مقدمه

جبران‌سازی سری یکی از مهم‌ترین روش‌های افزایش ظرفیت انتقال توان در خطوط انتقال فشارقوی محسوب می‌شود. با رشد روزافزون مصرف انرژی الکتریکی، توسعه شبکه‌های انتقال و نیاز به بهره‌برداری بهینه از تجهیزات موجود، استفاده از تجهیزات FACTS یا Flexible AC Transmission Systems اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده است. یکی از پرکاربردترین تجهیزات این خانواده، Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC) است که با کنترل امپدانس سری خط انتقال، امکان افزایش ظرفیت انتقال توان، بهبود پایداری شبکه و کنترل جریان توان را فراهم می‌کند.

در محیط Simulink و Simscape Electrical نرم‌افزار Matlab، امکان شبیه سازی TCSC با دو رویکرد اصلی وجود دارد. روش نخست، مدل دقیق مبتنی بر کلیدزنی تریستورها است که تمامی پدیده‌های گذرا را با دقت بالا مدل می‌کند. روش دوم، مدل فازوری یا Phasor Model است که تنها رفتار سیستم در فرکانس اصلی را در نظر گرفته و اثرات گذرای ناشی از کلیدزنی را حذف می‌کند. اگرچه این مدل نسبت به مدل دقیق از نظر نمایش گذراها محدودیت‌هایی دارد، اما سرعت بسیار بالاتری در شبیه سازی داشته و برای مطالعات بهره‌برداری، کنترل و تحلیل حالت ماندگار گزینه‌ای بسیار مناسب به شمار می‌رود.

مدل فازوری TCSC

در مدل فازوری، TCSC به جای مدل‌سازی مستقیم تریستورها، به صورت یک امپدانس معادل وابسته به زاویه آتش در فرکانس اصلی شبکه نمایش داده می‌شود. در این روش تمامی هارمونیک‌ها، کلیدزنی‌های سریع و پدیده‌های گذرای الکترومغناطیسی حذف شده و تنها رفتار بنیادی سیستم مورد بررسی قرار می‌گیرد.

به دلیل همین ساده‌سازی، زمان شبیه سازی به میزان قابل توجهی کاهش پیدا می‌کند و امکان تحلیل شبکه‌های بزرگ در مدت زمان کوتاه فراهم می‌شود. با وجود این ساده‌سازی، مقایسه نتایج مدل فازوری با مدل دقیق تریستوری نشان می‌دهد که در شرایط ماندگار تطابق بسیار خوبی میان دو مدل وجود دارد و تنها اختلاف‌های کوچکی ناشی از مقاومت تریستورها و سایر تلفات واقعی تجهیز مشاهده می‌شود که در مدل فازوری لحاظ نشده‌اند.

ساختار سیستم مورد مطالعه

در این شبیه سازی، یک تجهیز TCSC بر روی یک خط انتقال بلند 500 کیلوولت نصب شده است. هدف اصلی از نصب این تجهیز، افزایش ظرفیت انتقال توان و کنترل امپدانس مؤثر خط انتقال است.

در ابتدای شبیه سازی، TCSC توسط یک کلید قدرت از مدار خارج شده و عملاً خط انتقال بدون جبران‌سازی سری کار می‌کند. در این وضعیت توان انتقالی حدود 110 مگاوات است. پس از وارد شدن TCSC به مدار، امپدانس مؤثر خط کاهش یافته و ظرفیت انتقال توان به شکل چشمگیری افزایش پیدا می‌کند.

در این مدل، TCSC به صورت یک منبع ولتاژ قابل کنترل در هر فاز مدل شده است. مقدار ولتاژ تولید شده حاصل ضرب جریان خط در امپدانس معادل تجهیز بوده و این امپدانس نیز تابع زاویه آتش تریستورها است.

درصد جبران‌سازی و مشخصات تجهیز

در این سیستم مقدار نامی جبران‌سازی برابر با 75 درصد در نظر گرفته شده است. این مقدار متناظر با حالتی است که زاویه آتش برابر با 90 درجه بوده و تنها بانک خازنی در مدار قرار دارد.

