بهبود پایداری گذرای سیستم یکپارچه شرق غرب بنگلادش به کمک جبرانساز VAR (SVC)
Transient Stability Enhancement Of Bangladesh East West Interconnected System Using Static VAR Compensator (SVC)
چکیده
این مقاله مطالعات پایداری گذرای سیستم یکپارچه شرق- غرب (EWIS) شبکه برق بنگلادش (BPS) را با استفاده از جبرانساز استاتیک VAR (SVC) توصیف میکند. با افزایش انتقال توان، پایداری گذرا یک موضوع جدی برای عملکرد قابل اطمینان است. ارزیابی پایداری گذرا یک مساله به شدت پیچیده و کاملا غیرخطی برای سیستم برق یکپارچه مقیاس وسیع است. برای حل این مساله، یک کار تحقیقاتی به کمک کنترلکننده SVC در صنعت صورت گرفته است. جبرانساز استاتیک VAR (SVC) از اداوت FACTS با اتصال موازی (شنت) است و به عنوان یک پایدارکننده نقش مهمی در اغتشاشات گذرا و دینامیک سیستم قدرت ایفا میکند. در این کار، مدلسازی SVC برای افزایش پایداری گذرا مطالعه شده و سیستم یکپارچه شرق- غرب (EWIS) شبکه سیستم برق بنگلادش (BPS) تست میشود.
عبارات کلیدی: پایداری گذرا، جبرانساز استاتیک VAR (SVC)، سیستم برق بنگلادش (BPS)، سیستم یکپارچه شرق- غرب (EWIS)، اتصالدهنده شرق- غرب (EWI).
دانلود مقالات شبیه سازی آماده مهندسی برق در نرم افزار متلب
- مقدمه
پایداری گذرا در واقع توانایی یک سیستم قدرت برای حفظ سنکرون خود در حالتی است که در معرض یک اغتشاش شدید قرار گیرد [1]. یک سیستم قدرت یکپارچه، شبکهای پیچیده و شامل تعداد زیادی ژنراتور، خطوط انتقال، انواع بارها و ترانسفورماتورها است. با افزایش تقاضای توان، برخی از خطوط دارای بار بیشتری نسبت به حالت برنامهریزی شده خود موقع احداث، هستند. با افزایش بارگذاری خطوط انتقال طولانی، مساله پایداری گذرا پس از یک اغتشاش شدید میتواند یک عامل محدود کننده برای انتقال توان باشد [2-3]. جبرانساز استاتیک VAR (SVC) با عملکرد دینامیکی (پویا) خود میتواند باعث میرائی نوسانات شده و پایداری کلی سیستم قدرت را بهبود دهد [4]. انتخاب سیگنال ورودی برای کنترلکننده میرائی SVC مهم است تا قادر به میراکردن نوسان توان باشد. استفاده از دامنه جریان و توان اکتیو باعث میرائی چشمگیر در همه شرایط عملکردی میشود [5]. به منظور کنترل نوسانات توان در سطوح بالائی از انتقال توان، SVC کاراتر شده و میتواند علاوه بر مودهای محلی نوسانات در میراکردن مودهای بین ناحیهای نیز موثر باشد [6]. این مقاله مزیت بالقوه کاربرد SVC در سیستم یکپارچه شرق- غرب(EWIS) شبکه برق بنگلادش را بررسی میکند. بر اساس توپولوژی واقعی شبکه برق بنگلادش، یک مدل تقریبی از سیستم EWIS توسعه یافت. دو SVC در باسهای ایشوردی[1] و سیراجگنج[2] EWIS نصب میشوند. نتایج شبیهسازی نشان دهنده تاثیر مثبت SVC در میراکردن نوسانات الکترومکانیکی است.
این مقاله به صورت ذیل سازماندهی شده است: بخش2 مدلسازی EWIS از پیکربندی شبکه واقعی بنگلادش را بیان میکند. در بخش3، ساختار اساسی SVC و کنترلر آن ارائه میشود. توصیف مختصری از ابزار شبیهسازی و نتایج شبیهسازی به ترتیب در بخشهای 4 و 5 بیان میشود. نتیجهگیریهای بدست آنده از این کار نیز در بخش 6 ارائه میگردد. در نهایت، مراجع این کار در بخش 7 آورده شده است.
