کتاب طراحی کنترل‌کننده تکمیلی در سیستم‌های انتقال VSC HVDC جهت بهبود عملکرد دینامیکی

فهرست
عنوان صفحه
مقدمه 9
فصـل اول 15
تاريخچه سیستم‌های HVDC 18
تکنولوژی سیستم‌های HVDC 20
ايستگاه مبدل 22
خط انتقال 24
طراحی، ساخت، عملکرد و نگهداری سیستم‌های HVDC 24
مزايای سیستم‌های HVDC 28
تشريح عملکرد سیستم‌های HVDC مبتنی بر VSC 30
مفهوم پايداری در سیستم‌های قدرت 35
چرايی مطالعات ديناميکی در سیستم‌های قدرت 35
پدیده‌های ديناميکی در سیستم‌های قدرت 38
پايداری زاويه روتور 39
پايداری سيگنال کوچک 40
پايداری گذرا 42
پايداری ولتاژ 43
نوسانات زیر سنکرون 44
فصـل دوم 45
مطالعات 45
ميراسازی نوسانات در سيستم قدرت 45
پایدارسازهای مبتنی بر ادوات FACTS 45
پایدارسازهای مبتنی بر سیستم‌های انتقال HVDC 52
فصـل سوم 57
روش کار 57
مدل‌سازی ژنراتورهای سنکرون در سيستم قدرت 57
مدل‌سازی سيستم قدرت تحت مطالعه 60
پخش بار و محاسبه مؤلفه‌های مداری در سيستم تحت مطالعه 61
استراتژی کنترل پیش‌بین 68
تاريخچه به‌کارگیری کنترل پیش‌بین مدل 70
مدل پیش‌بینی 71
فصـل چهارم 77
نتايج 77
مسئله کنترل بهينه حلقه باز 77
به‌کارگیری MPC برای سيستم انتقال HVDC 78
محاسبات عددی و شبیه‌سازی سيستم تحت مطالعه 79
فصـل پنجم 91
نتیجه‌گیری 91
منـابع و مآخـذ 93
منابع غیر فارسی 93

سیستم‌های قدرت مدرن امروزي، سیستم‌های بزرگ و پیچیده‌ای هستند که به علت مزاياي اقتصادي و تقاضاي روزافزون انرژي، به‌سرعت در حال گسترش می‌باشند. اين امر موجب شده است تا اين سیستم‌ها در شرایط نزديک به مرز پايداري خود عمل کنند. با توجه به خاموشی‌های اخير در نقاط مختلف جهان و اثرات مخرب اقتصادي آن‌ها، بررسي پايداري سیستم‌های قدرت به يکي از مسائل مهم تبدیل ‌شده است.
پايداري در سيستم قدرت به معناي ميراسازي نوسانات به وجود آمده در سيستم بعد از يک اغتشاش مي‌باشد. برخي از نوسانات در ارتباط با مدل خطي سيستم قدرت بوده و نشان‌دهنده مدهاي طبيعي سيستم می‌باشند (پايداري ديناميکي) و برخي ديگر، مرتبط با مدل غیرخطی سيستم بوده که فقط در صورت اغتشاشات بزرگي نظير تغييرات زياد و ناگهانی در بار و يا اتصال کوتاه در يکي از شین‌های سيستم به وجود می‌آیند (پايداري گذرا).
معمولاً براي بهبود پايداري گذرا و مشخصه ميراسازي نوسانات سيستم از تنظیم‌کننده خودکار ولتاژ (AVR) در هر يک از ماشین‌های سيستم قدرت استفاده می‌شود. علاوه بر اين براي بهبود پايداري ديناميکي می‌توان از پايدارساز سيستم قدرت (PSS) استفاده نمود. طراحي PSS براي اولين بار در سال 1950 و بر اساس مدل خطي سيستم قدرت جهت ميراسازي نوسانات فرکانس پايين صورت گرفت. کنترل‌کننده PSS معمول از يک جبران‌کننده فاز Lead-Lag براي جبران سازي شيفت فاز به وجود آمده توسط نوسانات فرکانس پايين سيستم قدرت، استفاده می‌کند.
