خطوط انتقال فشارقوی یکی از مهم‌ترین اجزای شبکه‌های قدرت هستند و عملکرد مطمئن آن‌ها تأثیر مستقیمی بر پایداری، ظرفیت انتقال توان و قابلیت اطمینان شبکه دارد. در شبکه‌های انتقال، توزیع نامناسب توان بین خطوط می‌تواند باعث افزایش بارگذاری برخی خطوط، کاهش ظرفیت بهره‌برداری و حتی ایجاد شرایط نامطلوب برای پایداری سیستم شود. از سوی دیگر، تجمع یخ روی هادی‌های خطوط انتقال، به‌ویژه در مناطق سردسیر، می‌تواند وزن و بار مکانیکی هادی‌ها را افزایش داده و در شرایط شدید موجب آسیب به تجهیزات و کاهش قابلیت اطمینان شبکه شود.

یکی از فناوری‌هایی که می‌تواند هم‌زمان برای کنترل توان عبوری خطوط انتقال و یخ‌زدایی الکتریکی هادی‌ها مورد استفاده قرار گیرد، مدولاتور امپدانس خط یا Line Impedance Modulator (LIM) است. این تجهیز در دسته فناوری‌های FACTS توزیع‌شده قرار می‌گیرد و با تغییر امپدانس مؤثر خط انتقال، امکان کنترل جریان و توان عبوری از مسیرهای مختلف شبکه را فراهم می‌کند. ویژگی مهم فناوری LIM این است که علاوه بر کنترل امپدانس خط، می‌تواند جریان هر فاز را به‌صورت انتخابی در یکی از زیرهادی‌های باندل متمرکز کند. از این ویژگی می‌توان برای افزایش جریان یک زیرهادی و تولید گرمای ژولی جهت ذوب یخ استفاده کرد.

مدولاتور امپدانس خط کنترل‌شده با باندل چیست؟

در خطوط انتقال فشارقوی، به‌خصوص خطوط با سطح ولتاژ بسیار بالا، هر فاز ممکن است از چند هادی موازی تشکیل شده باشد که مجموعه آن‌ها یک Bundle را تشکیل می‌دهد. استفاده از چند زیرهادی باعث کاهش میدان الکتریکی، کاهش اثر کرونا و بهبود ظرفیت انتقال توان می‌شود. فناوری Bundle-Controlled Line Impedance Modulator از همین ساختار برای کنترل امپدانس و جریان استفاده می‌کند.

در ساختار LIM، کلیدهایی به‌صورت سری با هر یک از زیرهادی‌های باندل قرار می‌گیرند. با تغییر وضعیت این کلیدها می‌توان تعداد زیرهادی‌های در حال هدایت جریان را تغییر داد. زمانی که تمام زیرهادی‌ها در مدار قرار دارند، امپدانس خط در مقدار پایین‌تری قرار می‌گیرد. با باز کردن تعدادی از کلیدها، تعداد زیرهادی‌های فعال کاهش یافته و امپدانس مؤثر خط افزایش پیدا می‌کند.

این قابلیت باعث می‌شود LIM بتواند مانند یک عنصر کنترل‌کننده امپدانس در شبکه انتقال عمل کند. از آنجا که توان اکتیو عبوری از یک خط به امپدانس مسیر و اختلاف زاویه بین باس‌ها وابسته است، تغییر کنترل‌شده امپدانس می‌تواند موجب انتقال بخشی از توان از یک خط به خط دیگر شود.

اصل عملکرد LIM در کنترل توان

در یک شبکه انتقال چندمسیره، توان به‌صورت مساوی بین خطوط توزیع نمی‌شود، بلکه توزیع توان به امپدانس الکتریکی مسیرها وابسته است. بنابراین اگر دو خط موازی دارای طول یا امپدانس متفاوت باشند، مقدار توان عبوری از آن‌ها نیز متفاوت خواهد بود.

