مقدمه

کنترل توان در شبکه‌های انتقال فشارقوی یکی از مهم‌ترین چالش‌های صنعت برق به شمار می‌رود. افزایش بار شبکه، محدودیت توسعه خطوط انتقال و نیاز به بهره‌برداری بهینه از تجهیزات موجود باعث شده است که استفاده از تجهیزات FACTS یا سیستم‌های انتقال انعطاف‌پذیر AC به بخش مهمی از شبکه‌های مدرن قدرت تبدیل شود. یکی از پیشرفته‌ترین تجهیزات این خانواده، کنترل‌کننده یکپارچه توان یا Unified Power Flow Controller (UPFC) است که قابلیت کنترل همزمان ولتاژ، توان اکتیو و توان راکتیو را در خطوط انتقال فراهم می‌کند.

در این شبیه سازی، مدل دقیق یک UPFC مبتنی بر مبدل‌های ۴۸ پالسه GTO با ظرفیت ۱۰۰ مگاولت‌آمپر بررسی می‌شود. این مدل در محیط Matlab/Simulink و Simscape Electrical پیاده‌سازی شده و امکان مطالعه عملکرد تجهیز در شرایط مختلف بهره‌برداری را فراهم می‌کند. این شبیه سازی یکی از کامل‌ترین نمونه‌های آموزشی برای آشنایی با ساختار داخلی UPFC، الگوریتم‌های کنترلی و تأثیر آن بر عملکرد شبکه انتقال است.

معرفی کنترل‌کننده یکپارچه توان (UPFC)

UPFC پیشرفته‌ترین عضو خانواده FACTS محسوب می‌شود که قادر است به طور همزمان سه پارامتر اساسی شبکه یعنی ولتاژ، توان اکتیو (P) و توان راکتیو (Q) را کنترل کند. این تجهیز از دو مبدل منبع ولتاژ تشکیل شده است که از طریق یک باس DC مشترک به یکدیگر متصل هستند.

در این شبیه سازی، UPFC در یک شبکه انتقال ۵۰۰ کیلوولت نصب شده است. این تجهیز در ابتدای خط انتقال ۷۵ کیلومتری L2 و بین باس‌های B1 و B2 قرار گرفته و وظیفه آن کنترل توان عبوری از باس B2 و همچنین تثبیت ولتاژ باس B1 است.

ساختار مدل شبیه سازی

مدل ارائه شده از دو مبدل سه‌سطحی ۴۸ پالسه مبتنی بر کلیدهای GTO تشکیل شده است که هر کدام دارای ظرفیت نامی ۱۰۰ مگاولت‌آمپر هستند. یکی از این مبدل‌ها به صورت موازی (Shunt Converter) و دیگری به صورت سری (Series Converter) در شبکه قرار گرفته است.

مبدل موازی به باس B1 متصل شده و وظیفه تنظیم ولتاژ و تبادل توان راکتیو با شبکه را بر عهده دارد، در حالی که مبدل سری بین باس‌های B1 و B2 نصب شده و با تزریق ولتاژ کنترل‌شده، جریان توان عبوری از خط انتقال را تنظیم می‌کند.

ارتباط این دو مبدل از طریق یک لینک DC برقرار می‌شود که امکان انتقال توان اکتیو بین آن‌ها را فراهم می‌کند. این ویژگی موجب می‌شود هر دو مبدل بتوانند به صورت هماهنگ عمل کرده و کنترل بسیار دقیقی بر شرایط شبکه داشته باشند.

ویژگی‌های اصلی مدل

• سطح ولتاژ شبکه: ۵۰۰ کیلوولت
• ظرفیت هر مبدل: ۱۰۰ مگاولت‌آمپر
• استفاده از مبدل‌های سه‌سطحی ۴۸ پالسه
• کلیدهای قدرت از نوع GTO
• قابلیت تزریق حداکثر ۱۰ درصد ولتاژ نامی خط
• امکان تبادل توان اکتیو از طریق لینک DC
• کنترل همزمان ولتاژ، توان اکتیو و توان راکتیو

حالت‌های کاری UPFC

این مدل قابلیت عملکرد در سه مد مختلف را دارد که هر یک برای هدف خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

۱- حالت UPFC

در این وضعیت هر دو مبدل از طریق باس DC به یکدیگر متصل هستند و سیستم قادر است همزمان توان اکتیو، توان راکتیو و ولتاژ را کنترل کند. این حالت کامل‌ترین وضعیت بهره‌برداری از تجهیز محسوب می‌شود.

