سیستم‌های انتقال جریان مستقیم ولتاژ بالا یا HVDC یکی از فناوری‌های مهم در شبکه‌های قدرت مدرن هستند که برای انتقال توان الکتریکی در فواصل طولانی، اتصال شبکه‌های غیرهمزمان و افزایش پایداری سیستم قدرت مورد استفاده قرار می‌گیرند. در سال‌های اخیر استفاده از مبدل‌های منبع ولتاژ (Voltage Source Converter – VSC) در ساختارهای HVDC به دلیل قابلیت کنترل مستقل توان اکتیو و راکتیو، عملکرد دینامیکی مناسب و امکان اتصال منابع انرژی تجدیدپذیر، توسعه چشمگیری پیدا کرده است.

در این شبیه سازی، یک لینک انتقال HVDC مبتنی بر VSC با ظرفیت 200 مگاولت‌آمپر و ولتاژ مستقیم ±100 کیلوولت در محیط Matlab مدل‌سازی و بررسی می‌شود. این مدل جزئیات کاملی از بخش‌های قدرت، مبدل‌ها، سیستم‌های کنترلی و رفتار دینامیکی شبکه را در نظر می‌گیرد و امکان مطالعه عملکرد سیستم در شرایط پایدار و همچنین هنگام وقوع اغتشاشات مختلف را فراهم می‌کند.

معرفی ساختار سیستم انتقال HVDC مبتنی بر VSC

در این مدل، یک سیستم انتقال HVDC برای انتقال توان بین دو شبکه جریان متناوب مشابه طراحی شده است. سیستم اولیه شامل یک شبکه 230 کیلوولت با ظرفیت 2000 مگاولت‌آمپر و فرکانس 50 هرتز است که توان تولیدی خود را از طریق لینک HVDC به شبکه دوم منتقل می‌کند. دو ایستگاه مبدل در دو طرف لینک قرار گرفته‌اند که یکی به عنوان یکسوساز (Rectifier) و دیگری به عنوان اینورتر (Inverter) عمل می‌کند.

هر دو مبدل از نوع سه‌سطحی Neutral Point Clamped یا NPC هستند که با استفاده از کلیدهای IGBT همراه با دیودهای موازی ساخته شده‌اند. استفاده از ساختار سه‌سطحی باعث کاهش هارمونیک‌های خروجی، کاهش تنش ولتاژی روی کلیدهای قدرت و بهبود کیفیت توان می‌شود.

کنترل کلیدزنی مبدل‌ها توسط روش مدولاسیون پهنای پالس سینوسی (Sinusoidal Pulse Width Modulation – SPWM) انجام می‌شود. در این روش، یک موج حامل مثلثی تک‌فاز با فرکانس 27 برابر فرکانس اصلی سیستم مورد استفاده قرار گرفته است. با توجه به فرکانس پایه 50 هرتز، فرکانس موج حامل برابر با 1350 هرتز خواهد بود. این روش امکان تولید ولتاژ خروجی با کیفیت بالا و کنترل دقیق توان انتقالی را فراهم می‌کند.

اجزای اصلی مدل شبیه سازی

مدل HVDC شامل بخش‌های مختلفی در سمت AC و DC است که هرکدام نقش مهمی در عملکرد سیستم دارند. در سمت جریان متناوب، تجهیزات زیر در نظر گرفته شده‌اند:

• ترانسفورماتور کاهنده اتصال Yg-D
• فیلترهای هارمونیکی AC
• راکتورهای مبدل
• سیستم‌های اندازه‌گیری و کنترل توان

در این مدل، تغییرات تپ ترانسفورماتورها و ویژگی‌های اشباع مغناطیسی آن‌ها شبیه سازی نشده است. همچنین فیلترهای AC با توان 40 مگاوار برای حذف هارمونیک‌های غالب طراحی شده‌اند. این فیلترها شامل فیلترهای High-Pass تنظیم‌شده روی هارمونیک‌های مرتبه 27 و 54 هستند که بیشترین تأثیر را در شکل موج جریان و ولتاژ خروجی مبدل دارند.

