مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

فهرست

عنوان	صفحه
فصل اول : پيشگفتار
1-1 مقدمه	1
1-2 محدوديت هاي انتقال توان در سيستم هاي قدرت 1-2-1 عبور توان در مسيرهاي ناخواسته	1 2
1-2-2 ضرفيت توان خطوط انتقال	3
1-3 مشخصه باپذيري خطوط انتقال	3
1-3-1 محدوديت حرارتي	4
1-3-2 محدوديت افت ولتاژ	5
1-3-3 محدوديت پايداري	6
1-4 راه حل‌ها 1-4-1 كاهش امپدانس خط با نصب خازن سري	7 7
1-4-2 بهبود پرفيل ولتاژ در وسط خط	8
1-4-3 كنترل توان با تغيير زاويه قدرت	8
1-5 راه حل‌هاي‌ كلاسيك	9
1-5-1 بانك‌هاي خازني سري با كليدهاي مكانيكي	9
1-5-2 بانك‌هاي خازني وراكتوري موازي قابل كنترل با كليدهاي مكانيكي	9
1-5-3 جابجاگر فاز	9
فصل دوم : آشنايي اجمالي با ادوات FACTS
2-1 مقدمه	11
2-2 انواع اصلي كنترل كننده هاي FACTS	11
2-2-1 كنترل كننده‌هاي سري	11
2-2-1-1 جبران ساز سنكرون استاتيكي به صورت سري(SSSC)	11
2-2-1-2 كنترل كننده‌هاي انتقال توان ميان خط(IPFC)	12
2-2-1-3 خازن سري با كنترل تريستوري (TCSC)	12
2-2-1-4 خازن سري قابل كليدزني با تريستور (TSSSC)	12
2-2-1-5 خازن سري قابل كليد زني با تريستور (TSSC)	12
2-2-1-6 راكتور سري قابل كليد زني با تريستور (TSSR)	13
2-2-1-7 راكتور با كنترل تريستوري (TCSR)	13
2-2-2 كنترل كننده‌هاي موازي	13
2-2-2-1 جبران كننده سنكرون استاتيكي(STATCOM)	13
2-2-2-2 مولد سنكرون استاتيكي (SSG)	13
2-2-2-3 جبران ساز توان راكتيو استاتيكي(SVC)	14
2-2-2-4 راكتور قابل كنترل با تريستور (TCR)	14
2-2-2-5 راكتور قابل كليدزني با تريستور(TSR)	14
2-2-2-6 خازن قابل كليدزني با تريستور (TSC)	14
2-2-2-7 مولد يا جذب كننده توان راكتيو (SVG)	15
2-2-2-8 سيستم توان راكتيو استاتيكي (SVS)	15
2-2-2-9 ترمز مقاومتي با كنترل تريستوري (TCBR)	15
2-2-3 كنترل كننده تركيبي سري – موازي	15
2-2-3-1 كنترل كننده يكپارچه انتقال توان (UPFC)	15
2-2-3-2 محدود كننده ولتاژ با كنترل تريستوري(TCVL)	16
2-2-3-3 تنظيم كننده ولتاژ با كنترل تريتسوري (TCVR)	16
2-2-3-4 جبران‌سازهاي استاتيكي توان راكتيو SVC و STATCOM	16
2-3 مقايسه ميان SVC و STATCOM	17
2-4 خازن سري كنترل شده با تريستور GTO (GCSC)	18
2-5 خازن سري سوئيچ شده با تريستور (TSSC)	18
2-6 خازن سري كنترل شده با تريستور (TCSC)	19
فصل سوم : بررسي انواع كاربردي ادوات FACTS
3-1 مقدمه	20
3-2 منبع ولتاژ سنكرون بر پايه سوئيچينگ مبدل	20
3-3 كنترل كننده توان عبوري بين خطي (IPFC)	23
3-4 جبرانگر سنكرون استاتيكي سري (SSSC)	28
3-5 جبرانگر سنكرون استاتيكي (STATCOM)	31
3-6 آشنايي با UPFC	35
3-6-1 تاثير UPFC بر منحني بارپذيري	36
3-6-2 معرفي UPFC	36
3-7 آشنايي با SMES	38
3-7-1 نحوه كار سيستم SMES	38
3-7-2 مقايسه SMES با ديگر ذخيره كننده هاي انرژي	40
3-8 آشنايي با UPQC	40
3-8-1 ساختار و وظايف UPQC	41
3-9 آشنايي با HVDCLIGHT	42
3-9-1 مزاياي سيستم HVDCLIGHT	43
3-9-2 كاربرد سيستم HVDCLIGHT	44
3-9-3 عيب سيستم HVDCLIGHT	46
3-9-4 بررسي اضافه ولتاژهاي داخلي در خطوط انتقال قدرت HVDC	46
3-10 مقايسه SCC و TCR از ديدگاه هارمونيك هاي تزريقي به شبكه توزيع	47
3-11 SVC	49
3-12 مبدل هاي منبع ولتاژ VSC	51
فصل چهارم : نتيجه گيري	55
منابع	58

 

فصل اول

پيشگفتار

1-1 مقدمه

این نوشتار عهده دار معرفی ادوات جدید سیستم های مدرن انتقال انرژی می‌باشد که تحول زیادی را در بهره‌برداری و کنترل سیستمهای قدرت ایجاد خواهد کرد.

با رشد روز افزون مصرف،سیستمهای انتقال انرژی با بحران محدودیت انتقال توان مواجه هستند.این محدودیتها عملاً بخاطر حفظ پایداری و تامین سطح مجاز ولتاژ بوجود می‌آیند.بنابراین ظرفیت بهره‌برداری عملی خطوط انتقال بسیار کمتر از ظرفیت واقعی خطوط که همان حد حرارتی آنهاست ، می‌باشد.این امر موجب عدم بهره برداری بهینه از سیستم‌های انتقال انرژی خواهد شد.یکی از راههای افزایش ظرفیت انتقال توان‌،‌احداث خطوط جدید است که این امر هم چندان ساده نیست ومشکلات فراوانی را به همراه دارد.

با پیشرفت صنعت نیمه هادیها و استفاده آنها در سیستم قدرت،مفهوم سیستم های انتقال انرژی انعطاف‌پذیر(FACTS) مطرح شد که بدون احداث خطوط جدید بتوان از ظرفیت واقعی سیستم انتقال استفاده کرد.

پیشرفت اخیر صنعت الکترونیک در طراحی کلیدهای نیمه هادی با قابلیت خاموش شدن و استفاده از آن در مبدل های منبع ولتاژ در سطح توان و ولتاژ سیستم قدرت علاوه بر معرفی ادوات جدیدتر،تحولی در مفهوم FACTS بوجود آورد و سیستمهای انتقال انرژی را بسیار کارآمدتر و موثرتر خواهد کرد .

برای درک بهتر و شناساندن مشخصات برجسته این ادوات درقدم اول لازم است مشکلات موجود سیستم های انتقال انرژی شناسائی شوند.آنگاه راه حل های کلاسیک برای رفع آنها بیان می شوند.مبدل‌های منبع ولتاژ،که ساختار کلیه ادوات جدید FACTS بر آن استوار است در بخش بعدی مورد بحث قرار
می گردد و در خاتمه نسل جدید ادوات FACTS معرفی می شوند .

1-2 محدودیتهای انتقال توان در سیستمهای قدرت

یک سیستم قدرت از سه قسمت عمده تولید،انتقال و مصرف تشکیل شده است. هدف یک مهندس بهره‌بردار قدرت این است که توان خواسته شده مصرف‌کننده را تحت ولتاژ ثابت و فرکانس معین تامین نماید.از لحاظ کنترل روی مصرف کننده نمی توان محدودیت زیادی اعمال کرد زیرا او خریدار است و خواسته هایش باید تامین شود.

در نتیجه ، کنترل اصلی در شبکه برق روی بخش تولید و انتقال است.حالت مطلوب در سیستم تولید و انتقال این است که این سیستم بایستی قابلیت تولید و انتقال توان خواسته شده را دارا باشد.معمولاً در طراحی اولیه،این خواسته در نظر گرفته می شود.ولی با گذشت زمان تغییراتی از قبیل رشد مصرف،اتصال شبکه‌های دیگر به شبکه قبلی و تاسیس نیروگاهها و خطوط انتقال جدید و ... این تعادل را بر هم زده و محدودیت هايی را در بهره ‌برداری از شبکه قدرت بوجود می آورند.