۲- حالت STATCOM

در این حالت تنها مبدل موازی فعال بوده و مانند یک جبران‌کننده سنکرون استاتیکی عمل می‌کند. هدف اصلی آن تثبیت ولتاژ باس و تولید یا جذب توان راکتیو است.

۳- حالت SSSC

در این مد، تنها مبدل سری مورد استفاده قرار می‌گیرد و با تزریق ولتاژ سری، امپدانس مؤثر خط انتقال را تغییر داده و جریان توان عبوری از شبکه را کنترل می‌کند.

رابط کاربری UPFC GUI

در این شبیه سازی یک محیط گرافیکی اختصاصی با عنوان UPFC GUI طراحی شده است که کاربر از طریق آن می‌تواند حالت عملکرد تجهیز را انتخاب کرده و مقادیر مرجع مختلف را تغییر دهد.

از طریق این رابط امکان تعیین مقادیر مرجع توان اکتیو، توان راکتیو، ولتاژ مرجع و همچنین تعریف تغییرات پله‌ای در زمان‌های مختلف وجود دارد. این قابلیت بررسی پاسخ دینامیکی سیستم را بسیار ساده می‌کند.

اصول عملکرد مبدل‌های ۴۸ پالسه

هر دو مبدل از ساختار ۴۸ پالسه استفاده می‌کنند. این ساختار باعث کاهش قابل توجه هارمونیک‌های تولیدی شده و شکل موج ولتاژ بسیار نزدیک به سینوسی ایجاد می‌کند. در مبدل موازی زاویه هدایت تقریباً ثابت باقی مانده و تنها ولتاژ باس DC تغییر می‌کند تا توان راکتیو تنظیم شود.

در مقابل، مبدل سری علاوه بر کنترل ولتاژ لینک DC، با تغییر زاویه هدایت می‌تواند دامنه ولتاژ تزریقی را نیز تغییر دهد. این موضوع انعطاف بسیار بالایی در کنترل توان شبکه ایجاد می‌کند.

کنترل توان در حالت UPFC

در اولین بخش این شبیه سازی عملکرد کامل UPFC بررسی می‌شود. در ابتدا مقادیر مرجع برابر با ۸۷۰ مگاوات توان اکتیو و منفی ۶۰ مگاوار توان راکتیو تنظیم می‌شوند.

در زمان ۰٫۲۵ ثانیه مقدار توان اکتیو به ۱۰۰۰ مگاوات افزایش یافته و در زمان ۰٫۵ ثانیه مقدار توان راکتیو به مثبت ۷۰ مگاوار تغییر می‌کند.

پس از اجرای شبیه سازی مشاهده می‌شود که سیستم ابتدا وارد یک گذرای کوتاه شده و سپس مقادیر توان به صورت نرم و پایدار به مقادیر جدید می‌رسند. این موضوع نشان‌دهنده عملکرد مناسب کنترل‌کننده‌های داخلی UPFC است.

رفتار مبدل موازی (STATCOM)

در بخش مربوط به STATCOM شکل موج‌های ولتاژ و جریان قابل مشاهده هستند. ولتاژ تولید شده توسط مبدل دارای ساختار ۴۸ پله‌ای بوده و به دلیل تعداد زیاد پالس‌ها، اعوجاج هارمونیکی بسیار کمی دارد.

همچنین ولتاژ لینک DC در بازه تقریبی ۱۹ تا ۲۱ کیلوولت تغییر می‌کند تا توان راکتیو مورد نیاز شبکه تأمین شود.

رفتار مبدل سری (SSSC)

در سمت سری، ولتاژ تزریق شده بین باس‌های B1 و B2 اندازه‌گیری می‌شود. این ولتاژ مستقیماً روی توان عبوری از خط انتقال اثر گذاشته و امکان کنترل دقیق جریان توان را فراهم می‌کند.

در حالت UPFC زاویه و دامنه ولتاژ تزریقی هر دو قابل تغییر هستند که همین موضوع قابلیت کنترل مستقل توان اکتیو و راکتیو را ایجاد می‌کند.

کنترل توان راکتیو در حالت STATCOM

در آزمایش دوم، سیستم در حالت STATCOM قرار می‌گیرد. در این وضعیت مقدار توان راکتیو ابتدا صفر بوده و سپس در زمان مشخص به مثبت ۰٫۸ پریونیت تغییر می‌کند. پس از آن مقدار توان راکتیو به منفی ۰٫۸ پریونیت تغییر داده می‌شود.

