در شبکه‌های قدرت، حفظ ولتاژ در محدوده استاندارد یکی از مهم‌ترین الزامات بهره‌برداری ایمن و پایدار است. تغییرات بار مصرفی، نوسانات تولید، وقوع خطاها و تغییر شرایط شبکه همگی می‌توانند موجب افزایش یا کاهش ولتاژ شوند. یکی از متداول‌ترین تجهیزات مورد استفاده برای کنترل ولتاژ در پست‌های انتقال و فوق توزیع، ترانسفورماتورهای مجهز به تپ‌چنجر زیر بار (On Load Tap Changer یا OLTC) هستند. این تجهیزات قادرند بدون نیاز به خارج کردن ترانسفورماتور از مدار، نسبت تبدیل را تغییر داده و ولتاژ خروجی را در مقدار مطلوب نگه دارند.

در این شبیه‌سازی، عملکرد یک ترانسفورماتور سه‌فاز مجهز به تپ‌چنجر زیر بار مورد بررسی قرار می‌گیرد. هدف اصلی، تنظیم ولتاژ توالی مثبت در یک باس 25 کیلوولت است. این مدل با استفاده از قابلیت‌های پیشرفته نرم‌افزار Matlab و کتابخانه Simscape Electrical پیاده‌سازی شده و رفتار سیستم را در شرایط مختلف بهره‌برداری و وقوع اغتشاشات شبکه نمایش می‌دهد.

ترانسفورماتور دارای تپ‌چنجر زیر بار (OLTC) چیست؟

ترانسفورماتورهای معمولی دارای نسبت تبدیل ثابتی هستند، اما در عمل ولتاژ شبکه همواره ثابت باقی نمی‌ماند. برای جبران این تغییرات از تجهیزی به نام تپ‌چنجر استفاده می‌شود. اگر امکان تغییر تپ در زمان بهره‌برداری و بدون قطع جریان وجود داشته باشد، این تجهیز با عنوان On Load Tap Changer شناخته می‌شود.

در این روش، کنترل‌کننده به صورت مداوم ولتاژ خروجی را اندازه‌گیری می‌کند. هرگاه ولتاژ از محدوده مجاز خارج شود، پس از سپری شدن زمان تأخیر تعیین‌شده، فرمان تغییر تپ صادر می‌شود تا نسبت تبدیل ترانسفورماتور اصلاح شده و ولتاژ مجدداً به مقدار مرجع نزدیک شود.

مزیت اصلی این روش آن است که تنظیم ولتاژ بدون خاموش کردن ترانسفورماتور انجام می‌شود و بنابراین کیفیت توان و قابلیت اطمینان شبکه به میزان قابل توجهی افزایش پیدا می‌کند.

معرفی مدل شبیه‌سازی

در این شبیه‌سازی از بلوک Three-Phase Tap-Changing Transformer (Two-Windings) استفاده شده است. این بلوک یکی از مدل‌های استاندارد Simscape Electrical بوده و تمامی رفتارهای مهم یک ترانسفورماتور مجهز به OLTC را شبیه‌سازی می‌کند.

هدف کنترل‌کننده، ثابت نگه داشتن ولتاژ توالی مثبت باس B2 با سطح ولتاژ 25 کیلوولت است. مقدار مرجع ولتاژ برابر با 1.0 پریونیت (pu) انتخاب شده است؛ بنابراین سیستم همواره تلاش می‌کند ولتاژ این باس را در همین مقدار نگه دارد.

در صورت افزایش یا کاهش ولتاژ، کنترل‌کننده وضعیت را بررسی کرده و در صورت ادامه یافتن اغتشاش برای مدت مشخص، تپ مناسب را انتخاب می‌کند. این فرآیند مشابه عملکرد واقعی ترانسفورماتورهای نصب‌شده در پست‌های برق است.

هدف از این شبیه‌سازی

هدف اصلی این مدل، بررسی رفتار دینامیکی ترانسفورماتور مجهز به OLTC در برابر تغییرات ولتاژ و خطاهای مختلف شبکه است. این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که چگونه سیستم کنترل ولتاژ می‌تواند بدون دخالت اپراتور، تغییرات شبکه را جبران کرده و ولتاژ مصرف‌کنندگان را در محدوده استاندارد حفظ کند.

بررسی سناریوهای مختلف شبیه‌سازی

سناریوی اول: اضافه ولتاژ در شبکه 120 کیلوولت

در زمان 2 ثانیه، ولتاژ شبکه 120 کیلوولت به مقدار 1.1 pu افزایش پیدا می‌کند. این افزایش ولتاژ موجب بالا رفتن ولتاژ باس 25 کیلوولت نیز خواهد شد.

کنترل‌کننده OLTC این افزایش را تشخیص داده و پس از سپری شدن زمان تأخیر تعیین‌شده، نسبت تبدیل ترانسفورماتور را تغییر می‌دهد. در نتیجه ولتاژ خروجی کاهش یافته و مقدار آن مجدداً به مقدار مرجع نزدیک می‌شود.

در نمودارهای خروجی می‌توان مشاهده کرد که تغییر ولتاژ به صورت ناگهانی اتفاق می‌افتد اما تغییر تپ با کمی تأخیر انجام می‌شود تا از عملکرد غیرضروری در برابر نوسانات لحظه‌ای جلوگیری گردد.

سناریوی دوم: افت ولتاژ در شبکه 120 کیلوولت

در زمان 10 ثانیه، ولتاژ شبکه انتقال به مقدار 0.95 pu کاهش می‌یابد. در این حالت ولتاژ باس 25 کیلوولت نیز افت می‌کند.