- مدلسازی سیستم
سیستم قدرت در بنگلادش شامل دو ناحیه اصلی است، به نامهای شبکه شرق و شبکه غرب، که از لحاظ جغرافیائی با عبور رودهای جامونا، پادما و مگنا از هم جدا شدهاند. تا مارس سال 2009، بین شبکههای شرقی و غربی تنها یک اتصال وجود داشت و آن خط 230 کیلوولتی از قراسال[3] تا ایشوردی (اولین اتصال شرق غرب) بود. پس از این، یک خط 230 کیلوولت دیگر نیز بین آشوگنج و سیراگنج (دومین خط شرق غرب) نیز احداث شد تا قابلیت انتقال توان از شبکه شرقی به غربی افزایش یاد. در همین حین، با توسعه اتصال 230 کیلوولتی از سیراگنج به باراپوکوریا و از سیراگنج به خولنا، قابلیت رسیدگی به توان شبکه غرب افزایش یافت. مطابق شکل1، خط ناتوره به بورگا باعث تشکیل یک بخش حلقوی در قسمت وسط شبکه غرب میشود.
شکل1: سیستم یکپارچه شرق غرب (EWIS).
- جبرانساز استاتیک VAR
الف. ساختار اصلی SVC
SVC یک تجهیز جبرانساز موازی است که عملکرد اصلی آن تنظیم ولتاژ در یک باس انتخاب شده از طریق کنترل تزریق توان راکتیو است. SVC حد انتقال توان حالت ماندگار را افزایش داده و در نتیجه پایداری گذرای سیستم را بهبود میدهد [7]. مطابق شکل2، ساختار اصلی SVC شامل یک ماژول راکتور کنترلشده با تریستور (TCR) و یک خازن ثابت (FC) موازی با آن است. این خازن ثابت و شاخه TCR با هم کار میکنند تا سوسپتانس مطلوب را ایجاد کنند.
شکل2: ساختار اصلی SVC
ب. حلقه پایداری SVC
برای کنترل ولتاژ باس، SVC از حلقه کنترل ولتاژ بهره میگیرد که مطابق شکل 3 شامل رگولاتور ولتاژ، مدار آتشزنی و مبدل[4] دامنه ولتاژ است [5]. عملکرد اولیه کنترلی توسط رگولاتور ولتاژ صورت میگیرد. بسته به مقدار سوسپتانس موردنظر، مدار آتشزنی آغاز به کار میکند تا این مقدار عددی سوسپتانس را به زاویه هدایت تریستور تبدیل کند. کنترلر میراکننده نوسان توان با توجه به سیگنالهای ورودی مختلف قابل اندازهگیری محلی مثل دامنه ولتاژ باس، توان اکتیو، توان راکتیو، دامنه جریان و غیره، سیگنال مدولاسیون VMOD را تولید میکند. این سیگنال با ولتاژ مرجع VREF جمع شده و خروجی مبدل دامنه ولتاژ از این مقدار کم میشود تا سیگنال خطا ایجاد شود.
شکل3: ساختار کنترلی SVC برای تحلیل پایداری
ج. کنترلر میرایی SVC
کنترلر میرائی نوسان توان همانطور که در مرجع [5] ارائه شد و در این کار نیز به کار گرفته میشود در شکل4 نمایش داده شده است. برای اجتناب از پاسخ کنترلر به آفست dc سیگنال ورودی، از فیلتر washout استفاده میشود. جبرانساز دینامیکی شامل بلوک پسفاز- پیشفاز است که به محض وقوع اغتشاش شدید باعث جبرانسازی دینامیکی میشود. در نهایت خروجی بلوک پسفاز- پیشفاز از پسفاز مرتبه اول عبور میکند تا سیگنال مدولاسیون مطلوب (VMOD) را تولید کند.
شکل4: کنترلر میرائی SVC
نسبت میرائی مجاز مرسوم برای مودهای نوسانی در نوشتجات فنی برابر 3% تا 5% است [8]. تحلیل مقدارویژه نشان میدهد که برخی از مودهای بحرانی در EWIS دارای نسبت میرائی کمتر از محدوده مجاز نامبرده است. عمل دینامیکی SVC میتواند نسبت میرائی این مودهای بحرانی را بهبود دهد. با استفاده از عبور توان اکتیو خط به عنوان ورودی کنترلر میراکننده، تحلیلهای کنترلپذیری و رویتپذیری روی این مودهای بحرانی انجام گرفت. محصول کنترلپذیری و رویتپذیری مقدار باقیمانده (residue) را بدست میدهد [9و10]. ترکیب زاویه فاز باقیمانده و فرکانس مودهای بحرانی میتواند برای محاسبه ثابتهای زمانی پسفاز- پیشفاز کنترلر میراکننده به کار رود [9].
