در سیستم‌های قدرت مدرن، حفظ پایداری شبکه پس از وقوع اغتشاشات و خطاهای مختلف یکی از مهم‌ترین اهداف بهره‌برداران و طراحان شبکه محسوب می‌شود. با افزایش ظرفیت نیروگاه‌ها، طول خطوط انتقال و میزان تبادل توان بین نواحی مختلف، احتمال بروز نوسانات الکترومکانیکی و از دست رفتن سنکرونیسم ژنراتورها نیز افزایش می‌یابد. از این رو استفاده از تجهیزات کنترلی نظیر Power System Stabilizer (PSS) و Static Var Compensator (SVC) نقش بسیار مهمی در افزایش قابلیت اطمینان و پایداری سیستم ایفا می‌کند.

در این شبیه سازی، رفتار یک سیستم انتقال دوماشینه با استفاده از مدل فازوری (Phasor Model) مورد بررسی قرار می‌گیرد. این مدل که در محیط Simscape Electrical و Control System Toolbox پیاده‌سازی شده است، امکان تحلیل سریع پایداری گذرا را فراهم می‌کند و نسبت به مدل‌های دقیق سوئیچینگ، زمان شبیه سازی بسیار کمتری نیاز دارد. هدف اصلی این شبیه سازی، بررسی اثر تثبیت‌کننده سیستم قدرت (PSS) و جبران‌کننده استاتیکی توان راکتیو (SVC) بر عملکرد سیستم در هنگام وقوع خطاهای تک‌فاز و سه‌فاز است.

معرفی ساختار سیستم قدرت

سیستم مورد بررسی شامل یک نیروگاه برق‌آبی با ظرفیت 1000 مگاوات است که توسط یک خط انتقال بسیار بلند 500 کیلوولت به طول 700 کیلومتر به مرکز بار متصل شده است. مرکز بار توسط یک بار مقاومتی 5000 مگاواتی مدل شده و علاوه بر نیروگاه دوردست، یک نیروگاه محلی با ظرفیت 5000 مگاوات نیز وظیفه تأمین توان مورد نیاز را بر عهده دارد.

در شرایط بهره‌برداری اولیه، توان عبوری از خط انتقال برابر با 950 مگاوات در نظر گرفته شده است که بسیار نزدیک به ظرفیت بارگذاری امپدانس طبیعی خط (Surge Impedance Loading یا SIL) با مقدار 977 مگاوات است. این شرایط باعث می‌شود سیستم در ناحیه‌ای قرار گیرد که نسبت به اغتشاشات حساس بوده و مطالعه پایداری آن اهمیت ویژه‌ای داشته باشد.

نقش SVC در افزایش پایداری سیستم

در میانه خط انتقال، یک جبران‌کننده استاتیکی توان راکتیو با ظرفیت 200 مگاوار نصب شده است. وظیفه اصلی این تجهیز کنترل ولتاژ و تزریق یا جذب توان راکتیو در شرایط مختلف بهره‌برداری است. مدل استفاده‌شده در این شبیه سازی از نوع فازوری بوده و تنها برای مطالعات پایداری گذرا طراحی شده است.

SVC در این مدل فاقد واحد Power Oscillation Damping (POD) است؛ بنابراین اثر اصلی آن محدود به تنظیم ولتاژ و افزایش قابلیت انتقال توان شبکه خواهد بود. در هنگام کاهش ولتاژ ناشی از وقوع خطا، این تجهیز با تزریق توان راکتیو موجب افزایش ولتاژ باس و بهبود شرایط عملکرد ژنراتورها می‌شود.

تثبیت‌کننده سیستم قدرت (PSS)

هر دو ژنراتور سنکرون موجود در شبکه به سیستم تحریک، گاورنر توربین آبی و تثبیت‌کننده سیستم قدرت مجهز شده‌اند. وظیفه اصلی PSS تولید سیگنال کمکی برای سیستم تحریک است تا بتواند نوسانات الکترومکانیکی روتور را میرا کند.

