در سال‌های اخیر با افزایش نفوذ منابع انرژی تجدیدپذیر، رشد شبکه‌های هوشمند و افزایش پیچیدگی سیستم‌های قدرت، استفاده از تجهیزات پیشرفته الکترونیک قدرت برای کنترل ولتاژ و توان راکتیو اهمیت بسیار زیادی پیدا کرده است. یکی از مهم‌ترین این تجهیزات، STATCOM یا جبران‌کننده سنکرون استاتیکی است که به عنوان یکی از اعضای خانواده تجهیزات FACTS شناخته می‌شود. این تجهیز قادر است با تولید یا جذب توان راکتیو، ولتاژ شبکه را در محدوده مطلوب نگه داشته و پایداری سیستم قدرت را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.

در این شبیه سازی، یک STATCOM با ظرفیت 12 مگاولت‌آمپر و ولتاژ نامی 34.5 کیلوولت مورد بررسی قرار گرفته است که ساختار آن بر پایه مبدل مدولار چندسطحی (Modular Multilevel Converter یا MMC) طراحی شده است. در این مدل، هر فاز از سیستم شامل 22 ماژول توان بوده و به کمک بلوک Full-Bridge MMC در محیط Simulink و Simscape Electrical پیاده‌سازی شده است. برای افزایش سرعت اجرای شبیه سازی بدون کاهش دقت نتایج، از مدل Switching Function استفاده شده است که نسبت به مدل‌های مبتنی بر کلیدزنی واقعی، زمان محاسبات را به شکل چشمگیری کاهش می‌دهد.

STATCOM چیست؟

STATCOM یا Static Synchronous Compensator یک تجهیز موازی در سیستم قدرت است که وظیفه اصلی آن تنظیم ولتاژ باس و کنترل توان راکتیو شبکه می‌باشد. این تجهیز با استفاده از مبدل‌های الکترونیک قدرت، ولتاژی با دامنه و فاز قابل کنترل تولید می‌کند و از این طریق جریان راکتیو مورد نیاز شبکه را تأمین یا جذب می‌نماید.

برخلاف بانک‌های خازنی یا راکتورهای سنتی که عملکرد آن‌ها پله‌ای و نسبتاً کند است، STATCOM قادر است در مدت زمان بسیار کوتاهی به تغییرات شبکه پاسخ داده و مقدار توان راکتیو را به صورت پیوسته کنترل کند. همین ویژگی باعث شده است که امروزه در شبکه‌های انتقال، نیروگاه‌های بادی، نیروگاه‌های خورشیدی، صنایع بزرگ و مراکز حساس مصرف برق از این تجهیز استفاده گسترده‌ای شود.

ساختار مبدل مدولار چندسطحی (MMC)

مبدل مدولار چندسطحی یکی از پیشرفته‌ترین ساختارهای مبدل ولتاژ منبع (Voltage Source Converter) محسوب می‌شود. این ساختار از تعداد زیادی زیرماژول تشکیل شده است که هر کدام شامل کلیدهای نیمه‌هادی و یک خازن ذخیره انرژی هستند. اتصال سری این ماژول‌ها باعث تولید ولتاژهایی با تعداد سطوح بسیار زیاد می‌شود که کیفیت موج خروجی را نسبت به اینورترهای معمولی به شکل قابل توجهی افزایش می‌دهد.

در این شبیه سازی، هر فاز شامل 22 ماژول مستقل است. وجود این تعداد ماژول موجب می‌شود شکل موج خروجی بسیار نزدیک به موج سینوسی باشد و میزان اعوجاج هارمونیکی کاهش یابد. علاوه بر این، ساختار مدولار باعث افزایش قابلیت توسعه، سهولت تعمیر و نگهداری و بهبود قابلیت اطمینان سیستم می‌شود.

اصل عملکرد MMC-STATCOM

عملکرد STATCOM بر پایه اختلاف دامنه ولتاژ تولید شده توسط مبدل و ولتاژ شبکه است. توان راکتیو از طریق راکتانس بین مبدل و شبکه منتقل می‌شود و جهت انتقال توان تنها به اختلاف دامنه این دو ولتاژ بستگی دارد.

اگر دامنه ولتاژ خروجی مبدل کمتر از ولتاژ شبکه باشد، جریان راکتیو از شبکه به سمت مبدل حرکت کرده و تجهیز مانند یک سلف عمل می‌کند. در این شرایط STATCOM توان راکتیو را جذب کرده و در مد القایی قرار می‌گیرد.

