فایل مارکت

تحقیق بررسي امكان كاهش تلفات انتقال با نصب ترانسفورماتور جابجا كننده فاز

چكيده

هدف اين مقاله نشان دادن توانايي ترانسفورماتور جابجا كننده فاز (Phase Shifting Transformer)PST در كاهش تلفات سيستم قدرت است. در اين راستا ابتدا تواناييهاي PST با ديگر ادواتي كه توانايي كنترل سيلان قدرت را دارند، مقايسه مي شود. سپس شبكه برق منطقه اي تهران و خطوط رابط آن با نواحي مجاور به عنوان شبكه نمونه مطالعه مي شود و محل نصب مناسب PST در جهت كاهش تلفات اين شبكه مشخص مي گردد. شبيه سازيها نشان مي دهد كه PST نه فقط تلفات برق منطقه اي تهران را كم مي كند بلكه توانايي كاهش تلفات كل شبكه سراسري را نيز دارد.

كلمات كليدي:

ترانسفورماتور جابجا كننده فاز، PST ، كاهش تلفات ، FACTS

1– مقدمه

هدف بهره برداران از سيستم قدرت اين است كه در حالت دائم توان درخواستي مصرف كننده را تحت ولتاژ  ثابت و فركانس معين تأمين نمايند. از ديدگاه مسائل كنترلي، بر روي مصرف كننده نمي توان محدوديتهاي زيادي اعمال نمود. در نتيجهع كنترل اصلي در شبكه برق روي توليد و انتقال است. طراحان در طراحيهاي اوليه مربوط به سيستم توليد و انتقال،‌قابليت توليد و انتقال درخواستي را مدنظر قرار مي دهند. ولي با گذشت زمان تغييراتي از قبيل رشد مصرف، اتصال شبكه ها به يكديگر و تأسيس نيروگاهها و خطوط انتقال جديد اين توازن را برهم زده و محدوديتهايي را در بهره برداري از شبكه قدرت به وجود مي آورد.

در شبكه هاي غربالي اتصال شبكه ها در كنار مزاياي زيادي كه دارد، داراي مشكلات عديده اي نيز هست. از جمله اين مشكلات عبور توان در مسيرهاي ناخواسته در سيستم انتقال است. اين مسئله مي تواند موجب افزايش بار غيرمجاز و عدم بهره برداري بهينه از سيستم قدرت شود. لذا بايستي بطريقي توان عبوري از يك مسير را كنترل نمود.

در نواحي با خطوط طولاني، مسئله فوق مشكل ساز نيست، بلكه مشكل عمده مسئله حد پايداري گذرا و افت ولتاژ غيرمجاز است. به اين معني كه براي حفظ پايداري شبكه و تثبيت سطح ولتاژ مجاز، توان عبوري در سيستم انتقال بايد محدود شود. درنتيجه اين مشكل باعث مي گردد كه ظرفيت بارپذيري (Load ability) خطوط، همراه با افزايش طول خطوط، شديداً ‌كاهش يابد.

جهت رفع نواقص فوق الذكر و افزايش بهره وري از سيستم هاي انتقال قدرت، راه حلهاي موجود عبارتند از:

– اعمال تغييرات توپولوژيك مانند احداث خطوط جديد، تغيير قطر و تعداد هاديها در فاز و يا نصب خازن سري

– كاربرد خطوط انتقال (rect Current High Voltage Di-)HVDC

– كاربرد تجهيزات (mission System Flexible AC Trans-)FACTS

اين راه حلها را بايد از لحاظ:

– كنترل سيلان قدرت در حالت دائم،

– كنترل سيلان قدرت در بين دو حالت كاري متفاوت ، مثلاً‌كنترل اضافه با محتمل تجهيزات به علت خروج يكي از تجهيزات

– كنترل سيلان قدرت در حين شرايط ديناميك، گذار بررسي و مقايسه نمود[1].

موردي را كه اين مقاله دنبال مي كند،‌مورد اول يعني كنترل پخش بار در حالت دائم است و هدفي كه از كنترل سيلان قدرت دارد اين است كه وضعيت موجود سيلان قدرت را در خطوط انتقال،‌ به گونه اي تغيير دهد كه تلفات شبكه كاهش يابد. باتوجه به اين موضوع ، آلترناتيوهاي مطرح عبارتند از كاربرد خطوط انتقال HVDC يا كاربرد تجهيزات EACTS خطوط HVDC معمولاً‌ در فواصل انتقال بيش از km500 اقتصادي هستند. شبكه هدف در اين مقاله، شبكه برق منطقه اي تهران و خطوط رابط آن با نواحي مجاور است. بنابراين باتوجه به فواصل مطرح در اين شبكه، تنها مورد قابل قبول در جهت اهداف اين مقاله،‌ استفاده از تجهيزات FACTS است.

