LQR Linear Quadratic Requlator
SPWM Sinusoidal Pulse Width Modulation
VCO Voltage Control Oscillator
SRF Synchronous Reference Frame
SRF-PLL Synchrronous Reference Frame-Phase Locked Loop
MSRF-PLL Modified Synchrronous Reference Frame-Phase Locked Loop
PPLL Power-based Phase Locked Loop
ParkPLL Park Transformation Phase Locked Loop
THD Total Harmonic Distortion
PWM Pulse Width Modulation
LPF Low Pass Filter
MAF Moving Average Filter
چکیده:
جبران‌سازی توان راکتیو همواره جزء موضوع‌های مهم تحقیقاتی در اکثر دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی بوده است. در این بین نسل جدید جبران‌ساز‌ها (FACTS) به‌منظور کنترل توان راکتیو، پایداری و افزایش ظرفیت خطوط مورد توجه صنعت برق و مراکز تحقیقاتی بوده است. در این پایان‌نامه، ساختار کنترلی STATCOM (جبران‌ساز استاتیکی توان راکتیو) مورد بررسی قرار گرفته است. در این ساختار از حلقه قفل فاز (PLL ) به‌منظور تخمین فرکانس و زاویه ولتاژ شبکه قدرت استفاده شده است. هدف استفاده از این کنترل‌کننده، پایداری و سنکرون کردن جبران‌ساز توان راکتیو با شبکه مصرفی می‌باشد. سپس به‌منظور ارزیابی جبران‌ساز از دو مدل میانگین و فازوری استفاده شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که کنترل‌کننده طراحی شده به‌همراه PLL به‌خوبی توانسته است توان راکتیو را در شبکه قدرت کنترل نماید.
کلید­واژه: جبران‌ساز استاتیکی توان راکتیو، حلقه قفل فاز، تخمین فرکانس، زاویه
فصل اول
مقدمه
۱-۱پیشگفتار
زاویه فاز ولتاژ بهره‌برداری یکی از اطلاعات مهم برای عملکرد بیشتر دستگاه‌ها است. از جمله: مبدل‌های dc به ac کنترل‌شده،جبران‌سازهای استاتیکی VAR، سیکلوکانورترها، فیلترهای اکتیو هارمونیک و سایر سیستم‌های

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

ذخیره انرژی کوپل شده با سیستم الکتریکی. ممکن است از این اطلاعات برای هماهنگی روشن و خاموش کردن دستگاه‌های قدرت، محاسبه‌ و کنترل پخش توان اکتیو و راکتیو و یا برای تبدیل متغیرهای فیدبک به ‌یک قالب مرجعی که مناسب مقاصد کنترلی است استفاده شود. اطلاعات زاویه‌ای معمولا با بهره گرفتن از نوعی حلقه قفل شده در فاز (PLL^[1]) بدست می‌آید. علاوه بر کاربردهای بهره‌برداری، از روش های PLL در کنترل موتور نیز استفاده می‌شود تا سرعت زاویه الکتریکی روتور تخمین زده شود. در کاربردهای فوق، کیفیت قفل شدن بطور مستقیم عملکرد حلقه‌های کنترلی را تحت تاثیر قرار می‌دهد. بریدگی خط، نامتعادلی ولتاژ، افت فاز و تغییرات فرکانس شرایطی معمول هستند که تجهیزات سیستم بهره‌برداری با آنها مواجه است. هرPLL که در چنین شرایطی به‌کار رفته باشد نه تنها باید در قفل کردن ولتاژهای سیستم سریع عمل کند و قفل باقی نگه دارد بلکه باید خروجی با اعوجاج کم داشته باشد. قصد ما در اینجا استفاده از سیستم PLL تنها برای حل مسائل کنترلی است.
رشد سریع تکنولوژی الکترونیک قدرت فرصت‌هایی را به‌منظور توسعه تجهیزات قدرت جدید فراهم می‌آورد تا مدل‌سازی سیستم‌های قدرت واقعی را بهبود بخشند. طی دهه گذشته تعدادی ادوات کنترلی معروف به ‌سیتمهای انتقال AC انعطاف‌پذیر تکنولوژی (FACTS^[2]) اختراع شده و بکار گرفته می‌شوند. ادوات FACTS می‌توانند به‌منظور کنترل پخش بار، ‌‌تنظیم ولتاژ، ‌‌افزایش پایداری حالت گذرا و میرایی نوسانات قدرت بکار گرفته شوند. ادوات FACTS را می‌توان به‌عنوان کنترل‌کننده‌های سری، ‌‌موازی یا ترکیبی از این دو نوع به‌کار گرفته می‌شود.
