گيرد . اولين عنصر كه در واقع مهمترين عنصر FACTS بكار رفته در صنعت است UPFC است كه بصورت سري-موازي در سيستم قدرت متصل مي گردد.سپس به بررسي TCSC مي پردازيم كه در سيستم هاي قدرت به صورت سري بكار مي رود و در نهايت به بررسي عناصر جبران ساز موازي SVC و STATCOM خواهيم پرداخت. هر كدام از اين عناصر براي يك يا چند عملكرد خاص مفيد تر هستند كه اين مطلب در جدول1-1 نمايش داده شده است .به عنوان مثال بهترين عنصر براي كنترل پخش بار UPFC مي باشد در حالي كه SVC در اين كار از قابليت بالايي برخوردار نيست. جدول1-1 : خواص مفيد انواع ادوات FACT (× : بي اثر ، ×× : موثر ، ××× : خيلي موثر) رديف نوع ادوات FACTS كنترل پخش بار كنترل ولتاژ پايداري گذرا پايداري ديناميكي 1 SVC × ××× × ×× 2 STATCOM × ××× ×× ×× 3 TCSC ×× × ××× ×× 4 UPFC ××× ××× ×× ×× 1-6-1- كنترل‌كننده يكپارچه توان (UPFC) كنترل‌كننده يكپارچه توان (UPFC)يكي از قوي‌ترين ادوات انعطاف‌پذير انتقال ac (FACTS) مي‌باشد كه توانايي كنترل امپدانس خط انتقال، زاويه فاز و توان راكتيو را دارد. ساختار UPFC براي اولين بار در سال 1991 توسط گيوگي پيشنهاد شد]1[ .پس از آن توسط محققين مختلف مدلهاي رياضي مناسبي جهت شبيه‌سازي عملكرد اين وسيله پيشنهاد شد. اولين نمونه صنعتي UPFC با قدرت 160MVA در سال 1998 با همكاري شركت بوك آمريكا ، اپري و وستينگهاوس و در يك شبكه KV138 نصب شد. 1-6-1-1- ساختار و نحوه عملكرد UPFC UPFC متشكل از دو منبع ولتاژ اينورتري با سويچ GTO است كه يكي از آنها توسط يك ترانس موازي شكل1-3 : ساختار ساده‌اي از يك UPFC و ديگري توسط يك ترانس سري به شبكه قدرت متصل مي‌شود. دو اينورتر از قسمت dc توسط يك خازن به هم متصل هستند (شكل1-3). UPFC بصورت يك شاخه سري و يك شاخه موازي قابل توصيف است كه هر شاخه بشكل مستقل قابليت توليد يا جذب توان راكتيو را دارد. اين ساختار اجازه مي‌دهد كه توان حقيقي بتواند به راحتي در هر دو جهت بين سرهاي ac دو مبدل جاري شود. عملكرد مبدل موازي به گونه‌اي است كه توان حقيقي شاخه سري را تامين و يا مصرف نمايد كه اين قسمت از طريق يك ترانسفورماتور موازي به شبكه متصل است. در صورت لزوم اين شاخه مي‌تواند توان راكتيو توليد و يا جذب نمايد كه در اين صورت جبران توان راكتيو مستقل براي خط انتقال فراهم مي گردد. مبدل سري ولتاژي تزريق مي كند كه دامنه و فاز آن كنترل شده است، عملكرد اصلي UPFC را شكل1-4 نشان مي دهد. عبور جريان خط انتقال از اين منبع ولتاژ باعث مبادله توان اكتيو و راكتيو بين UPFC و شبكه ac مي‌شود توان حقيقي مبادله شده توسط مبدل موازي از طريق خازن dc تامين مي‌شود و توان راكتيو مبادله شده مستقلا توسط مبدل سري توليد مي‌گردد. از ديد كنترلي UPFC مي‌تواند به صورت دو بخش مجزا در نظر گرفته شود. بخش موازي كه شامل ترانسفورماتور موازي، اينورتر منبع ولتاژ و خازن