در شبیه‌سازی مورد بررسی، سه خط انتقال 735 کیلوولت بین دو بخش شبکه قرار گرفته‌اند. خطوط L1 و L2 خطوط انتقال معمولی هستند، در حالی که خط L3 به یک ساختار LIM مجهز شده است. با افزایش امپدانس L3، بخشی از توان که در شرایط اولیه از این خط عبور می‌کند، به سایر مسیرها منتقل می‌شود. به این ترتیب می‌توان بارگذاری خطوط را مدیریت کرد.

این ویژگی برای شبکه‌هایی که در آن‌ها یک خط انتقال بیش از حد بارگذاری شده است اهمیت زیادی دارد. با افزایش امپدانس مسیر موردنظر، جریان و توان عبوری از آن کاهش یافته و بخشی از توان به مسیرهای دیگر منتقل می‌شود. بنابراین LIM می‌تواند بدون نیاز به تغییر توپولوژی اصلی شبکه، توزیع توان را اصلاح کند.

ساختار شبکه در شبیه‌سازی Matlab

مدل مورد بررسی شامل دو ژنراتور و یک سیستم معادل با ظرفیت 10000 MVA است که توسط سه خط انتقال 735 کیلوولت به یکدیگر متصل شده‌اند. خط L1 دارای طول 30 کیلومتر و خط L2 دارای طول 90 کیلومتر است. خط L3 نیز دارای طول 60 کیلومتر بوده و دو ماژول کلیدزنی LIM در نقطه میانی آن قرار گرفته‌اند.

دو بخش خط L3 به همراه دو ماژول کلیدزنی، یک ساختار Back-to-Back LIM ایجاد می‌کنند. توان خروجی ژنراتورهای اول و دوم به‌ترتیب برابر 2400 و 2500 مگاوات در نظر گرفته شده است. همچنین هر یک از ژنراتورها با توجه به بارهای متصل، حدود 2000 مگاوات توان به باس‌های B1 و B2 تحویل می‌دهند.

در شرایطی که تمام کلیدهای LIM بسته هستند، خط L2 که طول بسیار بیشتری نسبت به L3 دارد، حدود 1573 مگاوات توان را منتقل می‌کند. توان عبوری از خطوط L1 و L3 نیز به‌ترتیب حدود 415 و 2404 مگاوات است. این مقادیر نشان می‌دهند که مسیر L3 به دلیل امپدانس کمتر نسبت به L2، سهم بسیار بیشتری از توان را منتقل می‌کند.

مدل‌سازی خطوط انتقال

هر بخش از خط انتقال در این شبیه‌سازی با استفاده از یک مدل Exact-Pi چهارده‌رسانه‌ای مدل شده است. این ساختار امکان در نظر گرفتن اثر متقابل الکتریکی و مغناطیسی بین هادی‌ها و زیرهادی‌های مختلف را فراهم می‌کند.

ماتریس‌های امپدانس و ادمیتانس 14×14 مربوط به خطوط انتقال به‌صورت خودکار در محیط Matlab بارگذاری می‌شوند. پارامترهای مقاومت، اندوکتانس و ظرفیت خازنی خطوط در فایل راه‌اندازی مدل با نام power_LineImpedanceModulator_init.m تعریف شده‌اند. همچنین این پارامترها از طریق بخش PreloadFcn در تنظیمات مدل در Workspace قرار می‌گیرند.

استفاده از مدل چندرسانه‌ای در این شبیه‌سازی اهمیت زیادی دارد، زیرا عملکرد LIM تنها به یک امپدانس ساده سه‌فاز محدود نمی‌شود. وضعیت هر یک از کلیدها می‌تواند روی جریان زیرهادی‌ها و مؤلفه‌های توالی سیستم تأثیر بگذارد. بنابراین مدل دقیق‌تر امکان بررسی رفتار گذرا و حالت ماندگار را فراهم می‌کند.