گسترش سیستم های قدرت و به هم پیوستن آنها در دو ناحیه متمایز صورت گرفت. ناحیه ای با درصد جمعیت زیاد و وجود نیروگاه های نزدیک به مصرف که توسعه سیستم قدرت را تبدیل به یک شبکه به هم‌پیوسته غربالی تبدیل کرده است ، مثل شبکه های قدرت در اروپا و شرق ايالات متحده آمريكا و ناحیه‌ای که مقدار توان عظیمی را از نیروگاههای آبی به مراکز مصرف در فواصل دور تحویل می دهد.از قبیل سیستمهای موجود در کانادا و برزیل .

الحاق شبکه‌ها به هم علاوه بر مزیت فراوانی که در برداشت،مشکلات عدیده‌ای را هم به همراه آورد. مشکلی که در انتقال توان سیستم‌های به هم پیوسته غربالی وجود دارد، عبور توان در مسیرهای ناخواسته است که به عنوان مشکل توان در حلقه[1] شناخته می شود.عبور این توان در مسیرهای ناخواسته موجب افزایش بار غیر مجاز و عدم بهره‌برداری بهینه از سیستم خواهد شد.لذا بایستی به طریقی توان عبوری از یک مسیر را کنترل نموده و از طرفی برای سیستم های انتقال انرژی طولانی مسئله توان در حلقه مشکل ساز نیست بلکه مشکل عمده در این سیستم ها ، مسئله پایداری گذرا و افت ولتاژ غیر مجاز است.به این معنی که برای حفظ پایداری شبکه و تثبیت سطح ولتاژ مجاز،توان عبوری در سیستم انتقال باید محدود شود.بر این اساس،حالت ایده‌آل یک سیستم انتقال انرژی موقعی است که :

1. کنترل توان در مسیرهای خواسته شده انجام پذیرد.

2. ظرفیت بهره برداری کلیه خطوط در حد ظرفیت حرارتی قرار داشته باشد.

در نتیجه مشکلات عمده در بهره‌برداری از سیستم‌های انتقال انرژی عبارتند از عبور توان در مسیرهای ناخواسته و عدم بهره‌برداری از ظرفیت سیستم‌های انتقال در حد ظرفیت حرارتی.

1-2-1 عبور توان در مسیرهای ناخواسته

برای بررسی مسئله عبور توان در مسیرهای ناخواسته ، سیستم شکل (1-1) زیر را در نظر بگیرید.

شکل (1-1) سیستم مورد مطالعه برای مساله توان در حلقه

در این سیستم دو ژنراتور A وB به ترتیب با تولید MW2000 وMW 1000،توان درخواستیMW3000 را از طریق خطوط AC با قدرت انتقالیMW 2000،(MW1000)AB،(MW1250) BC به بار نقطه C تحویل می دهند.قابل ذکر است که عبور توان در یک شبکه بعلت پارامترهای خطوط انتقالی به آسانی قابل کنترل نیست و در نتیجه،همانطور که در شکل نشان داده شده است ، خط BC بیش از قدرت نامی خویش توان انتقال می دهد.در حالیکه خطوط AC و AB هنوز توانائی انتقال توان بیشتر را دارند.اگر مصرف کننده C بخواهد توان بیشتری را تقاضا کند با وجود ظرفیت خالی خطوط مذکور انتقال توان به این مصرف کننده بخاطر افزایش بار خط BC امکان پذیر نخواهد بود.

1-2-2 ظرفیت توان خطوط انتقال

برای بررسی مشکل دیگر سیستم های انتقال انرژی(عدم بهره برداری از ظرفیت کامل خطوط)لازم است مشخصه بار پذیری خطوط انتقال و مسایل وابسته به آن شناسائی شوند .

1-3 مشخصه بار پذیری خطوط انتقال

سیستم های خطوط انتقال انرژی که توان نیروگاه های دور دست را به مصرف کننده می رسانند،به خاطر مسایل پایداری و افت ولتاژ،ظرفیت بارپذیری خطوط با مقدار واقعی آن تفاوت زیادی خواهد داشت.

بارپذیری یک خط طبق تعریف برابر با حد بارگذاری خط (برحسب درصدی از بار امپدانس ضربه)در محدوده های مشخص حرارتی،افت ولتاژ و پایداری است.

برای نخستین بار آقای Clair.St درسال 1953ميلادي این مفهوم را مطرح کرد و بر اساس ملاحظات علمی و تجربی،منحنی‌های قابلیت انتقال توان خطوط را در محدوده ولتاژ 330 کیلووات و تا طول 400‌مایل را بدست آورد .این منحنی‌ها(که به نام خودش مشهور است)ابزار ارزشمندی برای مهندسان طراحی سیستم‌های انتقال برای تخمین سریع حدود حداکثر بارگذاری خطوط است بعدها کار او بصورت محاسباتی تعمیم داده شده است بر اساس این مطالعات مشخصه بارپذیری خطوط انتقال توسعه سه عامل محدود می‌شود: محدودیت حرارتی،محدودیت افت ولتاژ و محدودیت پایداری.

برای بررسی این محدودیت ها سیستم شکل (2-1) را در نظر می گیریم که دو انتهای سیستم انتقال(پایانه ارسالی و پایانه دریافتی)توسط مدل تونن آن نشان داده شده است.

شکل(2-1). مدل ساده شده شبکه برای مطالعه مشخصه بارپذیری

1-3-1 محدودیت حرارتی (Thermal Limits)

حرارت حاصل از عبور جریان خطوط انتقال دوتاثیر نامطلوب دارد:

- ذوب شدن و از دست دادن تدریجی قدرت مکانیکی هادی آلومینیومی بعلت قرار گرفتن در معرض دماهای بالا بطور مداوم.

- افزایش انحنای خط و کاهش فاصله آن با زمین به دلیل انبساط خط در دماهای بالا (شکل 3-1)

معمولاً دومین عامل از عوامل فوق،حداکثر دمای کاری مجاز را تعیین می کند. در این حد،انحنانی خط به حداکثر مجاز خود نسبت به زمین می رسد. بر اساس ملاحظات مربوط به ذوب،حداکثر دمای مجاز برای خطوط با مقدار آلومینیوم بالا مساوی 127 و برای سایر هادیها 150 است.حداکثر جریان مجاز، بستگی به دمای محیط و سرعت بالا دارد . ثابت زمانی حرارتی در حدود 10 تا 20 دقیقه است از این رو بین ظرفیت‌نامی پیوسته و ظرفیت نامی زمان محدود می توان تفاوت قایل شد.بر این اساس در وضعیت‌های اضطراری با در نظر گرفتن جریان قبل از اغتشاش،دمای محیط و سرعت باد،از ظرفیت نامی زمان محدود استفاده کرد.

شکل (3-1). فاصله مجاز خط انتقال از زمین و تاثیر دمای هادی در انبساط طول

1-3-2 محدودیت افت ولتاژ

با در نظر گرفتن مدل خط انتقال و پارامترهای تشکیل دهنده آن،پروفیل ولتاژ برای سیستم شکل (2-1) به ازای فاصله خط و توان انتقالی نامی و بی‌باری در شکل(4-1)نشان داده شده است.همانطور که ملاحظه می شود،ولتاژ خط در طول خط ثابت نبوده و شدیداً تابعی از توان انتقالی خط خواهد بود.این تغییرات ولتاژ بایستی درمحدوده مجاز باشد لذا انتقال توان در این خطوط محدود به تغییرات دامنه ولتاژ خواهد بود.به بیان دیگراگر طول خط را به عنوان یک پارامتر در نظر بگیریم مشخصه بارپذیری خط را تابعی از طول خط بر‌اساس محدودیت افت ولتاژ را می توان بصورت زیر محاسبه کرد.

مقادیر ولتاژ پایانه های ارسالی و دریافت و بر اساس محاسبه پخش بار بدست می آید و برای این سیستم محدودیت افت ولتاژ 5% در نظر گرفته شده است.آنگاه طول خط به عنوان یک پارامتر در نظر گرفته و با مقدار اولیه آن شروع می کنیم و دامنه ولتاژ را حساب می کنیم.