سیستم کنترل، کاهش ولتاژ را اندازه‌گیری کرده و پس از پایان زمان انتظار، فرمان افزایش تپ را صادر می‌کند. افزایش نسبت تبدیل باعث می‌شود ولتاژ خروجی ترانسفورماتور مجدداً به مقدار مرجع نزدیک شود.

این عملکرد نشان‌دهنده توانایی OLTC در جبران افت ولتاژ و حفظ کیفیت تغذیه بارها است؛ قابلیتی که در شبکه‌های انتقال و فوق توزیع اهمیت بسیار زیادی دارد.

سناریوی سوم: وقوع اتصال کوتاه تک‌فاز

در زمان 20 ثانیه، یک خطای اتصال کوتاه تک‌فاز به مدت 0.2 ثانیه روی باس B2 ایجاد می‌شود. وقوع این خطا باعث افت شدید ولتاژ می‌شود، اما این افت بسیار کوتاه‌مدت است.

در این مدل، زمان تأخیر عملکرد OLTC برابر با 0.4 ثانیه در نظر گرفته شده است. از آنجا که مدت زمان خطا تنها 0.2 ثانیه است، کنترل‌کننده هیچ فرمانی برای تغییر تپ صادر نمی‌کند.

این ویژگی از عملکردهای غیرضروری جلوگیری می‌کند. اگر OLTC در برابر هر افت ولتاژ لحظه‌ای واکنش نشان دهد، تعداد عملیات مکانیکی افزایش یافته و عمر تجهیزات به شدت کاهش خواهد یافت. بنابراین استفاده از زمان تأخیر یکی از مهم‌ترین اصول طراحی سیستم‌های تنظیم ولتاژ محسوب می‌شود.

زمان انتخاب تپ در شبیه‌سازی

در سیستم‌های واقعی، انتخاب هر تپ معمولاً بین 3 تا 10 ثانیه زمان نیاز دارد. این زمان به دلیل محدودیت‌های مکانیکی تجهیزات و همچنین جلوگیری از تغییرات سریع و متوالی در نظر گرفته می‌شود.

اما در این شبیه‌سازی، به منظور کاهش زمان اجرای مدل، زمان انتخاب تپ نسبت به مقدار واقعی کاهش یافته است. این تغییر تنها با هدف افزایش سرعت شبیه‌سازی انجام شده و تأثیری بر منطق عملکرد کنترل‌کننده ندارد.

مزایای استفاده از OLTC

• تنظیم خودکار ولتاژ شبکه
• افزایش کیفیت توان الکتریکی
• جبران تغییرات بار و تولید
• عدم نیاز به خارج کردن ترانسفورماتور از مدار
• کاهش نوسانات ولتاژ در مصرف‌کنندگان
• بهبود پایداری شبکه قدرت
• کاهش نیاز به مداخله اپراتور
• افزایش قابلیت اطمینان سیستم انتقال انرژی

کاربردهای صنعتی

ترانسفورماتورهای مجهز به OLTC در بسیاری از بخش‌های صنعت برق مورد استفاده قرار می‌گیرند. پست‌های انتقال و فوق توزیع، نیروگاه‌ها، شبکه‌های توزیع شهری، صنایع بزرگ، مجتمع‌های پتروشیمی، کارخانه‌های فولاد، معادن، مراکز داده و نیروگاه‌های تجدیدپذیر از جمله مهم‌ترین کاربردهای این تجهیزات هستند.

با توسعه شبکه‌های هوشمند و افزایش سهم منابع تولید پراکنده، اهمیت استفاده از سیستم‌های تنظیم ولتاژ خودکار بیش از گذشته شده است و OLTC همچنان یکی از مؤثرترین تجهیزات برای کنترل ولتاژ در شبکه‌های قدرت محسوب می‌شود.

قابلیت‌های آموزشی این شبیه‌سازی در Matlab

این شبیه‌سازی فرصت مناسبی برای دانشجویان، پژوهشگران و مهندسان برق فراهم می‌کند تا عملکرد واقعی ترانسفورماتورهای دارای تپ‌چنجر را بدون نیاز به تجهیزات آزمایشگاهی بررسی کنند. کاربران می‌توانند مقدار ولتاژ مرجع، محدوده عملکرد، زمان تأخیر، تعداد تپ‌ها، نسبت تبدیل و شرایط مختلف شبکه را تغییر داده و تأثیر هر یک را بر پاسخ سیستم مشاهده کنند.

همچنین امکان تحلیل تغییرات ولتاژ، بررسی عملکرد کنترل‌کننده، مطالعه رفتار سیستم در هنگام وقوع خطا و ارزیابی تأثیر زمان تأخیر بر عملکرد OLTC از مهم‌ترین قابلیت‌های آموزشی این مدل محسوب می‌شود.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی نحوه عملکرد ترانسفورماتور سه‌فاز مجهز به تپ‌چنجر زیر بار را در شرایط مختلف بهره‌برداری نشان می‌دهد. مدل ارائه‌شده با تنظیم ولتاژ توالی مثبت باس 25 کیلوولت، واکنش سیستم را در برابر اضافه ولتاژ، افت ولتاژ و وقوع اتصال کوتاه تک‌فاز بررسی می‌کند. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که سیستم کنترل تنها در شرایطی اقدام به تغییر تپ می‌کند که انحراف ولتاژ بیش از زمان تعیین‌شده ادامه داشته باشد؛ بنابراین علاوه بر حفظ کیفیت ولتاژ، از انجام عملیات مکانیکی غیرضروری نیز جلوگیری می‌شود. این ویژگی‌ها باعث شده است ترانسفورماتورهای مجهز به OLTC یکی از مهم‌ترین تجهیزات کنترل ولتاژ در شبکه‌های مدرن قدرت باشند و شبیه‌سازی آن‌ها در Matlab ابزار ارزشمندی برای آموزش، تحقیق و طراحی سیستم‌های قدرت محسوب شود.