جبران‌ساز سنکرون استاتیکی یا STATCOM (Static Synchronous Compensator) یکی از تجهیزات مهم در سیستم‌های انتقال قدرت مدرن و از اعضای اصلی خانواده ادوات FACTS (Flexible AC Transmission Systems) محسوب می‌شود. این تجهیز با استفاده از مبدل منبع ولتاژ (Voltage Source Converter) قادر است توان راکتیو را به شبکه تزریق کرده یا از آن جذب کند و به این ترتیب نقش مؤثری در کنترل و تثبیت ولتاژ شبکه‌های قدرت ایفا نماید. در این شبیه سازی، عملکرد یک STATCOM مدل فازوری برای تنظیم ولتاژ در نقطه میانی یک خط انتقال 500 کیلوولت بررسی می‌شود.

این مثال با استفاده از محیط Matlab و Simulink نشان می‌دهد که چگونه یک STATCOM سه‌سطحی مبتنی بر مدولاسیون پهنای پالس (PWM) می‌تواند در شرایط مختلف بهره‌برداری، ولتاژ شبکه را کنترل کرده و در زمان وقوع خطاهای شبکه، پشتیبانی مناسبی از سیستم قدرت ارائه دهد.

معرفی STATCOM و عملکرد آن در سیستم قدرت

STATCOM یکی از پیشرفته‌ترین تجهیزات جبران‌سازی توان راکتیو در شبکه‌های انتقال و توزیع است. عملکرد اصلی این تجهیز بر پایه یک مبدل الکترونیک قدرت است که با تولید ولتاژ AC قابل کنترل، امکان تبادل توان راکتیو با شبکه را فراهم می‌کند. هنگامی که ولتاژ شبکه کاهش پیدا می‌کند، STATCOM می‌تواند توان راکتیو خازنی تولید کرده و به افزایش ولتاژ کمک کند. در مقابل، در شرایطی که ولتاژ شبکه بیش از مقدار مطلوب باشد، این تجهیز با جذب توان راکتیو به کاهش ولتاژ کمک خواهد کرد.

یکی از تفاوت‌های اساسی STATCOM با جبران‌سازهای استاتیکی توان راکتیو مبتنی بر تریستور یا SVC (Static Var Compensator) این است که جریان خروجی STATCOM مستقل از سطح ولتاژ شبکه قابل کنترل است. در یک SVC، توان راکتیو تولیدشده وابستگی زیادی به ولتاژ سیستم دارد، اما STATCOM به دلیل ساختار مبتنی بر مبدل منبع ولتاژ می‌تواند حتی در شرایط افت شدید ولتاژ، جریان راکتیو بیشتری را به شبکه تزریق کند.

ساختار سیستم قدرت مورد استفاده در شبیه سازی

در این شبیه سازی، شبکه قدرت شامل دو سیستم معادل 500 کیلوولت است که به وسیله یک خط انتقال به طول 600 کیلومتر به یکدیگر متصل شده‌اند. ظرفیت معادل سیستم اول برابر با 3000 مگاولت‌آمپر و ظرفیت سیستم دوم برابر با 2500 مگاولت‌آمپر در نظر گرفته شده است.

در شرایطی که STATCOM فعال نیست، جریان توان طبیعی در خط انتقال برابر با 930 مگاوات از باس B1 به سمت باس B3 است. برای بهبود شرایط ولتاژ و کنترل توان راکتیو، STATCOM در نقطه میانی خط انتقال یعنی باس B2 نصب شده است. این تجهیز دارای ظرفیت نامی مثبت و منفی 100 مگاولت‌آمپر است؛ به این معنی که می‌تواند تا 100 مگاولت‌آمپر توان راکتیو تولید یا جذب کند.

مدل استفاده‌شده در این شبیه سازی، یک مدل فازوری از STATCOM سه‌سطحی PWM است. این مدل به جای شبیه سازی جزئیات کلیدزنی سریع IGBTها، رفتار دینامیکی اصلی سیستم را در قالب یک مدل متوسط نمایش می‌دهد و برای مطالعات پایداری و تحلیل دینامیکی شبکه‌های قدرت بسیار مناسب است.