در سمت جریان مستقیم، خازن‌های ذخیره انرژی، فیلترهای DC و راکتورهای صاف‌کننده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. خازن‌های DC متصل به پایانه‌های مبدل، تأثیر قابل توجهی بر رفتار دینامیکی سیستم و میزان ریپل ولتاژ سمت DC دارند. همچنین فیلترهای فرکانس بالا برای حذف هارمونیک سوم ولتاژ قطب‌های مثبت و منفی طراحی شده‌اند.

مدل لینک انتقال DC

اتصال بین ایستگاه یکسوساز و اینورتر توسط یک کابل DC به طول 75 کیلومتر انجام شده است. این کابل با استفاده از دو بخش مدل π نمایش داده شده است. علاوه بر کابل، دو راکتور صاف‌کننده با مقدار 8 میلی‌هانری در مسیر DC قرار گرفته‌اند تا تغییرات سریع جریان کاهش یافته و عملکرد سیستم پایدارتر شود.

برای بررسی عملکرد سیستم در شرایط خطا، یک کلید قدرت در سمت AC اینورتر قرار داده شده است که امکان اعمال خطای سه‌فاز به زمین را فراهم می‌کند. همچنین یک منبع ولتاژ قابل برنامه‌ریزی سه‌فاز در ایستگاه اول برای ایجاد افت ولتاژ و بررسی رفتار سیستم در برابر اغتشاشات شبکه استفاده شده است.

سیستم کنترل مبدل‌های VSC

سیستم کنترل دیجیتال موجود در این شبیه سازی سه سیگنال سینوسی مدوله‌کننده تولید می‌کند که به عنوان مرجع ولتاژهای فازی پل مبدل استفاده می‌شوند. دامنه و زاویه فاز این سیگنال‌ها تعیین‌کننده میزان توان اکتیو و راکتیو منتقل‌شده در سیستم هستند.

کنترل‌کننده می‌تواند دو هدف اصلی را دنبال کند:

• کنترل توان اکتیو و راکتیو در نقطه اتصال مشترک شبکه (PCC)
• کنترل توان راکتیو و ولتاژ DC قطب به قطب

در این مدل، امکان کنترل مستقیم دامنه ولتاژ AC در نقطه PCC وجود دارد اما این گزینه فعال نشده است. طراحی کنترل‌کننده به گونه‌ای انجام شده است که پاسخ توان اکتیو و راکتیو تا حد زیادی از یکدیگر مستقل باشند و اثر متقابل آن‌ها کاهش پیدا کند.

سیستم قدرت و کنترل‌کننده‌ها به صورت گسسته شبیه سازی شده‌اند. زمان نمونه‌برداری بخش قدرت برابر با Ts_Power=7.406e-6 ثانیه و زمان نمونه‌برداری کنترل‌کننده برابر با Ts_control=74.06e-6 ثانیه در نظر گرفته شده است. این مقادیر با دوره کلیدزنی موج حامل هماهنگ هستند و به صورت خودکار هنگام اجرای تابع مقداردهی اولیه مدل در محیط Matlab تنظیم می‌شوند.

بررسی پاسخ سیستم در حالت پایدار

در اولین مرحله شبیه سازی، عملکرد سیستم در شرایط پایدار بررسی می‌شود. سیستم ابتدا راه‌اندازی شده و پس از رسیدن به شرایط پایدار، تغییرات مرحله‌ای در مراجع کنترلی اعمال می‌شوند. این تغییرات شامل مرجع توان اکتیو و راکتیو یکسوساز و همچنین مرجع ولتاژ DC اینورتر است.

در زمان 1.5 ثانیه، یک تغییر پله‌ای با مقدار 0.1- پریونیت روی مرجع توان اکتیو اعمال می‌شود. در نتیجه توان انتقالی از مقدار 1 پریونیت به 0.9 پریونیت کاهش می‌یابد. سیستم تقریباً پس از 0.3 ثانیه به مقدار جدید پایدار می‌رسد.

در زمان 2 ثانیه، مرجع توان راکتیو یکسوساز از صفر به 0.1- پریونیت تغییر می‌کند. سپس در زمان 2.5 ثانیه، مرجع ولتاژ DC اینورتر از 1 پریونیت به 0.95 پریونیت کاهش پیدا می‌کند. پاسخ دینامیکی کنترل‌کننده‌ها در این مراحل نشان می‌دهد که طراحی سیستم کنترل باعث کاهش اثر متقابل بین کنترل توان اکتیو، توان راکتیو و ولتاژ DC شده است.