قبل از سال ۱۹۷۰ تریستور‌های خط با توان بالا همراه با خازن‌ها و القاگرها در اشکال مداری متنوع به‌کار گرفته شدند تا خروجی متغیری مثل جبرانسازی VAR استاتیک موازی(SVC^[3]) و خازن سری کنترل‌شونده با تریستورهای سری متصل به ‌آن (TCSC^[4] )را تولید کنند، ‌‌و نیز بر اساس شرایط تجاری خازن‌ها با سوئیچ تریستوری( TSC^[5]) و القاگر‌های کنترل شونده با تریستور (TSR^[6]) که به‌طور گسترده‌ای برای تنظیم ولتاژ AC در سیستمهای قدرت مورد استفاده قرار گرفته‌اند که این کار توسط کنترل تزریق توان راکتیو صورت می‌گیرد. با ظهور GTO^[7]‌های فشار قوی و دیگر نیمه‌هادی‌های قدرت همراه با قابلیت خاموش شدن از درون مثل IGBT ^[۸] نسل جدیدی از تجهیزات الکترونیک قدرت در سوئیچ زنی مدارات مبدل‌ها به‌کار گرفته شده‌اند. مبدل‌های منبع ولتاژ برای تولید و جذب توان راکتیو بدون استفاده از خازن‌های AC یا بانک‌های سلفی به‌کار گرفته شده‌اند. نسل جدید و مهمترین نیاز مبدل‌ها در کنترل‌ کننده‌های FACTS)) به جبران‌سازی سنکرون استاتیکی (STATCOM^[9]) به‌ جبران‌سازی سری سنکرون استاتیک( SSSC^[10]) و نیز به‌ترکیبی از دو کنترل‌کننده پخش توان یکتا است که همه آن‌ها بر اساس مبدل‌های منبع ولتاژ کار می‌کنند.
کمبود توان راکتیو در شبکه‌های قدرت سبب‌ ایجاد افت ولتاژ و نوسانات ولتاژ می‌شود. با توجه به گسترش و پیچیدگی شبکه‌های قدرت جبران‌سازهای توان راکتیو به‌منظور جلوگیری از فروپاشی ولتاژ از اهمیت خاصی برخوردار است. در میان جبران‌سازهای توان راکتیو، ‌‌خازن شنت، ‌‌SVC، ‌ STATCOM به‌دلیل قابلیت انعطاف و کنترل‌پذیری مورد توجه محققان قرار گرفته است. اما نتایج نشان می‌دهد که اگر SVC و STATCOM در محل نصب شوند سبب افزایش پایداری ولتاژ شده و توانایی انتقال قدرت را افزایش می‌دهند. یکی از انواع تجهیزات نسل دوم ادوات FACTS که برای جبران‌سازی موازی دینامیکی در خطوط انتقال به‌کار می‌رود، ‌‌جبران کننده استاتیکی سنکرون‌ یا STATCOM است. که امروزه با توجه به ‌مزیت‌های متعدد نسبت به ‌نوع نسل اول خود‌ یعنی SVC، مورد توجه قرار گرفته و استفاده می‌شود. بر خلاف SVC که در آن توان راکتیو مبادله شده با شبکه توسط سلف و خازن تامین می‌گردد در STATCOM‌ این توان راکتیو بدون استفاده از خازن‌های AC‌یا سلف تامین می‌شود.
۱-۲ تاریخچه PLL و STATCOM
تحقیقات اولیه در زمینه آنچه که به‌عنوان حلقه با فاز قفل شونده می‌شناسیم به ‌سال ۱۹۳۲ بر می‌گردد، یعنی زمانی که محققان بریتانیایی برای گیرنده سوپر هترودین هاوارد آمسترانگ، روش دیگری یعنی هوموداین را توسعه دادند در سیستم هوموداین یا سینکروداین یک اسیلاتور محلی به ‌فرکانس مطلوب توان ورودی تنظیم شده و با سیگنال ورودی چند برابر می‌گردد. حلقه­ی قفل شده در فاز (PLL) مداری است که اجازه می­دهد فرکانس و فاز نوسان­ساز حلقه‌اش توسط یک سیگنال مرجع خارجی کنترل شود. فرکانس نوسان­ساز حلقه می‌تواند برابر فرکانس مرجع یا مضربی از آن باشد. اگر سیگنال مرجع از یک نوسان­ساز گرفته شود، می‌توان فرکانس­های دیگری با پایداری فرکانسی نوسان‌ساز به‌دست آورد. این اساس سنتزکننده‌های فرکانس است. اگر فرکانس سیگنال مرجع متغیر باشد، فرکانس نوسان ساز حلقه، فرکانس ورودی را دنبال می‌کند. اما اواخر دهه ۱۹۶۰ بود که با کامل شدن PLL از آن در صنعت الکترونیک قدرت به‌ فراوانی استفاده شد.
