سیستم‌های انتقال جریان مستقیم فشار قوی (HVDC) یکی از مهم‌ترین فناوری‌ها برای انتقال توان الکتریکی در فواصل طولانی هستند. این سیستم‌ها به دلیل کاهش تلفات انتقال، قابلیت اتصال شبکه‌های ناهمزمان و کنترل دقیق توان عبوری، در شبکه‌های قدرت مدرن کاربرد گسترده‌ای دارند. در این شبیه سازی، عملکرد حالت ماندگار و گذرای یک سیستم انتقال HVDC دوازده پالسه با توان 1000 مگاوات و ولتاژ 500 کیلوولت در محیط Matlab بررسی می‌شود.

این مدل توسط Silvano Casoria از شرکت Hydro-Quebec ارائه شده است و یک سیستم HVDC مبتنی بر مبدل‌های تریستوری را بررسی می‌کند. سیستم مورد مطالعه شامل یک یکسوساز (Rectifier) و یک اینورتر (Inverter) دوازده پالسه است که از دو پل تریستوری شش پالسه متصل به صورت سری تشکیل شده‌اند. هدف اصلی این شبیه سازی، بررسی رفتار دینامیکی کنترل‌کننده‌ها، فرآیند راه‌اندازی، توقف سیستم، پاسخ پله‌ای کنترل جریان و ولتاژ، همچنین عملکرد سیستم در شرایط خطا است.

مقایسه مدل جزئی و مدل متوسط در سیستم‌های HVDC

در مدل‌سازی سیستم‌های HVDC مبتنی بر مبدل‌های کموتاسیون خطی (Line Commutated Converter)، معمولاً دو روش اصلی مورد استفاده قرار می‌گیرد: مدل جزئی (Detailed Model) و مدل متوسط (Average Model). انتخاب بین این دو مدل به محدوده فرکانسی مورد نیاز برای بررسی رفتار سیستم وابسته است.

در مدل جزئی، تمامی اجزای مبدل شامل پل‌های تریستوری قدرت، ترانسفورماتورهای مبدل و فرآیند کلیدزنی تریستورها به صورت دقیق شبیه سازی می‌شوند. این نوع مدل برای بررسی هارمونیک‌ها، شکل موج‌های جریان و ولتاژ، عملکرد دقیق سیستم کنترل و رفتارهای گذرای سریع بسیار مناسب است. به دلیل وجود جزئیات زیاد در کلیدزنی ادوات قدرت، این مدل نیازمند گام زمانی بسیار کوچک بوده و حجم محاسباتی بالاتری دارد.

در مقابل، مدل متوسط که در این شبیه سازی استفاده شده است، مبدل قدرت را به وسیله یک منبع ولتاژ معادل که مقدار متوسط ولتاژ DC پل را تولید می‌کند، نمایش می‌دهد. همچنین جریان‌های AC ورودی به شبکه به صورت منابع جریان معادل شامل مؤلفه اصلی فرکانسی مدل می‌شوند. در این روش، رفتار هارمونیکی ناشی از کلیدزنی تریستورها حذف می‌شود، اما دینامیک سیستم کنترل و تعامل میان شبکه قدرت و کنترل‌کننده‌ها همچنان حفظ می‌شود.

مزیت اصلی مدل متوسط، امکان استفاده از گام زمانی بزرگ‌تر نسبت به مدل جزئی است. این ویژگی باعث کاهش زمان محاسباتی و افزایش سرعت شبیه سازی می‌شود. با این حال، برای دستیابی به بهترین عملکرد، پیشنهاد می‌شود گام زمانی مدل متوسط با گام زمانی کنترل‌کننده‌ها یکسان انتخاب شود.

معرفی سیستم انتقال HVDC مورد مطالعه

سیستم مورد بررسی یک اتصال HVDC با توان نامی 1000 مگاوات، ولتاژ DC برابر 500 کیلوولت و جریان DC برابر 2 کیلوآمپر است. این سیستم توان الکتریکی را از یک شبکه 500 کیلوولت با ظرفیت اتصال کوتاه 5000 مگاوات و فرکانس 60 هرتز به یک شبکه 345 کیلوولت با ظرفیت 10000 مگاوات و فرکانس 50 هرتز منتقل می‌کند.

یکسوکننده و اینورتر در این مدل به صورت مبدل‌های متوسط دوازده پالسه پیاده‌سازی شده‌اند. هر مبدل شامل دو پل شش پالسه تریستوری است که به صورت سری قرار گرفته‌اند. ارتباط بین دو مبدل از طریق یک خط انتقال DC با طول 300 کیلومتر و مدل پارامترهای توزیع‌شده انجام شده است. همچنین در دو طرف خط، راکتورهای صاف‌کننده (Smoothing Reactor) با مقدار 0.5 هانری قرار گرفته‌اند.