(1-1) (2-1) (3-1) (4-1)

مقدار بر اساس افت ولتاژ مجاز 5% چک می شود.اگر به حد مجاز رسید آنگاه انتقال توان به محدودیت افت ولتاژ رسیده و را از رابطه زیر محاسبه می کنیم .

(5-1)

سپس با جایگزینی آن در رابطه زیر مقدار توان پایانه ارسالی محاسبه می شود.

(6-1)

که A و B پارامترهای مشخصه خطوط انتقال و و زوایای آنها هستند و زاویه بین و می باشد.نسبت مقدار Ps/Psil بارپذیری را بر حسب پریونیت بیان می کند.

اگر افت ولتاژ مرحله قبلی در محدوده مجاز خود قرار داشت.آنگاه افزایش داده می شود و از معادله (1-1) بدست می آید . سپس مقدار جدید طول خط این حلقه محاسباتی تکرار می شود تا مشخصه بارپذیری خط انتقال بر حسب تابعی از طول خط متناظر با محدودیت افت ولتاژ بدست می آید .

شکل (4-1) . تغییرات ولتاژ وسط خط انتقال سیستم شکل (2-1) برای توان های انتقالی متفاوت

1-3-3 محدودیت پایداری

با توجه به مشخصه توان–زاویه سیستم شکل (2-1) که در شکل (5-1) نشان داده شده است،ملاحظه می شود که در حالت ایده‌آل ژنراتور می تواند ماکزیمم توان انتقالی خود را در زاویه 90 درجه انتقال دهد که عملاً به خاطر ملاحظات پایداری با ضریب اطمینان 30% از ژنراتور بهره‌برداری می کنند.یعنی ماکزیمم توان خروجی ژنراتور نبایستی از 70% ظرفیت ماکزیم توان انتقالی خط افزایش یابد.زاویه ژنراتور متناظر با این محدودیت با استفاده از رابطه توان حدوداً بدست می آید. شکل (5-1) این محدودیت را برای خطوط انتقال با طول‌های متفاوت(یعنی امپدانس‌های متفاوت)نشان می دهد.همانطور که ملاحظه می شود با افزایش امپدانس خط(یا طول خط) برای تامین ضریب اطمینان 30% پایداری( متناظر با )، مقدار توان انتقالی مجاز متفاوت خواهد بود .

شكل (5-1) مشخصه توان- زاويه ي سيستم مورد مطالعه و مساله پايداري

شکل(6-1)مشخصه بارپذیری سیستم انتقال را نشان می دهد.در این شکل خط A مبین محدودیت حرارتی(حدوداً PSIL3) است.یعنی ماکزیمم توانی که یک خط قابلیت انتقال آن را دارد.منحنی B مشخصه حداکثر توانی است که به محدودیت افت ولتاژ مربوط می شود و منحنی C مشخصه حداکثر توانی است که به محدودیت پایداری مربوط می شود.در نهایت مشخصه بارپذیری خط از ترکیب این سه مشخصه بدست می‌آید که به صورت خط پررنگ در منحنی d نشان داده شده است.همانطور که در‌اين مشخصه مشاهده می‌شود برای خطوط کوتاه،خط انتقال فقط با محدودیت ظرفیت حرارتی مواجه می‌شود.برای خطوط متوسط مسئله عمده افت ولتاژ می باشد که در نتیجه محدودیت توان انتقالی را بدنبال دارد و در خطوط طولانی، محدودیت توان به خاطر حفظ حریم پایداری است.همچنان که ملاحظه می‌شود بارپذیری خط با افزایش طول خط،شبکه تحت تاثیر عوامل ذکر شده شدیداً کاهش می یابد .

شکل (6-1) مشخصه بارپذیری خطوط انتقال

1-4 راه حل ها

1. احداث خطوط جدید برای افزایش ظرفیت توان انتقالی

2. حفظ خطوط موجود و اتخاذ تدابیری برای استفاده از ظرفیت کامل آنها در حد ظرفیت حرارتی.

راه حل اول چندان مورد توجه نیست بخاطر مشکلات قانونی حق عبور برای نصب خطوط انتقال جدید و عدم استفاده کامل از ظرفیت خطوط نصب شده لذا راه حل دوم معقول‌تر به نظر می رسد.از لحاظ تئوری با توجه به رابطه توان موارد زیر را می توان برای افزایش ظرفیت خطوط پیشنهاد کرد.

1-4-1 کاهش امپدانس خط با نصب خازن سری

در این حالت امپدانس موثر خط انتقال برابر (X-Xc) خواهدشد.باتوجه به رابطه توان ملاحظه می‌شود که مشخصه توان–زاویه را می‌توان به راحتی تغییر داد و در نتیجه ظرفیت خط انتقال را افزایش داد.

شکل(7-1) خازن سری و مشخصه توان- زاویه آنرا نشان می دهد .

1-4-2 بهبود پرفیل ولتاژ در وسط خط

در این حالت با نصب یک منبع ولتاژ در وسط خط، ولتاژ آن را تثبیت می کنیم شکل (8-1) آرایش سیستم قدرت و مشخصه توان–زاویه را برای این حالت نشان می دهد .

1-4-3 کنترل توان با تغییر زاویه قدرت

با توجه به رابطه می توان مشاهده کرد که با تغییر زاویه توان هم می‌توان،توان انتقالی را کنترل کرد که شمای آن در شکل(9-1) نشان داده شده است .

حال باید دید که چگونه می توان توسط ادواتی که می شناسیم این مشخصه‌ها را بوجود آورد.دو راه حل در طول زمان شناسائی شد راه حل اول ، معرفی ادوات کلاسیک با استفاده از عناصر مداری از قبیل خازن، راکتور،ترانسفورماتور و کلیدهای مکانیکی می باشد با پیشرفت قطعات الکترونیک قدرت و استفاده از آنها در شبکه قدرت موجب پیشنهاد راه حل جدید تحت عنوان شبکه انتقال AC انعطاف پذیر (FACTS) شده است .

شكل (7-1)

شكل (8-1)

شكل (9-1)

 

1-5 راه حل های کلاسیک

1-5-1 بانکهای خازنی سری با کلیدهای مکانیکی

برای کاهش امپدانس خط می توان از بانکهای خازنی که توسط کلیدهای مکانیکی وارد و خارج می‌شوند استفاده کرد.(شکل10-1) .

1-5-2 بانکهای خازنی و راکتوری موازی قابل کنترل با کلیدهای مکانیکی

برای تثبیت ولتاژ وسط خط می توان از ترکیب بانکهای خازنی و راکتوری استفاده کرد که توسط کلیدهای مکانیکی می توان مقادیر آنها را کنترل کرد.شکل(11-1)نمونه ای از این ترکیب را نشان می دهد .

همچنین در این شکل مشخصه ولتاژ–جریان آنها هم نشان داده شده است.جریان راکتور به اندازه 90 درجه از ولتاژ دو سر آنها عقب‌تر است.همچنین جریان خازن‌ها به اندازه 90 درجه از ولتاژ دو سر آنها جلوتر است.بنابراین برای داشتن پروفیل ولتاژ ثابت در وسط خط به ازای جریان‌های مختلف می توان با سوئیچ کردن خازنها و یا راکتورها روی مشخصه‌های مختلف حرکت کرد تا ولتاژ ثابتی را بدست آورد.

1-5-3 جابجاگر فاز

با این ایده که در یک سیستم سه فاز،ولتاژ خط دو فاز با ولتاژ فازی فاز سوم به اندازه 90 درجه اختلاف‌فاز دارد می‌توان استفاده کرد و با ترکیب موازی- سری ترانسفورماتورها ولتاژی را بصورت سری به خط تزریق کرد تا ولتاژ حاصل،اختلاف فازی با ولتاژ قبلی داشته باشد.بدین طریق می‌توان زاویه ولتاژ خط انتقال را تغییر داد.نمونه از این ترکیب در شکل (12-1) نشان داده شده است.مقدار دامنه ولتاژ تزریقی توسط تپ چنجره های ترانسفورماتور کنترل خواهد شد.