در این مدل دو نوع مختلف از تثبیت‌کننده قابل انتخاب است:

• PSS مبتنی بر توان شتاب‌دهنده (Pa)
• Multi-Band PSS مبتنی بر انحراف سرعت روتور (Δω)

کاربر می‌تواند با تغییر مقدار یک بلوک ثابت، یکی از سه حالت زیر را انتخاب کند:

• 0 : بدون PSS
• 1 : استفاده از PSS مبتنی بر توان شتاب‌دهنده
• 2 : استفاده از Multi-Band PSS

مزایای استفاده از مدل فازوری

یکی از ویژگی‌های مهم این شبیه سازی استفاده از روش حل فازوری است. در این روش، معادلات دیفرانسیل شبکه به مجموعه‌ای از معادلات جبری در یک فرکانس ثابت تبدیل می‌شوند. این موضوع باعث کاهش چشمگیر زمان محاسبات شده و امکان تحلیل سیستم‌های چندماشینه بسیار بزرگ را فراهم می‌کند.

در مطالعات پایداری گذرا معمولاً هدف بررسی رفتار کند ژنراتورها، سیستم‌های تحریک و تجهیزات کنترلی است و نیازی به مدل‌سازی دقیق کلیدزنی نیمه‌هادی‌ها یا تغییرات لحظه‌ای موج ولتاژ وجود ندارد. به همین دلیل مدل فازوری انتخابی بسیار مناسب برای چنین مطالعاتی محسوب می‌شود.

مقداردهی اولیه سیستم با استفاده از Load Flow

قبل از شروع تحلیل دینامیکی، سیستم در حالت ماندگار مقداردهی اولیه می‌شود. برای این منظور از ابزار Load Flow موجود در بلوک Powergui استفاده می‌شود.

ژنراتور اول به صورت باس PV تعریف شده است؛ به این معنی که توان اکتیو خروجی و ولتاژ ترمینال آن کنترل می‌شود. مقدار توان تولیدی این ژنراتور برابر با 950 مگاوات تنظیم شده است.

در مقابل، ژنراتور دوم به عنوان باس Swing عمل می‌کند و وظیفه برقراری تعادل توان اکتیو و راکتیو کل شبکه را بر عهده دارد.

پس از اجرای محاسبات Load Flow، توان‌های اکتیو و راکتیو واقعی هر ژنراتور تعیین شده و مقادیر اولیه سیستم تحریک، ولتاژ میدان، توان مکانیکی توربین و مقادیر مرجع کنترل‌کننده‌ها به صورت خودکار مقداردهی می‌شوند.

بررسی خطای تک‌فاز بدون استفاده از SVC

در اولین مطالعه، SVC از مدار خارج شده و تنها دو تثبیت‌کننده PSS در مدار قرار دارند. برای خارج کردن SVC از سرویس، حالت کنترل آن روی Var Control با مقدار Bref برابر صفر تنظیم می‌شود.

پس از وقوع یک اتصال کوتاه تک‌فاز و رفع خطا، رفتار سیستم توسط چندین سیگنال مهم مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.

یکی از مهم‌ترین این سیگنال‌ها اختلاف زاویه روتور دو ماشین است. این زاویه شاخص مناسبی برای بررسی پایداری سنکرون سیستم محسوب می‌شود. هرچه اختلاف زاویه به 90 درجه نزدیک‌تر شود، انتقال توان افزایش یافته و اگر برای مدت طولانی از این مقدار فراتر رود، احتمال از دست رفتن سنکرونیسم وجود خواهد داشت.

نتایج نشان می‌دهد در حضور PSS، نوسانات بین ناحیه‌ای با فرکانس تقریبی 0.8 هرتز به سرعت میرا شده و سیستم در وضعیت پایدار باقی می‌ماند.

بررسی عملکرد انواع مختلف PSS

اگر شبیه سازی برای مدت طولانی‌تری ادامه یابد، مشاهده می‌شود که پس از حذف خطا، نوع دیگری از نوسانات با فرکانس بسیار پایین حدود 0.025 هرتز ظاهر می‌شود.

PSS معمولی مبتنی بر توان شتاب‌دهنده قادر به میرایی مناسب این نوسانات بسیار کند نیست. اما با انتخاب Multi-Band PSS، هر دو مد نوسانی یعنی نوسانات 0.8 هرتز و 0.025 هرتز به خوبی میرا شده و پاسخ سیستم به میزان قابل توجهی بهبود پیدا می‌کند.

این موضوع نشان می‌دهد که طراحی مناسب تثبیت‌کننده نقش تعیین‌کننده‌ای در افزایش پایداری شبکه‌های گسترده قدرت دارد.

حذف PSS و بررسی پایداری سیستم

در ادامه، هر دو تثبیت‌کننده از مدار خارج می‌شوند. با تکرار شبیه سازی مشخص می‌شود که حتی در برابر اغتشاشات نسبتاً کوچک نیز سیستم به تدریج ناپایدار شده و دامنه نوسانات به صورت پیوسته افزایش می‌یابد.

