سیستم‌های انتقال انرژی الکتریکی در مقیاس‌های بزرگ همواره با چالش‌هایی مانند تغییرات ولتاژ، نوسانات توان راکتیو و نیاز به افزایش پایداری شبکه مواجه هستند. با توسعه شبکه‌های قدرت و افزایش بارهای صنعتی، کنترل سریع و دقیق پارامترهای شبکه اهمیت بسیار زیادی پیدا کرده است. یکی از تجهیزات مهم در حوزه ادوات FACTS، تجهیز STATCOM (Static Synchronous Compensator) است که برای کنترل ولتاژ و جبران توان راکتیو در شبکه‌های فشارقوی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در این شبیه سازی، عملکرد یک STATCOM با ظرفیت +100 مگاوار تا -100 مگاوار بررسی می‌شود. مدل ارائه شده یک مدل دقیق از یک STATCOM مبتنی بر مبدل منبع ولتاژ (Voltage Source Converter – VSC) است که از ساختار 48 پالسه استفاده می‌کند. این مدل با استفاده از چهار مبدل اینورتر GTO دوازده پالسه سه‌سطحی ساخته شده است و رفتار دینامیکی آن در یک شبکه سه باس 500 کیلوولت مورد بررسی قرار می‌گیرد.

معرفی STATCOM و نقش آن در شبکه قدرت

STATCOM یکی از تجهیزات پیشرفته جبران‌ساز توان راکتیو است که برخلاف جبران‌سازهای سنتی مانند خازن‌ها و راکتورها، توانایی پاسخ‌دهی بسیار سریع به تغییرات شبکه را دارد. این تجهیز با استفاده از یک مبدل الکترونیک قدرت، ولتاژ AC قابل کنترل تولید می‌کند و با تنظیم اختلاف بین ولتاژ تولیدی مبدل و ولتاژ شبکه، میزان توان راکتیو تزریق شده یا جذب شده را تغییر می‌دهد.

در حالت عملکرد عادی، سیستم کنترل STATCOM تلاش می‌کند مولفه اصلی ولتاژ تولیدی توسط مبدل را هم‌فاز با ولتاژ شبکه نگه دارد. زمانی که دامنه ولتاژ تولیدی VSC بیشتر از ولتاژ شبکه باشد، STATCOM توان راکتیو تولید کرده و مانند یک منبع خازنی عمل می‌کند. در مقابل، اگر ولتاژ تولیدی کمتر از ولتاژ شبکه باشد، STATCOM توان راکتیو را جذب کرده و رفتاری مشابه یک بار سلفی خواهد داشت.

ساختار مبدل 48 پالسه STATCOM

در این مدل، مبدل اصلی STATCOM از چهار اینورتر GTO دوازده پالسه سه‌سطحی تشکیل شده است. استفاده از ساختار 48 پالسه باعث کاهش قابل توجه هارمونیک‌های ولتاژ خروجی شده و کیفیت توان تولیدی را افزایش می‌دهد. هر یک از این چهار مبدل، یک مجموعه ولتاژ سه‌فاز تولید می‌کند که به سیم‌پیچ ثانویه چهار ترانسفورماتور تغییر فاز متصل می‌شوند.

ترانسفورماتورهای تغییر فاز دارای زوایای مختلف شامل 15- درجه، 7.5- درجه، 7.5 درجه و 15+ درجه هستند. این تغییر فازها باعث می‌شوند مولفه‌های اصلی ولتاژ در سمت 500 کیلوولت با یکدیگر هم‌فاز شده و از طریق اتصال سری سیم‌پیچ‌های اولیه با هم جمع شوند. این روش موجب حذف بخش زیادی از مولفه‌های هارمونیکی و دستیابی به یک ولتاژ خروجی با کیفیت بالا می‌شود.

کنترل توان راکتیو و ولتاژ DC لینک

یکی از بخش‌های مهم در عملکرد STATCOM، کنترل ولتاژ باس DC است. دامنه ولتاژ تولیدی توسط مبدل VSC وابسته به مقدار ولتاژ DC لینک است. بنابراین برای تغییر مقدار توان راکتیو، ابتدا باید ولتاژ DC کنترل شود.

برای تغییر ولتاژ DC، زاویه فاز ولتاژ تولیدی VSC که معمولاً نزدیک به صفر نگه داشته می‌شود، به صورت موقت تغییر می‌کند. این تغییر زاویه باعث ایجاد جریان توان اکتیو کوتاه‌مدت بین شبکه و مبدل شده و در نتیجه انرژی ذخیره شده در خازن‌های DC افزایش یا کاهش پیدا می‌کند. پس از رسیدن ولتاژ DC به مقدار مورد نظر، زاویه دوباره به مقدار نزدیک صفر بازمی‌گردد.

در حالت پایدار، مقدار کوچکی از توان اکتیو برای جبران تلفات کلیدهای قدرت، مبدل و ترانسفورماتورها عبور می‌کند. در این شرایط زاویه آلفا حدود 0.5 درجه است که باعث حفظ تعادل انرژی در سیستم می‌شود.

مدل شبکه 500 کیلوولت و شرایط شبیه سازی

سیستم قدرت مورد استفاده در این شبیه سازی شامل یک شبکه سه باس 500 کیلوولت است که STATCOM در آن وظیفه تنظیم ولتاژ را بر عهده دارد. یکی از منابع ولتاژ شبکه به صورت قابل برنامه‌ریزی تعریف شده است تا بتوان تغییرات ناگهانی ولتاژ و پاسخ دینامیکی STATCOM را مشاهده کرد.

