جبران‌ساز سنکرون سری استاتیک (Static Synchronous Series Compensator) که به اختصار SSSC نامیده می‌شود، یکی از مهم‌ترین تجهیزات خانواده سیستم‌های انتقال انعطاف‌پذیر جریان متناوب یا FACTS (Flexible AC Transmission Systems) است. این تجهیز با استفاده از مبدل‌های الکترونیک قدرت و کنترل پیشرفته، امکان تنظیم توان عبوری از خطوط انتقال را فراهم کرده و نقش بسیار مهمی در افزایش پایداری شبکه، کنترل توان اکتیو و میرایی نوسانات توان ایفا می‌کند. با رشد روزافزون شبکه‌های قدرت، افزایش ظرفیت انتقال انرژی و اتصال منابع تولید پراکنده، استفاده از تجهیزاتی مانند SSSC به یکی از راهکارهای اصلی برای افزایش قابلیت اطمینان و بهره‌وری سیستم‌های قدرت تبدیل شده است.

در این شبیه سازی، عملکرد مدل فازوری SSSC در محیط Simscape Electrical و نرم‌افزار Matlab بررسی می‌شود. مدل فازوری نسبت به مدل‌های کلیدزنی، سرعت شبیه سازی بسیار بالاتری دارد و برای تحلیل رفتار دینامیکی سیستم‌های قدرت در مقیاس بزرگ، گزینه‌ای بسیار مناسب محسوب می‌شود. هدف اصلی این شبیه سازی، بررسی عملکرد SSSC در کنترل جریان توان و همچنین کاهش نوسانات ایجادشده پس از وقوع اتصال کوتاه سه‌فاز در شبکه قدرت است.

معرفی جبران‌ساز سنکرون سری استاتیک (SSSC)

SSSC از یک مبدل منبع ولتاژ (Voltage Source Converter) به همراه یک ترانسفورماتور سری تشکیل شده است که مستقیماً در مسیر خط انتقال قرار می‌گیرد. این تجهیز ولتاژی با دامنه قابل تنظیم و زاویه‌ای عمود بر جریان خط به شبکه تزریق می‌کند. نتیجه این تزریق ولتاژ، ایجاد یک راکتانس مجازی متغیر در مسیر خط انتقال است که می‌تواند رفتار یک راکتانس سلفی یا خازنی را شبیه‌سازی کند.

این راکتانس مجازی باعث تغییر امپدانس مؤثر خط انتقال شده و در نتیجه مقدار توان عبوری از خط قابل کنترل خواهد بود. برخلاف جبران‌سازهای سنتی که تنها از تجهیزات پسیو استفاده می‌کنند، SSSC با بهره‌گیری از مبدل‌های الکترونیک قدرت، پاسخ بسیار سریع‌تر و دقت کنترلی بسیار بالاتری ارائه می‌دهد.

کاربردهای SSSC در شبکه‌های قدرت

جبران‌ساز سنکرون سری استاتیک کاربردهای متعددی در سیستم‌های قدرت دارد که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

• کنترل توان اکتیو انتقالی در خطوط فشار قوی
• افزایش ظرفیت انتقال خطوط موجود بدون نیاز به احداث خطوط جدید
• میرایی نوسانات توان بین نواحی مختلف شبکه
• بهبود پایداری گذرا و پایداری دینامیکی سیستم
• کاهش احتمال خروج ژنراتورها از سنکرونیسم
• بهبود کیفیت توان و افزایش قابلیت اطمینان شبکه

ساختار شبکه قدرت مورد استفاده در شبیه سازی

در این مدل، یک شبکه قدرت نسبتاً بزرگ شامل دو نیروگاه تولید برق و یک مرکز اصلی مصرف بار مورد بررسی قرار گرفته است. نیروگاه اول با نماد M1 دارای ظرفیت نامی ۲۱۰۰ مگاولت‌آمپر است که معادل شش واحد ژنراتور ۳۵۰ مگاولت‌آمپری در نظر گرفته شده است. نیروگاه دوم با نماد M2 ظرفیت ۱۴۰۰ مگاولت‌آمپر داشته و شامل چهار ژنراتور ۳۵۰ مگاولت‌آمپری است.

