چکیده
هدف این مقاله نشان دادن توانایی ترانسفورماتور جابجا کننده فاز (Phase Shifting Transformer)PST در کاهش تلفات سیستم قدرت است. در این راستا ابتدا تواناییهای PST با دیگر ادواتی که توانایی کنترل سیلان قدرت را دارند، مقایسه می شود. سپس شبکه برق منطقه ای تهران و خطوط رابط آن با نواحی مجاور به عنوان شبکه نمونه مطالعه می شود و محل نصب مناسب PST در جهت کاهش تلفات این شبکه مشخص می گردد. شبیه سازیها نشان می دهد که PST نه فقط تلفات برق منطقه ای تهران را کم می کند بلکه توانایی کاهش تلفات کل شبکه سراسری را نیز دارد.
کلمات کلیدی:
ترانسفورماتور جابجا کننده فاز، PST ، کاهش تلفات ، FACTS
1- مقدمه
هدف بهره برداران از سیستم قدرت این است که در حالت دائم توان درخواستی مصرف کننده را تحت ولتاژ ثابت و فرکانس معین تأمین نمایند. از دیدگاه مسائل کنترلی، بر روی مصرف کننده نمی توان محدودیتهای زیادی اعمال نمود. در نتیجهع کنترل اصلی در شبکه برق روی تولید و انتقال است. طراحان در طراحیهای اولیه مربوط به سیستم تولید و انتقال،قابلیت تولید و انتقال درخواستی را مدنظر قرار می دهند. ولی با گذشت زمان تغییراتی از قبیل رشد مصرف، اتصال شبکه ها به یکدیگر و تأسیس نیروگاهها و خطوط انتقال جدید این توازن را برهم زده و محدودیتهایی را در بهره برداری از شبکه قدرت به وجود می آورد.
در شبکه های غربالی اتصال شبکه ها در کنار مزایای زیادی که دارد، دارای مشکلات عدیده ای نیز هست. از جمله این مشکلات عبور توان در مسیرهای ناخواسته در سیستم انتقال است. این مسئله می تواند موجب افزایش بار غیرمجاز و عدم بهره برداری بهینه از سیستم قدرت شود. لذا بایستی بطریقی توان عبوری از یک مسیر را کنترل نمود.
در نواحی با خطوط طولانی، مسئله فوق مشکل ساز نیست، بلکه مشکل عمده مسئله حد پایداری گذرا و افت ولتاژ غیرمجاز است. به این معنی که برای حفظ پایداری شبکه و تثبیت سطح ولتاژ مجاز، توان عبوری در سیستم انتقال باید محدود شود. درنتیجه این مشکل باعث می گردد که ظرفیت بارپذیری (Load ability) خطوط، همراه با افزایش طول خطوط، شدیداً کاهش یابد.
جهت رفع نواقص فوق الذکر و افزایش بهره وری از سیستم های انتقال قدرت، راه حلهای موجود عبارتند از:
- اعمال تغییرات توپولوژیک مانند احداث خطوط جدید، تغییر قطر و تعداد هادیها در فاز و یا نصب خازن سری
- کاربرد خطوط انتقال (rect Current High Voltage Di-)HVDC
- کاربرد تجهیزات (mission System Flexible AC Trans-)FACTS
این راه حلها را باید از لحاظ:
- کنترل سیلان قدرت در حالت دائم،
- کنترل سیلان قدرت در بین دو حالت کاری متفاوت ، مثلاً‌کنترل اضافه با محتمل تجهیزات به علت خروج یکی از تجهیزات
- کنترل سیلان قدرت در حین شرایط دینامیک، گذار بررسی و مقایسه نمود[1].
موردی را که این مقاله دنبال می کند،مورد اول یعنی کنترل پخش بار در حالت دائم است و هدفی که از کنترل سیلان قدرت دارد این است که وضعیت موجود سیلان قدرت را در خطوط انتقال، به گونه ای تغییر دهد که تلفات شبکه کاهش یابد. باتوجه به این موضوع ، آلترناتیوهای مطرح عبارتند از کاربرد خطوط انتقال HVDC یا کاربرد تجهیزات EACTS خطوط HVDC معمولاً در فواصل انتقال بیش از km500 اقتصادی هستند. شبکه هدف در این مقاله، شبکه برق منطقه ای تهران و خطوط رابط آن با نواحی مجاور است. بنابراین باتوجه به فواصل مطرح در این شبکه، تنها مورد قابل قبول در جهت اهداف این مقاله، استفاده از تجهیزات FACTS است.