فرمان کنترل امپدانس LIM

در این مدل، فرمان تغییر امپدانس با سیگنالی با نام Zcmd مشخص می‌شود. این سیگنال در فاصله زمانی 0.5 تا 3 ثانیه از مقدار 1 به مقدار 1.642 پریونیت افزایش پیدا می‌کند.

مقدار Zcmd برابر 1 نشان‌دهنده شرایطی است که هر چهار زیرهادی در هر باندل در مدار قرار دارند. با افزایش این مقدار تا 1.642 pu، تعداد زیرهادی‌های فعال کاهش پیدا می‌کند تا در نهایت تنها یک زیرهادی در هر باندل در مدار باقی بماند.

در داخل زیرسیستم LIM، یک جدول Lookup وجود دارد که 58 ترکیب مناسب از وضعیت 24 کلید را به فرمان امپدانس موردنظر اختصاص می‌دهد. این ترکیب‌ها به‌گونه‌ای انتخاب شده‌اند که ضمن ایجاد امپدانس مطلوب، جریان‌های مؤلفه منفی و صفر از مقادیر اولیه بیشتر نشوند.

نکته مهم این است که 58 ترکیب مورد استفاده در این شبیه‌سازی تنها بخش بسیار کوچکی از ترکیب‌های ممکن است. برای یک جفت بخش BCL در مجموع 33752 ترکیب وضعیت کلیدها می‌تواند وجود داشته باشد. بنابراین طراحی جدول کلیدزنی نقش بسیار مهمی در عملکرد LIM دارد.

تغییرات توان عبوری در طول شبیه‌سازی

در لحظه شروع شبیه‌سازی، یعنی در زمان صفر، تمام کلیدهای LIM بسته هستند. در نتیجه امپدانس خط L3 در کمترین مقدار خود قرار دارد و توان قابل توجهی از این مسیر عبور می‌کند.

در زمان 0.5 ثانیه، فرمان Zcmd شروع به افزایش می‌کند. با تغییر تدریجی این فرمان، جدول Lookup ترکیب مناسب کلیدها را انتخاب کرده و وضعیت کلیدهای ماژول‌های سوئیچینگ تغییر می‌کند. از آنجا که ترکیب‌های کلیدزنی در این مدل با فاصله زمانی 0.1 ثانیه نمونه‌برداری می‌شوند، سیگنال پیوسته Zcmd به یک سیگنال گسسته با نام Zdisc تبدیل می‌شود.

در زمان 3 ثانیه، امپدانس LIM به بیشترین مقدار خود می‌رسد. در این شرایط، تنها یک زیرهادی در هر باندل در مدار باقی مانده است. نکته مهم در این مرحله آن است که توان عبوری از خطوط L2 و L3 تقریباً برابر می‌شود؛ حتی با وجود اینکه طول خط L2 حدود 50 درصد بیشتر از L3 است.

در این شرایط توان عبوری از خط L1 نیز به مقدار بسیار کوچکی نزدیک می‌شود. این نتیجه نشان می‌دهد که LIM می‌تواند مسیر جریان توان را در یک شبکه چندخطی به‌شکل مؤثر تغییر دهد.

رفتار گذرا هنگام تغییر امپدانس

در زمان 4 ثانیه، فرمان امپدانس به مقدار 1 pu بازمی‌گردد. در نتیجه تمام کلیدها بسته می‌شوند. این تغییر ناگهانی امپدانس باعث ایجاد تغییر سریع در توان عبوری خطوط می‌شود و پاسخ گذرایی در سیستم ایجاد می‌کند.

تغییر توان در مدت تقریباً یک سیکل رخ می‌دهد و ژنراتورهای سنکرون نسبت به این اغتشاش واکنش نشان می‌دهند. گاورنرهای ژنراتورها با تنظیم توان مکانیکی ورودی، به تدریج شرایط سیستم را به وضعیت اولیه نزدیک می‌کنند.