حتی اگر خطا نیز حذف شود و تنها یک تغییر کوچک در توان مرجع ژنراتور اول ایجاد گردد، سیستم پس از چند ثانیه وارد ناحیه ناپایداری خواهد شد. این موضوع اهمیت استفاده از PSS را در شبکه‌های انتقال فشارقوی به خوبی نشان می‌دهد.

بررسی خطای سه‌فاز و نقش SVC

در بخش دوم شبیه سازی، یک اتصال کوتاه سه‌فاز که یکی از شدیدترین انواع خطا در سیستم قدرت محسوب می‌شود، اعمال می‌شود. در این آزمایش، PSSها فعال هستند اما SVC ابتدا در حالت غیرفعال قرار دارد.

نتایج نشان می‌دهد پس از رفع خطا، اختلاف زاویه روتورها به سرعت افزایش یافته و دو ماشین سنکرون از حالت همزمانی خارج می‌شوند. در این شرایط شبیه سازی توسط بلوک Stop متوقف می‌شود تا از ادامه محاسبات غیرضروری جلوگیری شود.

فعال‌سازی کنترل ولتاژ در SVC

در مرحله بعد، SVC از حالت کنترل توان راکتیو ثابت به حالت تنظیم ولتاژ تغییر داده می‌شود. در این وضعیت، هر زمان ولتاژ باس کمتر از مقدار مرجع باشد، تجهیز به صورت خودکار توان راکتیو تزریق کرده و افت ولتاژ را جبران می‌کند.

مقدار ولتاژ مرجع برابر با 1.009 پریونیت انتخاب شده است که معادل ولتاژ باس در شرایطی است که SVC از مدار خارج باشد. بنابراین در شرایط عادی تجهیز در حالت آماده‌به‌کار قرار دارد و تنها هنگام کاهش ولتاژ وارد عمل می‌شود.

نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد با فعال شدن کنترل ولتاژ، سیستم حتی پس از وقوع خطای شدید سه‌فاز نیز قادر به حفظ سنکرونیسم بوده و ناپایداری مشاهده‌شده در حالت قبل کاملاً برطرف می‌شود.

اهمیت تحلیل پایداری گذرا

مطالعات پایداری گذرا یکی از مهم‌ترین مراحل طراحی و بهره‌برداری شبکه‌های قدرت است. مهندسان با استفاده از چنین شبیه سازی‌هایی می‌توانند عملکرد تجهیزات کنترلی را پیش از پیاده‌سازی واقعی ارزیابی کرده و مناسب‌ترین تنظیمات را برای سیستم انتخاب کنند.

همچنین امکان مقایسه عملکرد روش‌های مختلف کنترل، بررسی انواع خطاها، تحلیل رفتار ژنراتورها و ارزیابی ظرفیت انتقال خطوط از جمله قابلیت‌های ارزشمند این مدل محسوب می‌شود.

جمع‌بندی

این شبیه سازی نمونه‌ای کاربردی از تحلیل پایداری گذرای یک سیستم قدرت دوماشینه با استفاده از مدل فازوری در Matlab و Simscape Electrical است. نتایج نشان می‌دهد که تثبیت‌کننده سیستم قدرت نقش اساسی در میرایی نوسانات الکترومکانیکی و جلوگیری از ناپایداری پس از اغتشاشات کوچک دارد، در حالی که جبران‌کننده استاتیکی توان راکتیو با کنترل ولتاژ شبکه، توانایی سیستم را در تحمل خطاهای شدید به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

استفاده همزمان از PSS و SVC باعث بهبود پاسخ دینامیکی شبکه، افزایش ظرفیت انتقال توان، کاهش احتمال خروج ژنراتورها از سنکرونیسم و ارتقای قابلیت اطمینان سیستم قدرت می‌شود. همچنین بهره‌گیری از مدل فازوری موجب کاهش چشمگیر زمان شبیه سازی شده و امکان انجام مطالعات پایداری سیستم‌های بزرگ چندماشینه را با دقت مناسب فراهم می‌کند. به همین دلیل این مدل یکی از مناسب‌ترین گزینه‌ها برای آموزش، پژوهش و طراحی سیستم‌های کنترلی در شبکه‌های انتقال فشارقوی به شمار می‌آید.