سیستم کنترل STATCOM در حالت کنترل ولتاژ قرار دارد و مقدار مرجع ولتاژ برابر با Vref=1 pu تنظیم شده است. همچنین ضریب افت ولتاژ یا Voltage Droop برابر با 0.03 pu/100 MVA در نظر گرفته شده است. بنابراین هنگامی که STATCOM از حالت کاملاً خازنی (+100 Mvar) به حالت کاملاً سلفی (-100 Mvar) تغییر وضعیت دهد، ولتاژ ترمینال STATCOM بین مقادیر 0.97 pu و 1.03 pu تغییر خواهد کرد.

بررسی پاسخ دینامیکی STATCOM

در ابتدای شبیه سازی، منبع ولتاژ قابل برنامه‌ریزی روی مقدار 1.0491 pu تنظیم شده است. در این شرایط، زمانی که STATCOM خاموش است، ولتاژ ترمینال آن برابر 1 pu خواهد بود. از آنجا که مقدار مرجع کنترل ولتاژ نیز 1 pu است، STATCOM در ابتدا بدون جریان و بدون تبادل توان راکتیو کار می‌کند.

ولتاژ اولیه باس DC برابر 19.3 کیلوولت است. در زمان 0.1 ثانیه، مقدار ولتاژ منبع به صورت ناگهانی 4.5 درصد کاهش پیدا می‌کند و به مقدار 0.955 pu می‌رسد. سیستم کنترل STATCOM این کاهش ولتاژ را تشخیص داده و برای حفظ ولتاژ شبکه، توان راکتیو مثبت تولید می‌کند.

در این شرایط STATCOM حدود 70 مگاوار توان راکتیو خازنی تولید می‌کند و ولتاژ سیستم را در حدود 0.979 pu تثبیت می‌نماید. زمان نشست 95 درصدی سیستم تقریباً 47 میلی‌ثانیه است که نشان‌دهنده سرعت بالای پاسخ STATCOM در مقایسه با تجهیزات سنتی جبران‌ساز است. در این مرحله ولتاژ DC نیز افزایش یافته و از 19.3 کیلوولت به حدود 20.4 کیلوولت می‌رسد.

در زمان 0.2 ثانیه، ولتاژ منبع دوباره افزایش یافته و به مقدار 1.045 pu می‌رسد. در این حالت، سیستم دیگر نیاز به تولید توان راکتیو ندارد و STATCOM از حالت خازنی به حالت سلفی تغییر وضعیت می‌دهد. در نتیجه حدود 72 مگاوار توان راکتیو جذب شده و ولتاژ DC لینک به مقدار 18.2 کیلوولت کاهش پیدا می‌کند.

یکی از نکات مهم قابل مشاهده در این شبیه سازی، تغییر سریع جریان STATCOM از حالت خازنی به حالت سلفی است. این تغییر تقریباً در مدت یک سیکل شبکه انجام می‌شود که نشان‌دهنده عملکرد سریع کنترل‌کننده‌های الکترونیک قدرت در این تجهیز است.

تنظیم شرایط اولیه مدل در Matlab

برای اجرای صحیح این مدل، شرایط اولیه سیستم در فایل
power_statcom_gto48p.mat
ذخیره شده است. هنگام باز کردن مدل، تابع InitFcn در بخش Model Properties/Callbacks به صورت خودکار این اطلاعات را بارگذاری کرده و متغیر xInitial را در محیط Matlab قرار می‌دهد.

اگر پارامترهای مدل تغییر داده شوند یا عناصر قدرت مانند مبدل‌ها، ترانسفورماتورها یا کنترل‌کننده‌ها اصلاح شوند، شرایط اولیه قبلی دیگر معتبر نخواهد بود و باید دوباره تولید شود. برای ایجاد شرایط اولیه جدید ابتدا باید گزینه Initial State در تنظیمات شبیه سازی غیرفعال شده و گزینه Final States فعال شود.

سپس تغییرات ولتاژ منبع قابل برنامه‌ریزی باید غیرفعال شده و زمان توقف شبیه سازی برابر 0.4 ثانیه قرار گیرد. این زمان باید شامل تعداد صحیحی از سیکل‌های شبکه 60 هرتز باشد تا شرایط اولیه با زاویه فاز منابع هماهنگ شود.

پس از اجرای شبیه سازی و رسیدن سیستم به حالت پایدار، مقادیر نهایی سیستم در ساختار xFinal ذخیره می‌شوند. این مقادیر می‌توانند به عنوان شرایط اولیه جدید استفاده شوند تا در اجرای بعدی مدل، شبیه سازی از حالت پایدار آغاز شود.

اهمیت شبیه سازی STATCOM در Matlab

شبیه سازی STATCOM در Matlab و محیط Simulink امکان بررسی دقیق رفتار دینامیکی تجهیزات FACTS را قبل از پیاده‌سازی واقعی فراهم می‌کند. مهندسان قدرت می‌توانند با استفاده از این مدل، عملکرد کنترل‌کننده‌ها، تغییرات توان راکتیو، رفتار مبدل‌های GTO، تاثیر تغییرات ولتاژ شبکه و پایداری سیستم را تحلیل کنند.

مدل دقیق STATCOM با مبدل 48 پالسه یک نمونه کاربردی برای آموزش و تحقیقات در زمینه الکترونیک قدرت، شبکه‌های انتقال، جبران‌سازی توان راکتیو و کنترل سیستم‌های قدرت است. این شبیه سازی نشان می‌دهد که چگونه یک تجهیز مبتنی بر مبدل منبع ولتاژ می‌تواند در چند میلی‌ثانیه تغییرات شدید شبکه را جبران کرده و سطح ولتاژ را در محدوده مطلوب حفظ کند.