ملاحظات طراحی برای مبدل‏های FACTS پراکنده با اتصال سری

چکیده ــ 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 شبکه‏های قدرت، با نمونه‏های مشخصی برای جبرانسازی var سری، و نیز اثرات قابل ملاحظه ای 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-FACTSFACTS، جبرانسازی var سری.

  1. 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 مساله ای 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 نمی تواند به صورت کارآمد پخش بار را در چنین شبکه هایی 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-1) و (N-2)، 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 آمیزه ای 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 ارزان تر 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 هزینه ای پایین تر و قابلیت اطمینانی بالاتر، ارایه شده اند. این مقاله تکنیکی برای دسته بندی ادوات D-FACTS ارایه داده و مهم ترین 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.

 

  1. 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 ماژول هایی 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 V1 و V2 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 اهمیت تر 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 S1 را می‏توان بست تا اندوکتانس سراسری XR تزریق شود، در حالی که S2 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 لایه ای دیگر از پیچیدگی و هزینه را به سیستم کلی اِعمال می‏کند. در صورت حذف سیستم مخابراتی، نمی توان 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. نمونه ای 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 کمینه ای از راکتانس، مطابق با رامتانس نشتی STT در خط وارد می‏گردد. S1 یک سوییچ تریستوری است که برای ارایه پاسخ کوتاه تر 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.

 

 

 

مهم ترین 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 مقاله آورده شده است.

 

  1. طراحی ترانسفورماتور

STT احتمالا مهم ترین مسایل طراحی را در سیستم‏های D-FACTS سری از خود بروز می‏دهد. در یک خط انتقال و توزیع در حال بهره برداری تحت ولتاژ ۱۳۸ kV، پارامترهای خط در جدول ۱ نشان داده شده است.

پارامتر بحرانی برای محقق ساختن یک ماژول DSR، وزن آن می‏باشد. طبق بحث‏های دقیق با مهندسان صنایع همگانی، ماژول با وزن ۵۰ تا ۶۵ کیلوگرم، به نظر قابل قبول می‏باشد. یک سیستم واقعی دارای ماژول هایی بوده که قدرت نامی هر کدام ۱۰ kVA، تزریق برای مثال ۱۴ V با جریان ۷۵۰ A بوده که مرتبط با ۵۰ μH به ازای هر ماژول می‏باشد. یک ماژول DSR در هر فاز به ازای هر مایل می‏تواند امپدانس خط را تقریبا ۲% تغییر دهد. تعدادی از این ماژول‏های استاندارد را می‏توان به منظور محقق ساختن تغییر مورد نیاز در امپدانس خط، بر روی خطوط برق نصب کرد.

عملکرد ترانسفورماتور را می‏توان تحت دو شرایط عملیاتی مختلف دسته بندی کرد: حالت بای پس و حالت تزریق. در حالت بای پس، خروجی ترنسفورماتور توسط یک رله الکترو-مکانیکی اتصال کوتاه می‏شود تا MMF خط از بین رفته و اندوکتانس نشتی STT را به خط تزریق کند. اندوکتانس نشتی بسیار کوچک (تقریبا ۱-۲ میکرئ هانری یا ۲ تا ۴ درصد اندوکتانس مغناطیس کنندگی) بوده و عملا تاثیری بر روی عبور جریان نمی گذارد. در حالت تزریق، رله الترومکانیکی باز شده و اندوکتانس مغناطیس کنندگی XM به خط تزریق می‏شود.

هسته ترانسفورماتور، تشکیل شده از دو بخشی است که می‏توان به صورت فیزیکی به دور یک خط انتقال، کلمپ کرده و یک مدار مغناطیسی کامل به صورت شکل ۵ تشکیل داد. خط قدرت خود به صورت یکی از سیم پیچی‏های ترانسفورماتور عمل می‏کند. سیم پیچی بیرونی بر روی یک هسته لوله مانند با چندین دور پیچیده می‏شود تا آمپرهای خط عملیاتی را به سطح پایین تر قابل تحمل برای سوییچ‏های تحت حالت بای پس، تبدیل کند.