بررسی اغتشاشات سمت AC

در مرحله دوم شبیه سازی، عملکرد سیستم در برابر اغتشاشات شبکه بررسی می‌شود. ابتدا تغییرات مرجع کنترلی غیرفعال شده و یک افت ولتاژ در شبکه AC ایجاد می‌شود. منبع ولتاژ قابل برنامه‌ریزی به گونه‌ای تنظیم می‌شود که کاهش 0.1 پریونیت در دامنه ولتاژ را برای مدت هفت سیکل اعمال کند.

پس از وقوع افت ولتاژ در ایستگاه اول، تغییرات توان اکتیو و راکتیو نسبت به حالت قبل از اغتشاش کمتر از 0.09 پریونیت و 0.2 پریونیت هستند. زمان بازیابی سیستم کمتر از 0.3 ثانیه بوده و شبکه دوباره به حالت پایدار بازمی‌گردد.

در ادامه یک خطای شدید سه‌فاز در نقطه اتصال ایستگاه دوم اعمال می‌شود. در هنگام این خطا، انتقال توان DC تقریباً متوقف شده و به دلیل شارژ بیش از حد خازن‌های DC، ولتاژ لینک DC افزایش می‌یابد و به حدود 1.2 پریونیت می‌رسد.

برای جلوگیری از افزایش بیش از حد ولتاژ DC، یک عملکرد حفاظتی به نام DC Voltage Control Override در کنترل توان اکتیو ایستگاه اول فعال می‌شود. این کنترل‌کننده تلاش می‌کند ولتاژ DC را در محدوده مجاز نگه دارد. پس از رفع خطا، سیستم در کمتر از 0.5 ثانیه بازیابی می‌شود. در این شرایط، یک افزایش گذرا در توان اکتیو تا حدود 1.33 پریونیت و نوسانات میرا در توان راکتیو با فرکانس تقریبی 10 هرتز مشاهده می‌شود.

بررسی کنترل تعادل ولتاژ DC

یکی از قابلیت‌های مهم در سیستم‌های HVDC مبتنی بر VSC، کنترل تعادل ولتاژ بین قطب مثبت و منفی DC است. در این شبیه سازی عملکرد کنترل‌کننده تعادل ولتاژ DC در ایستگاه دوم بررسی می‌شود.

هدف این کنترل‌کننده کاهش عدم تعادل ولتاژ بین دو قطب DC است. این عدم تعادل با سیگنال Udc_0_mean که مجموع ولتاژهای قطب مثبت و منفی را نشان می‌دهد، اندازه‌گیری می‌شود.

برای ایجاد عدم تعادل مصنوعی، می‌توان مقدار خازن یکی از قطب‌ها را تغییر داد؛ برای مثال ظرفیت خازن قطب مثبت را نصف مقدار اولیه در نظر گرفت. سپس پاسخ سیستم با فعال و غیرفعال بودن کنترل تعادل ولتاژ مقایسه می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که این کنترل‌کننده عملکرد مناسبی دارد، اگرچه پاسخ آن نسبتاً کند است.

جمع‌بندی شبیه سازی سیستم HVDC مبتنی بر VSC در Matlab

این شبیه سازی یک مدل جامع از سیستم انتقال HVDC مبتنی بر مبدل منبع ولتاژ را ارائه می‌دهد که شامل مبدل‌های سه‌سطحی NPC، سیستم کنترل دیجیتال، لینک DC، فیلترهای هارمونیکی و تجهیزات حفاظتی است. بررسی نتایج نشان می‌دهد که فناوری VSC-HVDC قابلیت کنترل دقیق توان، عملکرد مناسب در برابر اغتشاشات شبکه و بازیابی سریع پس از خطاها را دارد.

مدل‌سازی چنین سیستم‌هایی در Matlab امکان تحلیل رفتار دینامیکی شبکه‌های قدرت، طراحی و ارزیابی کنترل‌کننده‌ها و مطالعه اثر تجهیزات مختلف بر پایداری سیستم را فراهم می‌کند. این شبیه سازی می‌تواند به عنوان یک نمونه کاربردی برای آموزش مفاهیم انتقال HVDC، کنترل مبدل‌های قدرت و تحلیل سیستم‌های انرژی مدرن مورد استفاده قرار گیرد.