بكارگيري ادوات FACTS در سيستم هاي توزيع

تحت مفهوم جديد CUSTOM POWER

چكيده:

بكارگيري ادوات الكترونيك قدرت براي بهبود سيستم‌هاي انتقال انرژي، تحت مفهوم سيستمهاي انتقال توان انعطاف‌پذير[FACTS] تقريباً امري فراگير شده است. اما كاربرد اين ادوات در سيستم هاي توزيع بعلت گستردگي سيستمهاي توزيع و عدم احساس نياز به آنها تا اين اواخر مدنظر نبوده است. در دو دهه اخير، بعلت گسترش روز افزودن تجهيزات الكترونيكي در كليه مراتب مصرف‌كنندگان (مصرف‌كنندگان ‌صنعتي، تجاري و خانگي) و حساسيت زياد اين ادوات به انواع اغتشاشات توان، لزوم داشتن توان با كيفيت بالا احساس شده‌است. يكي از راه‌حلهاي بهبود کیفیت توان، استفــاده از ادوات FACTS در سيستم‌هاي توزيع با كاربرد و استراتژي كنترل متفاوت است كه تحت عنوان  Custom Power  مطرح مي‌شود.

۱- مقدمه

بكارگيري كليدهاي الكترونيكي در سطح ولتاژ و توان سيستم قدرت موجب استفـاده از ادواتي در سيستم قدرت شد كه مفهوم “سيستم‌هاي انتقال انعطاف‌پذير” (FACTS) را فراهم آورد. اين ادوات از قبيل TCSC، TCPS، SVC، TCR و ... و اخيراً STATCOM، UPFC، SSSC، در حالت مانا براي افزايش ظرفيت خطوط انتقال توان در حد ظرفيت حرارتي آنها، كنترل انتقال توان،‌ تثبيت سطح ولتاژ و در حالت ديناميكي براي بهبود پايداري گذرا و نوسانات خفيف در سيستمهاي انتقال انرژي مورد بررسي و استفـاده قرار گرفته‌اند.

                شكل 1- بكارگيري ادوات FACTS و Costom Power در سيستم قدرت و توزيع

استفـاده از اين ادوات در سيستم هاي توزيع بخاطر گستردگي آن و عدم نياز به آنها تا اين اواخر مدنظر نبوده است. با گسترش روزافزون دستگاههاي الكترونيكي و سيستمهاي كنترل در گستره وسيعي از مصرف‌كنندگان، چه صنعتي و چه غيرصنعتي، آنها را مواجه با پديده‌هاي مختلفي نموده است. كه تاقبل از آن چندان اهميتي برايشان قائل نبودند. توجه به اين پديده‌ها بيشتر بخاطر حساس بودن عملكرد تجهيزات الكترونيكي به آنها است. لذا مسئله بالابردن كيفيت توان و ارائه يك توان عاري از هرگونه اغتشاش، از خواسته‌هاي مصرف‌كنندگان كنوني است. براي بالا بردن كيفيت توان راه‌حلهاي متعددي وجود دارد كه كارآمدترين آنها بكارگيري از ادوات FACTS در سيستم‌هاي توزيع مي‌باشد. البته بايد به اين نكته توجه شود كه هرچند از لحاظ آرايش فيزيكي همان ادوات FACTS در سيستمهاي توزيع بكار برده مي‌شوند. ولي كاربرد و نحوه كنترل آنها كاملاً متفاوت از بكارگيري و كنترل ادوات FACTS در سيستمهاي انتقال خواهد بود. لذا بكارگيري ادوات الكترونيك قدرت براي بهبود كيفيت توان در سيستمهاي توزيع تحت عنوان Custom Power معرفي مي‌شود كه به‌بررسي آنها خواهيم پرداخت (شكل 1).