بايد توجه داشت که سيستم قدرت، سيستمي غیرخطی بوده و ترکیب‌بندی و پارامترهاي مربوط به آن متغير با زمان هستند. لذا مدل خطي شده سيستم قدرت که براي طراحي PSS به‌کاربرده می‌شود تنها براي نقطه کاري مورد قبول می‌باشد که خطي سازي حول آن نقطه کار صورت گرفته باشد. از طرفي PSS بر روي پروفيل ولتاژ و ضريب توان تأثیرگذار بوده و همچنين در مقابله با اغتشاشات بزرگ نظير وقوع اتصال کوتاه در سيستم قدرت، عملکرد چندان مناسبي را از خود نشان نمی‌دهد.
در سال‌های اخير و با پیشرفت‌های انجام‌شده در زمينه الکترونيک قدرت، سیستم‌های انتقال جريان متناوب انعطاف‌پذیر (FACTS) توسعه پیداکرده‌اند. اين ادوات با افزودن سیستم‌های کنترلي قوي بر شبکه انتقال انرژي الکتريکي و ايجاد امکان کنترل پارامترهاي سيستم، شرايط مناسبي را براي حداکثر استفاده از قابلیت‌های بالقوه سيستم ايجاد می‌کنند. با استفاده از اين ادوات می‌توان ميزان بهره‌برداري از سيستم را افزايش داده و بدين ترتيب استفاده اقتصادي مؤثرتری را به عمل آورد. از جمله ویژگی‌های به‌کارگیری اين ادوات می‌توان به موارد زير اشاره نمود:
کنترل‌پذیری پارامترهاي سيستم قدرت
راه‌حلي مناسب براي تحويل بهينه توان
افزايش ظرفيت خطوط انتقال در حد ظرفيت حرارتي آن‌ها
تثبيت سطح ولتاژ در حالت مانا و کنترل پخش بار
افزايش حاشيه امنيت و پايداري سيستم (بهبود پايداري گذرا و مشخصه ديناميکي) و…
از نظر ساختار و روش طراحي می‌توان ادوات FACTS را به دو گروه تقسيم نمود:
ادواتي که در آن‌ها از امپدانس‌های راکتيو و يا ترانسفورمرهاي تغییردهنده تپ و کلیدهای تريستوري جهت کنترل استفاده می‌شود مانند جبرانگر استاتيکي توان راکتيو (SVC) و خازن سري کنترل‌شده توسط تريستور (TCSC) و شيفت دهنده فاز.
ادواتي که در آن‌ها از مبدل‌های استاتيکي با کموتاسيون خودي به‌عنوان منبع ولتاژ کنترل‌شده استفاده می‌شود مانند: STATCOM، SSSC و UPFC. از بارزترين ويژگي اين دسته از ادوات FACTS که در بهبود پايداري سيستم قدرت مؤثر می‌باشند، می‌توان به تبادل مستقيم توان راکتيو با سيستم قدرت و مستقل بودن کنترل توان‌های اکتيو و راکتيو در سيستم کنترلي آن‌ها اشاره کرد.
بهبود پايداري ديناميکي و گذرا توسط ادوات FACTS از طريق مدولاسيون توان با استفاده از يک سيگنال تکميلي در حلقه‌های کنترلي اين سیستم‌ها انجام می‌شود. کنترل‌کننده ميراساز طراحی‌شده براي اين ادوات، ساختاري مشابه با PSS داشته و براي طراحي آن می‌بایست از معادلات خطي شده سيستم قدرت شامل ادوات FACTS حول يک نقطه کاري استفاده نمود. بدين ترتيب کنترل‌کننده طراحی‌شده تحت تأثیر شرايط کاري سيستم بوده و عدم قطعیت‌های موجود در سيستم قدرت بر روي اين کنترل‌کننده کاملاً تأثیرگذار می‌باشند. بنابراين، اگرچه استفاده از ادوات FACTS معايب مربوط به PSS را جهت پايدارسازي سيستم قدرت ندارد و لکن هر دو کنترل‌کننده تکميلي طراحی‌شده تحت تأثیر شرايط کاري حاکم بر سيستم می‌باشند.
بنابراين با استفاده از يک کنترل‌کننده ميراساز تطبيقي در ادوات FACTS که توانايي پايدارسازي و ميراسازي نوسانات سيستم قدرت را در هر شرايط کاري داشته باشد، می‌توان عملکرد ادوات FACTS را در جهت بهبود پايداري سيستم قدرت تکميل نمود.