کلیدهای مکانیکی دارای مشخصات سرعت کم،احتیاج به سرویس و بازبینی مرتب و عمر کوتاه بخاطر وجود قطعات متحرک می‌باشد.به همین دلیل عملکرد این ادوات فقط منحصر در حالت مانا و حوزه کاربردی محدود خواهد بود.علاوه براین،استفاده از خازن سری موجب بروز نوسانات زیر سنکرون خواهد شد که مسئله‌ساز خواهد بود.

با پیشرفت تکنولوژی نیمه هادی‌ها و افزایش قابل توجه ظرفیت نامی جریان و ولتاژ کلیدهای نیمه هادی (تریستورها) فکر استفاده از آنها در سیستم های قدرت قوت گرفت.بر این اساس راه حل‌های جدیدی برای استفاده بهتر از سیستم قدرت پیشنهاد شد که همان مفهوم شبکه انتقال انعطاف پذیر FACTS می باشد.

بنابراین مفهوم FACTS تداعی کننده ادوات کنترل شونده با تریستور می باشد.عنصر مهم بازیگر در این مفهوم مشخصه جالبی است که از ترکیب یک کلید تریستوری و یک راکتور بوجود می آید.

شكل (10-1) خازن سري كنترل شده با كليد هاي مكانيكي

شكل (11-1) بانك هاي خازني و رآكتوري با كليد هاي مكانيكي

شكل (12-1) ترانسفورماتورهاي تغيير دهنده فاز يا تپ چنجرهاي مكانيكي

 

فصل دوم

آشنايي اجمالي با ادوات FACTS

2-1 مقدمه

فن‌آوري FACTS فرصتهاي جديدي را براي كنترل توان و افزايش ظرفيت قابل بهره‌برداري خطوط موجود و همچنين خطوط جديد و ارتقاء يافته،فراهم مي كند.امكان كنترل جريان در داخل يك خط انتقال با هزينه منطقي افزايش ظرفيت خطوط موجود را به شكل خطوطي با هادي‌هاي بزرگتر و استفاده از يكي از ادوات كنترل كننده FACTS انتقال توان را در درون چنين خطوطي تحت شرايط عادي و پيش بيني نشده ممكن مي سازد.[1]

2-2 انواع اصلي كنترل كننده هاي FACTS

بطور كلي ، كنترل كننده هاي FACTS را مي توان به چهار دسته تقسيم كرد:

1- كنترل كننده هاي سري

2- كنترل كننده هاي موازي

3- كنترل كننده هاي تركيبي سري–موازي[1]

2-2-1 كنترل كننده هاي سري

كنترل كننده‌هاي سري مي توان يك امپدانس متغير باشد مثل خازن،رآكتور و غيره ... ،‌ يا يك منبع متغير فركانس اصلي يا زير سنكرون و فركانس‌هاي هارمونيكي مبني بر الكترونيك قدرت باشد،كه نياز مورد نظر را برآورده نمايد.در اصل همه كنترل كننده‌هاي سري ولتاژ را بصورت سري به خط تزريق مي كنند.حتي يك امپدانس متغير ضرب در جريان داخل آن،نماينده يك ولتاژ سري است كه در خط تزريق شده است.تا زمانيكه ولتاژ بر جريان خط عمود است،كنترل كننده سري فقط مقاديري توان رآكتيو تامين يا مصرف مي‌كند. هر اختلاف فاز ديگري،جابجايي توان واقعي را نيز درگير خواهد نمود.در ادامه به بررسي چند نمونه از ادوات FACTS كه در گروه كنترل كننده‌هاي سري قرار مي گيرند،مي پردازيم.[1]

2-2-1-1 جبران‌ساز سنكرون استاتيكي بصورت سري (SSSC):

يك مولد سنكرون استاتيكي كه بدون منبع انرژي الكتريكي خارجي،به عنوان جبران‌ساز سري كار مي‌كند و ولتاژ خروجي آن هم داراي 90 درجه اختلاف فاز با جريان خط بوده و هم قابل كنترل بطور مستقل از جريان خط است و به منظور افزايش يا كاهش كل افت ولتاژ رآكتيو در طول خط و در نتيجه كنترل توان الكتريكي انتقال يافته به كار مي رود.

SSSC مي تواند شامل ذخيره انرژي در حد مقدار گذرا با وسايل جذب كننده انرژي باشد تا عملكرد ديناميكي سيستم قدرت را با جبران‌سازي توان حقيقي اضافي بصورت موقت افزايش دهد و كل افت ولتاژ حقيقي را در طول خط بصورت لحظه‌اي افزايش يا كاهش دهد.

SSSC مشابه STATCOM مي باشد با اين تفاوت كه ولتاژ AC خروجي بصورت سري با خط است.[1]

2-2-1-2 كنترل كننده‌هاي انتقال توان ميان خط (IPFC):

IPFC كنترل كننده جديدي است كه در همين اواخر معرفي شده است ، لذا IEEE هنوز تعريفي براي آن ارائه نكرده است. يك تعريف احتمالي عبارت خواهد بود از : تركيبي از دو يا چند جبران‌ساز سنكرون استاتيكي سري كه با واسطه يك رابط DC با هم جفت شده‌اند تا انتقال يكسويه توان حقيقي را بين ترمينالهاي SSSC‌ها تسهيل كنند. و كنترل آنها به منظور جبران‌سازي مستقل توان راكتيو است تا انتقال توان حقيقي در هر خط ، تنظيم شده و توزيع مطلوب انتقال توان راكتيو در ميان خطوط حفظ شود. ساختار IPFC هم مي تواند شامل يك STATCOM باشد كه با رابطه DC مشترك IPFC ها جفت شده تا جبران سازي توان راكتيو موازي را انجام دهد و كمبود كل توان حقيقي مجموعه SSSC ها را تامين يا جذب نمايد.[1]

2-2-1-3 خازن سري با كنترل تريستوري (TCSC):

يك جبران ساز راكتانس خازني،كه شامل يك بانك خازن سري است و با يك رآكتور كنترل شونده با تريستور موازي شده تا راكتانس خازني سري با تغييرات يكنواخت فراهم آيد.[1]

2-2-1-4 خازن سري قابل كليدزني با تريستور (TSSSC):

يك جبران‌ساز راكتانس خازني كه شامل يك بانك خازن سري است و با يك رآكتور كنترل شونده با تريستور موازي شده تا راكتانس خازني سري با تغييرات يكنواخت فراهم آيد.[1]

2-2-1-5 خازن سري قابل كليدزني با تريستور (TSSC) :

يك جبران‌ساز راكتانس خازني كه شامل يك بانك خازن سري است و با يك رآكتور قابل كليد‌زني با تريستور موازي شده تا كنترل مرحله‌اي براي راكتانس خازن سري فراهم آيد.[1]

 

 

2-2-1-6 رآكتور سري قابل كليدزني با تريستور (TSSR) :

يك جبران‌ساز راكتانس القايي كه از موازي شدن يك رآكتور سري با رآكتور قابل كنترل و كليدزني با تريستور تشكيل شده،تا كنترل مرحله اي راكتانس القايي سري فراهم آيد. كه مكمل TCSR است،اما با كليدهاي تريستوري بطور كامل باز يا بسته‌اي كه جهت دست يافتن به تركيبي مرحله اي از اندوكتانس سري بكار مي روند.[1]

2-2-1-7 رآكتور با كنترل تريستوري (TCSR) :

يك جبران‌ساز راكتانس القايي كه شامل يك رآكتور سري است و با يك رآكتور كنترل شونده با تريستور موازي شده تا راكتانس القايي سري با تغييرات يكنواخت فراهم آيد.[1]

2-2-2 كنترل كننده هاي موازي

كنترل‌ كننده‌هاي موازي مي تواند امپدانس متغير،منبع تغيير يا تركيبي از آنها باشد در اصل همه كنترل كننده‌هاي موازي در نقطه اتصال خود جريان به سيستم تزريق مي كنند.حتي يك امپدانس متغير كه به ولتاژ خط متصل شده باشد موجب انتقال جريان متغير شده و لذا نماينده تزريق جريان به داخل خط است.تا زماني كه جريان تزريق شده و ولتاژ خط عمود باشند،كنترل كننده موازي فقط مقاديري توان راكتيو تامين يا مصرف مي كند.هر اختلاف فاز ديگري، جابجايي توان واقعي را نيز درگير خواهد كرد.در ادامه باز هم به بررسي بيشتر انواع ادوات FACTS كه درگروه كنترل كننده هاي موازي قرار مي گيرند مي پردازيم.[1]