 

جدول ۲٫             هندسه هسته به ازای اندوکتانس مغناطیس کنندگی ۵۰-μH.

 

تمام شار تولید شده توسط سیم پیچ ثانویه، سیم پیچ اولیه را به طور کامل لینک می‏کند. این ادعا زمانی درست است که نفوذ پذیری ماده مغناطیسی بسیار بیشتر از نفوذ پذیری ماده عایقی بین سیم پیچ اولیه و هسته مغناطیسی باشدو اندوکتانس نشتی از این رو، نخست ناشی از شار نشتی سیم پیچ اولیه و از شار نشتی دورهای پایانی سیم پیچ ثانویه می‏باشد.

وزن هسته STT، مهم ترین پارامتر طراحی است. از آنجایی که حجم یک جسم لوله ای به صورت خطی با طول آن تغییر می‏کند ولی تغییر آن با مربع شعاع خطی نیست، در صورتی که به ازای یک حجم داده شده، طول مربوطه خیلی بیشتر از شعاع آن شود، می‏توان به وزن کمتری دست یافت. به همین دلیل، فاصله میان کابل و شعاع داخلی هسته بایستی کمینه بوده تا فضای کافی برای محدودیت‏های مکانیکی و همیدگی کابل تحت شرایط برآمدگی ولتاژ، فراهم شود. وزن سیم پیچ ثانویه، با بیشتر شدن طول هسته، افزایش می‏یابد. اگرچه، این افزایش تاثیر زیادی بر روی وزن کلی ماژول نمی گذارد.

عبور جریان از کابل برق، تولید خطوط شاری می‏کند که مماس بر مسیرهای دایره ای اطراف کابل می‏باشد. در صورتی که فرض کنیم نفوذ پذیری فولاد سیلیکونی بسیار بیشتر از هوا باشد، بیشتر خطوط شار را می‏توان متمرکز در هسته فرض کرد. تمرکز خطوط شارژ در هسته مغناطیسی تمایل به افزایش اندوکتانس خودی خط قدرت دارد که این به نوبه خود منجر به اثر افزایش اندوکتانس کل خط می‏شود. اندوکتانس خودی خط قدرت با دارای هسته مغناطیسی در اطراف آن را می‏توان به صورت معکوس رلوکتانس کلی که با خطوط شار مغناطیسی روبرو می‏شود، محاسبه کرد. رلوکتانس مسیر مغاطیسی با ضخامت  که در فاصله r از خط قدرت قرار دارد، توسط رابطه (۲) محاسبه می‏شود. رلوکتانس کل توسط ترکیب موازی رلوکتانس‏های با ضخامت افزایشی  بدست می‏آید.

که μ نفود پذیری هسته مغناطیسی بوده، و l طول هسته می‏باشد.

برای کاربرد بخصوص ترانسفورماتور‏های کوآکسیالی که در اینجا در نظر گرفته شده است، مسیر مغناطیسی هسته همیشه دارای یک فاصله هوایی در نتیجه هسته‏های تفکیک شدنی مورد نیاز  برای کلمپ کردن، می‏باشد. این فاصله هوایی مطلوب بوده و می‏توان به منظور بدست آوردن مقدار نهایی اندوکتانس آن را تنظیم نمود. هندسه‏های مختلفی از هسته به عنوان روند طراحی مرتبه-اول، در برنامه MATLAB با استفاده از رابطه (۲) با نفوذ پذیری نسبی ثابت فولاد سیلیکونی برابر با ۵۰۰۰، شبیه سازی شده است. جدول ۲ هندسه و تاثیر آن بر روی وزن سیستم را نشان می‏دهد. هندسه منتخب هسته در جدول مشخص شده است که دارای اندوکتانس مغناطیس کنندگی ۴۶٫۷ μH اندوکتانس مغناطیس کنندگی با وزن ۸۶٫۶ lb می‏باشد. مبنای انتخاب این هندسه خاص، حفظ وزن فولاد سیلیکونی در زیر ۹۰ پوند (۴۱ کیلوگرم) به منظور دستیابی به وزن هدف ۱۲۰ lb (54.5 kg) برای کل واحد، بوده است.

