جبران‌ساز سنکرون استاتیکی توزیع یا D-STATCOM یکی از تجهیزات مهم در سیستم‌های قدرت مدرن است که با هدف بهبود کیفیت توان، تنظیم ولتاژ شبکه‌های توزیع، کاهش نوسانات ولتاژ و جبران توان راکتیو مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این شبیه سازی، یک مدل دقیق از D-STATCOM در محیط Matlab و نرم‌افزار Simulink بررسی می‌شود که در آن عملکرد مبدل‌های الکترونیک قدرت، سیستم کنترلی، حلقه‌های تنظیم جریان و ولتاژ و توانایی این تجهیز در کاهش پدیده فلیکر ولتاژ تحلیل خواهد شد.

مدل ارائه شده یک D-STATCOM متصل به شبکه توزیع 25 کیلوولت را نشان می‌دهد. این سیستم شامل دو فیدر با طول‌های 21 و 2 کیلومتر است که توان الکتریکی را به بارهای متصل در باس‌های B2 و B3 منتقل می‌کنند. در باس B2 یک بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان نصب شده است. همچنین در باس B3 یک بار 600 ولتی از طریق ترانسفورماتور 25 کیلوولت به 600 ولت متصل شده است که رفتار آن مشابه یک کوره قوس الکتریکی بوده و باعث ایجاد تغییرات سریع جریان و در نتیجه ایجاد نوسانات ولتاژ یا Voltage Flicker می‌شود.

معرفی مدل دقیق D-STATCOM

در شبیه سازی سیستم‌های تبدیل انرژی مبتنی بر مبدل منبع ولتاژ یا Voltage Source Converter (VSC)، معمولاً دو نوع مدل مورد استفاده قرار می‌گیرد: مدل دقیق (Detailed Model) و مدل میانگین (Average Model). انتخاب نوع مدل به محدوده فرکانسی مورد بررسی و هدف شبیه سازی بستگی دارد.

در مدل دقیق، تمام جزئیات مربوط به کلیدهای قدرت IGBT در مبدل الکترونیک قدرت لحاظ می‌شود. این مدل امکان مشاهده هارمونیک‌های ناشی از کلیدزنی، رفتار گذرا و عملکرد دقیق سیستم کنترل را فراهم می‌کند. در این شبیه سازی، فرکانس کلیدزنی مبدل برابر با 1.68 کیلوهرتز در نظر گرفته شده است و برای دستیابی به دقت مناسب، مدار قدرت با گام زمانی بسیار کوچک 5 میکروثانیه گسسته‌سازی می‌شود.

مدل دقیق برای بررسی رفتار سیستم در بازه‌های زمانی کوتاه، معمولاً چند صد میلی‌ثانیه تا حدود یک ثانیه، مناسب است؛ زیرا می‌تواند تغییرات سریع جریان، ولتاژ و هارمونیک‌های ایجاد شده توسط مبدل PWM را نمایش دهد.

در مقابل، مدل میانگین، مبدل‌های IGBT را به صورت منابع ولتاژ معادل مدل می‌کند که مقدار متوسط ولتاژ AC تولیدی در یک دوره کلیدزنی را ایجاد می‌کنند. این مدل توانایی نمایش هارمونیک‌ها را ندارد، اما دینامیک سیستم کنترل و تعامل آن با شبکه قدرت را حفظ می‌کند. به دلیل حذف جزئیات کلیدزنی، امکان استفاده از گام زمانی بزرگ‌تر و شبیه سازی در مدت زمان طولانی‌تر وجود دارد.

ساختار شبکه قدرت و عملکرد D-STATCOM

در این سیستم، بار متغیر متصل به باس B3 دارای جریان متغیر با فرکانس 5 هرتز است. توان ظاهری این بار تقریباً بین 1 مگاولت‌آمپر تا 5.2 مگاولت‌آمپر تغییر می‌کند، در حالی که ضریب توان آن برابر 0.9 پس‌فاز ثابت نگه داشته می‌شود. این تغییرات جریان باعث ایجاد تغییرات ولتاژ در شبکه شده و شرایط مناسبی برای بررسی عملکرد D-STATCOM در حذف فلیکر ولتاژ ایجاد می‌کند.