پارامترهای اصلی STATCOM در مدل Matlab

با باز کردن پنجره تنظیمات STATCOM و فعال کردن گزینه نمایش اطلاعات توان، مشخصات اصلی تجهیز قابل مشاهده است. در این مدل، لینک DC داخلی STATCOM دارای ولتاژ نامی 40 کیلوولت بوده و ظرفیت معادل خازن لینک DC برابر با 375 میکروفاراد در نظر گرفته شده است.

در سمت AC نیز امپدانس معادل STATCOM برابر با 0.22 پریونیت روی پایه 100 مگاولت‌آمپر است. این امپدانس بیانگر مجموع راکتانس نشتی ترانسفورماتور کوپلینگ و راکتورهای فازی موجود در پل IGBT یک STATCOM واقعی است.

شبیه سازی پاسخ دینامیکی STATCOM

در بخش نخست شبیه سازی، پاسخ دینامیکی STATCOM بررسی می‌شود. ابتدا باید تنظیمات کنترل‌کننده STATCOM بررسی شود. حالت کاری تجهیز باید روی Voltage Regulation قرار داشته باشد تا کنترل ولتاژ باس انجام شود. همچنین گزینه کنترل خارجی مقدار مرجع ولتاژ Vref فعال می‌شود.

پارامتر شیب تنظیم ولتاژ یا Droop برابر با 0.03 تنظیم شده و ضرایب کنترل‌کننده تنظیم‌کننده ولتاژ شامل بهره تناسبی Kp برابر 5 و بهره انتگرالی Ki برابر 1000 انتخاب می‌شوند. این ضرایب نقش مهمی در سرعت و کیفیت پاسخ سیستم کنترل دارند.

برای بررسی رفتار دینامیکی، یک سیگنال پله‌ای به ورودی مرجع ولتاژ STATCOM اعمال می‌شود. مقدار Vref در ابتدا برابر 1 پریونیت است. در زمان 0.2 ثانیه مقدار مرجع به 0.97 پریونیت کاهش پیدا می‌کند، سپس در زمان 0.4 ثانیه به مقدار 1.03 پریونیت افزایش یافته و در نهایت در زمان 0.6 ثانیه دوباره به مقدار اولیه یعنی 1 پریونیت بازمی‌گردد.

پس از اجرای شبیه سازی، نتایج در اسیلوسکوپ VQ_STATCOM مشاهده می‌شوند. نمودار اول مقدار مرجع ولتاژ Vref و ولتاژ اندازه‌گیری‌شده توالی مثبت Vm در باس STATCOM را نمایش می‌دهد. نمودار دوم نیز توان راکتیو Qm را نشان می‌دهد که مقدار مثبت آن بیانگر جذب توان راکتیو و مقدار منفی آن نشان‌دهنده تولید توان راکتیو توسط STATCOM است.

تأثیر ضرایب کنترل‌کننده بر عملکرد STATCOM

با بررسی سیگنال توان راکتیو مشخص می‌شود که ثابت زمانی حلقه بسته سیستم تقریباً برابر 20 میلی‌ثانیه است. این مقدار به قدرت شبکه در باس B2 و همچنین ضرایب کنترل‌کننده ولتاژ STATCOM وابسته است.

برای بررسی اثر ضرایب کنترل، می‌توان مقدار Kp و Ki را دو برابر کرده و شبیه سازی را مجدداً اجرا کرد. با افزایش بهره‌های کنترل‌کننده، پاسخ سیستم سریع‌تر شده و STATCOM در زمان کوتاه‌تری به مقدار مطلوب توان راکتیو می‌رسد. البته افزایش بیش از حد بهره‌ها ممکن است باعث ایجاد اضافه‌جهش یا ناپایداری در پاسخ سیستم شود.