 

شکل ۶٫              اندوکتانس مغناطیس کنندگی به صورت تابعی از جریان خط.

 

 

جدول ۳٫             پیکربندی هسته

سپس هندسه منتخب هسته در بسته عنصر محدود MAXWELL به منظور معتبر سازی طراحی، شبیه سازی شده است. دوباره، نفوذ پذیری ثابت ۵۰۰۰ برای فولاد سیلیکونی فرض شده است. با داشتن این، اندوکتانس مغناطیس کنندگی هسته برابر با ۴۸٫۵ μH در ۷۵۰ آمپر بدست آمده است. در پایان، منحنی B-H غیر-خطی واقعی مربوط به فولاد سیلیکونی grain-oriented که بصورت تجاری موجود است، برای لحاظ کردن اثر اشباع در جریان‏های بالا، مورد استفاده قرار گرفته است. اندوکتانس مغناطیس کنندگی ترانسفورماتور در جریان پیک ۷۵۰ A، معادل ۴۷٫۱۵ μH بدست امده است. چگالی شار پیک ۱٫۵۵ T نیز در محیط داخلی مشاهده شده است (شکل ۶). طراحی فیزیکی هسته در جدول ۳ آورده شده است.

طراحی سیم پیچ ثانویه، نخست تحت تاثیر ولتاژ مدار بازی که سوییچ‏ها می‏توانند تحمل کنند، و نیز سطح قابل تحمل جریان تحت شرایط نرمال و خطا، قرار دارد. رله الکترومکانیکی، مهم ترین مولفه می‏باشد؛ زیرا قدرت نامی الکتریکی رله وابستگی مستقیم به اندازه و وزن آن دارد. رله‏های قابل رقابت با در نظر گرفتن اندازه و وزن، می‏توانند ولتاژ حالت-OFF برابر با ۴۸۰ V و جریان پیوسته ۳۰ A را تحمل کند. تحت شرایط عملیاتی ۷۵۰ A، مقدار ۴۷٫۶ μH اندوکتانس اولیه، به صورت ۱۳٫۵ V بر روی اولیه ظاهر می‏شود. این مقدار نشان دهنده نسبت دور ۲۵:۱ برای ترانسفورماتور، به منظور رساندن ولتاژ مدار باز به ۳۳۶ V در ثانویه _که به خوبی توسط قابلیت مسدود سازی رله کنترل می‏شود_ می‏باشد. جریان خط حالت ماندگار ۷۵۰ A به ۳۰ A کاهش داده می‏شود که باز هم قابل تحمل رله است. سیم پیچ بیرونی نیز نیاز به کنترل جریان خطای زمان-کوتاه تا حد اکثر ۳۰۰۰۰-۵۰۰۰۰ A دارد. برای طول و ضخامت طراحی شده هسته، یک سیم مسی ۱۰ AWG انتخاب شده است. این سیم در صورتی که دارای فضای کافی برای داشتن ۲۵ دور در هسته باشد، می‏تواند ۹ دور در هر اینچ داشته باشد. همچنین، جریان نامی تحمل سه-سیکل برابر با ۲۴۵۷ A، امکان جریان خطای مدت-کوتاه ۵۰۰۰۰ A بر روی ثانویه را فراهم می‏سازد. وزن مس در سیم پیچی ثانویه، ۱٫۳۹  kg می‏باشد که وزن کل ترانسفورماتور را تقریبا ۴۱٫۳۹ kg می‏سازد. وزن سوییچ ها، لوازم الکترونیک قدرت، مدارات کنترلی، کلمپ‏های مکانیکی و محفظه بیرونی، تقریبا دارای وزن کمتر از ۱۲ kg بوده که در نتیجه وزن کلی آن حدود ۵۴ kg می‏شود.