وظیفه اصلی D-STATCOM تنظیم ولتاژ باس B3 از طریق تولید یا جذب توان راکتیو است. انتقال توان راکتیو توسط راکتانس نشتی ترانسفورماتور کوپلینگ انجام می‌شود. مبدل PWM با ایجاد یک ولتاژ ثانویه کنترل‌شده باعث تغییر جریان راکتیو بین D-STATCOM و شبکه می‌شود.

زمانی که ولتاژ تولید شده توسط مبدل کمتر از ولتاژ شبکه باشد، D-STATCOM مانند یک المان سلفی عمل کرده و توان راکتیو را از شبکه جذب می‌کند. در شرایطی که ولتاژ تولیدی مبدل بیشتر از ولتاژ شبکه باشد، تجهیز رفتار خازنی داشته و توان راکتیو به شبکه تزریق می‌کند.

اجزای اصلی مدل D-STATCOM

مدل شبیه سازی شده شامل بخش‌های مختلفی است که هرکدام نقش مهمی در عملکرد سیستم دارند. مهم‌ترین اجزای این مدل عبارت‌اند از:

• ترانسفورماتور کوپلینگ 25kV/1.25kV: این ترانسفورماتور وظیفه اتصال مبدل PWM به شبکه قدرت را بر عهده دارد و امکان انتقال توان راکتیو بین D-STATCOM و شبکه را فراهم می‌کند.
• مبدل PWM مبتنی بر IGBT: این مبدل از دو پل IGBT تشکیل شده است. استفاده از ساختار دوگانه باعث کاهش هارمونیک‌ها نسبت به یک مبدل تک‌پل شده و پاسخ دینامیکی سیستم را بهبود می‌دهد.
• فیلترهای LC دمپ‌شده: این فیلترها در خروجی اینورتر قرار گرفته‌اند تا هارمونیک‌های ناشی از کلیدزنی PWM کاهش پیدا کنند.
• خازن لینک DC: یک خازن با ظرفیت 10000 میکروفاراد به عنوان منبع ولتاژ DC برای اینورتر استفاده شده است.
• سیستم کنترل ولتاژ: این بخش وظیفه حفظ ولتاژ باس B3 در مقدار مرجع را بر عهده دارد.
• مولد پالس PWM: این بخش پالس‌های کلیدزنی IGBT را با فرکانس 1.68 کیلوهرتز تولید می‌کند.
• فیلترهای ضد Aliasing: برای اندازه‌گیری دقیق جریان و ولتاژ از این فیلترها استفاده شده است.

سیستم کنترل D-STATCOM

کنترل‌کننده D-STATCOM شامل چندین بخش اصلی است که هماهنگی میان شبکه، مبدل قدرت و سیگنال‌های کنترلی را ایجاد می‌کنند.

اولین بخش، حلقه قفل فاز یا PLL است که برای هماهنگ‌سازی سیستم کنترل با فرکانس اصلی شبکه استفاده می‌شود. PLL زاویه فاز شبکه را استخراج کرده و اطلاعات لازم برای تبدیل abc به dq را فراهم می‌کند.

در بخش اندازه‌گیری، ولتاژ و جریان سه‌فاز توسط تبدیل abc-dq به مؤلفه‌های d و q تبدیل می‌شوند. این تبدیل باعث ساده‌تر شدن کنترل سیستم در چارچوب مرجع سنکرون می‌شود.

حلقه داخلی کنترل جریان شامل دو کنترل‌کننده PI است که جریان‌های محور d و q را تنظیم می‌کنند. خروجی این کنترل‌کننده‌ها ولتاژهای مرجع Vd و Vq هستند که پس از تبدیل مجدد به ولتاژهای سه‌فاز، برای تولید سیگنال PWM استفاده می‌شوند.

حلقه خارجی کنترل ولتاژ در حالت تنظیم خودکار فعال است و با استفاده از کنترل‌کننده PI تلاش می‌کند ولتاژ باس B3 را برابر مقدار مرجع نگه دارد. همچنین کنترل‌کننده ولتاژ DC وظیفه ثابت نگه داشتن ولتاژ لینک DC در مقدار 2.4 کیلوولت را دارد.

