مقدمه

جبران‌کننده استاتیکی سنکرون توزیع یا D-STATCOM یکی از مهم‌ترین تجهیزات سیستم‌های قدرت مدرن برای کنترل ولتاژ، بهبود کیفیت توان و جبران توان راکتیو در شبکه‌های توزیع است. با افزایش استفاده از بارهای غیرخطی، تجهیزات صنعتی با تغییرات سریع بار و همچنین منابع تولید پراکنده، اهمیت استفاده از تجهیزاتی مانند D-STATCOM بیش از گذشته شده است. یکی از بهترین محیط‌ها برای بررسی عملکرد این تجهیز، نرم‌افزار Matlab و به‌ویژه محیط Simulink و Specialized Power Systems است که امکان تحلیل رفتار سیستم در شرایط مختلف بهره‌برداری را فراهم می‌کند.

در این شبیه سازی، مدل میانگین (Average Model) مربوط به D-STATCOM مورد بررسی قرار می‌گیرد. این مدل به جای نمایش جزئیات کلیدزنی نیمه‌هادی‌های قدرت، رفتار متوسط مبدل را در هر سیکل سوئیچینگ نمایش می‌دهد. نتیجه این روش، کاهش قابل توجه زمان شبیه سازی و امکان تحلیل رفتار سیستم در بازه‌های زمانی طولانی‌تر بدون کاهش محسوس دقت در تحلیل دینامیکی سیستم قدرت است.

مقایسه مدل Detailed و Average

برای مدل‌سازی مبدل‌های منبع ولتاژ (Voltage Source Converter یا VSC) در محیط Specialized Power Systems معمولاً دو روش اصلی وجود دارد که هر کدام برای اهداف متفاوتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. انتخاب هر روش به محدوده فرکانسی مورد نیاز، دقت تحلیل و مدت زمان شبیه سازی بستگی دارد.

مدل Detailed

در مدل Detailed تمام کلیدهای IGBT، مدارهای PWM و فرآیند واقعی سوئیچینگ با جزئیات کامل مدل می‌شوند. در این روش تمامی هارمونیک‌های تولید شده توسط مبدل قابل مشاهده بوده و رفتار واقعی تجهیزات قدرت با دقت بسیار بالایی شبیه سازی می‌شود.

از آنجا که فرکانس کلیدزنی این مثال برابر با 1680 هرتز است، لازم است گام زمانی بسیار کوچکی در حدود 5 میکروثانیه انتخاب شود تا دقت محاسبات حفظ گردد. این موضوع باعث افزایش زمان اجرای شبیه سازی می‌شود، اما در مقابل امکان بررسی دقیق هارمونیک‌ها، عملکرد PWM و پاسخ گذرای کنترل‌کننده را فراهم می‌کند.

مدل Average

در مدل میانگین، دیگر خبری از مدل دقیق IGBTها و فرآیند سوئیچینگ نیست. در عوض، مبدل منبع ولتاژ توسط منابع ولتاژ معادل مدل می‌شود که مقدار متوسط ولتاژ تولید شده در هر سیکل سوئیچینگ را ایجاد می‌کنند. بنابراین هارمونیک‌های ناشی از PWM در این مدل دیده نمی‌شوند.

اگرچه اطلاعات مربوط به هارمونیک‌ها حذف می‌شود، اما دینامیک سیستم کنترل، تبادل توان راکتیو، رفتار گذرا و پاسخ ولتاژ شبکه همچنان با دقت مناسبی حفظ می‌شوند. همین موضوع باعث می‌شود بتوان از گام زمانی بزرگ‌تر در حدود 40 تا 50 میکروثانیه استفاده کرد و مدت زمان شبیه سازی را تا چندین ثانیه افزایش داد.

مدل Phasor

روش دیگری نیز برای تحلیل سیستم‌های قدرت وجود دارد که با عنوان مدل فازوری شناخته می‌شود. این روش برای تحلیل‌های بلندمدت بسیار مناسب است، اما در مثال حاضر برای D-STATCOM ارائه نشده و تنها برای تجهیز STATCOM در برخی مدل‌های دیگر نرم‌افزار Matlab قابل استفاده است.

ساختار شبکه مورد مطالعه

در این شبیه سازی یک شبکه توزیع 25 کیلوولت مورد بررسی قرار گرفته است که توسط D-STATCOM کنترل می‌شود. انرژی الکتریکی از طریق دو فیدر با طول‌های 21 کیلومتر و 2 کیلومتر به دو بار متصل در باس‌های B2 و B3 منتقل می‌شود.

در باس B2 یک بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان نصب شده است. همچنین در باس B3 یک بار صنعتی از طریق ترانسفورماتور 25kV/600V به شبکه متصل شده که رفتار آن مشابه کوره قوس الکتریکی است. این بار به طور مداوم جریان متغیری از شبکه دریافت می‌کند و در نتیجه موجب ایجاد پدیده فلیکر ولتاژ می‌شود.