مرکز مصرف بار در باس B3 قرار دارد و توان مصرفی آن حدود ۲۲۰۰ مگاوات است. بار مصرفی به صورت یک مدل بار دینامیکی پیاده‌سازی شده است؛ به این معنا که توان اکتیو و راکتیو مصرفی آن تابعی از ولتاژ سیستم بوده و رفتار واقعی‌تری نسبت به بارهای ثابت از خود نشان می‌دهد.

ساختار خطوط انتقال

نیروگاه M1 از طریق دو خط انتقال به مرکز بار متصل شده است. خط انتقال L1 دارای طول ۲۸۰ کیلومتر است و خط L2 به دو بخش ۱۵۰ کیلومتری تقسیم شده تا امکان اعمال خطای اتصال کوتاه سه‌فاز در نقطه میانی آن فراهم شود. همچنین نیروگاه دوم توسط خط انتقال L3 به طول ۵۰ کیلومتر به مرکز بار متصل شده است.

در شرایطی که SSSC از مدار خارج باشد، توزیع توان انتقالی در خطوط به صورت زیر است:

• ۶۶۴ مگاوات در خط L1
• ۵۶۳ مگاوات در خط L2
• ۹۹۰ مگاوات در خط L3

این مقادیر وضعیت اولیه شبکه را نشان می‌دهند و مبنایی برای ارزیابی عملکرد SSSC در ادامه شبیه سازی محسوب می‌شوند.

مشخصات مدل SSSC

در این مدل، SSSC در باس B1 و به صورت سری با خط انتقال L1 نصب شده است. توان نامی تجهیز برابر با ۱۰۰ مگاولت‌آمپر بوده و قادر است ولتاژی معادل ۱۰ درصد ولتاژ نامی سیستم را به خط تزریق کند.

این مدل، نسخه فازوری یک SSSC سه‌سطحی مبتنی بر PWM است. ولتاژ نامی لینک DC برابر با ۴۰ کیلوولت بوده و ظرفیت خازن لینک DC مقدار ۳۷۵ میکروفاراد در نظر گرفته شده است. همچنین امپدانس معادل سمت AC برابر با ۰٫۱۶ پریونیت بر پایه ۱۰۰ مگاولت‌آمپر است که مجموع راکتانس نشتی ترانسفورماتور و راکتور سری مبدل IGBT را مدل می‌کند.

کنترل‌کننده میرایی نوسانات توان (POD)

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این شبیه سازی، استفاده از کنترل‌کننده Power Oscillation Damping (POD) است. وظیفه این کنترل‌کننده، کاهش نوسانات توان پس از وقوع اغتشاش در شبکه قدرت است.

سیگنال مرجع ولتاژ تزریقی SSSC یعنی Vqref توسط این کنترل‌کننده تولید می‌شود. کنترل‌کننده POD از بخش‌های مختلفی تشکیل شده است که هر یک نقش مشخصی در بهبود پاسخ سیستم دارند.

• سیستم اندازه‌گیری توان اکتیو
• بهره تقویتی
• فیلتر پایین‌گذر
• فیلتر بالاگذر Washout
• جبران‌ساز Lead
• محدودکننده خروجی

ورودی‌های این کنترل‌کننده شامل ولتاژ باس B2 و جریان عبوری از خط انتقال L1 هستند. بر اساس این اطلاعات، کنترل‌کننده مقدار مناسب ولتاژ تزریقی را محاسبه کرده و باعث افزایش میرایی نوسانات شبکه می‌شود.

بررسی پاسخ دینامیکی SSSC

در اولین بخش شبیه سازی، عملکرد دینامیکی SSSC بدون استفاده از کنترل‌کننده POD مورد بررسی قرار می‌گیرد. در این مرحله، مقدار مرجع ولتاژ تزریقی Vqref در زمان‌های مشخص تغییر داده می‌شود.

در ابتدا مقدار Vqref برابر صفر پریونیت است. در زمان ۲ ثانیه مقدار آن به منفی ۰٫۰۸ پریونیت تغییر می‌کند که بیانگر عملکرد سلفی SSSC است. سپس در زمان ۶ ثانیه مقدار آن به مثبت ۰٫۰۸ پریونیت تغییر یافته و تجهیز در حالت خازنی قرار می‌گیرد.

نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد که تنظیم‌کننده داخلی SSSC با دقت بسیار بالا مقدار واقعی ولتاژ تزریقی را مطابق مقدار مرجع دنبال می‌کند. همچنین توان عبوری از خط انتقال L1 در بازه‌ای حدود ۵۷۵ تا ۷۵۰ مگاوات تغییر می‌کند که بیانگر توانایی بالای این تجهیز در کنترل جریان توان است.

در صورت اعمال تغییرات ناگهانی در مقدار مرجع، نوساناتی در توان انتقالی مشاهده می‌شود. برای کاهش این نوسانات، نرخ تغییر Vqref از مقدار ۳ پریونیت بر ثانیه به ۰٫۰۵ پریونیت بر ثانیه کاهش داده می‌شود. نتایج حاصل نشان می‌دهد که تغییر تدریجی ولتاژ تزریقی باعث کاهش قابل توجه نوسانات توان شده و پاسخ سیستم نرم‌تر خواهد بود.

میرایی نوسانات توان پس از وقوع خطا

در مرحله دوم شبیه سازی، عملکرد SSSC در شرایط وقوع اتصال کوتاه سه‌فاز مورد بررسی قرار می‌گیرد. خطای سه‌فاز در نقطه میانی خط L2 ایجاد شده و مدت زمان آن معادل ۱۰ سیکل شبکه در نظر گرفته می‌شود.

ابتدا سیستم بدون فعال بودن کنترل‌کننده POD شبیه سازی می‌شود. پس از وقوع خطا، نوسانات شدیدی در توان انتقالی خط L1 مشاهده می‌شود که مدت زمان نسبتاً زیادی ادامه پیدا می‌کند. این نوسانات در صورت عدم کنترل می‌توانند موجب کاهش پایداری سیستم و حتی خروج برخی واحدهای تولیدی از سنکرونیسم شوند.

در مرحله بعد، کنترل‌کننده POD فعال شده و شبیه سازی مجدداً اجرا می‌شود. مقایسه نتایج نشان می‌دهد که دامنه نوسانات توان به طور محسوسی کاهش یافته و سیستم در مدت زمان بسیار کوتاه‌تری به حالت پایدار بازمی‌گردد. این موضوع نشان‌دهنده عملکرد بسیار مؤثر SSSC در افزایش پایداری دینامیکی شبکه قدرت است.

مزایای استفاده از مدل فازوری SSSC

استفاده از مدل فازوری برای شبیه سازی SSSC دارای مزایای متعددی است. مهم‌ترین مزیت این مدل، کاهش قابل توجه زمان شبیه سازی نسبت به مدل‌های مبتنی بر کلیدزنی است. در این روش، رفتار کلی تجهیز بدون مدل‌سازی جزئیات سریع سوئیچینگ بررسی می‌شود که برای مطالعات پایداری و تحلیل شبکه‌های بزرگ کاملاً مناسب است.

علاوه بر این، مدل فازوری امکان بررسی سناریوهای مختلف بهره‌برداری، طراحی کنترل‌کننده‌ها، تحلیل پاسخ دینامیکی و ارزیابی عملکرد تجهیزات FACTS را با سرعت بالا فراهم می‌کند. به همین دلیل در بسیاری از مطالعات دانشگاهی و پروژه‌های صنعتی از این نوع مدل استفاده می‌شود.

جمع‌بندی

این شبیه سازی عملکرد یکی از مهم‌ترین تجهیزات FACTS یعنی جبران‌ساز سنکرون سری استاتیک را در یک شبکه قدرت چندماشینه بررسی می‌کند. نتایج نشان می‌دهد که SSSC علاوه بر قابلیت کنترل توان انتقالی خطوط، نقش بسیار مهمی در افزایش پایداری دینامیکی شبکه و میرایی نوسانات ناشی از خطاهای شدید ایفا می‌کند. استفاده از کنترل‌کننده POD باعث کاهش چشمگیر دامنه نوسانات و افزایش سرعت بازگشت سیستم به شرایط پایدار می‌شود. همچنین مدل فازوری ارائه‌شده در محیط Simscape Electrical امکان انجام تحلیل‌های دقیق و سریع را فراهم کرده و بستری مناسب برای آموزش، تحقیق و توسعه روش‌های پیشرفته کنترل در سیستم‌های قدرت به شمار می‌آید.