2-2-2-1 جبران‌كننده سنكرون استاتيكي (STAT COM) :

يك مولد سنكرون استاتيكي كه به عنوان جبران‌ساز توان راكتيو موازي،كار مي كند و جريان خازني يا القايي خروجي آن را مي توان مستقل از ولتاژ AC سيستم كنترل كرد.STATCOM يكي از كنترل كننده‌هاي كليدي FACTS است. مبناي آن مي تواند بر كنورتور منبع ولتاژي يا منبع جرياني باشد.در كنورتورهاي منبع ولتاژي،ولتاژ AC خروجي،طوري كنترل مي‌شود كه درست براي انتقال جريان راكتيو مورد نياز كفايت نمايد. براي هر ولتاژ شينهAC،ولتاژ خازن DC بصورت خودكار به اندازه مورد نياز،جهت عمل كردن به عنوان منبع ولتاژ كنورتور،تنظيم مي‌شود. مي‌توان STATCOM را به صورتي طراحي كرد كه به عنوان يك فيلتر فعال،هارمونيك‌هاي سيستم را نيز جذب نمايد.[1]

2-2-2-2 مولد سنكرون استاتيكي (SSG) :

يككنورتور استاتيكي خود تغيير براي كليدزني توان،كه از يك منبع مناسب انرژي الكتريكي تغذيه مي‌شود و براي توليد مجموعه‌اي از ولتاژهاي خروجي قابل تنظيم به كار مي رود و مي‌تواند براي تبادل توان‌هاي حقيقي و راكتيوي كه مستقلاً قابل كنترل هستند،با يك سيستم قدرت AC جفت شود. روشن است كه SSG تركيبي از STATCOM و هر منبع انرژي،براي تامين يا جذب توان است.[1]

2-2-2-3 جبران ساز توان راكتيو استاتيكي (SVC):

يك مولد يا جذب كننده استاتيكي توان راكتيو كه بصورت موازي متصل شده و خروجي آن براي مبادله جريان خازني يا القايي تنظيم مي شود،بطوريكه پارامترهاي مشخصي در سيستم قدرت(نوعاً ولتاژ شینه)را حفظ يا كنترل نمايد.عملكرد SVC بر مبناي تريستورهاي فاقد قابليت قطع دريچه است و شامل تجهيزات جداگانه‌اي براي تقدم يا تاخر فاز توان راكتيو است.برخيSVC را گزينه ارزانتري از STATCOM مي دانند هرچند اگر ملاك مقايسه براساس عملكرد مورد نياز باشد و نه فقط مقدار MVA ، وضعيت به اين صورت نخواهد بود.[1]

2-2-2-4 رآكتور قابل كنترل با تريستور (TCR) :

يك القاگر قابل كنترل با تريستور كه بصورت موازي بسته شده و راكتانس موثر آن،با كنترل هدايت جزيي دريچه تريستور، بصورت پيوسته تغيير مي كند. TCR زير مجموعه اي از SVC است كه در آن زمان هدايت و به اين ترتيب جريان در يك رآكتور موازي،با يك كليد AC مبتني بر تريستور كه زاويه آتش آن قابل كنترل است،‌كنترل مي شود.[1]

2-2-2-5 رآكتور قابل كليد زني با تريستور (TSR) :

يكالقاگر قابل كليدزني با تريستور كه بصورت موازي بسته شده و مقدار راكتانس موثر آن،با عملكرد دريچه تريستور در حالت‌هاي هدايت صفر يا كامل،بصورت پله اي تغيير مي كند.TSR يك زير مجموعه ديگر از SVC است. TSR از چندين القاگر تشكيل شده است كه بصورت موازي بسته شده‌اند و با كليدهاي تريستوري فاقد كنترل زاويه آتش به مدار وارد و يا از آن خارج مي شوند تا پله هاي تغييرات مورد نياز در توان راكتيو اخذ شده از سيستم بدست آيد. استفاده از كليدهاي تريستوري فاقدكنترل زاويه آتش منجر به هزينه و تلفات كمتر مي شود،اما كنترل بصورت پيوسته نمي باشد.[1]

2-2-2-6 خازن قابل كليدزني با تريستور (TSC) :

يك خازن قابل كليدزني با تريستور كه بصورت موازي بسته شده و راكتانس موثر آن با عملكرد دريچه تريستور در حالت‌هاي هدايت صفر يا كامل،بصورت پله‌اي تغيير مي كند. TSC هم يك زير مجموعه SVC است. كه در آن كليدهاي AC مبتني بر تريستور براي وارد كردن و خارج كردن واحدهاي خازن موازي بكار مي‌روند تا پله‌هاي تغييرات مورد نياز در توان راكتيو تحويل شده با سيستم بدست آيد. برخلاف رآكتورهاي موازي خازن‌هاي موازي را نمي‌توان با كنترل زاويه آتش متغير بصورت پيوسته كليدزني كرد.[1]

2-2-2-7 مولد يا جذب كننده توان راكتيو (SVG) :

يك دستگاه يا سيستم الكتريكي– استاتيكي كه قادر به كشيدن جريان القايي و يا خازني كنترل شده از سيستم قدرت الكتريكي است و به اين ترتيب توان راكتيو توليد يا جذب مي كند.اين دستگاه عموماً متشكل از رآكتورهاي قابل كنترل با تريستور و يا خازن‌هاي قابل كليدزني با تريستور كه بصورت موازي متصل شده‌اند،مي باشد.[1]

2-2-2-8 سيستم توان راكتيو استاتيكي (SVS) :

تركيبي از جبران‌سازهاي توان راكتيو با كليدزني‌هاي مختلف استاتيكي و مكانيكي،كه خروجي آنها با يكديگر هماهنگ شده است.[1]

2-2-2-9 ترمز مقاومتي با كنترل تريستوري (TCBR) :

يك مقاومت قابل كليدزني با تريستور كه بصورت موازي بسته شده و به منظور كمك به متعادل كردن يك سيستم قدرت يا حداقل كردن شتاب‌گيري توان ژنراتور در زمان اخلال،كنترل مي شود.

TCBR عبارتست از كليدزني سيكل به سيكل يك مقاومت به وسيله يك كليد AC مبتني بر تريستور كه داراي كنترل زاويه آتش است. براي هزينه كمتر،TCBR را مي توان با تريستور كليدزني كرد.يعني بدون كنترل زاويه آتش.

به هر حال با كنترل آتش كه مي‌تواند بصورت نيم سيكل به نيم سيلك باشد،مي توان بصورت انتخابي نوسانات كم فركانس را ميرا نمود.[1]

2-2-3 كنترل‌كننده تركيبي سري–موازي

اين وسيله مي تواند تركيبي از كنترل كننده‌هاي سري و موازي جداگانه باشد كه به صورت هماهنگ شده كنترل مي‌شوند يا يك كنترل‌كننده يكپارچه شده انتقال توان با اجزاء موازي و سري در اصل كنترل كننده‌هاي تركيبي شده سري و موازي،جريان را با بخش موازي كننده و ولتاژ سري شده با خط را در بخش سري كنترل كننده،به سيستم تزريق مي كنند.هرگاه كنترل كننده‌هاي سري و موازي يكپارچه شوند،تبادل توان واقعي مي تواند بين كنترل كننده‌هاي سري و موازي از طريق خط رابط توان انجام شود.[1]

2-2-3-1 كنترل كننده يكپارچه انتقال توان (UPFC) :

تركيبي از جبران‌ساز سنكرون استاتيكي (STAT COM) و جبران ساز سري استاتيكي (SSSC) كه از طريق يك رابط DC به هم جفت شده‌اند تا اجازه انتقال دوسويه توان حقيقي را بين ترمينال‌هاي خروجي سري SSSC و ترمينال‌هاي خروجي موازيSTATCOM بدهند و كنترل آنها به منظور جبران‌سازي سري هم زمان توان حقيقي و راكتيو خط،بدون منبع خارجي انرژي الكتريكي،صورت مي گيرد. UPFC با تزریق ولتاژ سري بدون محدوديت زاويه،قادر به كنترل همزمان يا انتخابي ولتاژ خط انتقال،امپدانس،زاويه و يا بطور جايگزين كنترل انتقال توان حقيقي و راكتيو در خط مي باشد.همچنين UPFC مي تواند جبران‌سازي توان راكتيو را بصورت موازي با قابليت كنترل مستقل فراهم نمايد.[1]