در زمان 5 ثانیه، امپدانس LIM دوباره به مقدار 1.642 pu افزایش پیدا می‌کند و یک اغتشاش جدید در توان عبوری خطوط ایجاد می‌شود. سپس در حدود 6.3 ثانیه، امپدانس در سه مرحله بزرگ به مقدار 1 pu کاهش پیدا می‌کند. این رفتار نشان می‌دهد که LIM نه‌تنها برای تغییرات تدریجی، بلکه برای کنترل سریع توان نیز قابل استفاده است.

کنترل توان در شرایط اضافه‌بار

یکی از مهم‌ترین کاربردهای فناوری LIM کاهش بارگذاری خطوط انتقالی است که در شرایط اضافه‌بار قرار دارند. در شبیه‌سازی حاضر، با افزایش امپدانس L3، توان عبوری این خط کاهش پیدا می‌کند و جریان توان به سایر مسیرها منتقل می‌شود.

در حالت بیشینه امپدانس، اگرچه توان عبوری از L3 نسبت به حالت اولیه کاهش پیدا می‌کند، اما توزیع توان بین L2 و L3 به وضعیت متعادل‌تری نزدیک می‌شود. بنابراین LIM می‌تواند بدون خاموش کردن خط یا تغییر فیزیکی مسیر انتقال، جریان توان را کنترل کند.

این قابلیت در شبکه‌های هوشمند آینده اهمیت ویژه‌ای دارد؛ زیرا با افزایش منابع تولید پراکنده، نیروگاه‌های تجدیدپذیر و تغییرات سریع در الگوی بار، مسیر جریان توان در شبکه دائماً در حال تغییر است. استفاده از تجهیزات کنترل‌کننده امپدانس می‌تواند انعطاف‌پذیری شبکه را افزایش دهد.

بررسی مؤلفه‌های توالی

یکی از بخش‌های مهم شبیه‌سازی، بررسی ولتاژهای توالی باس B2 و جریان‌های توالی خارج‌شده از این باس به سمت خط L3 است. این جریان در واقع جریان ورودی به ساختار Back-to-Back LIM محسوب می‌شود.

نتایج نشان می‌دهند که برای ترکیب‌های کلیدزنی استفاده‌شده در مدل، مقادیر ولتاژ و جریان‌های توالی منفی و صفر از مقادیر اولیه بیشتر نمی‌شوند. این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا تغییر امپدانس خط نباید باعث ایجاد عدم تعادل قابل توجه یا افزایش مؤلفه‌های نامطلوب سیستم شود.

بنابراین جدول کلیدزنی LIM صرفاً با هدف رسیدن به امپدانس مشخص طراحی نشده است، بلکه محدودیت‌های مربوط به مؤلفه‌های توالی نیز در انتخاب ترکیب‌ها لحاظ شده‌اند. این موضوع یکی از جنبه‌های مهم طراحی کنترل LIM در شبکه‌های فشارقوی است.

سطح ولتاژ روی کلیدها

در Scope 3 ولتاژ دو سر کلیدهای مربوط به فاز A در ماژول سوئیچینگ سمت باس B2 نیز بررسی می‌شود. نتایج نشان می‌دهند که ولتاژهای گذرای ایجادشده روی کلیدها در محدوده 35 کیلوولت باقی می‌مانند.

این ویژگی امکان استفاده از تجهیزات کلیدزنی با سطح ولتاژ متوسط را فراهم می‌کند، در حالی که خود خط در سطح ولتاژ 735 کیلوولت کار می‌کند. حداکثر مقدار مؤثر ولتاژ در حالت ماندگار حدود 13.4 کیلوولت و در حوالی زمان 3.9 ثانیه مشاهده می‌شود.