 

الف.     مدل حرارتی برای تلفات

گرمای تولید شده در ترانسفورماتور و خود ماژول بایستی به گونه موثری به محیط منتقل شود تا عملکرد ایمن سیم پیچ‏ها و هسته مغناطیسی، تضمین شود. این کار باید بدون بکارگیری از پنکه یا هر وسیله متحرک دیگری انجام شود و وسیله بایستی قادر به تحمل شرایط بد آب و هوایی و دمایی باشد. سه منبع متفاوت تولید گرما در ترانسفورماتور وجود دارد: ۱) تلفات مسی در سیم پیچ داخلی که در حالت بای پس و نیز حالت تزریق، موجود است؛ ۲) تلفات آهنی در هسته که فقط در طی حالت تزریق رخ می‏دهد؛ و ۳) تلفات مسی در سیم پیچ بیرونی در طی حالت بای پس. شکل ۷ مدل حرارتی ترانسفورماتور را در حالت تزریق نرمال و بای پس، نشان می‏دهد. انتقال گرما اساسا از طریق هدایت سطح بیرونی هسته و نیز همرفتی از سطح بیرونی هسته به محیط، رخ می‏دهد. معادله (۳) مقاومت‏های حرارتی مختلف را تعریف می‏کند.

 

 

مدل حرارتی ترانسفورماتور.

 

جدول ۴٫             تلفات توان دروت ترانسفورماتور

الف.        در فولاد سیلیکونی grain-oriented، تلفات هسته در ۱٫۶ T حدود ۳٫۵ W/kg می‏باشد.

 

شکل ۸٫  نمای جلویی ترانسفورماتور در حال نمایش دندانه‏های آلومینیومی.

 

که  و  شعاع داخلی و بیرونی هسته بوده،  شعاع کابل بوده،  و  هادی‏های حرارتی مواد عایقی و هسته بوده، h هدایت حرارتی هوا بوده، Lc طول هسته بوده، و A مساحت سطح بیرونی هسته می‏باشد.

در جدول ۴ خلاصه ای از مقادیر نامی تلفات توان در ترانسفورماتور آورده شده است. با معادلات آورده شده در بالا، احتلاف دمای ۴ درجه سانتیگراد بین سطح بیرونی هسته و کابل  وجود دارد. با فرض اینکه کابل در دمای ۸۰ درجه سیلیسیوس کار می‏کند، دمای سطح بیرونی هسته برابر با ۷۶ درجه سیلیسیوس می‏باشد. انتقال گرما از طریق همرفتی، تا حد زیادی وابسته به هندسه و مساحت سطح بدنه می‏باشد. از این رو برای افزایش انتقال گرما به محیط، سطح هسته با سطح آلومینیومی برجسته نشان داده شده در شکل ۸ پوشیده شده است. اگرچه، بایستی اطمینان حاصل شود که سطح برجسته موجب فعالیت کورونای اضافی نشود که منجر به آسیب وسیله گردد.

 

شکل ۹٫  اندوکتانس مغناطیس کنندگی به صورت تابعی از جریان خط.

 

شکل ۱۰٫            عملکرد طی شرایط عملیاتی بای پس، تزریق نرمال، و خطا.

 

ب.       عملکرد تحت حالت‏های نرمال و خطا

جریان‏های خطا می‏توانند به ۵۰۰۰۰ A برسند که می‏تواند منجر به ضربه‏های ولتاژ بزرگ در ثانویه ترانسفورماتور گردد. این ولتاژهای گذرا می‏تواند به سوییچ‏ها و مدارات کنترلی آسیب رساند؛ از این رو مطلوب است که در صورت آشکار سازی خطا، ماژول به حالت بای پس سوییچ شود. از یک سوییچ تریستوری برای بای پس کردن سریع ماژول تحت شرایط خطا استفاده می‏شود. اشباع ترانسفورماتور نیز یک لایه کوچک حفاظتی ایجاد می‏کند. با این که اشباع ترانسفورماتور در شرایط حالت مانا مطلوب نیست، این پدیده در محدود سازی ولتاژ القایی به ثانویه تحت جریان‏های بالا، کمک می‏کند. شکل ۹ افت در اندوکتانس مغناطیس کنندگی را با افزایش جریان خط از شرایط عملیاتی نرمال به سطح خطای ۵۰۰۰۰ A را نشان می‏دهد.

