دانلود مقاله بررسی امکان کاهش تلفات انتقال با نصب ترانسفورماتور جابجا کننده فاز

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

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.

1-3- کنترل سیلان قدرت در یک خط انتقال

در شبکه های همجوار مواردی پیش می آید که کنترل توان اکتیو عبوری از خط رابط دو سیستم قدرت همسایه موردنظر است. شبکه های همجوار می توانند دو کشور همسایه، مثل شبکه های ایران و ترکیه، و یا دو ناحیه در یک کشور، مثل شبکه های سراسری و خراسان، باشند. به علت محدودیتهایی و یا براساس قراردادهای تبادل انرژی مابین این کشورها، بهره برداران سیستم مایل هستند عبور توان مشخصی را از این خطوط داشته باشند. از اوائل دهه 30 میلادی [8] مشخص بوده است که در این موارد کاربرد PST می تواند میزان توان حقیقی عبوری را در حد موردنظر برقرار سازد.

2-3- جلوگیری از چرخش قدرت

در شبکه های به هم پیوسته در مواردی، چرخش توان حقیقی درداخل حلقه هایی به صورت ناخواسته پیش می آید که با استفاده از ترانسفورماتور جابجا کننده فاز می توان این توان گردشی را به حداقل رساند. به عبارت دیگر توسط PST توزیع سیلان قدرت به وجود آمده تغییر داده می شود و از چرخش بیهوده توان جلوگیری به عمل می آید.

3-3- انتخاب مسیرهای انتقال با قابلیت اطمینان بالا

ممکن است انتقال توان از مراکز تولید به مراکز مصرف از چند مسیر میسر باشد، اما در شرایط عادی، بیشتر توان از مسیری که به دلیل بدی آب و هوا در فصولی از سال دچار حادثه و قطعی می شود عبور نماید و بهره بردار علاقه مند باشد که با کاهش بار اینگونه خطوط، از مسیرهایی که کم خطرتر هستند، استفاده نماید. زیرا در غیر اینصورت مجبور خواهد بود یا با کاهش تولید، مشکل را حل کند و یا درمناطق پرحادثه، مسیر جانشین و پشتیبان برای خطوط موجود، پیش بینی نماید. در این حالت نیز کاربرد PST می تواند توان حقیقی را به سمت خطوط مناسب هدایت کند [9].

4-3- افزایش ظرفیت انتقال بدون احداث خط جدید

در مسیرهایی به دلایل مختلفی نظیر نبود حریم کافی، مشکلات زیست محیطی یا موارد دیگر، امکان احداث خط جدید وجود ندارد. درنتیجه باید از حداکثر ظرفیت موجود استفاده نمود. در این صورت علاوه بر راه حل هایی نظیر جبران سازی سری، کاربرد PST می تواند مورد توجه قرار گیرد. برای مثال در خط kV500 Mead-Phoenix بعد از انجام 70 درصد کمپانزیشن خازن سری،‌ توان عبوری از خط برابر MW800 بوده است که بعد از نصب دو PST kV500 (هریک به قدرت MVA650) قدرت عبوری از خط به MW1300 افزایش پیدا کرده است[12].

5-3- جلوگیری از اضافه بار یک خط از دو خط موازی

ممکن است که یک مرکز تولید از طریق چند خط ارتباطی با ظرفیتهای مختلف به نقاطی از کشور سراسری متصل باشد و تراز تولید و مصرف در مناطق مجاور به گونه ای باشد که میزان توان عبوری از خطوط با ظرفیت پایینتر متصل به نیروگاه، به حد حرارتی آنها نزدیک شود ولی در مقابل از ظرفیت خطوط دیگر به شکل مطلوب استفاده نگردد. در این گونه موارد، به خصوص در حالتهای اضطراری نیز قطع خط مشکل پیچیده تر می شود [3].

تاکنون احداث خط جدید به موازات مدارهای قبلی، تغییر در وضعیت هادی خط موجود (استفاده از هادی ضخیم تر)، افزایش تعداد هادیها در فاز یا کاهش اندوکتانس خط با استفاده از خازن سری، به عنوان یک راه حل برای مشکل فوق مطرح بوده است. ولی هم اکنون کاربرد صحیح PST می تواند ضمن کا     هش بار خطوط مسئله دار، توان را به سمت خطوط کم بار هدایت نماید.

6-3- توسعه PST به UPFC,IPC

همانگونه که قبلاً نیز بحث آن رفت، با افزودن یک مجموعه از تجهیزات پسیو و همچنین استفاده از کلیدهای نیمه  هادی می توان PST ها را به IPC یا UPFC تبدیل کرد. توانایی بالای این وسائل در جهت کنترل پارامترهای انتقال، یعنی ولتاژ باس ها، راکتانس خطوط و زاویه ولتاژ باس ها، باعث شده است که مطالعات زیادی در این زمینه شروع شود که همگی در مرحله کاربرد آزمایشی یا تحقیقاتی هستند [1]. از دید بهره برداران سیستم قدرت، استفاده از UPFC و IPC منوط به در اختیار داشتن و تسلط آنها در استفاده از PST به تنهائی است.

7-3- بهینه سازی تلفات انتقال در خطوط موازی

این ایده در مواردی انجام شده و نهایتاً منجر به صرفه جوئی های چشمگیر اقتصادی شده است. از جمله می توان به مورد مطرح در [13] اشاره نمود. در [13] موردی بررسی شده است که در آن توان از دو خط انتقال به طول km100، ولی یکی در سطح ولتاژ kV380 و دیگری در سطح ولتاژ KV220 انتقال داده می شود. با نصب یک PST نشان داده شده است که با تغییر زاویه مربوط به ولتاژ تزریقی به خط، می توان با کنترل سیلان قدرت در خط تلفات انتقال را از MW19 در حالت بدون PST به مقدار MW10 در حالت تزریق ولتاژ عمودی، کاهش داد. در این مورد با فرض قیمت USS/kWh 05/0 برای برق مصرفی، صرفه جوئی سالیانه مربوطه برای انتقال MW600 حدود 4 میلیون دلار در سال بوده است.