dc است كه همانند يك STATCOM عمل مي‌كند و بخش سري شامل ترانس سري، اينورتر منبع ولتاژ و خازن dc است كه مانند TCSC رفتار مي‌كند. اين بدين معني است كه UPFC عملا تركيب دو عنصر STATCOM و TCSC است. شكل1-3 : ساختار ساده‌اي از يك UPFC شكل1-4 : نحوه عملكرد UPFC مهمترين عملكرد بخش سري UPFC آن است كه يك ولتاژ با اندازه و زاويه قابل كنترل توليد نموده كه آنرا در فركانس سيستم از طريق ترانسفورماتور سري به خط انتقال تزريق مي كند. مقدار زاويه اين ولتاژ مستقل از جريان خط بين 0تاp 2 و اندازه ولتاژ بين 0تا Um مي توانند تغيير كنند. اينورتر سري از ترمينال ac خود توان اكتيو و راكتيو را از خط انتقال دريافت و يا به آن تزريق مي‌كند و در واقع با خط انتقال به تبادل توان اكتيو مي پردازد. اين ولتاژ سري به روشهاي متفاوتي شناسايي مي شود به عبارت ديگر بر اساس خواسته هاي زير ولتاژ سري را توليد مي كنيم (شكل1-5)]3[. 1- مد ولتاژ تزريقي مستقيم: مقدار ورودي مرجع در اين حالت اندازه و فاز ولتاژ سري است. 2- مد شيفت زاويه: مقدار مرجع در اين حالت اختلاف زاويه بين ولتاژ در سر ورودي و سر خروجي دستگاه است. يعني هدف ايجاد اين اختلاف زاويه مي باشد. شكل 1-5 : مدهاي كنترلي خازن سري 3- مد امپدانس خط: ورودي مرجع در اين حالت مقدار امپدانسي است كه بايد بصورت سري با امپدانس خط قرار گيرد. 4- مد كنترل اتوماتيك توان عبوري: مقدار مرجع در اين حالت توان اكتيو و راكتيوي است كه مي خواهيم از سيستم انتقال عبور كند. اينورتر موازي توان راكتيو مورد نياز را تهيه مي‌كند، بنابراين توان حقيقي به آساني از بين ترمينال‌هاي ac كنورتر سري و موازي از طريق خازن dc جريان مي‌يابد و توان راكتيو مستقلا توسط هر اينورتر توليد و يا جذب مي‌شود. شكل 6-1 نمودار فازوري ولتاژ UPFC را نمايش مي دهد كه در آن ناحيه عملكرد يك دايره با شعاعUm است و مركز آن با تغيير مقدار U1 قابل تغيير است . شكل 1-6 : نمودار فازي ولتاژ UPFC ساختار مداري شبيه به يك كانورتر قدرت AC/AC عمل مي كند به گونه اي كه توان حقيقي از هر دو جهت در بين ترمينالهاي AC آن منتقل شود و هر كدام از اينورترها مي توانند در ترمينالهاي خود توان راكتيو جذب و يا توليد كنند. بدليل مشخصات ذاتي و يكتاي UPFC در كنترل مستقل توان‌هاي اكتيو و راكتيو اين وسيله مي‌تواند براي توليد و يا جذب توان اكتيو محلي، مورد استفاده قرار گيرد. همچنين اين دستگاه مي تواند توان عبوري از خط را با تغيير مقدار اندازه ولتاژ و يا شيفت (تغيير) فاز ولتاژ سنكرون تزريقي سري، كنترل كند. اين نحوه كنترل به مد كنترلي اتوماتيك ولتاژ براي اينورتر شنت و مد كنترل اتوماتيك پخش بار اينورتر سري برمي‌گردد. از آنجا كه UPFC مي‌تواند توان مورد نظر را چه در حالت كار دائم و چه در شرايط ديناميكي از خط عبور دهد. بنابراين، مد كنترل پخش بار اتوماتيك براي حذف نوسانات توان شبكه مورد استفاده قرار مي‌گيرد]4[ . 