در حالت عادی، ولتاژ اندازه‌گیری‌شده Vm دقیقاً مقدار مرجع Vref را دنبال نمی‌کند. دلیل این موضوع وجود پارامتر Droop است. این شیب تنظیمی باعث می‌شود STATCOM در محدوده کاری وسیع‌تری فعالیت کند و همچنین امکان تقسیم بار بین چند تجهیز جبران‌کننده ولتاژ را فراهم می‌سازد.

اگر مقدار Droop برابر صفر قرار داده شود، مشاهده خواهد شد که ولتاژ Vm تقریباً کاملاً از مقدار مرجع Vref پیروی می‌کند. این حالت نشان‌دهنده عملکرد یک تنظیم‌کننده ولتاژ ایده‌آل است.

مقایسه STATCOM و SVC در شرایط خطا

در بخش دوم شبیه سازی، عملکرد STATCOM با یک جبران‌ساز استاتیکی توان راکتیو SVC با ظرفیت مشابه یعنی ±100 مگاولت‌آمپر مقایسه می‌شود. هدف این بخش بررسی رفتار دو تجهیز در شرایط افت ولتاژ ناشی از خطای شبکه است.

برای این منظور، یک خطای دور از محل نصب جبران‌سازها توسط کلید خطا و امپدانس خطا ایجاد می‌شود. مقدار امپدانس به گونه‌ای تنظیم شده است که باعث افت 30 درصدی ولتاژ در باس B2 شود.

پس از اجرای شبیه سازی، نتایج در بخش SVC vs STATCOM نمایش داده می‌شوند. نمودار اول ولتاژ اندازه‌گیری‌شده در هر دو سیستم را نشان می‌دهد و نمودار دوم توان راکتیو تولیدشده توسط SVC و STATCOM را مقایسه می‌کند.

در مدت زمان وقوع خطا که برابر 10 سیکل است، تفاوت مهمی بین عملکرد دو تجهیز مشاهده می‌شود. توان راکتیو تولیدشده توسط SVC حدود 0.48 پریونیت و توان راکتیو تولیدشده توسط STATCOM حدود 0.71 پریونیت است. این نتیجه نشان می‌دهد که STATCOM در شرایط افت ولتاژ توانایی بیشتری برای پشتیبانی شبکه دارد.

مزایای STATCOM نسبت به SVC

یکی از مهم‌ترین مزایای STATCOM این است که توان راکتیو خازنی تولیدشده توسط آن تقریباً متناسب با جریان کنترل‌شده است و با کاهش ولتاژ شبکه، کاهش شدیدی پیدا نمی‌کند. در مقابل، SVC به دلیل ساختار مبتنی بر سوسپتانس ثابت، توان راکتیو تولیدی متناسب با مربع ولتاژ کاهش می‌یابد.

همچنین STATCOM معمولاً پاسخ سریع‌تری نسبت به SVC دارد. در SVC تأخیر ناشی از تحریک تریستورها وجود دارد که حدود چند میلی‌ثانیه است، اما در STATCOM به دلیل استفاده از مبدل منبع ولتاژ، کنترل جریان تقریباً سریع‌تر انجام می‌شود.

جمع‌بندی شبیه سازی

در این شبیه سازی، عملکرد یک STATCOM فازوری سه‌سطحی برای تنظیم ولتاژ خط انتقال 500 کیلوولت در محیط Matlab بررسی شد. نتایج نشان داد که STATCOM می‌تواند با کنترل توان راکتیو، ولتاژ شبکه را تثبیت کرده و در شرایط خطا پشتیبانی مؤثری ارائه دهد.

مقایسه با SVC نشان داد که STATCOM به دلیل قابلیت کنترل جریان مستقل از ولتاژ شبکه، عملکرد بهتری در شرایط افت ولتاژ دارد و می‌تواند توان راکتیو بیشتری را در زمان بحران به سیستم تزریق کند. به همین دلیل، استفاده از STATCOM در شبکه‌های انتقال قدرت مدرن، به‌خصوص در خطوط انتقال طولانی و شبکه‌های دارای حساسیت بالا نسبت به تغییرات ولتاژ، اهمیت فراوانی پیدا کرده است.