 

2-2-3-2 محدودكننده ولتاژ با كنترل تريستوري (TCVL) :

يك واريستور اكسيد فلزي (mov) كه به منظور محدودسازي ولتاژ روي ترمينال‌هاي آن در زمان شرايط گذرا استفاده مي‌شود.كليد تريستوري را مي توان بصورت سري با يك برقگير بدون رخنه قرار داد.يا بخشي از برقگير بدون‌رخنه را مي‌توان با كليد تريستوري ميان‌بر كرد تا سطح محدودكنندگي ولتاژ،بصورت ديناميكي كاهش يابد.بطور كلي،mov بايد بطور چشمگيري قدرتمندتر از برقگير بدون‌رخنه باشد تا TCVL بتواند اضافه ولتاژهاي ديناميكي را كه در صورت سركوب نشدن مي توانند تا چند ده سيكل طول بشكند، موقوف كند. [1]

 

2-2-3-3 تنظيم كننده ولتاژ با كنترل تريستوري (TCVR) :

يك ترانسفورماتور قابل كنترل با تريستور كه مي تواند ولتاژ هم فاز متغير،با كنترل مداوم را تامين نمايد. بنابر دلايل عملي،اين وسيله مي تواند يك ترانسفورماتور معمولي با تپ‌چنجر قابل كنترل با تريستور باشد، يا ترانسفورماتوري معمولي با يك كنورتور ولتاژ AC به AC كه قابل كنترل با تريستور است و براي تزريق ولتاژ AC از هر فاز بصورت سري به همان خط استفاده مي شود.چنين كنترل‌كننده نسبتاً كم قيمتي مي‌تواند براي كنترل انتقال توان راكتيو بين دو سيستم AC بسيار موثر باشد.با توجه به اينكه در مطالب گفت شده در ابتداي اين فصل سعي شده است كه ديدي اجمالي بر انواع مختلف ادوات FACTS ايجاد شود در ادامه به بررسي و تحليل بيشتر موارد خاصي از اين ادوات مي‌پردازيم كه از آن جمله به مقايسه‌اي مختصر ميان SVC و STATCOM اشاره خواهيم نمود.[1]

 

2-2-3-4 جبران‌سازهاي استاتيكي توان راكتيوSVC و STATCOM:

جبران‌ساز استاتيكي توان راكتيو (SVC) و جبران‌ساز استاتيكي سنكرون(STATCOM)مولدهاي استاتيكي توان راكتيو هستند كه در آنها خروجي بصورتي تغيير كرده است كه پارامترهاي مشخصي در سيستم‌هاي قدرت الكتريكي،حفظ يا كنترل گردد. در بخش‌هاي قبل بحث شد كه يك مولد استاتيكي توان راكتيو ممكن است از نوع امپدانس راكتيو كنترل شده–با بهره‌گيري از رآكتورها و خازن‌هاي كنترل و سوئيچ شده با تريستور يا از نوع منبع ولتاژي با استفاده از كنورتور قدرت قابل سوئيچ شدن و يا از نوع مختلط كه تركيبي از اين اجزاء را استفاده مي كند،باشد.هدف اوليه كاربرد جبران‌ساز استاتيكي در يك سيستم قدرت، افزايش قابليت انتقال توان در يك شبكه انتقال مفروض،از نيروگاه تا بار است.از آنجا كه جبران‌سازهاي استاتيكي نمي‌توانند توان حقيقي توليد يا جذب كنند،انتقال توان سيستم بصورت غير مستقيم از كنترل ولتاژ تاثير مي پذيرد.اين مطلب بدين معني است كه توان راكتيو خروجي جبران‌ساز براي كنترل ولتاژ،در ترمينال‌هاي معين شبكه انتقال تغيير داده مي شود،تا انتقال توان مطلوب در اعوجاج و شرايط اضطراري احتمالي سيستم حفظ شود. [1]

2-3 مقايسه ميان STAT COM و SVC

در محدوده‌ي عملكرد خطي،مشخصه V- I و قابليت عملياتي جبران‌سازي SVC, STATCOM مشابه هستند. به هر حال اصول اساسي عملكرد STATCOM كه با مولد توان راكتيو مبتني بر كنورتور به صورت منبع ولتاژ سنكرون موازي بسته شده عمل مي كند،با عملكرد SVC ،كه با رآكتورهاي كنترل شده با تريستور و خازن هاي سوئيچ شده با تريستور بصورت يك ادميتانس راكتيو كنترل شده و موازي بسته شده عمل مي‌كند،از نظر بنيادي متفاوت مي باشد. اين تفاوت عملكرد بنيادي امتياز STATCOM در مشخصات عملياتي برتر،كاركرد بهتر و انعطاف‌پذيري كاربردي بيشتر،در مقابل آنچه كه با SVC قابل حصول است،به حساب مي آيد.

توانايي‌STATCOM در حفظ جريان خروجي كامل خازني در ولتاژهاي كم سيستم نيز،آن را ثمربخش‌تر از SVC در اصلاح پايداري گذرا مي نمايد.

زمان پاسخ قابل حصول و عرض باند حلقه بسته تنظيم ولتاژ STATCOM نيز به ميزان چشمگيري بهتر از مشخصه هاي SVC است. در كاربردهايي كه نياز به جبران سازي توان اكتيو دارند،روشن است كه STATCOM،برخلاف SVC مي تواند واسطه مناسب ذخيره‌سازي انرژي با سيستم AC،به منظور تبادل توان حقيقي باشد.يعني اينكه STATCOM قادر است توان حقيقي كنترل شده را از يك منبع انرژي از طرف ترمينال DC خود كشيده و آن‌را بصورت توان AC به سيستم تحويل دهد.همچنين مي تواند جذب انرژي از سيستم AC را به منظور شارژ نگه‌داشتن دستگاه ذخيره ساز،كنترل نمايد.

مشخصه تلفات كلي در برابر خروجي راكتيو و نيز تلفات حقيقي عملكرد در STATCOM وSVC كه از رآكتورهاي قابل كنترل با تريستور و خازن‌هاي سويچ شونده با تريستور استفاده مي كند،قابل مقايسه هستند.هر دو نوع جبران‌ساز ،در برابر توان خروجي صفر و محدوده آن،تلفات نسبتاً كمي دارند.تلفات در هر دو حالت به طور متوسط با افزايش توان رآكتيو خروجي افزايش مي يابد و به حدود يك درصد در مقدار نامي خروجي مي رسد.سهم تلفات نيمه‌هادي‌هاي قدرت و اجزا وابسته در تلفات كلي جبران‌ساز،براي STATCOM بيشتر ازSVC است. علت آن است كه دستگاه‌هاي نيمه‌هادي قدرت كه امروزه در دسترس هستند ، تلفات هدايت بالاتري نسبت به تريستورهاي متداول دارند. همچنين تلفات كليدزني با قطع اجباري جريان ، مستلزم تلفات بيشتري نسبت به جابجايي طبيعي است.

از ديدگاه نصب فيزيكي،چون STATCOM نه تنها توان راكتيو خروجي را كنترل مي كند،بلكه آن‌را در درون خود توليد مي كند.به خازني بزرگ و بانك‌هاي رآكتور به همراه كليه افزار مربوطه،
حفاظت‌هايي كه در SVC هاي كنترل شده با تريستورهاي متداول بكار مي روند احتياج ندارد. نتيجه اين امر كاهش چشمگير در ابعاد كلي و نيز نيروي انساني و هزينه‌ها مي باشد.[1]

2-4 خازن سری کنترل شده با تریستور GTO (GCSC)

یک خازن سری کنترل شده با تریستور GTO که بصورت ابتدایی توسط «کارادی» و دیگران در
‌1992 ميلادي پیشنهاد شد. این طرح شامل یک خازن سری به صورت موازی با یک والو(با کلید)تریستور GTO (یا مشابه)است که قابلیت قطع و وصل با فرمان را داراست.