شکل ۱۰ نتایج شبیه سازی طی شرایط بای پس، تزریق نرمال و خطا را برای یک وسیله DSI نشان می‏دهد. STT با یک اندوکتانس مغناطیس کنندگی ۵۰ μH با نشتی کوچک ۱ میکروهانری، مدل شد. هنگامی که شرایط خطا تشخیص داده می‏شود، سیستم به طور خودکار به حالت بای پس می‏رود. اگرچه، حالت گذرای ولتاژ بزرگی در ثانویه STT در پی این تغییر حالت، رخ می‏دهد. به ازای یک جریان عملیاتی ۷۵۰ A که همراه با جریان خطای ۵۰۰۰۰ A (75000 پیک) در خط برق است، بدترین حالت ولتاژ گذرای پیک ۱٫۴ kV در ثانویه STT تولید می‏شود که این مقدار برای سوییچ‏های الکترونیک قدرتی موجود در بازار، قابل تحمل است. سرکوب کننده ولتاژ نیز به منظور محدود ساختن ولتاژ گذرای القا شده در ثانویه و نیز به منظور حفاظت سوییپ‏های نیمه هادی، ارایه می‏گردد.

همچنین از حفاظت ثانویه نیز به صورت یک وسیله شکستن بیش از اندازه استفاده می‏شود که بین محفظه بیرونی ترانسفورماتور و کابل برای ارایه مسیر جایگزین برای عبور جریان تحت شرایط خطا یا برخورد آذرخش، قرار می‏گیرد. طراحی دقیق و تحلیل حفاظت تجهیز، در آینده در مقاله ای مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

 

  1. کنترل و عملکرد تجهیزات DSR

خطوط از پیش تعیین شده ای که احتمال رویارویی با شرایط اضافه بار در آنها در زمان‏های مشخصی از روز یا تحت شرایط ازدحام تعیین شده وجود دارد را می‏توان با ماژول‏های DSR اصلاح کرد تا بطور خودکار امپدانس خط به هنگام روی دادن اضافه بار حرارتی، تغییر یافته و جریان به خطوط با ازدحام کمتر شبکه منتقل شود. به منظور دست یابی به بازه کنترلی موثر، می‏توان از تجهیزات مختلفی در خط استفاده کرد که هر کدام از این ماژول‏ها باید طوری تنظیم شوند که با جریان‏های خط محاسبه شده ای که کمی با یکدیگر تفاوت دارند، روشن شوند. از این رو، در صورتی که در یک خط برق از ۵۰ ماژول DSR استفاده شود، امپدانس خط را می‏توان به ۵۰ XM با دقت ۲% افزایش داد. این کار، باعث می‏شود که حود خط بررق به صورت یک هادی محدود کننده جریان عمل کند. افزونگی ایجاد شده توسط تعداد زیاد ماژول‏ها نیز اطمینان حاصل می‏کند که نقص در عملکرد یک وسیله، کمترین تاثیر را بر روی عملکرد کلی داشته باشد.

یک الگوریتم کنترلی برای عملکرد وسایل DSR در رابطه (۴) تعریف شده است. این وسیله نیازی به مخابرات ندارد، چرا که تجهیزات به صورت مستقل بر مبنای جریان خط اندازه گیری شده عمل می‏کنند. یک کنترل کننده مبتنی بر ریز-پردازنده در هر ماژول، طوری برنامه نویسی می‏شود که هنگامی که جریان خط به مقدار تریگر می‏رسد، روشن شود. از این رو این استراتژی کنترلی امکان کلیدزنی مستقل ماژول‏ها در جریان‏های خط از پیش تعیین شده را، فراهم می‏آورد. میراسازی نیز با مطابق قرار دادن پروفایل تزریق اندوکتانس مطلوب به طوری که مطابق با منحنی زمانی نمایی باشد، ارایه می‏گردد. مقدار نما در هر لحظه نمونه برداری، مقدار واقعی اندوکتانس تزریقی را نمایش می‏دهد. مسیر اندوکتانس تزریق شده در یک فاصله t∆ ثانیه توسط معادله (۵) توصیف شده، و تعداد ماژول‏ها نیز مطابق با به مقدار نما در هر لحظه نمونه برداری روشن می‏شوند. بحث دقیق در مورد استراتژی کنترلی و اثرات خطوط را می‏توان در مقاله [۱۰] یافت. پروفایل امپدانس تزریق شده به صورت نشان داده شده در شکل ۱۱ می‏باشد.