شبیه سازی پاسخ دینامیکی D-STATCOM

در بخش اول شبیه سازی، پاسخ دینامیکی D-STATCOM در برابر تغییرات پله‌ای ولتاژ منبع بررسی می‌شود. در این آزمایش، بار متغیر ثابت نگه داشته شده و تغییرات ولتاژ شبکه توسط منبع ولتاژ قابل برنامه‌ریزی اعمال می‌شود.

در ابتدا ولتاژ منبع برابر 1.077 پریونیت تنظیم شده است تا D-STATCOM در حالت بدون فعالیت قرار گیرد. در این شرایط، تجهیز هیچ توان راکتیوی جذب یا تولید نمی‌کند و ولتاژ باس B3 برابر مقدار مرجع یک پریونیت است.

در زمان 0.2 ثانیه، ولتاژ شبکه به اندازه 6 درصد افزایش پیدا می‌کند. کنترل‌کننده D-STATCOM برای جلوگیری از افزایش ولتاژ، توان راکتیو را جذب کرده و حدود 2.7 مگاوار توان راکتیو از شبکه دریافت می‌کند.

در زمان 0.3 ثانیه، ولتاژ منبع 6 درصد کاهش می‌یابد. در این حالت D-STATCOM برای جبران افت ولتاژ، توان راکتیو تولید کرده و مقدار توان راکتیو از +2.7 مگاوار به حدود -2.8 مگاوار تغییر می‌کند.

یکی از ویژگی‌های مهم این شبیه سازی، سرعت بالای تغییر حالت D-STATCOM از عملکرد سلفی به خازنی است. این تغییر تقریباً در مدت یک سیکل شبکه انجام می‌شود که نشان‌دهنده عملکرد سریع سیستم کنترل و مبدل PWM است.

شبیه سازی کاهش Voltage Flicker با استفاده از D-STATCOM

در بخش دوم شبیه سازی، قابلیت D-STATCOM در کاهش نوسانات ولتاژ ناشی از بار متغیر بررسی می‌شود. در این حالت، تغییرات ولتاژ منبع حذف شده و تغییرات جریان بار فعال می‌شود.

بدون حضور کنترل ولتاژ D-STATCOM، ولتاژ باس B3 بین 0.96 تا 1.04 پریونیت تغییر می‌کند که نشان‌دهنده نوسان حدود ±4 درصد است. این مقدار تغییرات می‌تواند باعث مشکلات کیفیت توان در تجهیزات حساس صنعتی شود.

پس از فعال کردن حالت Voltage Regulation در کنترل‌کننده D-STATCOM، میزان تغییرات ولتاژ به حدود ±0.7 درصد کاهش پیدا می‌کند. این کاهش قابل توجه نشان می‌دهد که D-STATCOM توانایی بالایی در جبران سریع تغییرات توان راکتیو و تثبیت ولتاژ شبکه دارد.

در این شرایط، D-STATCOM جریان راکتیوی تولید می‌کند که با فرکانس 5 هرتز تغییر می‌کند. هنگامی که ولتاژ شبکه کاهش می‌یابد، جریان راکتیو خازنی تزریق شده و هنگام افزایش ولتاژ، جریان راکتیو سلفی جذب می‌شود.

نتیجه‌گیری

شبیه سازی D-STATCOM با مدل دقیق در Matlab امکان بررسی جزئیات عملکرد یک جبران‌ساز استاتیکی در شبکه توزیع را فراهم می‌کند. در این مدل، رفتار واقعی کلیدهای IGBT، هارمونیک‌های ناشی از PWM، حلقه‌های کنترلی PI و تعامل تجهیز با شبکه قدرت قابل مشاهده است.

نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد که D-STATCOM با کنترل سریع توان راکتیو می‌تواند تغییرات ولتاژ ناشی از بارهای متغیر را کاهش داده و کیفیت توان شبکه را بهبود دهد. استفاده از چنین مدل‌هایی در محیط Matlab و Simulink نقش مهمی در طراحی، تحلیل و توسعه تجهیزات FACTS در سیستم‌های قدرت مدرن دارد.