- ابزار شبیهسازی
جعبهابزار سیستم قدرت[5] (PST) یک ابزار پایهای متلب[6] است که از آن میتوان برای تحلیل دینامیکی سیستمهای قدرت AC/DC/FACTS استفاده کرد. این ابزار ابتدا توسط پروفسور چو از موسسه پلی تکنیک رنسلائر، نیویورک، آمریکا ارائه شده و سپس توسط گراهام روجرز از موسسه نرمافزار علمی درخت گیلاس، اونتاریو، کانادا بیشتر توسعه یافت. این جعبهابزار انواع مدلهای ماشینها و سیستمهای کنترلی را برای اجرای شبیهسازی حالت گذرای سیستم قدرت و ایجاد مدلهای متغیر حالت برای تحلیل سیگنال کوچک و نیز طراحی کنترل میراکننده فراهم میکند. این ابزار شامل چند فایل برنامه درایور برای اجرای تحلیل پخش بار، تحلیل مقدار ویژه و تحلیل حالت گذراست. جذابترین ویژگی PST منبع باز بودن آن است، لذا کاربر میتواند برنامه را گسترش داده و یا اصلاح کند تا مدلسازی خاص و یا نیازهای شبیهسازی مورد نظر خود را ایحاد کند. اطلاعات جامع در این رابطه در [11] ارائه شده است.
- نتایج شبیهسازی
بهبود در پایداری گذرا توسط جبرانساز موازی نسبت به حالت بدون جبرانساز در EWIS مشاهده شد. یک خطای سه فاز در باس بار نزدیک به باس ایشوردی در شبکه غربی و طی شبیهسازی حوزه زمان اعمال شد. متغیرهای سیستم چون عبور توان اکتیو از خطوط رابط، ولتاژ باس دچار خطا و انحراف سرعت ماشین نزدیکترین واحد از باس دچار خطا در 20 ثانیه رسم شد.
شکل5: پروفیل سوسپتانس دینامیکی SVC.
عمل دینامیکی کنترلر SVC در شکل5 رسم شده است که توان اکتیو به عنوان سیگنال ورودی به کنترلر در نظر گرفته شده است. شکل5 نشان میدهد که بیشترین سطح جبرانسازی شنت توسط SVC در حالت پس از خطا فراهم میشود. دقیقا پس از اعمال خطا، درصد جبرانسازی به بیشترین میزان خود پرش کرده و سپس به تدریج کاهش مییابد. شکل6 نشان میدهد که نوسان توان قراسال- ایشوردی (اولین اتصال شرق غرب) و آشوگنج- سیرجگنج (دومین اتصال شرق غرب) در حالت باSVC نسبت به حالت بدون SVC به خوبی میرا میشود.
شکل6: عبور توان اکتیو از اتصالات شرق غرب
پروفیل ولتاژ در باس ایشوردی و انحراف سرعت ماشین واحد بقابری[7] به ترتیب در شکلهای 7 و 8 ترسیم شدهاند تا بهبود عملکرد گذرا با حضور SVC را نشان دهند. پروفیل ولتاژ مطابق شکل7 توسط SVC به خوبی صاف و هموار میشود.
نتیجهگیری
بهبود پایداری گذرا سیستم یکپارچه شرق به غرب (EWIS) سیستم برق بنگلادش (PBS) در این کار توسط SVC مورد مطالعه قرار گرفت. تحلیلهای کنترلپذیری و رویتپذیری روی مودهای بحرانی انجام شد تا پارامترهای کنترلر میرائی SVC تنظیم شوند. دو SVC با توانهای 200 مگاوار در باسهای 230 کیلوولتی ایشوردی و سیراجگنج نصب شدند. یک خطای سه فاز در باس بار نزدیک باس ایشوردی اعمال شد. شبیهسازی حوزه زمان نشان دهنده تاثیر مثبت SVC بر روی عملکرد گذرای سیستم است. نوسان ولتاژ باس، توان اکتیو عبوری خط و سرع ماشین نیز توسط SVC به خوبی میرا میشوند.
شکل7: پروفیل ولتاژ در باس ایشوردی
شکل8: انحراف سرعت ماشین در واحد بقابری