نتایج نشان می‌دهد که تنها در مدت یک سیکل، اختلاف فاز جریان نسبت به ولتاژ از ۹۰ درجه پس‌فاز به ۹۰ درجه پیش‌فاز تغییر می‌کند. این پاسخ سریع یکی از مهم‌ترین مزایای STATCOM در مقایسه با جبران‌کننده‌های سنتی است.

همزمان ولتاژ لینک DC از حدود ۱۷٫۵ کیلوولت به حدود ۲۱ کیلوولت افزایش پیدا می‌کند تا توان راکتیو مورد نیاز تأمین شود.

تزریق ولتاژ در حالت SSSC

در آزمایش سوم، تجهیز در حالت SSSC قرار می‌گیرد. ولتاژ تزریقی ابتدا صفر بوده و در زمان ۰٫۳ ثانیه به مقدار ۰٫۰۸ پریونیت افزایش پیدا می‌کند.

در این حالت مبدل سری با زاویه هدایت ثابت کار می‌کند و کنترل دامنه ولتاژ صرفاً از طریق تغییر ولتاژ لینک DC انجام می‌شود. ولتاژ و جریان همواره تقریباً در حالت متعامد باقی می‌مانند و بنابراین تجهیز مشابه یک راکتانس قابل کنترل رفتار می‌کند.

ناحیه قابل کنترل توان

یکی از ویژگی‌های مهم این مدل، نمایش ناحیه قابل کنترل توان اکتیو و راکتیو است. با ثابت نگه داشتن دامنه ولتاژ تزریقی و تغییر زاویه آن بین صفر تا ۳۶۰ درجه، مجموعه‌ای از نقاط قابل دستیابی در صفحه P-Q تشکیل می‌شود که به صورت یک ناحیه بیضوی نمایش داده می‌شود.

تمام نقاط داخل این ناحیه توسط UPFC قابل دستیابی هستند و این موضوع نشان‌دهنده انعطاف بسیار زیاد این تجهیز در مدیریت توان شبکه است.

مزایای استفاده از UPFC

• کنترل همزمان توان اکتیو و توان راکتیو
• تنظیم دقیق ولتاژ شبکه
• افزایش ظرفیت انتقال خطوط موجود
• بهبود پایداری دینامیکی سیستم قدرت
• کاهش نوسانات توان
• افزایش کیفیت توان
• کاهش احتمال اضافه‌بار خطوط انتقال
• واکنش بسیار سریع به تغییرات بار
• قابلیت عملکرد در سه حالت UPFC، STATCOM و SSSC
• کاهش هارمونیک‌ها با استفاده از مبدل ۴۸ پالسه

کاربردهای صنعتی

UPFC در شبکه‌های انتقال فشارقوی، خطوط بین‌ناحیه‌ای، شبکه‌های دارای تراکم بار بالا، اتصال نیروگاه‌های بزرگ، خطوط انتقال طولانی و همچنین پروژه‌های بهبود پایداری سیستم قدرت کاربرد گسترده‌ای دارد. بسیاری از شرکت‌های برق از این تجهیز برای افزایش ظرفیت انتقال بدون نیاز به احداث خطوط جدید استفاده می‌کنند.

جمع‌بندی

این شبیه سازی یکی از جامع‌ترین مدل‌های موجود برای بررسی عملکرد کنترل‌کننده یکپارچه توان در محیط Matlab محسوب می‌شود. مدل ارائه‌شده علاوه بر نمایش ساختار واقعی مبدل‌های ۴۸ پالسه مبتنی بر GTO، رفتار تجهیز را در سه حالت مختلف UPFC، STATCOM و SSSC به صورت دقیق شبیه‌سازی می‌کند. بررسی پاسخ دینامیکی سیستم، تغییرات توان اکتیو و راکتیو، تنظیم ولتاژ باس، عملکرد لینک DC و نحوه تزریق ولتاژ سری، دید مناسبی از عملکرد عملی این تجهیز در شبکه‌های انتقال ایجاد می‌کند. به همین دلیل این شبیه سازی می‌تواند منبع بسیار ارزشمندی برای دانشجویان، پژوهشگران و مهندسان سیستم قدرت باشد که قصد آشنایی عمیق با تجهیزات FACTS و روش‌های پیشرفته کنترل توان در شبکه‌های انتقال را دارند.