STATCOM اولین کنترل کننده موازی بر اساس مبدل قدرت می‌باشد. ایده اصلی STATCOM توسط آقای گایوگی در سال ۱۹۷۶ ارائه شد. بجای استخراج مستقیم توان راکتیو از اجزای ذخیره‌کننده انرژی، STATCOM اساسا توان را با شبکه متصل شده به‌گردش در می‌آورد. بنابراین اجزای راکتیو استفاده شده در STATCOM، می‌تواند بسیار کوچکتر از اجزای SVC باشد. در سال ۱۹۹۵ اولین STATCOM با قدرت در ایستگاه فرعی “سالیوان” متعلق به‌”سازمان دره تنسی”(TVA^[11]) در شمال شرقی ایالت تنسی ایالات متحده نصب شده است. پروژه با حمایت مشترک انستیتو تحقیقات صنعت برق و TVA انجام شد و توسط شرکت برق وستینگهاوس طراحی و ساخته شد.TVA وابسته به ‌دولت فدرال است و به‌عنوان یک واحد خدماتی بزرگ دارای ظرفیت تولید نصب شده بیش از ۳۰ هزار مگاوات است که از طریق ۱۶۰۰۰ مایل (۲۵۸۰۶ کیلومتر) خط انتقال، توان الکتریکی را برای شرکت‌های خدماتی دیگر و مشترکان صنعتی در هفت ایالت تامین می‌کند.
۱-۳ بخش‌های سیستم STATCOM
۱-۳-۱ مبدل قدرت
مبدل­های به‌کار گرفته شده در فیلترهای اکتیو و کنترلرهای FACTS شامل یک بخش DC و همچنین خروجی AC می­باشند. خروجی AC حاوی مولفه­ی پایه­ای است که دامنه و فرکانس آن قابل تنظیم است. بسته به‌ نوع مبدل(منبع ولتاژ یا منبع جریان)، خروجی AC و بخش DC کنترل و تجهیز می­ شود. در یک مبدل منبع ولتاژ (VSI^[12] ) قسمت DC بصورت خازنی و در مبدل منبع جریان (CSI^[13]) بخش DC سلفی است. برای دستیابی به ‌دامنه و فاز مطلوب خروجی AC لازم است کلیدهای مبدل در زمان­های مناسب سوئیچ شوند. براساس اینکه خروجی مطلوب از نوع جریان و یا ولتاژ باشد می­توان از روش­های مختلف مدولاسیون برای سوئیچینگ مبدل استفاده کرد. به‌عنوان مثال اگر هدف ایجاد یک جریان مرجع در خروجی مبدل باشد، روش هیسترزیس مناسب است و اگر هدف ایجاد یک ولتاژ مرجع در خروجی مبدل باشد، می‌توان از روش­های مدولاسیون پهنای پالس استفاده کرد.

راکتورهای اتصال
راکتورهای اتصال، سلف­ها و مقاومت­های سری هستند که مبدل قدرت STATCOM را به ‌سیستم قدرت متصل می­ کنند. در یک سیستم با ولتاژ بسیار بالا، اندوکتانس‌های نشتی ترانسفورماتورهای افزاینده قدرت را می‌‌توان به‌عنوان راکتورهای اتصال به‌کار برد. هدف اصلی از راکتورهای اتصال فیلتر کردن مولفه‌های هارمونیکی جریان خروجی می‌باشد که به‌طور عمده توسط ولتاژ خروجی ضربانی مبدل‌های قدرت تولید می‌شود.

سیستم کنترل
مهمترین بخش STATCOM، سیستم کنترلی است که کنترل توان راکتیو و تنظیم ولتاژ باس­های سیستم قدرت را برآورده می­ کند. فرایند کنترل در دو مرحله صورت می­گیرد : در مرحله اول ولتاژها و جریان­های باسی که STATCOM بدان متصل شده است اندازه ­گیری شده و با توجه به ‌اهداف کنترلی که مدنظر است، جریان­های مرجع STATCOM محاسبه‌می­شوند(کنترل­ کننده داخلی). در مرحله دوم باید به طراحی کنترلری پرداخت که باعث شود جریان­های واقعی STATCOM، مقادیر مرجع را دنبال کنند (کنترل­ کننده خارجی). روش­های کنترلی متعددی وجود دارد که می­توان بر مبنای آنها کنترلر طراحی کرد.