1-6-1-2-روشهاي كنترل توان در UPFC UPFC با تغيير فازور ولتاژ تزريقي امكان كنترل عبور توان را به طرق مختلفي فراهم مي سازد. با كنترل مناسب فازور ولتاژ مي توان به روشهاي معمول كنترل عبور توان و يا تركيبي از آنها دست يافت كه به آنها اشاره مي كنيم: 1-كنترل و يا تنظيم ولتاژ ترمينال :UPFC مي تواند كنترل يا تنظيم ولتاژ ترمينال را مانند يك ترانسفورماتور داراي تپ متغير با پله هاي بسيار كوچك انجام دهد . در اين حالت ولتاژ تزريقي هم فاز و يا در فازمتقابل با ولتاژ خط است. 2-جبران سازي : UPFC جبران سري نيز انجام مي دهد كه در اين حالت ولتاژ تزريقي بر جريان عمود است. 3-شيفت فاز(تنظيم زاويه انتقال): شيفت فاز در UPFC بصورتي است كه ولتاژ تزريقي با زاويه مورد نظر اعمال مي شود و ولتاژ خط را تغيير فاز مي دهد اما دامنه آن تغيير نمي يابد. 4-كنترل عبور توان با چند روش : UPFC مي تواند همزمان به چند روش عبور توان را كنترل كند.بدين گونه كه با تنظيم ولتاژ ترمينال ، جبران سري خط و تنظيم زاويه فاز انجام مي گيرد. مجموعه بالا را مي توان در مدهاي عملكردي UPFC خلاصه نمود . بدين ترتيب كه UPFC دو مد مختلف عملكردي دارد: 1- مد كنترل توان راكتيو: در اين حالت هدف اين است كه UPFC يك توان راكتيو خازني و يا اندوكتيو به سيستم اعمال كند. 2- مد كنترل اتوماتيك ولتاژ: در اين مد هدف اين است كه ولتاژ خط در يك مقدار دلخواه ثابت نگه داشته شود. 1-6-2- خازن سري كنترل شده تريستوري ( TCSC) 1-6-2-1-معرفي ساختار TCSC TCSCدر واقع گسترشي از روش خازن گذاري سري در خط است كه در اين حالت خازن مورد نظر بايك راكتور قابل تنظيم توسط كليدهاي تريستوري موازي مي گردد. TCSC مي‌تواند به شكل پيوسته امپدانس خط را از مقداري بيشتر از امپدانس واقعي تا كمتر از آن تغيير دهد. به عبارت ديگر، اضافه كردن TCSC به معناي اضافه كردن يك امپدانس متغير به امپدانس طبيعي خط است كه پس از نصب TCSC با دريافت سيگنال كنترلي به سرعت خازن و يا اندوكتانس را كاهش و يا افزايش مي‌دهد. TCSC اولين عنصر سري از ادوات FACTS بود كه مورد استفاده قرار گرفت]1[. بخش اصلي كنترلي آن يك راكتور قابل كنترل توسط تريستور (‍TCR)است. TCRتوسط عناصر الكترونيك قدرت يك كنترل سريع را براي توان راكتيو ايجاد مي كند. مهم ترين بخش قابل كنترل آن يك سلف ثابت است كه با سويچ تريستوري دوجهتي به شكل سري قرار گرفته است. بوسيله زاويه آتش تريستور مقدار موثر راكتانس اندوكتيو تغيير مي يابد و باعث تبادل سريع توان راكتيو بين سيستم و TCR مي گردد. بر اساس نياز شبكه ممكن است خاصيت هاي خازني يا سلفي توسط TCR ايجاد شود. شكل1-7 : شماي ساده اي از يك TCSC به همين دليل همانگونه كه در شكل 1-7 نشان داده شده يك خازن با مقدار ثابت با بخش مربوط به TCR به شكل موازي قرار مي گيرد. همچنين براي حفاظت در مقابل