2- مقايسه ادوات FACTS

در ميان تجهيزات FACTS تجهيزاتي كه به صورت موازي در مدار قرار مي گيرند و جرياني را به يك PV باس كه به آن وصل هستند ، تزريق مي كنند تأثيري بر روي قدرت حقيقي انتقالي از خط نخواهند داشت. در صورت اتصال اين عناصر در وسط يا طرف گيرنده خط، ولتاژ باس مربوطه و در نتيجه قدرت انتقالي از خط تا حدودي قابل كنترل است. از جمله اين عناصر مي توان به SNC ها (Compensators Static Var) و  (Var Generator SVG Static) Statcom اشاره نمود [2].

در ميان ادوات FACTS تجهيزاتي هستند كه مي توانند قدرت انتقالي خط را توسط يك ولتاژ تزريقي (سري با خط) ، كنترل نمايند. اين ولتاژ در ترانسفورماتور جابجا كننده فاز (Phase Shifting Transformer)PST توسط يك ترانس مي تواند به خط تزريق (يا boost) شود [3] و يا ولتاژ سري با خط مي تواند به گونه اي باشد كه با جريان خط متناسب باشد كه در اين صورت آن را از نوع كنترل امپدانسي مي نامند. در كنترل امپدانسي با توجه به اختلاف پتانسيل دو سر خط جرياني از خط عبور مي كنند كه اگر خازن متغير سري در خط داشته باشيم، افت ولتاژ روي خازن به صورت عمودي با ولتاژ موجود جمع شده و باعث تغيير در قدرت انتقالي عبوري مي گردد. اين عمل توسط تجهيزاتي مانند (riec Compansation Controlled Se-) CSC كه توسط تايرستورها ظرفيت را تغيير مي دهند [4] يا توسط GTO-CSC (كه مجهز به يك مبدل منبع ولتاژ با كليدهاي (Off Gate Turn)GTO است و توسط ترانسي ولتاژي را به داخل خط تزريق مي كند [5] ميسر است.

در رابطه با يك شبكه غربالي مي توان گفت كه در اين نوع شبكه جهت و مقدار سيلان قدرت با تغييرات ميزان توليد و مصرف تغيير مي كند. اختلاف فاز بين دو باس در دو انتهاي يك خط مي تواند تغيير علامت دهد، صفر شود و يا بسيار كوچك گردد. بنابراين در اين حالت از كنترل امپدانسي نمي توان سود جست و منبع ولتاژ سري كنترل شده مناسب تر است چرا كه عملكرد آن مستقل از زواياي فاز بين باس هاست.

در GTO-CSC ولتاژ تزريقي مستقل از جريان خط است ولي اين طرح هنوز در مرحله تحقيقاتي است. كنترلرهاي تواناتر ديگري نيز در مرحله تحقيقاتي و آزمايش هستند كه انتظار مي رود بتوان در آينده نزديك از آنها استفاده نمود. (Inter-Phase Power Controller)IPC [6] وController)UPFC (Unified Power Flow [7] از اين جمله اند. هسته اصلي اين كنترلرها، ترانسفورماتور جابجا كننده فلز، PST است. با تركيب PST با قطعات ديگري مي توان UPFC,IPC را ايجاد نمود. بنابراين با توجه به مطالب مذكور مي توان نتيجه گرفت كه جهت كنترل سيلان قدرت بهتر است از تجهيزاتي مانند PST كه داراي مدلي به فرم منبع ولتاژ سري كنترل شده اند و كاربرد آنها هم اكونون نيز ميسر است، استفاده نمود [1].

3- تواناييهاي PST

PST يكي از قديمي ترين ادوات FACTS است [8]. اين وسيله ترانسفوماتوري است كه نسبت تبديل آن مختلط مي باشد. بنابراين فازور ولتاژ، در گذر ار اوليه به ثانويه در ضمن تغيير دامنه، تغيير فاز نيز مي يابد. از PST جهت كنترل سيلان قدرت در حالت مانا [9] و از PST هاي مجهز به كليدهاي نيمه هادي، جهت كنترل شرايط ديناميك [10] و گذرا [11] مي توان استفاده نمود. در اين جا با توجه هب هدف مقاله فقط به موارد كاربرد حالت دائم آن اشاره خواهد شد.