این موضوع یکی از مزیت‌های مهم ساختار LIM است، زیرا تجهیزات کلیدزنی مستقیماً مجبور نیستند کل سطح ولتاژ خط انتقال را تحمل کنند. طراحی مناسب ساختار اتصال و انتخاب محل ماژول‌های سوئیچینگ باعث می‌شود بتوان از تجهیزات مناسب‌تر و اقتصادی‌تر استفاده کرد.

استفاده از LIM برای یخ‌زدایی خطوط انتقال

یکی از جذاب‌ترین کاربردهای فناوری LIM، استفاده از آن برای یخ‌زدایی هادی‌های خطوط انتقال است. در روش یخ‌زدایی مبتنی بر اثر ژولی، با عبور جریان الکتریکی زیاد از هادی، توان الکتریکی به گرما تبدیل می‌شود. افزایش دمای هادی باعث ذوب شدن یخ انباشته‌شده روی سطح آن می‌شود.

مشکل اصلی در روش‌های معمول این است که برای ایجاد گرمای کافی باید جریان قابل توجهی از هادی عبور کند. فناوری LIM این امکان را فراهم می‌کند که جریان کل یک فاز به‌جای توزیع شدن بین چند زیرهادی، در یک زیرهادی متمرکز شود.

در حالت اولیه که تمام کلیدها بسته هستند، جریان هر کلید در حدود 465 آمپر RMS است. هنگامی که تقریباً تمام کلیدها در زمان 3.9 ثانیه باز می‌شوند و تنها یک زیرهادی در مدار باقی می‌ماند، جریان زیرهادی شماره 2 به حدود 1533 آمپر RMS افزایش پیدا می‌کند.

در نتیجه، با وجود اینکه توان عبوری از خط L3 حدود 17 درصد کاهش یافته است، جریان زیرهادی فعال تقریباً 3.3 برابر می‌شود. چنین افزایش جریانی می‌تواند گرمای ژولی کافی برای یخ‌زدایی هم‌زمان سه زیرهادی، یعنی یک زیرهادی از هر فاز، در دو بخش 30 کیلومتری BCL ایجاد کند.

توالی یخ‌زدایی زیرهادی‌ها

پس از یخ‌زدایی اولین زیرهادی در هر باندل، می‌توان از ترکیب‌های دیگری از وضعیت کلیدها استفاده کرد تا زیرهادی‌های باقی‌مانده نیز به‌ترتیب در معرض جریان بالا قرار گیرند.

در نتیجه، یخ‌زدایی می‌تواند به‌صورت مرحله‌ای انجام شود و نیازی به افزایش هم‌زمان جریان تمام زیرهادی‌ها وجود نداشته باشد. البته جدول ترکیب کلیدها که در این شبیه‌سازی ارائه شده است عمدتاً برای کنترل توان طراحی شده است. در یک سامانه واقعی که هدف اصلی آن یخ‌زدایی باشد، لازم است جدول کلیدزنی متفاوتی طراحی شود تا ترتیب مشخصی برای گرم‌کردن زیرهادی‌ها ایجاد شود.

این جدول باید به‌گونه‌ای طراحی شود که از چرخش غیرضروری بین زیرهادی‌ها جلوگیری شده و هر زیرهادی در زمان مناسب جریان کافی برای یخ‌زدایی دریافت کند. بنابراین الگوریتم کنترل LIM می‌تواند بر اساس هدف بهره‌برداری، یعنی کنترل توان یا یخ‌زدایی، تغییر کند.

امکان افزایش جریان برای یخ‌زدایی

اگر جریان اولیه خط برای رسیدن به سطح جریان موردنیاز یخ‌زدایی کافی نباشد، یک راهکار این است که تنها کلیدهای مربوط به یکی از بخش‌های 30 کیلومتری BCL باز شوند. در این حالت افزایش امپدانس کل خط نسبت به حالت باز کردن کل دو بخش کمتر خواهد بود و می‌توان جریان بیشتری را در زیرهادی‌های موردنظر ایجاد کرد.