که Linj اندوکتانس خط تزریق شده بوده، Lf مقدار نهایی اندوکتانس با فعال بودن همه ماژول‏های DSR در خط بوده، I0 مقدار تریگر جریان برای یک ماژول بوده و Ithermal حد حرارتی بوده که در ورای آن تزریقی انجام نمی شود.

 

شکل ۱۱٫            پروفایل امپدانس تزریق شده.

 

شکل ۱۲٫            شماتیک دقیق سیستم چهار-شینه.

 

که اعتبار آن در بازه  بوده، که Lexp مربوط به تزریق واقعی در انتهای هر لحظه نمونه برداری بوده، و Lprev مربوط به تزریق در لحظه قبل آن می‏باشد.

 

  1. نتایج شبیه سازی

برای این که عملکرد DSI در یک سیستم نشان داده شود، قابلیت ادوات DSI برای کاهش بارگذاری و ازدحام خط، این سیستم با سیستم ساده ۴-شینه نشان داده شده در شکل ۱۲ شبیه سازی شده است. هر یک از خطوط دارای جریان‏های نامی ۷۵۰ A و امپدانس ۰٫۱۶۸+j0.789 می‏باشند.

خط ۲ و خط ۵ به عنوان مهم ترین خط شبکه مشخص شده اند؛ زیرا بیشینه ظرفیت انتقال به شبکه توسط این خطوط تعیین می‏گردد. شکل ۱۳ خط ۲ را نشان می‏دهد که در حال کار در حد حرارتی خود، با کاهشی شدید در جریان متوسط آن با روشن شدن تجهیزات DSR می‏باشد. توزیع دوباره جریان در شبکه، اثر متسقیمی بر روی ظرفیت انتقال موجود (ATC) دارد. ATC سیستم اصلی، محدود به خط ۲ و خط ۵ می‏باشد. اگرچه، با بکارگیری از ماژول‏های DSR، افزایش در توان عملیاتی بار تا ۷۵% را می‏توان به هنگام تمرکز بار در Load 1 محقق ساخت (شکل ۱۴). این نشان دهنده قابلیت ادوات DSR برای کنترل خودکار سطح جریان در شبکه بوده که بطور خودکار برای عدم اجازه ورود خطوط برق به اضافه بار حرارتی، عمل می‏کنند.

 

شکل ۱۳٫            پروفایل جریان خط ۲ تحت شرایط اضافه بار.

 

شکل ۱۴٫            افزایش در ATC سیستم.

 

شکل ۱۵٫            شماتیک مداری DSSC.

 

شکل ۱۶٫            نمونه آزمایشگاهی DSSC.

 

این مفهوم به شبکه پیچیده تری مانند سیستم ۳۹-شینه IEEE اعمال شد، و مطالعات نشان می‏دهد که ماژول‏ها با کمترین تاثیر بر روی یکدیگر کار می‏کنند. نتایج آن در مقاله ای در آینده مورد بحث قرار می‏گیرد.

 

  1. نتایج تجربی

به منظور نشان داندن مفهوم ادوات D-FACTS، یک ماژول DSSC در قالب پروژه مشترک TVA ئ فن آوری‏های کلیلدزنی نرم (Soft Switching technologies) در آزمایشگاه ساخته و مورد آزمون قرار گرفت. شماتیک مداری این سیستم نیز در شکل ۱۵ نشان داده شده و نمونه ازمایشگاهی آن در شکل ۱۶ آورده شده است. سیستم DSSC قدر به تزریق امپدانس‏های پیشفاز یا پسفاز یا ولتاژهای مربع بوده و می‏توانست ولتاژ شین dc اینورتر تکفاز را با استفاده از یک مولفه “هم-فاز” ولتاژ، متعادل سازد. جزییات ایت نتایج در مقاله ای در پیش آورده شده و در اینجا نیز به طور خلاصه آورده شده است [۱۱].