امروزه استفاده از مبدل‌های منبع ولتاژ (VSC) که از کليدهاي قدرت نظير IGBT ها در ساختار خود استفاده می‌کنند، جايگزين مبدل‌های تريستوري در ادوات FACTS شده است. از جمله مزيت‌هاي استفاده از اين مبدل‌ها می‌توان به کاهش هارمونیک‌ها در ولتاژها و جریان‌های خروجي و همچنين کار در شرايط فرکانس بالا و عدم شکست در امر کليدزني اشاره نمود.
سيستم HVDC يکي ديگر از کاربردهاي الکترونيک قدرت در زمينه انتقال انرژي (علاوه بر ادوات FACTS) می‌باشد. از جمله مهم‌ترین کاربردهاي اين سيستم، می‌توان به انتقال توان در مسافت‌های طولاني به علت صرفه اقتصادي اين شيوه انتقال نسبت به سیستم‌های انتقال AC و همچنين اتصال سیستم‌های AC که داراي فرکانس کاري متفاوت می‌باشند، اشاره نمود. اين سيستم‌ها به‌صورت معمول از دو مبدل توان يعني يکسوکننده و اينورتر تشکيل شده‌اند. وظيفه اين مبدل‌ها تبديل توان AC به DC (در سمت يکسوکننده) و DC به AC (در سمت اينورتر) می‌باشد. امروزه جهت افزايش کارآيي و بهبود عملکرد HVDC، در ساختمان مبدل اين سیستم‌ها از مبدل‌هاي منبع ولتاژ استفاده می‌شود. چنين سيستمي که به اختصار VSC HVDC ناميده می‌شود، داراي چهار حلقه کنترلي می‌باشد. وظيفه اين حلقه‌های کنترلي در سمت يکسوکننده، تنظيم ولتاژ DC در خط انتقال و همچنين ولتاژ AC در شين اتصال‌دهنده مبدل به سيستم AC و در سمت اينورتر تنظيم توان اکتيو عبوري از خط انتقال و همچنين توان راکتيو در شين اتصال‌دهنده مبدل به سيستم AC مي‌باشد.
در این کتاب هدف طراحی کنترل‌کننده‌های کمکی برای سیستم HVDC و در جهت بهبود حاشیه پایداری سیستم قدرت می‌باشد. لذا در این فصل از تحقیق، ابتدا ساختار و عملکرد سیستم‌های HVDC معرفی می‌شوند و سپس مفهوم پایداری سیستم قدرت تشریح می‌گردد. در فصل‌های بعد این تحقیق چگونگی مدل‌سازی سیستم قدرت مجهز به HVDC و همچنین طراحی کنترل‌کننده‌های کمکی میراساز در جهت بهبود پایداری سیستم قدرت تشریح خواهد شد.
تاريخچه سیستم‌های HVDC
در تاریخچه سیستم‌های الکتریکی، این مهم به ثبت رسیده است که اولین انرژی الکتریکی تولید شده به شکل تجاری (توسط ادیسون) به‌صورت توان الکتریکی جریان مستقیم (DC) بوده است. بر همین مبنا سیستم‌های انتقال اولیه نیز برای مبادله توان DC بین دو ناحیه طراحی می‌شده‌اند. با این حال توان DC با ولتاژ پایین را نمی‌توان در مسافت‌های طولانی انتقال داد و لذا توجهات به سمت به‌کارگیری سیستم‌های انتقال جریان متناوب جلب گردید.
توسعه تکنولوژی الکترونیک قدرت و امکان به‌کارگیری ادوات نیمه‌هادی جهت ساخت دریچه‌های ولتاژ بالا، مجدداً این امکان را فراهم نمود تا بتوان از ولتاژهای بالای DC برای انتقال توان الکتریکی استفاده نمود و لذا سیستم‌های انتقال HVDC شکل گرفتند. می‌توان روزشمار مهم‌ترین تحولات توسعه تکنولوژی انتقال توان DC را به‌صورت زیر خلاصه نمود [1-3]:

ظهور یکسوکننده بخار جیوه در سال 1901
انجام آزمایش‌هایی بر روی تیراترون و دریچه‌های قوس جیوه در اروپا قبل از سال 1940
اولین سیستم انتقال توان HVDC در گوتلند سوئد و در سال 1954
ابداع دریچه‌های نیمه‌هادی حالت جامد در سال 1970
ارائه اولین تجهیزات میکرو کامپیوتری برای کنترل سیستم‌های HVDC در سال 1979
طراحی و ساخت سیستم انتقال جریان مستقیم با بالاترین ولتاژ (±600kv) در برزیل و در سال 1984
طراحی نخستین نمونه از فیلترهای DC جهت به‌کارگیری در سیستم‌های HVDC در سال 1994
به‌کارگیری اولین مبدل با کموتاسیون خازنی در سیستم HVDC پیاده‌سازی شده در برزیل در سال 1998
به‌کارگیری اولین مبدل‌های منبع ولتاژ در سیستم انتقال HVDC گوتلند در سال 1999
بعد از نصب اولین سیستم HVDC در سال 1954 تعداد قابل‌توجهی از این سیستم‌ها در اقصی نقاط جهان نصب و مورد بهره‌برداری قرار گرفته است. شکل (1-1) این خطوط را نمایش می‌دهد.