افزايش بيش از حد ولتاژ يك واريستور متال– اكسيد به شكل موازي بكار رفته است. هدف اصلي اين است كه امپدانس خط را هر چه سريعتر به مقدار مورد نظر تنظيم نماييم كه اين امر توسط تنظيم وكنترل مناسب TCSC انجام مي پذيرد تا بدين وسيله امكان افزايش توان عبوري از خط فراهم گردد. روشهاي معمولي جبران سازي سري معمولا با كليدزني خازنها انجام مي پذيرد ولي سويچينگ مكانيكي يك كنترل كند و غير يكنواخت را به همراه دارد در حالي كه كنترل با كليد هاي تريستوري يك كنترل سريع و پيوسته رابراي تغيير امپدانس خط فراهم مي سازد. .مقدار جبران سازي بوسيله كاهش و يا افزايش پريود هدايت تريستور انجام مي شود زاويه آتش كمتر از 90 درجه كنترلي را بر جريان سلف اعمال نمي كند ضمن آنكه زاويه آتش بيش از 180 درجه نيز مجاز نيست زيرا دو تريستور بايد به شكل متقارن آتش شوند. بخش قابل كنترل توسط تريستور ، معمولا شامل چند مدول از TCSC ها است كه به شكل سري بهم متصل شده اند. كه هر مدول به شكل مستقل كنترل مي شوند. مهمترين فايده اين تقسيم راكتانس TCSC به بخش هاي مختلف اين است كه راكتانس مجموع موثر TCSC مي تواند به مقادير وسيع تري دست يابد زيرا فاصله موجود در حالت كنترل با يك مدول در اين حالت پوشانده مي شود. كه شكل1-9 اين نكته را نشان مي دهد. شكل1-8 : تقسيم راكتانس در TCSC شكل1-9 : مشخصات عملكردي TCSC در حالت تقسيم راكتانس پسTCSC با تغيير زاويه آتش مي تواند مقدار راكتانس خود را به شكل سريع و يكنواخت تغيير دهد. TCSC مي تواند با تنظيم توان عبوري از يك مسير خاص باعث شود كه ظرفيت عبوري از خط به حداكثر مقدار نامي خود نزديك شود. همچنين بدليل سرعت و قابليت انعطاف پذيري تنظيمات آن، مي تواند در بهبود حالت هاي گذرا و ديناميك سيستم قدرت و نيز در دمپينگ نوسانات با فركانس پايين موثر باشد. TCSC مي‌تواند كنترل امپدانس، كنترل توان و كنترل جريان عبوري را با فرمان راه دور و يا توسط سيستم SCADA انجام دهد. 1-6-2-2-يك نمونه عملي در اكتبر 1992 شركت واپ نخستين TCSC سه فاز را مورد استفاده قرار داد كه توسط شركت زيمنس آلمان ساخته شده بودو بر روي يك خط با طول 300 Km و ولتاژ 230 Kv و ظرفيت 300 MVA نصب گرديد]5[ . اين TCSC شامل سه بخش با يك خازني سري 15، 40 و 55 بود كه فقط بخش بانك خازني 15 (45MVA) توسط تريستور كنترل مي‌شد اين نصب يك گام ابتدايي و هموار كننده مسير بود، زيرا بانك15 مي‌توانست به سرعت و به صورت يكنواخت و هموار در رنج 60ـ15 بر اساس زاويه آتش تريستور كنترل شود. TCSC نصب شده باعث مي‌شد كه ظرفيت خط انتقال از MVA 300 به MVA 400 افزايش يابد. TCSC پيشرفته ديگري توسط جنرال الكتريك طراحي و ساخته شده كه هر فاز آن شامل يك صفحه بود كه از 6 مدول خازن مشابه سري تشكيل شده بود كه هر مدول 1.33، به همراه يك سويچ تريستوري با اتصال موازي و سري با سلف‌هاي 2/0 را شامل بود(شكل 1-10) . شكل 1-10 : يك فاز از TCSC ساخته شده توسط جنرال الكتريك در اين طرح هرمدول مي‌توانست به آساني و به شكل هموار توسط زاويه آتش كنترل شود.