2- ادوات FACTS

كاربرد عمده ادوات FACTS در سيستمهاي انتقال انرژي، براي بالابردن ظرفيت خطوط انتقال، كنترل انتقال توان و تثبيت سطح ولتاژ در حالت مانا مي‌باشد. در اكثر ادوات بكارگرفته شده تاكنون از عنصر تريستور استفـاده شده است كه بخاطر عدم كنترل در خاموش‌كردن آن، مشكلات و محدوديتهايي در كاربرد بوجود آورده است. اما با بكارگيري قطعات نيمه‌هادي با قابليت خاموش‌شدن از قبيل GTO در اداوات FACTS، برجستگي‌هاي عمده‌اي در رفتار آنها شناسايي شد كه مي‌توان از آنها بعنوان نسل جديد ادوات FACTS  نام برد. اين ادوات را بطور عمده مي‌توان به سه دسته تقسيم نمود، ا- ادواتي كه بصورت موازي به سيستم متصل مي‌شوند 2- ادواتي كه بصورت سري به سيستم متصل مي‌شوند و 3- ادواتي كه بصورت تركيب سري- موازي به سيستم متصل مي‌شوند. شكل 2 انواع سه‌گانه نسل جديد ادوات FACTS را كه در ساختار آنها از مبدلهاي منبع ولتاژ (VSC) استفـاده شده است نشان مي‌دهد.

 

شكل 2- انواع سه‌گانه نسل جديد ادوات FACTS

3- كيفيت توان مسئله مورد توجه سيستمهاي توزيع كنوني

شركتهاي توزيع متعهدند كه مصرف‌كنندگانشان را با يك توان قابل اطمينان تغذيه كنند. مصرف‌كنندگان كنوني بعلت بكارگيري از كامپيوترها، با نرخ رشد غيرقابل تصور، براي پروسه‌هاي كنترل خودكار، مديريت اطلاعاتي و روباتها، تغييراتي اساسي در احتياجات خود احساس مي‌كنند. يكي از اين تغييرات لزوم داشتن يك سيستم تغذيه با كيفيت توان بالا مي‌باشد. كمبودها (sags) و ببيشبودهاي (swells) ولتاژ خط، قطعي‌هاي موقتي، گذراها و اعوجاجات هارمونيكي بعنوان پديده‌هاي مخل عملكرد اينگونه بارها بشمار مي‌روند اين مصرف‌كنندگان يك قطعي كوتاه مدت (چندسيكل) ناشي از خطاهي اتصال كوتاه خط انتقال كه شامل بازبست (reclosing) كليدها با كليد‌زني قيدرها مي‌شود را نمي‌توانند تحمل كنند. 

 

شکل3- اغتشاشات سیستم توزیع مخل کیفیت توان

تعداد مصرف‌كنندگان شاكي از گذراها، هارمونيك‌ها و قطعي‌هاي موقتي در سالهاي اخير رو به افزايش گذاشته است و شركتهاي توزيع بايستي براي رفع اين مشكلات پاسخگو باشند. شكل 3 اكثر اغتشاشات موثر در كيفيت توان را نشان مي‌دهد. علاوه بر اين اغتشاشات مي‌توان به موارد ديگري كه موثر دركيفيت توان هستند از قبيل فليكر، نامتعادلي بار و افست dc نيز اشاره نمود. تعاريف متعددي براي اين اغتشاشات وجود دارد كه گروه استانداردهاي IEEE تعاريف مشخصي را مدون كرده است . حضور اين اغتشاشات موجب عملكرد غلط و بهره‌برداري نامناسب و در بعضي از مواقع موجب عدم بهره‌برداري از بار خواهد شد.

4- راه‌حلهاي افزايش كيفيت توان

راه‌حلهاي عمده افزايش كيفيت توان از لحاظ قرارگرفتن موقعيت آنها در سيستم توزيع، درشكل 4 نشان داده شده است.

 

شکل 4- مکان های بکار گیری راه حل های بهبود توان

در سطح يك، تجهيزات خريداري شده طوري انتخاب مي‌شوند كه داراي مقاومت در برابر اغتشاشات توان باشند و با اينكه در كنار هر دستگاه يك‌وسيله حفاظت از اغتشاشات هم بكارگرفته شود (سطح 2). در سطح 3 كل مجموعه كارخانه تحت حفاظت قرار مي‌گيرد و در سطح 4، سيستم‌هاي توزيع، مورد اعمال تجهيزات بهبود كيفيت توان قرار مي‌گيرند. استفـاده از منابع تغذيه پيوسته UPS، ترانسفورماتورهاي فرورزونانس، جمع‌كننده‌هاي مغناطيسي و مجموعه‌هاي موتور- ژنراتور مي‌توانند در سطح 2 و 3 بعنوان عوامل بهبوددهنده كيفيت مورد استفـاده قرار گيرند. ضعف عمده اين ادوات دارا بودن تلفات زياد،‌ افزايش هزينه در صورت استفـاده در سطح وسيع ومشكلات هماهنگ‌ كردن سيستم‌هاي حفاظت مي‌باشد. راه‌حل موثر در استفـاده از ادوات Custom Power درسطح سيستم توزيع براي بارهاي حساس مي‌باشد.