طرح این جبران‌ساز از این نظر جالب است که ترکیب کاملی از TCR است که به خوبی تثبیت شده و دارای قابلیت منحصر به فرد ، تغییر مستقیم ولتاژ خازن از طریق کنترل زاویه تاخیر است.این تکنیک دارای برخی شایستگی‌های عملیاتی است و می‌تواند در بعضی از طرح‌های جبران‌ساز سری در آینده به کار گرفته شود،به خصوص هنگامی که تریستورهای GTO بزرگتر در دسترس قرار گیرند.

هدف طرح GCSC ، کنترل ولتاژ متناوب روی خازن است. در کاربرد عملی GCSC می تواند با برای کنترل ولتاژ جبران سازی یا برای کنترل راکتانس جبران سازی مورد استفاده قرار گیرد. [1]

2-5 خازن سری سوئیچ شده با تریستور (TSSC)

شامل تعدادی خازن سری است که هر کدام با یک والو دارای مقدار نامی مناسب،موازی شده و این والوهای میان‌بر کننده نیز از رشته‌ای از تریستورهای موازی که بصورت معکوس نسبت به هم بسته شده‌اند تشکیل شده است. مشابه ساختار مداری GCSC با عملکرد مرحله‌ای است.اما عملکرد آن،به دلیل محدودیت‌هایی که کلیدزنی والوهای دارای تریستور متداول اعمال می کند،متفاوت است.

اساس عملکرد TSSC ساده است ؛ درجه جبران‌سازی سری با روشی پله‌ای،با افزایش یا کاهش تعداد خازن‌های سری که در مدار قرار می گیرند،کنترل می شود.هر خازن با قطع والو تریستوری مربوطه دارد و با وصل آن،میان‌بر شده و از مدار خارج می شود. والو تریستور بصورت «طبیعی» جابجایی انجام می دهد.یعنی اینکه وقتی جریان صفر می شود ، والو قطع می گردد. بنابراین،خازن فقط در زمان صفر شدن جریان خط می‌تواند توسط والو تریستور وارد مدار شود.از آنجا که وارد شدن خازن در جریان خط صفر انجام می شود، نیم‌سیکل کامل جریان خط ، خازن را از صفر تا حداکثر شارژ می کند و نیم سیکل بعدی با پلاریته مخالف جریان خط،آن‌را از حداکثر تا صفر تخلیه خواهد کرد.وارد شدن خازن در جریان خط صفر،که در اثر محدودیت‌های کلید زنی والو تریستور صورت گرفته،منجر به یک ولتاژ DC اضافی می شود که برابر دامنه ولتاژ AC خازن است. به منظور به حداقل رساندن جریان ضربه در والو و حالت‌های گذرای مربوطه در مدار،والو تریستور بایستی برای میان‌بر کردن،فقط هنگامی که ولتاژ خازن صفر است وصل شود.با ولتاژ DC اضافی،این الزام می‌تواند موجب تاخیری تا یک نیم‌سیکل کامل شود،که ایجاد کننده محدودیت نظری برای زمان پاسخ قابل وصول TSSC است. [1]

2-6 خازن سری کنترل شده با تریستور (TCSC)

طرح اصلی خازن سری کنترل شده با تریستور،که در سال 1986 بوسیله «ویتایاتیل» و دیگران،به عنوان روش «تنظیم سریع امپدانس شبکه» پیشنهاد شد. این طرح شامل خازن جبران‌ساز سری است که با راکتور کنترل شده با تریستور موازی شده است.در اجرای عملی TCSC ،چندین جبران‌ساز از این نوع
می توانند بصورت سری به هم متصل شوند تا ولتاژ نامی و مشخصات عملکردی مطلوب بدست آید.

این آرایش از نظر ساختار ، مشابه TSSC است و اگر امپدانس راکتور آن به اندازه کافی از امپدانس خازن کوچکتر باشد می تواند مثل TSSC بصورت قطع و وصل عمل کند. به هر حال نظریه اصلی در پشت طرح TCSC ، بوجود آوردن یک خازن با تغییرات یکنواخت ، از طریق حذف بخشی از ظرفیت خازنی موثر ، به وسیله TCR است.[1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل سوم

بررسي انواع كاربردي ادوات FACTS

3-1 مقدمه

با توجه به مطالب فصل گذشته كه بر پايه بررسي كلي در مورد انواع ادوات FACTS بوده است و سعي شده كه تمامي انواع را در آن ذكر شود،در فصل جاري قصد داريم با توجه به اين مطلب كه بعضي از اين ادوات داراي كاربردي عملي‌تر بوده وبيشتر مورد استفاده قرار مي‌گيرد و آن نيز صرفا به دليل فاكتورهاي مناسب آنها از لحاظ مسائل اقتصادي نصب و نگهداري ، تلفات توان كمتر، نوع و مقدار توان تزريقي و...مي ‌باشد به بررسي دقيقتر تعدادي از انواع ذكر شده در فصل گذشته بپردازيم.

در اين فصل نيز به مقايسه چند نوع از اين ادوات و بيان مزايا و معايب آنها نيز پرداخته مي شود.

3-2 منبع ولتاژ سنکرون برپایه سوئیچینگ مبدل

الف. مبدل 6 پالسه ابتدای

ب. موج های ولتاژ خروجی

شکل(1-3 ) [2]

یک مبدل منبع ولتاژی شش باله ابتدائی در شکل (1-3) آورده شده است و شامل تنش کلیه نیمه هادی با کموتاسیون خودی (معمولاً تایرستور خاموش شونده بوسیله گیت) می باشد که هر کدام با یک دیود بطور معکوس موازی شده است. (باید دانست که در مبدل های فشار قوی هر کلید برای داشتن ظرفیت ولتاژی مورد نیاز دارای تعدادی نیمه‌هادی سری است) در صورتی که یک منبع ولتاژ DC (که ممکن است خازن شارژ شده‌ای باشد) به مبدل وصل شود، مبدل می تواند مطابق شکل (ب 1-3 ) مجموعه‌ی متعادلی از شکل موج‌های نیمه مربعی تولید کند. این کار با اتصال منبع DC از طریق کلیدهای کانورتور با ترتیب خاص به سه ترمینال خروجی انجام می شود چندین مبدل ابتدائی را می‌توان به یک منبع ولتاژ DC وصل کرد و هر کدام مجموعه‌ای از سه شکل موج شبه مربعی تولید می کند. با تغییر متوالی فاز مناسب می‌توان چنین شکل موج‌هایی تولید کرد. با جمع این شکل موج ها بوسیله ی یک مدار مغناطیسی (ترانسفورماتور) شکل موج ولتاژی با چندین پالس بدست می آید.

با بکارگیری تعداد مبدل‌های لازم، می توان شکل موج خروجی را به شکل موج سینوسی تبدیل کرد.ساختار یک مبدل چند پالسه در شکل (الف2-3) نشان داده شده است. دراین شکل،شکل موج‌های جریان و ولتاژ خروجی (48 پالس) با استفاده از هشت مبدل شش پالسه اصلی نشان داده شده است.

(شکل موج جریان به ازاء 12% راکتانس ترانسفورماتور تزویج کننده در زمانی‌که مبدل توان راکتیو خازنی تولید می کند رسم شده است).

b

(الف) ساختار کلی مبدل چند پالسه

(ب) شکل موج های خروجی با 48پالس (n=8)

شكل (2-3)[2]

همانطور که ملاحظه می شود با این تعداد پالس (در کاربردهای فشار قوی حدوداً همین تعداد پالس بکار برده می‌شود) جریان خروجی عملاً سینوسی است. یعنی در عمل می توان از مبدل بجای منبع ولتاژ سینوسی استفاده کرد با تغییر دامنه ولتاژ سه فاز خروجی می توان تبادل توان رآکتیو بین مبدل و سیستم AC را کنترل کرد. اگر دامنه ولتاژ خروجی بیش از ولتاژ سیستم AC شود جریان از طریق راکتانس از مبدل به سیستم AC مي رود یعنی مبدل برای سیستم توان راکتیو (خازنی) تولید می کند.اگر دامنه ی ولتاژ خروجی کمتر‌از‌ولتاژ سیستم AC شود جریان راکتیو از سیستم AC به مبدل می رود و مبدل توان راکتیو جذب می‌کند .اگر ولتاژ خروجی مبدل برابر ولتاژ سیستم AC باشد تبادل توان راکتیو برابر صفر است.