زماني كه تريستور مدول خازن كاملا متصل گردد مقدار معادل خازن متصل شده موازي 33/1و سلف برابر مقدار 24/0 مي‌شود. در اين TCSC مشاهده مي‌شود كه امپدانس كلي تقريبا بين 4/41 تا 16 قابل كنترل است. مقادير بزرگتر با تركيب زواياي آتش بدست آيد. 1-6-2-مدل سازي و روابط حاكم برTCSC با توجه به مرجع ]2[ امپدانس معادل TCSC را مي توان از رابطه زير بدست آورد : به ازاي مقدار خاصي از زاويه آتش ممكن است پديده تشديد اتفاق بيفتد ،كه اين مقدار وابسته به نسبت است در نتيجه مقادير مختلف باعث پديد آمدن نقاط متفاوت تشديد مي شود كه بايد از اين نوسانات دوري نمود تا از وقوع مشكلات مربوط به هارمونيك ها و نيز بوجود آمدن جريانهاي بزرگ كه مي تواند به دستگاهها وسيستم آسيب عمده برساند جلوگيري شود. براي بررسي نحوه عملكرد TCSC در مدارشكل1-12 فرض كنيد كه TCSCبين باسهاي kوm متصل شده ، مدل مورد نظر براي اين وسيله را بدون تلفات در نظر مي گيريم ، لذا توان اكتيو P تزريق شده به TCSC از باس k برابر توان خروجي از وسيله به سمت باس m مي باشد. شكل1-11 : رنج راكتانس TCSC شكل1-12 : TCSC بين باسهاي mوk بنابراين مي توان TCSC را توسط روابط زير مدلسازي نمود : در نتيجه مي توان مدهاي كنترلي TCSC را در چهار گروه زير قرار داد: 1)كنترل راكتانس ثابت 2)كنترل توان ثابت 3)كنترل جريان ثابت 4)كنترل زاويه ثابت 1-6-3- جبران‌ساز استاتيكي توان راكتيو (SVC) 1-6-3-1-تاريخچه و ساختار SVC كه براي اولين بار در اواسط دهه 1970 ميلادي مورد استفاده قرار گرفت ، يكي از ادوات جبران كننده توان راكتيو است كه بصورت شنت در مدار قدرت قرار مي گيرد. SVC براي رفع مشكلات حالت پايداري و محدود كردن ديناميك (تغييرات) ولتاژ و چند كاربرد ديگر مورد استفاده قرار مي گيرد ولي توانايي كنترل توان اكتيو را ندارد. SVC از كليدهاي تريستوري براي قطع و وصل سريع راكتورها و يا خازن‌هاي موازي استفاده مي‌كند. اولين كاربرد SVC در كنترل ولتاژ در سال 1977 توسط شركت جنرال الكتريك ارائه شد، SVC ديگري براي كنترل ولتاژ و پايداري توسط مركز EPI ( Electric Power Industry ) و گروه الكتريكي وستينگ‌هاوس ارائه شد كه در سال 1978 در سيستم روشنايي و قدرت مينيستوتا (Minis tota) مورد استفاده قرار گرفت. همچنين شكل (1-13) يك مدل جديدتر آن را نمايش مي دهد كه داراي رنج عملكرد بين -250 MVAR خاصيت اندوكتيو تا 80 MVAR خاصيت كاپاسيتيو مي باشد و در سال2003 توسط شركت ABB ساخته شده است . شكل(1-13) شکل (1-14) شكل(1-15) شكل(1-16) قابليت تنظيم بالا و سرعت زياد SVC آنرا به يكي ادوات قدرتمند در كنترل حالت هاي گذراي ولتاژ در مقايسه با ادوات جبران ساز شنت قديمي تبديل نموده است.SVCهمچنين در دمپينگ نوسانات توان، بهبود پايداري گذرا وكاهش توان تلفاتي سيستم با كنترل بهينه توان راكتيو نقش موثري را ايفا مي كند.