فصل دوم
مروری بر استاتکام و کنترل‌کننده حلقه قفل فاز و توپولوژی‌های آن
۲-۱تعریف پایداری و علت‌های کاربرد استاتکام و PLL
۲-۱-۱ پایداری ولتاژ
پایداری ولتاژ اشاره دارد به ‌توانایی سیستم قدرت در نگهداری ولتاژ تمامی ‌باس‌ها در محدوده قابل قبول، ‌‌که‌ این توانایی باید در شرایط عملکرد عادی سیستم و پس از حادث شدن اغتشاش باشد. سیستم زمانی دچار ناپایداری ولتاژ می‌شود که تقاضای بار به‌طور ناگهانی افزایش‌ یابد و ‌یا‌ اینکه شرایطی در سیستم به‌وجود‌ آید که ولتاژ باس‌ها به‌طور تصاعدی و غیر قابل کنترلی شروع به ‌افت کنند.‌ یکی از عوامل مهمی‌ که در ناپایداری ولتاژ نقش بسزایی‌ ایفا می‌کند، ‌‌ناتوانی سیستم در تامین توان راکتیو مورد نیاز است. ناپایداری ولتاژ سبب فروپاشی ولتاژ (Voltage Collapse) می‌شود، ‌‌به‌طوریکه آنقدر ولتاژ افت می‌کند که سیستم دیگر قادر به‌ بازیابی آن نیست [۱].
۲-۱-۲ پایداری دینامیکی
پایداری دینامیکی اشاره دارد به ‌پایداری سیستم قدرت برابر اغتشاشات ناگهانی ولی کوچک به‌طوریکه سیستم با معادلات دیفرانسیلی خطی توصیف می‌شود و سیستم می‌تواند به ‌کمک کنترلرهای پایدارساز، ‌‌پایداری خود را حفظ کند. مثال‌‌های نوعی عبارتند از نوسانات فرکانس پایین شبکه ناشی از به‌هم پیوستن سیستم قدرت پیوسته، ‌‌و ‌یا نوسانات پیچشی نیروگاه حرارتی ‌بخاطر رزونانس زیر سنکرون ناشی از نصب خازن‌های سری جبران‌ساز در خطوط [۱].
۲-۱-۳ پایداری استاتیکی ولتاژ
پایداری سیستم قدرت طبق تعریف عبارت است از توانایی سیستم قدرت در حفظ حالت تعادل در شرایط بهره برداری عادی سیستم و ‌یافتن نقطه کار متعادل جدید پس از حادث شدن اغتشاش در آن. پایداری استاتیکی به ‌پایداری سیستم قدرت در اثر تغیرات کوچک و پیوسته در بار و شرایط اولیه بار و باقی ماندن پایداری سیستم با وجود سیستم‌های تحریک و گاورنرهای مرسوم می‌باشد. پایداری استاتیکی ولتاژ به‌طور عمده در ارتباط با عدم توازن توان راکتیو می‌باشد. در نتیجه توانایی بار در ‌یک باس سیستم بستگی به ‌پشتیبانی توان راکتیو‌ی دارد که باس می‌تواند از سیستم دریافت کند. بنابراین پشتیبانی توان راکتیو باید در محلی مناسب صورت گیرد. باید دقت نمود که گسترش آرام تغییرات موجب کمبود برق و کاهش ولتاژ خواهد شد.
هنگامی ‌که توان انتقالی افزایش می‌یابد ولتاژ در پایانه دریافت کاهش ‌یافته و در نهایت ‌یک نقطه بحرانی، ‌‌نقطه‌ای که در آن سیستم از توان راکتیو استفاده نمی‌کند حاصل می‌شود که هرگونه افزایش توان راکتیو منتقل شده منجر به ‌کاهش سریع ولتاژ خواهد شد. تنها راه نجات سیستم برای جلوگیری از فرپاشی ولتاژ، ‌‌کاهش بار توان راکتیو ‌یا اضافه کردن توان قبل از رسیدن به ‌نقطه فروپاشی ولتاژ است [۲].
برای بهبود پایداری استاتیکی می‌توان اقدامات زیر را انجام داد؛
افزایش سطح ولتاژ شبکه
اضافه نمودن خطوط جدید به ‌سیستم انتقال
کاهش راکتانس سری خط با باندل کردن خطوط
نصب خازن‌های سری در خطوط انتقال و کاهش راکتانس سری ترانسفورماتور‌ها
۲-۱-۴ ضعیف‌ترین باس