در مقابل، زمانی که دامنه ولتاژ خروجی مبدل از ولتاژ شبکه بیشتر باشد، جریان راکتیو از مبدل به سمت شبکه تزریق شده و تجهیز مانند یک خازن رفتار می‌کند. در این حالت توان راکتیو تولید شده و ولتاژ شبکه افزایش پیدا می‌کند. این قابلیت تغییر سریع بین دو حالت خازنی و القایی، مهم‌ترین مزیت STATCOM نسبت به تجهیزات جبران‌سازی سنتی محسوب می‌شود.

ساختار کنترلی سیستم

کنترل‌کننده STATCOM از چندین لایه مختلف تشکیل شده است. لایه بالایی مقدار توان راکتیو مرجع (Qref) را دریافت کرده و ولتاژ خروجی مناسب مبدل را تولید می‌کند. در لایه‌های پایین‌تر، کنترل ولتاژ خازن‌های هر زیرماژول انجام می‌شود تا تمام خازن‌ها در مقدار ولتاژ مطلوب باقی بمانند.

متعادل بودن ولتاژ خازن‌ها اهمیت بسیار زیادی دارد، زیرا اختلاف ولتاژ میان زیرماژول‌ها باعث کاهش کیفیت ولتاژ خروجی، افزایش تنش الکتریکی روی کلیدها و کاهش عملکرد صحیح مبدل خواهد شد.

شبیه سازی پاسخ دینامیکی STATCOM

در اولین بخش این شبیه سازی، عملکرد دینامیکی STATCOM بررسی می‌شود. سیستم در ابتدا در حالت ماندگار قرار دارد و مقدار مرجع توان راکتیو برابر با 5- مگاوار تنظیم شده است. این مقدار نشان می‌دهد که تجهیز در مد القایی قرار داشته و در حال جذب توان راکتیو از شبکه است.

در زمان 0.1 ثانیه مقدار مرجع توان راکتیو به 10+ مگاوار تغییر می‌کند. کنترل‌کننده سیستم بلافاصله اختلاف ایجاد شده را تشخیص داده و دامنه ولتاژ خروجی مبدل را افزایش می‌دهد. در نتیجه جریان راکتیو جهت خود را تغییر داده و STATCOM وارد مد خازنی می‌شود.

نتایج حاصل از Scope نشان می‌دهد که سیستم در مدت زمان بسیار کوتاهی به مقدار مرجع جدید رسیده و بدون ایجاد نوسانات شدید، توان راکتیو مورد نیاز شبکه را تأمین می‌کند. این ویژگی یکی از مهم‌ترین مزایای استفاده از ساختار MMC در سیستم‌های انتقال قدرت محسوب می‌شود.

بررسی کنترل سطح پایین و بالانس ولتاژ خازن‌ها

بخش دوم شبیه سازی به بررسی عملکرد کنترل‌کننده ولتاژ خازن‌ها اختصاص دارد. برای این منظور زمان شبیه سازی تا دو ثانیه افزایش یافته و مقدار اولیه توان راکتیو روی 10 مگاوار ثابت نگه داشته می‌شود.

در زمان یک ثانیه، یک بار مقاومتی کوچک تنها روی فاز C وارد مدار می‌شود. این بار باعث ایجاد عدم تعادل توان میان سه فاز خواهد شد. کنترل‌کننده ولتاژ خازن‌ها باید بتواند با وجود این عدم تعادل، ولتاژ تمامی خازن‌های موجود در زیرماژول‌ها را تقریباً برابر نگه دارد.

با مشاهده نمودارهای ولتاژ خازن‌ها مشخص می‌شود که کنترل‌کننده عملکرد بسیار مناسبی داشته و اختلاف ولتاژ میان خازن‌ها بسیار محدود باقی می‌ماند. این موضوع نشان‌دهنده عملکرد صحیح الگوریتم DC Voltage Balancing است.

بررسی حذف کنترل‌کننده بالانس ولتاژ

در ادامه شبیه سازی، رگولاتور Phase Balancing غیرفعال می‌شود تا اهمیت این بخش از سیستم کنترلی مشخص گردد. پس از ورود بار مقاومتی روی فاز C، مشاهده می‌شود که ولتاژ خازن‌های سه فاز دیگر مشابه یکدیگر باقی نمی‌مانند و اختلاف ولتاژ به مرور افزایش پیدا می‌کند.