1-3- كنترل سيلان قدرت در يك خط انتقال

در شبكه هاي همجوار مواردي پيش مي آيد كه كنترل توان اكتيو عبوري از خط رابط دو سيستم قدرت همسايه موردنظر است. شبكه هاي همجوار مي توانند دو كشور همسايه، مثل شبكه هاي ايران و تركيه، و يا دو ناحيه در يك كشور، مثل شبكه هاي سراسري و خراسان، باشند. به علت محدوديتهايي و يا براساس قراردادهاي تبادل انرژي مابين اين كشورها، بهره برداران سيستم مايل هستند عبور توان مشخصي را از اين خطوط داشته باشند. از اوائل دهه 30 ميلادي [8] مشخص بوده است كه در اين موارد كاربرد PST مي تواند ميزان توان حقيقي عبوري را در حد موردنظر برقرار سازد.

2-3- جلوگيري از چرخش قدرت

در شبكه هاي به هم پيوسته در مواردي، چرخش توان حقيقي درداخل حلقه هايي به صورت ناخواسته پيش مي آيد كه با استفاده از ترانسفورماتور جابجا كننده فاز مي توان اين توان گردشي را به حداقل رساند. به عبارت ديگر توسط PST توزيع سيلان قدرت به وجود آمده تغيير داده مي شود و از چرخش بيهوده توان جلوگيري به عمل مي آيد.

3-3- انتخاب مسيرهاي انتقال با قابليت اطمينان بالا

ممكن است انتقال توان از مراكز توليد به مراكز مصرف از چند مسير ميسر باشد، اما در شرايط عادي، بيشتر توان از مسيري كه به دليل بدي آب و هوا در فصولي از سال دچار حادثه و قطعي مي شود عبور نمايد و بهره بردار علاقه مند باشد كه با كاهش بار اينگونه خطوط، از مسيرهايي كه كم خطرتر هستند، استفاده نمايد. زيرا در غير اينصورت مجبور خواهد بود يا با كاهش توليد، مشكل را حل كند و يا درمناطق پرحادثه، مسير جانشين و پشتيبان براي خطوط موجود، پيش بيني نمايد. در اين حالت نيز كاربرد PST مي تواند توان حقيقي را به سمت خطوط مناسب هدايت كند [9].

4-3- افزايش ظرفيت انتقال بدون احداث خط جديد

در مسيرهايي به دلايل مختلفي نظير نبود حريم كافي، مشكلات زيست محيطي يا موارد ديگر، امكان احداث خط جديد وجود ندارد. درنتيجه بايد از حداكثر ظرفيت موجود استفاده نمود. در اين صورت علاوه بر راه حل هايي نظير جبران سازي سري، كاربرد PST مي تواند مورد توجه قرار گيرد. براي مثال در خط kV500 Mead-Phoenix بعد از انجام 70 درصد كمپانزيشن خازن سري،‌ توان عبوري از خط برابر MW800 بوده است كه بعد از نصب دو PST kV500 (هريك به قدرت MVA650) قدرت عبوري از خط به MW1300 افزايش پيدا كرده است[12].

5-3- جلوگيري از اضافه بار يك خط از دو خط موازي

ممكن است كه يك مركز توليد از طريق چند خط ارتباطي با ظرفيتهاي مختلف به نقاطي از كشور سراسري متصل باشد و تراز توليد و مصرف در مناطق مجاور به گونه اي باشد كه ميزان توان عبوري از خطوط با ظرفيت پايينتر متصل به نيروگاه، به حد حرارتي آنها نزديك شود ولي در مقابل از ظرفيت خطوط ديگر به شكل مطلوب استفاده نگردد. در اين گونه موارد، به خصوص در حالتهاي اضطراري نيز قطع خط مشكل پيچيده تر مي شود [3].

تاكنون احداث خط جديد به موازات مدارهاي قبلي، تغيير در وضعيت هادي خط موجود (استفاده از هادي ضخيم تر)، افزايش تعداد هاديها در فاز يا كاهش اندوكتانس