[1] معمول ترين ساختار SVC شامل يك خازن همراه با يك راكتور قابل كنترل توسط تريستور است كه شماي كلي آن در شكل (1-14) نمايش داده شده است.كه همانند TCSC بخش TCRآن شامل يك راكتور و كليدهاي تريستوري دو طرفه است. المان كنترل كننده، تريستور است كه با زاويه آتش بين 90 تا180 درجه متناسب با ولتاژ خازن، عمل مي كنند. روال كنترلي در حالت كار دايم شامل مشخصات جريان-ولتاژ آن است كه در بخش بعدي نمايش داده شده است. 1-7-2-مشخصات و نمودار مشخصه ولتاژ-جريان SVC با توجه به مرجع ]2[ برای SVC مي توان از رابطه زير نوشت : مقدار نامي براي كه در واقع شيب نمودار مورد نظر است در حدود0.02 تا0.05پريونيت بر پايه مقاير مبناي SVC است.اين مقدار بايد در مقابل تغييرات محدود ولتاژ شين ،سيستم راحفاظت كند. در مواقعي كه به قيود ولتاژ نزديك مي شويم SVCبه يك راكتانس ثابت مبدل مي شود.امپدانس معادل SVC را مي توان با استفاده از فرمول زير بدست آورد. شكل (1-17) مقادير مختلف امپدانس SVCرا به ازاء مقادير مختلف زاويه آتش و در حالي كه نسبت را برابر 10 در نظر گرفته شده است، نمايش مي دهد.SVCمعمولا از طريق يك ترانسفورماتور step down به سيستم انتقال متصل مي شود. شكل (18-1) نشان مي دهد كه تنظيم ولتاژ با شيب معلومي حول ولتاژ نامي در محدوده عملكرد SVC كه توسط حداكثر جريانهاي سلفي و خازني تعيين مي شود، قابل انجام است.حداكثر جريان خازني و توان راكتيو مربوطه به طور خطي با ولتاژ سيستم كاهش مي يابد زيرا پس از رسيدن به حداكثر خروجي خازني، SVCدر حكم يك خازن ثابت عمل خواهد نمود.يعني با كاهش ولتاژسيستم، قدرت تقويت ولتاژ جبرانگرهاي معمولي كنترل شده بوسيله تريستور سريعا كاهش مي يابد. شكل(1-17) شكل(1-18) نوعا ولتاژ كنترلي است .معادلات زير وضعيت يك SVC متصل به باس kو ولتاژ را بيان مي كند: كه در آن: محدوده زاويه آتش در حالت كار پايدار بين 90تا180 درجه است. زاويه كمتر از 90 مجاز نيست ، زيرا باعث بوجود آمدن جريان نامتقارن با مقادير بزرگ مولفه DC مي شود . بدليل مزاياي اقتصادي زياد SVCها اولين و گسترده ترين نوع از ادوات FACTS هستند كه در تمام جهان مورد استفاده قرار مي گيرند. اين نكته وقتي اهميت پيدا مي كند كه بدانيم بسياري از اين ادوات هنوز به شكل عمده مورد استفاده قرار نگرفته اند. 1-8-جبرانگر ايستاي سنكرون STATCOM: 1-8-1-ساختار و تاريخچه: STATCOM بطور موازي در خطوط انتقال قرار گرفته و مي‌تواند توان راكتيو مورد نياز (سلفي يا خازني) را بطور ديناميكي و در حد توان خاص كنورتر تنظيم كند. كنورتر، جرياني را از خط مي‌كشد كه مولفه راكتيو اين جريان بطور اتوماتيك براي تعادل توان اكتيو مورد نياز خازن لينك dc و مولفه اكتيو جريان براي سطح مرجع مطلوب مورد استفاده قرار مي‌گيرد. شكل(1-19) STATCOMشامل اينورتر و خازن در بخشDC خود ، ترانسفورماتور كوپلينگ –كه آنرا به سيستم قدرت متصل مي كند –و يك بخش كنترل كننده است .