این نتیجه نشان می‌دهد که وجود سیستم متعادل‌سازی ولتاژ برای عملکرد پایدار مبدل کاملاً ضروری است. بدون این کنترل‌کننده، انرژی ذخیره شده در خازن‌ها به صورت نامتقارن توزیع شده و کیفیت عملکرد مبدل کاهش خواهد یافت.

محدودیت عملکرد سیستم کنترل

یکی از نکات مهم این شبیه سازی مربوط به محدودیت عملکرد کنترل‌کننده ولتاژ خازن‌ها است. این کنترل‌کننده برای ایجاد تعادل ولتاژ، مقدار بسیار کوچکی توان اکتیو را میان خازن‌ها جابه‌جا می‌کند. این انتقال توان از طریق تولید یک مؤلفه ولتاژ هم‌فاز یا با اختلاف فاز 180 درجه نسبت به جریان بازوی مبدل انجام می‌شود.

اگر جریان عبوری از بازوها بسیار کوچک باشد، توان اکتیو کافی برای شارژ یا دشارژ خازن‌ها وجود نخواهد داشت. به همین دلیل در این مدل، زیرسیستم Qref Limits اجازه انتخاب مقادیر توان راکتیو بین 0.75- تا 0.75+ مگاوار را نمی‌دهد. این محدودیت باعث حفظ عملکرد مناسب سیستم بالانس ولتاژ می‌شود.

البته در برخی روش‌های دیگر مانند الگوریتم‌های مرتب‌سازی (Sorting Algorithm)، این محدودیت وجود ندارد و کنترل ولتاژ خازن‌ها به شیوه متفاوتی انجام می‌شود. این روش‌ها در برخی نمونه‌های دیگر Simscape Electrical مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

مزایای استفاده از مدل Switching Function

در سیستم‌های MMC با تعداد زیاد زیرماژول، مدل‌سازی دقیق کلیدهای نیمه‌هادی می‌تواند زمان اجرای شبیه سازی را بسیار افزایش دهد. به همین دلیل در این مثال از مدل Switching Function استفاده شده است. این مدل رفتار متوسط کلیدها را بدون شبیه‌سازی مستقیم فرآیند کلیدزنی نمایش می‌دهد و در نتیجه ضمن حفظ دقت مناسب، سرعت اجرای شبیه سازی چندین برابر افزایش پیدا می‌کند.

کاربردهای صنعتی MMC-STATCOM

فناوری MMC-STATCOM امروزه در بسیاری از پروژه‌های بزرگ انتقال انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از مهم‌ترین کاربردهای آن می‌توان به تثبیت ولتاژ خطوط انتقال، جبران توان راکتیو در شبکه‌های فشار قوی، اتصال نیروگاه‌های بادی و خورشیدی به شبکه، افزایش ظرفیت انتقال خطوط، کاهش فلیکر، بهبود کیفیت توان، افزایش پایداری گذرا و کاهش افت ولتاژ در هنگام بروز خطا اشاره کرد.

همچنین این فناوری در صنایع فولاد، معادن، پالایشگاه‌ها، مراکز داده، کارخانه‌های بزرگ و شبکه‌های توزیع مدرن نقش مهمی در بهبود کیفیت توان و کاهش هزینه‌های بهره‌برداری ایفا می‌کند.

جمع‌بندی

این شبیه سازی یکی از نمونه‌های پیشرفته Simscape Electrical برای بررسی عملکرد یک STATCOM مبتنی بر مبدل مدولار چندسطحی است. مدل ارائه‌شده علاوه بر نمایش رفتار دینامیکی سیستم در کنترل توان راکتیو، عملکرد دقیق سیستم بالانس ولتاژ خازن‌ها را نیز بررسی می‌کند. استفاده از 22 زیرماژول در هر فاز، مدل Switching Function و ساختار کنترلی چندلایه باعث شده است این مدل گزینه‌ای مناسب برای پژوهشگران، دانشجویان و مهندسان سیستم‌های قدرت باشد تا بتوانند عملکرد تجهیزات FACTS مدرن را با دقت بالا تحلیل و ارزیابی کنند.