بطور مشابه می توان تبادل توان راکتیو مبدل و سیستم AC را با تغییر زاویه ولتاژ مبدل نسبت به ولتاژ AC کنترل کرد. اگر زاویه ولتاژ خروجی مبدل نسبت به ولتاژ سیستم AC پیش فاز باشد، توان اکتیو از مبدل به سیستم AC انتقال می یابد.(علت این است که به دلیل پیش فاز بودن زاویه ولتاژ مبدل نسبت به ولتاژ سیستم AC یک مولفه جریان حقیقی از راکتانس واسط که با ولتاژ سیستم AC در فاز متقابل است عبور
می کند) برعکس اگر ولتاژ خروجی مبدل نسبت به ولتاژ سیستم AC پس فاز باشد از سیستم AC توان اکتیو جذب می کند (حال مولفه حقیقی جریان گذرنده از راکتور وسط با ولتاژ سیستم AC هم فاز است). با توجه به رابطه بین توان خروجی مبدل می توان چگونگی تولید توان راکتیو را بدون توجه به عملکرد پیچیده‌ی کلیدها توجیه کرد.نکته اصلی این است که پروسه عبور انرژی از مبدل (که فقط از چند سری کلید تشکیل شده است) مستقیم بوده و بنابراین واضح است که توان لحظه ای خالص در ترمینالهای ورودی DC باید همیشه برابر توان لحظه‌ای خالص در ترمینالهای خروجی AC باشد (از تلفات کلیدهای نیمه‌هادی صرفنظر شود). زمانیکه خروجی مبدل فقط توان راکتیو است، توان اکتیو ورودی که توسط منبع DC تامین می شود باید صفر باشد علاوه بر این طبق تعریف، در فرکانس صفر توان راکتیو صفر است در نتیجه منبع DC نقشی در تولید توان رآکتیو خروجی ندارد. بعبارت دیگر مبدل به سادگی سه ترمینال خروجی را به نحوی به هم وصل می کند که جریان‌های رآکتیو خروجی آزادانه بین آنها عبور می کند.از دید
ترمینال‌های سیستم AC مبدل تبادل توان بین فازها را برقرار می سازد.

هرچند توان رآکتیو در اثر عملکرد کلیدها بصورت درونی تولید می شود اما باز لازم است که خازن DC نسبتاً کوچک در ترمینالهای ورودی مبدل نصب می شود.این کار در اصل برای مساوی بودن توان‌های لحظه‌ای ورودی و خروجی است.شکل موج ولتاژ خروجی مبدل سینوسی کامل نسبت (شکل ب 2-3) مبدل چند پالسه از طریق راکتانس واسط یک جریان نسبتاً سینوسی از سیستم AC می کشد و بنابراین توان لحظه‌ای سه فاز خالص (VA) در ترمینال‌های خروجی اندکی کم و زیاد می شود. در نتیجه برای تساوی توان ‌های لحظه‌ای ورودی و خروجی،مبدل باید جریان‌ ريپل‌دار معتبری را از خازن DC بکشد تا ولتاژ ترمینال ورودی ثابت بماند.[2]

3-3 کنترل کننده توان عبوری بین خطی (IPFC)

هدف از ابداع این کنترل‌کننده،عبور توان در یک سیستم قدرت با چندین خط است که دو یا چند خط آن از یک SSSC برای جبران سری استفاده می کنند. با استفاده از IPFC و جبران قابل کنترل مستقل هر خط عبور توان اکتیو بین خطوط جبران شده امکان پذیر می شود در نتیجه می توان توان اکتیو و رآکتیو عبوری بین خطوط را یکنواخت کرد بار خطوط دارای اضافه بار را به خطوط دیگر انتقال داد ، افت ولتاژ مقاومتی خط و توان رآکتیو متناظر آن را جبران کرد و اغتشاش‌های دینامیکی (پایداری دینامیکی و میرایی نوسانات توان) را بی‌اثر نمود.بطور‌کلی‌IPFC درکنترل انتقال توان یک پست‌که‌دارای چندین خط است بسیار موثر است.

در شکل 3-3 یک IPFC ابتدایی که از دو SSSC بر پایه‌ی مبدل تشکیل گردید و برای انتقال توان اکتیو، پشت به پشت به هم وصل شده اند نشان داده شده است. هر SSSC از طریق ترانسفورماتور خود به خط انتقال جداگانه‌ای متصل است و می تواند جبران سری مورد نیاز خط را بطور مستقل تامین کند.

شکل (3-3) . یک IPFC ابتدایی که از دو SSSC متصل به هم تشکیل شده است[2]

مبدل هر SSSC ولتاژ خروجي متناوب قابل كنترلي توليد مي كند (در فركانس پايه سيستم قدرت) اين ولتاژ با ولتاژ خط انتقالي كه كنترل آن بر عهده مبدل است سنكرون مي گردد. دامنه و زاويه فاز دو ولتاژ خروجي نسبت به ولتاژ شین انتخابي (مثلاً شین ابتداي خط) و جريان خط خودشان كنترل مي شود. ولتاژهاي تزريقي معمولاً داراي يك مولفه عمودي و يك مولفه هم فاز با جريان خط مربوطه مي باشند مولفه عمودي جبران سري خطوط را فراهم كرده و مولفه هم فاز توان اکتیو جذب شده از يك خط و توليد شده براي خط ديگر را تعيين مي كند. از آنجاييكه هر مبدل در توليد و جذب توان راكتيو خودكفاست ، دو مولفه عمودي ولتاژها را مي‌توان مستقلاً با توجه به جبران راكتيو لازم براي خط متناظر كنترل كرد (در محدوده ظرفيتي مبدل) توان اکتیوی كه در ترمينال‌هاي AC مبدل مبادله مي‌شود بايد توسط ترمينال‌هاي DC آن توليد يا جذب شود در نتيجه مولفه هم فاز ولتاژ خروجي هر كدام از دو مبدل بايد به نحوي كنترل شود كه تعادل توان اكتيو در ترمينال‌هاي DC مشترك آنها برقرار شود بعبارت ديگر بايد مقدار اكتيو لازم براي جبران هر يك از دو خط بوسيله خط ديگر تامين (يا جذب) شود.

عملكرد IPFC در شكل (4-3) با كمك يك سيستم داراي دو خط تشريح شده است. فرض كنيد كه مي‌خواهيم در خط 1 با كنترل مستقل توان اكتيو و راكتيو از نظر انتقال توان بهينه‌سازي انجام دهيم.همچنين فرض كنيد كه خط 2 ظرفيت تامين توان اكتيو مورد نياز براي بهينه سازي خط 1 را دارا باشد(براي تجسم بهتر فرض مي شود كه خط 1 و 2 يكسان هستند. البته در عمل معمولاً متفاوت هستند).

در شكل ( الف 1-3) شین ابتدايي خط 1 را تامين مي كند (خط با اندوكتانس X₁ نشان داده مي شود) منبع ولتاژ قابل كنترل AC ، بيانگر خروجي مبدل شماره 1 ، IPFC است. براي اينكه توان مورد نظر از خط عبور كند مبدل 1 ولتاژ جبراني V_1pq را تزريق مي كند (دامنه V_1pq و فاز آن P هر دو قابل كنترل هستند) تا دامنه و زاويه جريان خط (I₁) عوض شود و در نتيجه توان اكتيو و رآكتيو (P₁ ، Q₁) مورد نظر از خط عبور كند دياگرام فازوری متناظر مكانيزم كنترل جريان خط را نشان مي دهد. فازور ولتاژ V_1pq به فازور ولتاژ ابتداي خط افزوده شده و فازور ولتاژ موثر ابتداي خط يعني V₁Seff بدست مي آيد. V_1Seff = V_1S + V_1pq. تفاضل V_1Seff – V₁₃ برابر است با فازور ولتاژي (V_1X) كه بايد در دو سر امپدانس خط قرار گيرد تا جريان مورد نياز I₁ برقرار شد.

 

[1]- Loop Flow Problem