توان ظاهری این بار به صورت تناوبی و با فرکانس 5 هرتز بین حدود 1 مگاولت‌آمپر تا 5.2 مگاولت‌آمپر تغییر می‌کند، در حالی که ضریب توان آن برابر با 0.9 پس‌فاز باقی می‌ماند. چنین شرایطی محیط مناسبی برای بررسی عملکرد D-STATCOM در کاهش نوسانات ولتاژ فراهم می‌کند.

نحوه عملکرد D-STATCOM

وظیفه اصلی D-STATCOM تثبیت ولتاژ باس B3 است. این تجهیز با جذب یا تزریق توان راکتیو، ولتاژ شبکه را در مقدار مطلوب نگه می‌دارد. انتقال توان راکتیو از طریق راکتانس نشتی ترانسفورماتور کوپلینگ انجام می‌شود.

اگر ولتاژ تولید شده توسط مبدل کمتر از ولتاژ شبکه باشد، D-STATCOM همانند یک سلف رفتار کرده و توان راکتیو را جذب می‌کند. در مقابل، زمانی که ولتاژ مبدل از ولتاژ شبکه بیشتر باشد، تجهیز همانند یک خازن عمل کرده و توان راکتیو به شبکه تزریق می‌کند.

همین قابلیت تغییر سریع بین حالت سلفی و خازنی باعث می‌شود D-STATCOM بتواند تغییرات سریع ولتاژ را در مدت زمان بسیار کوتاهی جبران کند.

اجزای تشکیل‌دهنده D-STATCOM

ترانسفورماتور کوپلینگ

ترانسفورماتور 25kV/1.25kV ارتباط بین اینورتر و شبکه توزیع را برقرار می‌کند و علاوه بر ایزولاسیون الکتریکی، انتقال توان راکتیو را نیز امکان‌پذیر می‌سازد.

اینورتر منبع ولتاژ

در مدل میانگین، اینورتر PWM توسط سه منبع ولتاژ معادل مدل شده است. این منابع، ولتاژ متوسط خروجی اینورتر را تولید می‌کنند. در سمت DC نیز یک منبع جریان معادل وظیفه شارژ خازن لینک DC را بر عهده دارد تا تعادل توان بین دو سمت AC و DC حفظ شود.

فیلترهای LC

در خروجی اینورتر از فیلترهای LC استفاده شده است. مقاومت‌های سری متصل به خازن‌ها باعث ایجاد ضریب کیفیت حدود 40 در فرکانس 60 هرتز می‌شوند و از تشدید ناخواسته جلوگیری می‌کنند.

خازن لینک DC

یک خازن با ظرفیت 10000 میکروفاراد انرژی مورد نیاز اینورتر را ذخیره کرده و ولتاژ DC مورد نیاز سیستم را تأمین می‌کند. پایداری این ولتاژ نقش مهمی در عملکرد صحیح D-STATCOM دارد.

سیستم اندازه‌گیری

برای اندازه‌گیری دقیق ولتاژ و جریان از فیلترهای Anti-Aliasing استفاده شده است تا نویزهای فرکانس بالا حذف شوند و داده‌های مناسب برای کنترل‌کننده فراهم گردد.

ساختار کنترل‌کننده D-STATCOM

کنترل‌کننده این تجهیز از چندین بخش مستقل تشکیل شده است که هر یک وظیفه مشخصی بر عهده دارند و در کنار یکدیگر عملکرد پایدار سیستم را تضمین می‌کنند.

حلقه قفل فاز (PLL)

PLL وظیفه همگام‌سازی کنترل‌کننده با ولتاژ اصلی شبکه را بر عهده دارد. تمام محاسبات مربوط به تبدیل مختصات و کنترل جریان بر اساس زاویه استخراج شده توسط PLL انجام می‌شود.

تبدیل abc به dq

سیستم اندازه‌گیری، مؤلفه‌های سه‌فاز ولتاژ و جریان را به محورهای d و q تبدیل می‌کند. این تبدیل امکان طراحی کنترل‌کننده‌های PI ساده و دقیق را فراهم می‌سازد.

حلقه داخلی کنترل جریان

در این قسمت دو کنترل‌کننده PI مستقل جریان‌های محور d و q را کنترل می‌کنند. خروجی این کنترل‌کننده‌ها ولتاژهای Vd و Vq هستند که در نهایت به ولتاژهای سه‌فاز Va، Vb و Vc تبدیل شده و به اینورتر اعمال می‌شوند.