فرکانس طبیعی نوسانات TCSC حدود 163 هرتز است که تقریباً 2.7 برابر فرکانس اصلی شبکه محسوب می‌شود. این ویژگی نقش مهمی در تحلیل رفتار دینامیکی تجهیز و جلوگیری از وقوع تشدید ایفا می‌کند.

مد عملکرد خازنی و سلفی

TCSC قادر است در دو مد اصلی خازنی و سلفی فعالیت کند. اگرچه هر دو مد در مدل پیاده‌سازی شده‌اند، اما در شبکه‌های واقعی معمولاً از مد خازنی استفاده می‌شود زیرا هدف اصلی افزایش ظرفیت انتقال توان است.

در مد خازنی، زاویه آتش بین 69 تا 90 درجه تغییر می‌کند. هرچه زاویه آتش به سمت 69 درجه کاهش یابد، امپدانس سری کاهش یافته و در نتیجه توان انتقالی افزایش پیدا می‌کند. محدوده امپدانس در این حالت تقریباً بین 120 تا 136 اهم قرار دارد که معادل انتقال توانی در بازه حدود 490 تا 830 مگاوات است.

این اعداد به خوبی نشان می‌دهند که استفاده از TCSC می‌تواند ظرفیت انتقال یک خط را نسبت به حالت بدون جبران‌سازی، چندین برابر افزایش دهد.

محدوده ممنوعه تشدید

یکی از مهم‌ترین نکات در بهره‌برداری از TCSC جلوگیری از ورود به ناحیه تشدید است. برای این تجهیز، نقطه تشدید در حدود زاویه آتش 58 درجه رخ می‌دهد. به همین دلیل بازه 49 تا 69 درجه به عنوان محدوده ممنوعه در نظر گرفته شده و کنترل‌کننده اجازه ورود به این ناحیه را نمی‌دهد.

با در نظر گرفتن امپدانس کل خط انتقال، نقطه تشدید کلی سیستم نیز در حدود 67 درجه قرار می‌گیرد که اهمیت طراحی مناسب کنترل‌کننده را دوچندان می‌کند.

عملکرد در مد سلفی

در مد سلفی، زاویه آتش بین صفر تا 49 درجه تنظیم می‌شود. در این وضعیت TCSC به جای کاهش امپدانس خط، موجب افزایش امپدانس مؤثر شده و بنابراین توان انتقالی کاهش پیدا می‌کند.

محدوده امپدانس در این حالت بین 19 تا 60 اهم قرار دارد و توان انتقالی تقریباً از 100 مگاوات تا 85 مگاوات تغییر می‌کند. اگرچه این مد در کاربردهای عملی کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما برای برخی شرایط خاص مانند محدودسازی جریان یا کنترل دینامیکی شبکه می‌تواند مفید باشد.

کنترل امپدانس در TCSC

کنترل‌کننده TCSC وظیفه دارد مقدار امپدانس معادل تجهیز را مطابق مقدار مرجع تنظیم کند. برای این منظور از اندازه‌گیری همزمان ولتاژ و جریان خط استفاده شده و مقدار امپدانس لحظه‌ای محاسبه می‌شود.

مقدار مرجع امپدانس به صورت غیرمستقیم میزان توان انتقالی را تعیین می‌کند. هرچند می‌توان کنترل‌کننده را به گونه‌ای توسعه داد که مستقیماً توان انتقالی را کنترل کند، اما در این مدل کنترل بر اساس امپدانس انجام می‌شود.

ساختار کنترل‌کننده

برای هر یک از مدهای کاری، یک کنترل‌کننده PI مستقل طراحی شده است تا عملکرد سیستم در تمامی شرایط مناسب باشد. علاوه بر آن، در مد خازنی از یک جبران‌ساز پیش‌فاز نیز استفاده شده است تا پاسخ دینامیکی سیستم بهبود یابد.

یکی دیگر از ویژگی‌های مهم این مدل، استفاده از کنترل تطبیقی است. این بخش با تغییر ضرایب کنترل‌کننده متناسب با شرایط کاری، تغییرات بهره سیستم را جبران کرده و باعث می‌شود عملکرد کنترل‌کننده در گستره وسیعی از امپدانس‌ها یکنواخت باقی بماند.