ترانسفورماتورهای مبدل در مدل متوسط به صورت مدل خطی در نظر گرفته شده‌اند. تغییر دهنده‌های تپ ترانسفورماتور در این شبیه سازی مدل نشده‌اند و نسبت تبدیل آن‌ها به عنوان ورودی ثابت تعیین می‌شود. نسبت تبدیل در سمت یکسوساز برابر 0.9 پریونیت و در سمت اینورتر برابر 0.96 پریونیت تنظیم شده است.

توان راکتیو مورد نیاز مبدل‌ها توسط بانک‌های خازنی و فیلترهای هارمونیکی تأمین می‌شود. مجموعه فیلترهای هارمونیکی شامل فیلترهای هارمونیک یازدهم، سیزدهم و فیلتر بالاگذر است که در مجموع 600 مگاوار توان راکتیو در هر طرف سیستم فراهم می‌کنند. از آنجا که مدل متوسط هارمونیک تولید نمی‌کند، از نظر تئوری تمام توان راکتیو می‌تواند تنها توسط بانک‌های خازنی تأمین شود.

ساختار حفاظت و کنترل سیستم HVDC

در این شبیه سازی، سیستم‌های حفاظتی مختلفی برای افزایش قابلیت اطمینان انتقال توان در نظر گرفته شده است. دو کلید قدرت برای اعمال خطا در سمت AC اینورتر و سمت DC یکسوساز استفاده شده‌اند.

در مدل متوسط به دلیل حذف مدل واقعی شیرهای تریستوری، بلوک کنترل تحریک دوازده پالسه مورد نیاز نیست. زاویه فرمان آتش (Alpha Order) که توسط کنترل‌کننده تولید می‌شود، مستقیماً به مدل متوسط مبدل اعمال می‌شود.

در سمت یکسوساز، حفاظت خطای DC وظیفه دارد در صورت تشخیص کاهش شدید ولتاژ DC، زاویه تأخیر را به محدوده عملکرد اینورتر منتقل کند تا جریان خطا سریع‌تر خاموش شود. در سمت اینورتر نیز کنترل پیشگیری از شکست کموتاسیون (Commutation Failure Prevention Control) با تشخیص خطاهای AC، محدوده زاویه تأخیر را کاهش می‌دهد تا احتمال شکست کموتاسیون کاهش یابد.

اگرچه پدیده شکست کموتاسیون در مدل متوسط به صورت مستقیم قابل شبیه سازی نیست، یک سیگنال هشدار با نام CF_alarm در مدل قرار داده شده است تا شرایطی که ممکن است منجر به این پدیده شود را مشخص کند.

فرآیند راه‌اندازی و توقف سیستم

در ابتدای شبیه سازی، سیستم به گونه‌ای برنامه‌ریزی شده است که مبدل‌ها راه‌اندازی شده و پس از رسیدن به شرایط پایدار، فرمان‌های کنترلی مختلف به آن‌ها اعمال شود. کنترل اصلی سیستم توسط بلوک Master Control انجام می‌شود که وظیفه شروع، توقف و تغییر تدریجی مراجع جریان را بر عهده دارد.

در زمان 0.02 ثانیه، مبدل‌ها فعال شده و جریان مرجع به صورت رمپ افزایش می‌یابد تا در مدت 0.3 ثانیه به مقدار حداقل 0.1 پریونیت برسد. پس از پایان این مرحله، خط DC در ولتاژ نامی شارژ شده و ولتاژ DC به حالت پایدار می‌رسد.

در زمان 0.4 ثانیه، جریان مرجع از 0.1 پریونیت به مقدار نامی 1 پریونیت افزایش پیدا می‌کند. این تغییر طی مدت 0.18 ثانیه انجام شده و در پایان فرآیند راه‌اندازی، جریان DC به مقدار پایدار 2 کیلوآمپر می‌رسد. پس از آن، یکسوساز کنترل جریان و اینورتر کنترل ولتاژ را بر عهده می‌گیرد.

در شرایط پایدار، زاویه آتش تریستورها در سمت یکسوساز برابر 17.7 درجه و در سمت اینورتر برابر 144.5 درجه است. همچنین زاویه خاموشی یا Gamma در سمت اینورتر حدود 23 درجه خواهد بود.