حلقه خارجی کنترل ولتاژ

این کنترل‌کننده مقدار ولتاژ باس B3 را با مقدار مرجع مقایسه کرده و جریان راکتیو مورد نیاز را تعیین می‌کند تا ولتاژ شبکه در مقدار مطلوب باقی بماند.

کنترل‌کننده ولتاژ لینک DC

یکی دیگر از بخش‌های مهم کنترل‌کننده، تنظیم ولتاژ لینک DC در مقدار نامی 2.4 کیلوولت است. این بخش از طریق کنترل جریان محور d، انرژی ذخیره شده در خازن DC را در مقدار مطلوب نگه می‌دارد.

تنظیمات شبیه سازی

مدار قدرت با گام زمانی 40 میکروثانیه گسسته شده است، در حالی که کنترل‌کننده با گام زمانی 160 میکروثانیه اجرا می‌شود. این انتخاب باعث ایجاد تعادل مناسبی میان سرعت شبیه سازی و دقت محاسبات شده است.

آزمایش اول: بررسی پاسخ دینامیکی D-STATCOM

در اولین آزمایش، تغییرات بار غیرفعال شده و تنها تغییرات ولتاژ منبع بررسی می‌شود. ولتاژ منبع ابتدا در مقدار 1.077 پریونیت تنظیم شده است تا D-STATCOM در حالت شناور قرار گیرد و هیچ توان راکتیوی مبادله نکند.

سپس سه تغییر پله‌ای در زمان‌های 0.2، 0.3 و 0.4 ثانیه اعمال می‌شود. با افزایش 6 درصدی ولتاژ، D-STATCOM به سرعت وارد حالت سلفی شده و حدود 2.7 مگاوار توان راکتیو جذب می‌کند. پس از کاهش ولتاژ، تجهیز به حالت خازنی تغییر وضعیت داده و حدود 2.8 مگاوار توان راکتیو به شبکه تزریق می‌کند.

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این تجهیز، سرعت بسیار بالای تغییر جهت توان راکتیو است که تقریباً در مدت یک سیکل شبکه انجام می‌شود. همچنین شاخص مدولاسیون اینورتر از حدود 0.56 به 0.9 افزایش پیدا می‌کند تا ولتاژ لازم برای جبران شبکه تولید شود.

آزمایش دوم: کاهش فلیکر ولتاژ

در دومین آزمایش، ولتاژ منبع ثابت نگه داشته شده و تغییرات بار متغیر فعال می‌شود تا اثر فلیکر ولتاژ مشاهده گردد. در ابتدا D-STATCOM در حالت تنظیم توان راکتیو قرار دارد و مقدار مرجع توان راکتیو صفر انتخاب می‌شود. در این وضعیت تجهیز هیچ‌گونه اصلاح ولتاژی انجام نمی‌دهد.

نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد که بدون استفاده از D-STATCOM، ولتاژ باس B3 بین 0.96 تا 1.04 پریونیت تغییر می‌کند که معادل نوسان حدود ±4 درصد است. چنین نوسانی می‌تواند باعث ایجاد مشکلات جدی برای تجهیزات حساس صنعتی شود.

در ادامه، حالت کنترل‌کننده به تنظیم ولتاژ تغییر داده می‌شود. اکنون D-STATCOM با تزریق و جذب متناوب جریان راکتیو در فرکانس 5 هرتز، نوسانات ولتاژ را جبران می‌کند. نتیجه این عملکرد، کاهش دامنه نوسانات ولتاژ از حدود ±4 درصد به تنها ±0.7 درصد است که نشان‌دهنده عملکرد بسیار مؤثر این تجهیز در بهبود کیفیت توان شبکه است.

جمع‌بندی

مدل میانگین D-STATCOM در Matlab راهکاری بسیار مناسب برای تحلیل عملکرد دینامیکی این تجهیز در شبکه‌های توزیع محسوب می‌شود. اگرچه در این مدل هارمونیک‌های ناشی از کلیدزنی نمایش داده نمی‌شوند، اما رفتار سیستم کنترل، تبادل توان راکتیو، پاسخ گذرا و تعامل تجهیز با شبکه با دقت مناسبی حفظ می‌شود. استفاده از گام زمانی بزرگ‌تر نسبت به مدل Detailed موجب کاهش چشمگیر زمان شبیه سازی شده و امکان بررسی سناریوهای طولانی‌تر را فراهم می‌کند. نتایج این شبیه سازی نیز نشان می‌دهد که D-STATCOM قادر است در مدت زمانی بسیار کوتاه به تغییرات ولتاژ پاسخ داده و با کنترل مؤثر توان راکتیو، نوسانات ولتاژ و پدیده فلیکر را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. به همین دلیل این تجهیز یکی از مؤثرترین راهکارهای افزایش کیفیت توان و پایداری ولتاژ در شبکه‌های توزیع مدرن به شمار می‌رود.