در STATCOMهاي معمولي اينورترها در هر پريود با يك پالس سويچ مي شوند و ترانس براي كاهش دادن و حداقل كردن هارمونيك ها مورد استفاده قرار مي گيرد. بخش كنترلي از تجهيزاتي ساخته مي شود كه كنترل پيوسته و سريع توان راكتيو را به همراه داشته باشند. ولتاژ خروجي آن يك ولتاژ تشكيل شده از پالسها ست كه به ولتاژ سينوسي بسيار نزديك است. شكل(1-20) تقابل و ارتباط بين ولتاژ بخش ACو ولتاژ توليد شده توسط اينورتر باعث تنظيم و كنترل توان راكتيو مي شود.هنگامي كه اين دو ولتاژ سنكرون هستند و داراي يك مقدار مي باشند توان خروجي از STATCOMصفر است.اما اگر ميزان ولتاژ خروجي از آن كمتر از ولتاژ بخش AC باشد، متناسب با ولتاژ جرياني توليد مي كند كه از ولتاژ به اندازه 90 درجه عقب تر است (LAG). وجبران ساز به عنوان يك بار اندوكتيو عمل خواهد نمود كه در اين حالت مقدار توان راكتيو متناظر و متناسب با اندازه ولتاژ است.از سوي ديگر هنگامي كه ولتاژ STATCOM به بيش از ولتاژ سيستم مي رسد يك جريان پيش فاز(Lead)كه به اندازه 90 درجه از ولتاژ جلوتر است ايجاد مي گردد و جبران ساز به عنوان يك بار خازني عمل خواهد نمود كه در اين حالت نيز توان راكتيو معادل با اندازه ولتاژ خواهد بود.كه اين عملكردها با استفاده ازنمودارهاي زير كاملا قابل توجيه هستند. شكل(1-21) همانگونه كه بيان شد ميزان توان راكتيو اعمالي متناظر با ولتاژ است پس درواقع كنترل توان راكتيو با كنترل اندازه ولتاژ خازن DCصورت مي پذيرد. با عقب افتادن و يا جلو افتادن ولتاژ STATCOM ، خازن متصل در بخش DC شارژ و يا دشارژ مي شود و در نتيجه ميزان ولتاژ DC تغيير خواهد نمود و STATCOM مشخصه هاي مورد نياز را نمايش خواهد داد. 1-8-2-يك روش كنترلي براي STATCOM: يك روش ساده و قدرتمند در كنترل STATCOM در [14]بيان شده است .در اين روش ولتاژ و جريان در نقطه اي كه STATCOM متصل شده است اندازه گيري مي شود .سيگنال هاي مربوط به اين اندازه گيري ،بر اساس شكل (1-22) در دو مسير مورد استفاده قرار مي گيرند. در مسير اول :ولتاژ اندازه گيري شده به يك بلوك PLL(Phase locked loop) اعمال مي شود تا فركانس و زاويه فاز آن مشخص شود و بر اساس آنها سيگنال هاي لازم براي توليد ولتاژ سنكرون به سويچ ها اعمال گردد. شكل(1-22) در مسير ديگر كنترلي ولتاژ به همراه جريان اندازه گيري شده به بلوك “Instantaneous Power Theory” اعمال مي گردد تا توان راكتيو q محاسبه گردد.اين مقدار q اندازه گيري شده با يك مقدار q مرجع مقايسه مي شود وخطاي بدست آمده به بخش كنترلي اعمال مي گردد .اين بخش كنترلر يك سيگنال توليد مي كند كه زاويه مورد نياز براي تنظيم ولتاژ بخش DC را تنظيم مي كند كه بدين وسيله توان ورودي و يا خروجي از آن كنترل مي گردد.