روند شبیه سازی

در ابتدای شبیه سازی و طی 0.5 ثانیه نخست، TCSC توسط کلید قدرت از مدار خارج شده است. در این بازه، خط انتقال همانند یک خط معمولی عمل کرده و توان انتقالی حدود 110 مگاوات است.

در لحظه 0.5 ثانیه، تجهیز وارد مدار شده و کنترل‌کننده مقدار امپدانس را روی 128 اهم تنظیم می‌کند. در نتیجه توان انتقالی به حدود 610 مگاوات افزایش می‌یابد که بیانگر عملکرد بسیار مؤثر TCSC در افزایش ظرفیت انتقال توان است.

همچنین کنترل‌کننده برای جلوگیری از ایجاد اغتشاش ناگهانی در شبکه، فرآیند راه‌اندازی را با زاویه آتش 90 درجه آغاز می‌کند تا کمترین میزان اختلال در ولتاژ و جریان خط ایجاد شود.

بررسی پاسخ دینامیکی

در ادامه شبیه سازی، در زمان 2.5 ثانیه مقدار مرجع امپدانس به میزان 5 درصد تغییر داده می‌شود. پاسخ سیستم نشان می‌دهد که کنترل‌کننده قادر است مقدار امپدانس جدید را با دقت مناسبی دنبال کند و زمان نشست تقریباً برابر با 500 میلی‌ثانیه است.

در زمان 3.3 ثانیه نیز یک افت ولتاژ معادل 4 درصد در منبع اعمال می‌شود. این اغتشاش تا زمان 3.8 ثانیه ادامه داشته و سپس ولتاژ مجدداً به مقدار نامی بازمی‌گردد.

نتایج نشان می‌دهد که کنترل‌کننده TCSC تأثیر این اغتشاش را به خوبی جبران کرده و مقدار امپدانس تقریباً ثابت باقی می‌ماند. زمان پاسخ تجهیز در این شرایط حدود 200 تا 300 میلی‌ثانیه است که برای بسیاری از کاربردهای کنترلی شبکه انتقال کاملاً مناسب ارزیابی می‌شود.

مزایا و محدودیت‌های مدل فازوری

مهم‌ترین مزیت مدل فازوری، سرعت بسیار بالای شبیه سازی است. حذف کلیدزنی تریستورها و صرف‌نظر کردن از مؤلفه‌های گذرا باعث می‌شود اجرای مدل حتی برای شبکه‌های بزرگ نیز با سرعت مناسبی انجام شود.

این مدل برای تحلیل حالت ماندگار، طراحی کنترل‌کننده‌ها، بررسی ظرفیت انتقال توان، مطالعه تغییرات امپدانس و تحلیل عملکرد کلی سیستم گزینه‌ای بسیار مناسب محسوب می‌شود.

در مقابل، برای بررسی پدیده‌هایی مانند کلیدزنی تریستورها، اضافه ولتاژهای لحظه‌ای، هارمونیک‌ها، جریان‌های گذرا و رفتار دقیق الکترومغناطیسی سیستم، استفاده از مدل دقیق مبتنی بر تریستور توصیه می‌شود؛ زیرا مدل فازوری قادر به نمایش دقیق این پدیده‌ها نیست.

جمع‌بندی

شبیه سازی مدل فازوری TCSC در Matlab ابزاری قدرتمند برای تحلیل عملکرد این تجهیز در شبکه‌های انتقال فشارقوی است. این مدل با استفاده از امپدانس معادل در فرکانس اصلی، رفتار تجهیز را با دقت مناسبی در حالت ماندگار نمایش می‌دهد و در عین حال زمان اجرای شبیه سازی را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که TCSC می‌تواند ظرفیت انتقال توان را از حدود 110 مگاوات به بیش از 600 مگاوات افزایش دهد، اغتشاشات ولتاژ را جبران کند، امپدانس خط را با دقت کنترل نماید و پاسخ دینامیکی مناسبی در برابر تغییرات مرجع و اغتشاشات شبکه ارائه دهد. به همین دلیل، این مدل یکی از مناسب‌ترین گزینه‌ها برای مطالعه عملکرد تجهیزات FACTS، طراحی سیستم‌های کنترلی و ارزیابی رفتار شبکه‌های انتقال قدرت در محیط Matlab و Simulink به شمار می‌رود.