5- ادوات Custom Power

هماننـد ادوات FACTS، مـي‌تـوان ادوات Custom Power را بـه سـه ‌دسته عمده تقسيم نمود كه از لحاظ آرايش ساختماني شبيه UPFC, SSSC, STATCOM مي‌باشند ولي از لحاظ قدرت و مودهاي كنترلي و نحوه بكارگيري آنها كاملاً متفاوت از ادوات مذكور مي‌باشند. اين ادوات را بترتيب جبران ساز استاتيك توزيع (D- STATCOM)، بازياب ديناميكي ولتاژ (DVR) و بهساز يكپارچه كيفيت توان (UPQC) نام نهادند. در تمامي اين ادوات از كليدهاي با قابليت خاموش‌شدن در آرايش مبدل منبع ولتاژ (VSC) استفـاده شده است. استفـاده از اين ادوات براساس فلسفه بهبود كيفيت توان در سطح سيستم توزيع استوار است كه داراي هزينه كم‌تر و كاهش قابل‌توجه تلفات با استفـاده از كنترلهاي الكترونيك قدرت مي باشد كه در نتيجه بازدهي سيستم را بالا مي‌برد.

             شكل 5- پاسخ يك DVR به اغتشاش كمبود ولتاژ در اثر خطاي اتصال كوتاه در فيدر مجاور

جبران‌ساز استاتيك توزيع وسيله‌اي است سه‌فاز كه داراي قابليت جبران‌سازي موازي ديناميك بصورت پيوسته با تزريق جريان به سيستم توزيع، مي‌باشد. اين دستگاه قابليت جبرانسازي خازني و راكتيو را داراست. شكل موج تزريقي توسط كليدزني سريع منبع dc با استفـاده از الگوي مدولاسيون پهناي باند   (PWM)، ايجاد مي‌شود. هنگام عملكرد D- STATCOM پارامترهاي خط بطوردائم نظارت مي‌شود و با مقدار سيگنال مطلوب مقايسه مي‌گردد. سپس مقدار جريان لازم براي حذف اغتشاش ايجاد شده توسط بار، توليد مي‌گردد. بنابراين اين دستگاه اجـازه ورود اغتشـاشـات ايجاد شده توسط بار را به سيستم توزيع نمي‌دهد. بازياب ديناميكي ولتاژ (DVR) از لحاظ ساختار كاملاً مشابه D-STATCOM مي‌باشد با اين تفاوت كه ترانسفورماتور آن بطور سري با خط وصل مي‌شود كه وظيفه اصلي آن تزريق ديناميكي ولتاژ به سيستم براي جبران‌سازي و بهبود شكل موج ولتاژ مي‌باشد. عملكرد آن بسيار سريع و در حد ميلي ثانيه است. بعنوان مثال هنگام وقوع كمبود ولتاژ كه عمدتاً ناشي از خطاي اتصال كوتاه در فيدرهاي مجاور و يا راه‌اندازي بارهاي سنگين مي‌باشد، DVR مي‌تواند با پاسخگوئي سريع، افت ولتاژ را جبران كرده و مصرف‌كننده انتهاي خط هيچگونه كمبودي را احساس نكند. شكل 5 نمونه‌اي از اين واقعه را نشان مي‌دهد. كمبود ولتاژ ناشي از اتصال كوتاه فيدر مجاور توسط DVR جبران‌گشته و روبات حساس به اين گونه اغتشاشات را از عملكرد نامطلوب باز مي‌دارد.

هزينه اين ادوات به حداكثر جبران‌سازي ولتاژ و دامنه جريان بار بستگي دارد. با 30درصد جبران‌سازي ولتاژ (به اين معني كه DVR داراي ولتاژ 30 درصد ولتاژ نامي بار باشد) مي‌توان بيشتر از 95 درصد اغتشاشات را از بين برد.

ظرفيت خازن ذخيره‌ساز در اين ادوات، معين‌كننده تداوم عملكرد آنها مي‌باشد. براي بهبود قابليت تامين بار مي‌توان از يك بانك باتري بصورت موازي با خازن استفـاده كرد. همچنين از آنجا كه اين مبدلها بصورت سه فاز كارمي‌كنند، در صورت اختلال در يك فاز، اين مبدلها مي‌توانند توان را از فازهاي ديگر گرفته و به فاز معيوب تزريق كنند.