این روش نشان می‌دهد که LIM انعطاف‌پذیری بالایی در کنترل جریان دارد. میزان تغییر امپدانس را می‌توان با توجه به شرایط واقعی شبکه، مقدار جریان اولیه، سطح یخ‌زدگی و جریان موردنیاز برای یخ‌زدایی تنظیم کرد.

نقش LIM در شبکه هوشمند

مفهوم شبکه هوشمند می‌تواند کاربرد فناوری LIM را بیش از پیش گسترش دهد. در یک شبکه انتقال هوشمند، اگر خطوط مختلف به تجهیزات کنترل امپدانس مجهز باشند، اپراتور شبکه می‌تواند مسیر جریان توان را با انعطاف بیشتری کنترل کند.

برای مثال، اگر خط L2 با اضافه‌بار مواجه شود، افزایش امپدانس آن می‌تواند موجب انتقال جریان بیشتر به مسیر L3 شود. در نتیجه، علاوه بر LIM موجود روی L3، می‌توان از کنترل امپدانس خطوط دیگر نیز برای دستیابی به توزیع توان مطلوب استفاده کرد.

این قابلیت می‌تواند در شرایطی که تولید نیروگاه‌های تجدیدپذیر به‌سرعت تغییر می‌کند، اهمیت زیادی داشته باشد. تغییرات تولید باد و خورشید ممکن است باعث ایجاد جریان‌های توان غیرقابل پیش‌بینی در مسیرهای انتقال شود. کنترل سریع امپدانس خطوط می‌تواند یکی از روش‌های مدیریت این تغییرات باشد.

جمع‌بندی شبیه‌سازی

شبیه‌سازی مدولاتور امپدانس خط کنترل‌شده با باندل نشان می‌دهد که فناوری LIM می‌تواند دو عملکرد مهم را در یک ساختار واحد فراهم کند. عملکرد نخست، کنترل و تنظیم توان عبوری در خطوط انتقال است. با تغییر وضعیت کلیدهای متصل به زیرهادی‌های باندل، امپدانس خط L3 افزایش پیدا کرده و توزیع توان میان خطوط انتقال تغییر می‌کند.

عملکرد دوم، امکان یخ‌زدایی هادی‌ها با استفاده از اثر ژولی است. با باز کردن کلیدهای زیرهادی‌های دیگر، جریان در یک زیرهادی متمرکز شده و مقدار آن می‌تواند از حدود 465 آمپر RMS به حدود 1533 آمپر RMS افزایش پیدا کند. این افزایش جریان امکان ایجاد گرمای کافی برای ذوب یخ را فراهم می‌کند.

نتایج شبیه‌سازی همچنین نشان می‌دهند که تغییر امپدانس LIM می‌تواند در مدت بسیار کوتاهی موجب تغییر توان عبوری شود و سیستم کنترل ژنراتورها نیز قادر است نسبت به این تغییرات واکنش نشان دهد. علاوه بر این، بررسی مؤلفه‌های توالی نشان می‌دهد که ترکیب‌های انتخاب‌شده برای کلیدها می‌توانند بدون افزایش قابل توجه مؤلفه‌های منفی و صفر مورد استفاده قرار گیرند.

از دیدگاه مهندسی سیستم‌های قدرت، این شبیه‌سازی نمونه‌ای مناسب برای بررسی هم‌زمان کنترل توان، مدیریت بارگذاری خطوط، کنترل امپدانس، کلیدزنی زیرهادی‌ها، تحلیل مؤلفه‌های توالی و یخ‌زدایی خطوط انتقال است. استفاده از Matlab و مدل‌های دقیق خطوط انتقال امکان مشاهده رفتار گذرا و ماندگار سیستم را فراهم می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه یک تجهیز FACTS توزیع‌شده می‌تواند علاوه بر مدیریت توان، در افزایش قابلیت اطمینان و بهره‌برداری از خطوط انتقال در شرایط آب‌وهوایی نامطلوب نیز نقش داشته باشد.