فرآیند توقف سیستم در زمان 1.4 ثانیه آغاز می‌شود. جریان به مقدار 0.1 پریونیت کاهش یافته و سپس با اعمال فرمان Forced Alpha، جریان DC خاموش می‌شود. در زمان 1.7 ثانیه پالس‌های کنترلی هر دو مبدل قطع شده و سیستم به طور کامل متوقف می‌شود.

بررسی پاسخ پله‌ای کنترل‌کننده جریان و ولتاژ

برای بررسی عملکرد کنترل‌کننده‌ها، تغییرات پله‌ای در مراجع جریان و ولتاژ اعمال می‌شود. ابتدا یک کاهش 0.2 پریونیتی در مرجع جریان ایجاد شده و پس از مدت کوتاهی مقدار مرجع به مقدار اولیه بازگردانده می‌شود.

نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد که جریان DC تقریباً در مدت 0.1 ثانیه به مقدار جدید خود می‌رسد. همچنین تغییرات پله‌ای در مرجع ولتاژ اینورتر اعمال شده و پاسخ دینامیکی کنترل‌کننده ولتاژ بررسی می‌شود.

بررسی خطای DC در سمت یکسوساز

یکی از مهم‌ترین آزمون‌های انجام شده در این شبیه سازی، اعمال اتصال کوتاه در خط DC سمت یکسوساز است. پس از وقوع خطا، جریان DC به سرعت افزایش یافته و به حدود 2.63 پریونیت می‌رسد، در حالی که ولتاژ DC در سمت یکسوساز کاهش پیدا می‌کند.

کاهش ولتاژ توسط محدودکننده جریان وابسته به ولتاژ (VDCOL) تشخیص داده شده و مقدار جریان مرجع کاهش می‌یابد. سپس سیستم حفاظت DC زاویه آتش یکسوساز را به حدود 166 درجه تغییر می‌دهد تا یکسوساز وارد حالت عملکرد اینورتری شود.

با منفی شدن ولتاژ خط DC، انرژی ذخیره شده در خط به شبکه AC بازگردانده شده و جریان خطا در اولین عبور از صفر خاموش می‌شود. پس از رفع خطا، سیستم در حدود 0.4 ثانیه دوباره به شرایط عادی بازمی‌گردد.

بررسی خطای اتصال زمین در سمت AC اینورتر

در آزمایش دیگر، یک خطای تک‌فاز به زمین در سمت AC اینورتر اعمال می‌شود. سیستم‌های تشخیص کاهش ولتاژ AC و کنترل پیشگیری از شکست کموتاسیون فعال هستند تا عملکرد سیستم در شرایط بحرانی بررسی شود.

در مدل متوسط، نوسانات 120 هرتزی که معمولاً در مدل جزئی هنگام خطای تک‌فاز مشاهده می‌شوند وجود ندارند، زیرا تنها مؤلفه اصلی توالی مثبت کمیت‌های AC در مدل متوسط در نظر گرفته می‌شود. به همین دلیل رفتار دینامیکی سیستم ساده‌تر بوده و زمان شبیه سازی کاهش می‌یابد.

پس از حذف خطا، توان DC تقریباً در مدت 0.2 ثانیه به مقدار عادی بازمی‌گردد. همچنین سیگنال CF_alarm در هنگام پیش‌بینی شرایط شکست کموتاسیون فعال می‌شود تا کاربر بتواند شرایط بحرانی را تشخیص دهد.

نتیجه‌گیری شبیه سازی

شبیه سازی سیستم انتقال HVDC مبتنی بر تریستور با مدل متوسط در Matlab نشان می‌دهد که این روش یک ابزار قدرتمند برای بررسی رفتار دینامیکی سیستم‌های انتقال توان DC در مقیاس بزرگ است. اگرچه مدل متوسط قادر به نمایش هارمونیک‌ها و جزئیات کلیدزنی تریستورها نیست، اما عملکرد کنترل‌کننده‌ها، پاسخ سیستم در برابر تغییرات مرجع، فرآیند راه‌اندازی و توقف، و رفتار سیستم هنگام خطا را با دقت مناسبی نمایش می‌دهد.

استفاده از مدل متوسط باعث کاهش قابل توجه زمان محاسباتی شده و امکان تحلیل سیستم‌های HVDC بزرگ را در مدت زمان کوتاه‌تر فراهم می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود این مدل برای مطالعات پایداری، طراحی کنترل‌کننده‌ها و بررسی تعامل میان شبکه قدرت و سیستم HVDC گزینه‌ای مناسب باشد.