تکنولوژی سیستم‌های HVDC
پروسه اساسی که در سیستم‌های HVDC انجام می‌شود تبدیل توان AC به DC (یکسوکننده) در سمت فرستنده و بالعکس آن یعنی تبدیل توان از DC به AC (اینورتر) در سمت گیرنده خط انتقال می‌باشد. سه راه برای این تبدیل وجود دارد [3-7]:
 مبدل‌هایی با کموتاسیون طبیعی : امروزه این نوع از مبدل‌ها در بسیاری از سیستم‌های HVDC در حال استفاده می‌باشند. کلیدی که در این مبدل‌ها استفاده می‌شود تریستور نام دارد که توانایی حمل جریان‌های بالا (4000A) و همچنین ولتاژهای فشارقوی (حدود 10kv) را دارد. با استفاده از سری‌سازی این کلیدها امکان ایجاد دریچه‌های تریستوری مهیا می‌شود. این دریچه‌ها می‌توانند ولتاژهایی در حدود چند صد کیلوولت را تحمل کنند. هر دریچه تریستوری در فرکانس شبکه (50 یا 60 هرتز) فعالیت کرده و امکان تغییر ولتاژ DC خروجی با استفاده از کنترل زاویه آتش وجود دارد. این توانایی باعث می‌شود تا امکان کنترل سریع و مؤثر توان خروجی وجود داشته باشد.
 مبدل‌های کموتاسیون خازنی : یک راه بهبود در کموتاسیون مبتنی بر تریستورها استفاده از CCC می‌باشد که بر اساس آن خازن‌های کموتاسیون به‌صورت سری بین ترانسفورماتورهای مبدل‌ها و دریچه‌های تریستوری قرار می‌گیرند. خازن‌های کموتاسیون عملکرد شکست کموتاسیون در مبدل‌ها را در هنگام اتصال به شبکه‌های ضعیف AC بهبود می‌بخشند.
 مبدل‌ها با کموتاسیون اجباری : به‌کارگیری این نوع از مبدل‌ها در بردارنده مزایای فراوانی می‌باشد. ازجمله این مزایا می‌توان به امکان تغذیه شبکه‌های پسیو، کنترل مستقل توان‌های اکتیو و راکتیو و کیفیت توان مناسب اشاره نمود. دریچه‌های این مبدل‌ها از کلیدهایی استفاده می‌کنند که خاموش و روشن شدن آن‌ها تحت کنترل می‌باشد. این دریچه‌های را به‌عنوان مبدل‌های منبع ولتاژ می‌شناسند و از کلیدهای نظیر GTO ها و IGBT ها در ساختار خود استفاده می‌کنند. در سال‌های اخیر از این کلیدها به‌طور قابل‌توجهی در سیستم‌های صنعتی استفاده می‌کنند. عملیات کموتاسیون توان در مبدل‌های VSC در فرکانس‌های بالا و نه فرکانس شبکه صورت می‌گیرد. عملکرد مبدل بر مبنای مدولاسیون پهنای پالس انجام می‌شود. می‌توان با تغییر الگوهای PWM هر نوع ولتاژ با دامنه و فرکانس معین را در خروجی مبدل تولید نمود؛ بنابراین می‌توان توان‌های اکتیو و راکتیو را به‌صورت مستقل کنترل نمود. از دیدگاه سیستم‌های انتقال این ادوات مانند موتورها و ژنراتورهای بدون جرم عمل می‌کنند که توانایی کنترل شارش توان‌های اکتیو و راکتیو را دارند.
سه بخش عمده سیستم HVDC شامل بخش‌هایی نظیر ایستگاه مبدل در دو انتهای خط، سیستم انتقال و الکترودها می‌باشند (شکل (1-2)).