2- مقایسه ادوات FACTS
در میان تجهیزات FACTS تجهیزاتی که به صورت موازی در مدار قرار می گیرند و جریانی را به یک PV باس که به آن وصل هستند ، تزریق می کنند تأثیری بر روی قدرت حقیقی انتقالی از خط نخواهند داشت. در صورت اتصال این عناصر در وسط یا طرف گیرنده خط، ولتاژ باس مربوطه و در نتیجه قدرت انتقالی از خط تا حدودی قابل کنترل است. از جمله این عناصر می توان به SNC ها (Compensators Static Var) و (Var Generator SVG Static) Statcom اشاره نمود [2].
در میان ادوات FACTS تجهیزاتی هستند که می توانند قدرت انتقالی خط را توسط یک ولتاژ تزریقی (سری با خط) ، کنترل نمایند. این ولتاژ در ترانسفورماتور جابجا کننده فاز (Phase Shifting Transformer)PST توسط یک ترانس می تواند به خط تزریق (یا boost) شود [3] و یا ولتاژ سری با خط می تواند به گونه ای باشد که با جریان خط متناسب باشد که در این صورت آن را از نوع کنترل امپدانسی می نامند. در کنترل امپدانسی با توجه به اختلاف پتانسیل دو سر خط جریانی از خط عبور می کنند که اگر خازن متغیر سری در خط داشته باشیم، افت ولتاژ روی خازن به صورت عمودی با ولتاژ موجود جمع شده و باعث تغییر در قدرت انتقالی عبوری می گردد. این عمل توسط تجهیزاتی مانند (riec Compansation Controlled Se-) CSC که توسط تایرستورها ظرفیت را تغییر می دهند [4] یا توسط GTO-CSC (که مجهز به یک مبدل منبع ولتاژ با کلیدهای (Off Gate Turn)GTO است و توسط ترانسی ولتاژی را به داخل خط تزریق می کند [5] میسر است.
در رابطه با یک شبکه غربالی می توان گفت که در این نوع شبکه جهت و مقدار سیلان قدرت با تغییرات میزان تولید و مصرف تغییر می کند. اختلاف فاز بین دو باس در دو انتهای یک خط می تواند تغییر علامت دهد، صفر شود و یا بسیار کوچک گردد. بنابراین در این حالت از کنترل امپدانسی نمی توان سود جست و منبع ولتاژ سری کنترل شده مناسب تر است چرا که عملکرد آن مستقل از زوایای فاز بین باس هاست.
در GTO-CSC ولتاژ تزریقی مستقل از جریان خط است ولی این طرح هنوز در مرحله تحقیقاتی است. کنترلرهای تواناتر دیگری نیز در مرحله تحقیقاتی و آزمایش هستند که انتظار می رود بتوان در آینده نزدیک از آنها استفاده نمود. (Inter-Phase Power Controller)IPC [6] وController)UPFC (Unified Power Flow [7] از این جمله اند. هسته اصلی این کنترلرها، ترانسفورماتور جابجا کننده فلز، PST است. با ترکیب PST با قطعات دیگری می توان UPFC,IPC را ایجاد نمود. بنابراین با توجه به مطالب مذکور می توان نتیجه گرفت که جهت کنترل سیلان قدرت بهتر است از تجهیزاتی مانند PST که دارای مدلی به فرم منبع ولتاژ سری کنترل شده اند و کاربرد آنها هم اکونون نیز میسر است، استفاده نمود [1].
3- تواناییهای PST
PST یکی از قدیمی ترین ادوات FACTS است [8]. این وسیله ترانسفوماتوری است که نسبت تبدیل آن مختلط می باشد. بنابراین فازور ولتاژ، در گذر ار اولیه به ثانویه در ضمن تغییر دامنه، تغییر فاز نیز می یابد. از PST جهت کنترل سیلان قدرت در حالت مانا [9] و از PST های مجهز به کلیدهای نیمه هادی، جهت کنترل شرایط دینامیک [10] و گذرا [11] می توان استفاده نمود. در این جا با توجه هب هدف مقاله فقط به موارد کاربرد حالت دائم آن اشاره خواهد شد.