این واحد به ازای جریان‏های خط تا ۱۵۰۰ A و جریان‏های خطای بیش از ۱۲۰۰۰ A طراحی شد. اینورتر ترانزیستور دو-قطبی گیت عایق (IGBT) دارای قدرت نامی ۶٫۷ kVA بوده و برای ارایه قابلیت تحمل جریان خطا، مورد استفاده قرار گرفت. طبق نسبت دورهای STT معادل ۹۰:۱، جریان نامی در اینورتر IGBT به مقدار ۱۵۰۰ A، کمتر از ۲۰ A بوده است. وسایل اینورتر با استفاده از مدولاسیون پهنای پالس سینوسی-مثلثی در ۱۲ kHz با استفاده از یک میکرو-کنترلر کنترل کننده واسط جانبی (PIC)، کنترل شده اند. کنترل شین DC نیز با استفاده از یک سیگنال هم-فاز با جریان خط، محقق شده است، در حالی که یک سیگنال مرجع دستور، تزریق ولتاژ مربع مطلوب را فراهم آورده است. منبع توان طوری طراحی شده تا در بازه ۳۰۰-۱۵۰۰ A در حالت مانا، با تحمل امواج جریان تا ۱۲۰۰۰ A، عمل کند. این ماژول، تزریق اندوکتانس مثبت و منفی، ولتاژ مربع ۴٫۶ V±، و قابلیت هدایت پخش بار به مسیر دلخواه در یک اتصال موازی را نشان داده است.

شکل ۱۷ و شکل ۱۸ عملکرد DSSC را تحت شرایط تزریق ولتاژ صفر، پیشفاز و پسفاز نشان می‏دهند. با تزریق صفر، ولتاژ اعمال شده در STT به نظر هم-فاز با جریان بوده که مربوط به تلفات در مدار می‏باشد. ماژول DSSC تحت جریان‏های نرمال و خطای تا ۱۲۰۰۰ A مورد آزمون قرار گرفت و همان طور که پیش بینی می‏شد، عمل کرد. در پایان، ماژول DSSC برای نشان دادن قابلیت هدایت جریان بین دو خط موازی دستور داده شده، مورد استفاده قرار گرفت (شکل ۱۹).

 

شکل ۱۷٫            عملکرد طی تزریق ولتاژ پیشفاز.

 

 

شکل ۱۸٫            عملکرد طی تزریق ولتاژ پسفاز.

 

 

شکل۱۹٫ هدایت جریان خط با DSSC.

 

  1. نتیجه گیری

این مقاله روشی تازه برای کنترل پخش بار در شبکه‏های انتقال و توزیع را ارایه داده است. ادوات D-FACTS که در آنها از وسایل کم-توان موجود در بازار استفاده شده است، دارای این پتانسیل می‏باشند که بطور جدی هزینه کنترل پخش بار را کاهش دهند. چبرانسازی var سری با استفاده از D-FACTS به شبکه‏های برق کمک می‏کند تا ازدحام شبکه را کاهش داده، ساخت خطوط انتقال جدید را به تاخیر انداخته، و ظرفیت شبکه را بهبود بخشند. ادوات D-FACTS نیاز به تغییر در ساختار شرکت برق نداشته و بطور مستقل _با یا بدون وجود مدارات مخابراتی_ کار می‏کنند. قابلیت اطمینان بالا، هزینه پایین و عمر طولانی این تجهیزات، آنها را جذاب تر نیز می‏سازد.

استفاده گسترده از این فن آوری، نیازمند تحلیل دقیق برخی از محدودیت‏های عملی می‏باشد. برخی از مسایل آن شامل عملکرد طی شرایط نرمال و خطا، کلیدزنی هماهنگ، انتقال گرما، و وزن کل سیستم در این مقاله مورد بحث قرار گرفت. نتایج آزمون‏ها و شبیه سازی ها، تاثیر بالقوه این تجهیزات از نظر بهره برداری بهتر شبکه و بهبود در قابلیت اطمینان سیستم را نشان می‏دهد.

 

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.