دستگاه UPQC كه از تركيب سري- موازي مبدلهاي منبع ولتاژ كه توسط يك خازن dc بهم متصل شده‌اند بعنوان راه‌حل قوي براي رفع تقريباً كليه اغتشاشات كيفيت توان، مي‌تواند مورد استفـاده قرار گيرد. اين دستگاه قابليت جبران‌سازي فيلكر، عدم تعادل، توان راكتيو، جريان توالي منفي و هارمونيك‌ها را دارد. وظيفه اصلي مولفه سري، ايزوله‌سازي هارمونيكي بين سيستم توزيع و سيستم فوق توزيع مي‌باشد علاوه براين داراي قابليت جبران‌سازي فيلكر، نامتعادلي، تنظيم ولتاژ و هارمونيك در نقطه اتصال به شبكه مي‌باشد. وظيفه اصلي مولفه موازي جذب جريان هارمونيك‌ها، جبران‌سازي توان راكتيو و جبران توالي منفي، و تنظيم ولتاژ خازن dc مي‌باشد.

شكل6 استفـاده از UPQC را براي جبران‌سازي فيلكر و عدم تعادل بار و همچنين حذف هارمونيكي بار ديگر (يك يكسوساز دو تريستوري 12پالسي) نشان مي‌دهد.

علاوه براين ادوات كه مشترك بين FACTS و Custom Power مي‌باشند. از مدارشكن‌هاي نيمه هادي(SSB) بعنوان عنصر ديگر Custom Power مي‌توان نام برد. شكل 7 آرايش يك SSB را نشان مي‌دهد. در اين آرايش تريستورها بصورت پشت به پشت در تعداد زياد بهم متصل شده‌اند تا سطح ولتاژ مورد نياز را تحمل نمايند. در تركيب تريتستوري، SSB مي‌تواند مدار را در اولين لحظه‌اي كه جريان مدار از صفر مي‌گذرد، قطع نمايد. در اين صورت شاهد تأخير چند ميلي‌ثانيه خواهيم بود كه براي بيشتر كاربردها قابل قبول است. اما اگر از GTO در آرايش SSB استفـاده شود. جريان را مي‌توان در هر زمان كه باشد كاملاً قطع نمود.

استفـاده از SSB در مسئله كيفيت توان بخاطر سرعت عملكرد آن است. اين كليد مي‌تواند بارهاي حساس را بهنگام وقوع اغتشاش روي يك فيدر، سريعاً به فيدر ديگر كه سالم است انتقال دهد، بدون اينكه مصرف‌كننده شاهد وقفه‌اي باشد.

 

           شكل 6- مثالي از كاربرد UPQC براي بهبود كيفيت توان و حذف اغتشاشات سيستم توزيع

 

 

                      شكل 7- آرايش يك مدارشكن نيمه هادي (SSB) با مدار محافظ اضافه ولتاژ

نكته‌اي كه ذكر آن براي رفع ابهام لازم است، اين است كه عملكرد Custom Power شبيه عملكرد فيلترهاي فعال مي‌باشد كه مدت مديدي است كه بكارگرفته مي‌شوند و چيز جديدي نيستند. براي رفع ابهام ذكر اين نكته لازم است كه فيلترهاي فعال فقط محدوده كوچكي از مسائل كيفيت توان را پوشش مي‌دهند در حالي كه تنوع اغتشاشات سيستم‌هاي توزيع همانطور كه ذكر شد گستره وسيعي را شامل مي‌شوند كه براي حل كليه اين پديده‌ها بايد چاره جست. لذا سياست‌هاي كنترلي و بكارگيري ادوات Custom Power در حالت كلي متفاوت از فيلترهاي فعال خواهد بود. بنابراين فيلترهاي فعال جزو زيرمجموعه ادوات Custom Power قرار مي‌گيرند و اين يك مفهوم فراگير مي‌باشد.

در خاتمه لازم به ذكر است كه مسئله چگونگي سياست كنترل كليدزني مبدلها براي رفع بعضي و يا كليه اغتشاشات كيفيت توان از نوع مسائلي است كه باب آن مفتوح است و مي‌تواند تلاشهاي فراواني را بخود جذب نمايد.