سيگنال مربوط به پيش فازي يا پس فازي زاويه به سيگنال خروجي بخش PLL اضافه مي شود و به بخش كنترل سويچ ها اعمال مي گردد. 1-8-3-مشخصه ولتاژ- جريان STATCOM: همانگونه كه بيان شد STATCOM مي تواند جبران سازي را هم بصورت خازني و هم بصورت سلفي انجام دهد علاوه بر اين مي تواند در هر سطح ولتاژ AC حتي ولتاژ صفر ، جريان خازني خروجي خود را در مقدار نامي نگه دارد. اين در حالي است كه در SVC با كاهش ولتاژ سيستم جريان خروجي آن كاهش مي يابدكه اين كاهش به حداكثر ادميتانس خازني معادل آن بستگي دارد . شكل(1-30) شكل(1-23)مشخصه ولتاژ-جريان STATCOM را نمايش مي دهد .همانگونه كه از آن مشخص است، STATCOM باعث افزايش ظرفيت گذرا در هر دو ناحيه سلفي و خازني مي گردد.ظرفيت گذراي نامي سيستم به مشخصات نيمه هادي هاي مورد استفاده و درجه حرارت نقطه كار آنها بستگي دارد. نكته ديگر اينكه STATCOM در جبران سازي موازي ، توان راكتيوي را كه تحويل مي دهد برابر حاصلضرب ولتاژ در جريان تحويلي است در حالي كه در SVC توان قابل انتقال برابر حاصل تقسيم مربع ولتاژ بر روي امپدانس است [5]لذا در ولتاژ هاي بسيار پايين STATCOMهمچنان ميتواند توان راكتيو قابل ملاحظهاي را با استفاده از جريان هاي زياد توليد نمايد در حالي كه در اين شرايط توان راكتيو تحويلي SVC بسيار ناچيز خواهد بود (يعني مقدار توان راكتيو به عنوان تابعي از درجه دوم ولتاژ گام به گام كاهش خواهد يافت).به عبارت ديگر براي داشتن حاشيه پايدار معلوم ، مي توان ظرفيت STATCOM را بسيار كمتر از SVC انتخاب نمود. STATCOM براي سويچ هاي خود نياز به تريستورهاي gateturnoff دارد كه در اوايل دهه 90 ميلادي قيمتي بيش از تريستورهاي معمولي داشت .همچنين اين ترستورها داراي تلفات بالاتر و جريان و ولتاژ نامي كمتري نسبت به تريستورهاي معمولي هستند اين عوامل باعث شده است كه STATCOM قدري ديرتر از ساير ادوات FACTS مورد استفاده قرار گيرد. 1-8-4-مدهاي عملكرد STATCOM عبارتند از: 1)مد كنترل توان راكتيو: در اين مد ورودي مرجع تقاضاي توان راكتيو و يا خازني است و كنترل اينورتر، توان راكتيو مرجع را مطابق جريان مورد تقاضا تنظيم و اينورتر جريان مطلوب را همزمان انتقال مي‌دهد. 2)مد كنترل ولتاژ اتوماتيك: در اين مد كه بيشتر در كاربردهاي عملي مورد استفاده قرار مي‌گيرد، جريان راكتيو اينورتر ، بطور اتوماتيك ولتاژ نقطه اتصال خط انتقال را در مقدار مرجع تنظيم مي‌كند.

ادوات برق قدرت

معرفي انواع ادوات FACTS و كاربردهاي آن

مطالب مشابه :

ادوات برق قدرت

سوالات مبانی برق صفحات 25 تا 54

فصل پانزدهم

درمورد رشته ی الکترو تکنیک

نمونه سوالات مبانی برق قسمت 2

تشریح فصل پنجم *(مغناطیس و الکترو مغناطیس)*

مبانی برق

فصل شانزدهم

فصل چهاردهم:بوبین (سلف)

روان شناسی رنگها

تشریح فصل پنجم (مغناطیس و الکترو مغناطیس)