کنترل توان عبوری در شبکه‌های انتقال فشارقوی یکی از مهم‌ترین چالش‌های بهره‌برداری از سیستم‌های قدرت محسوب می‌شود. افزایش تقاضای انرژی، محدودیت در احداث خطوط انتقال جدید، رشد تولید پراکنده و نیاز به افزایش قابلیت اطمینان شبکه باعث شده است که استفاده از تجهیزات مبتنی بر الکترونیک قدرت به عنوان راهکاری مؤثر برای مدیریت توان مورد توجه قرار گیرد. یکی از پیشرفته‌ترین تجهیزات خانواده FACTS یا سیستم‌های انتقال انعطاف‌پذیر جریان متناوب، کنترل‌کننده یکپارچه توان (Unified Power Flow Controller یا UPFC) است. این تجهیز قادر است به صورت هم‌زمان توان اکتیو، توان راکتیو و ولتاژ شبکه را کنترل کند و در نتیجه بهره‌برداری از خطوط انتقال را بهینه سازد.

در این شبیه سازی، عملکرد یک UPFC در یک شبکه انتقال 500/230 کیلوولت مورد بررسی قرار می‌گیرد. مدل ارائه شده در محیط Simscape Electrical و با استفاده از مدل فازوری (Phasor Model) پیاده‌سازی شده است. استفاده از مدل فازوری باعث می‌شود تحلیل رفتار دینامیکی سیستم در بازه‌های زمانی طولانی با سرعت بسیار بیشتری نسبت به مدل‌های کلیدزنی انجام شود و در عین حال دقت مناسبی برای مطالعات پایداری و کنترل توان حفظ گردد.

اهمیت استفاده از UPFC در شبکه‌های انتقال

در بسیاری از شبکه‌های انتقال، ظرفیت خطوط و ترانسفورماتورها محدود است. در شرایط افزایش بار یا خروج یکی از تجهیزات از مدار، احتمال اضافه‌بار در بخش‌هایی از شبکه افزایش پیدا می‌کند. احداث خطوط انتقال جدید علاوه بر هزینه زیاد، نیازمند زمان طولانی و اخذ مجوزهای مختلف است. به همین دلیل استفاده از تجهیزات FACTS به عنوان راهکاری اقتصادی برای افزایش ظرفیت انتقال موجود مورد استقبال قرار گرفته است.

کنترل‌کننده یکپارچه توان پیشرفته‌ترین عضو خانواده FACTS محسوب می‌شود زیرا برخلاف تجهیزاتی مانند SVC یا STATCOM که عمدتاً بر کنترل ولتاژ و توان راکتیو تمرکز دارند، UPFC امکان کنترل مستقل توان اکتیو، توان راکتیو و ولتاژ را به صورت هم‌زمان فراهم می‌کند. این قابلیت موجب می‌شود اپراتور شبکه بتواند مسیر عبور توان را مدیریت کرده و از ایجاد ازدحام توان یا Power Congestion جلوگیری کند.

معرفی ساختار شبکه قدرت مورد استفاده در شبیه سازی

در این شبیه سازی یک شبکه انتقال 500/230 کیلوولت در نظر گرفته شده است که به صورت حلقوی طراحی شده و از پنج باس اصلی با نام‌های B1 تا B5 تشکیل شده است. این باس‌ها توسط سه خط انتقال با نام‌های L1، L2 و L3 به یکدیگر متصل هستند. همچنین دو بانک ترانسفورماتور قدرت با نام‌های Tr1 و Tr2 ارتباط بین سطوح ولتاژی 230 و 500 کیلوولت را برقرار می‌کنند.

در سمت 230 کیلوولت دو نیروگاه قرار گرفته‌اند که مجموعاً توان تولیدی آن‌ها برابر با 1500 مگاوات است. این توان به یک شبکه معادل بسیار بزرگ 500 کیلوولت با ظرفیت اتصال کوتاه 15000 مگاولت‌آمپر منتقل می‌شود. علاوه بر آن، یک بار 200 مگاواتی نیز در باس B3 قرار گرفته است.

مدل نیروگاه‌ها تنها شامل ژنراتور نیست، بلکه اجزای کنترلی مهمی مانند سیستم تنظیم‌کننده سرعت توربین، سیستم تحریک ژنراتور و همچنین پایدارساز سیستم قدرت (PSS) نیز در مدل لحاظ شده‌اند. وجود این کنترل‌کننده‌ها باعث می‌شود رفتار دینامیکی سیستم بسیار نزدیک به شرایط واقعی شبکه قدرت باشد.

شرایط بهره‌برداری اولیه شبکه

قبل از فعال شدن UPFC، مقدار تولید نیروگاه اول برابر با 500 مگاوات و تولید نیروگاه دوم برابر با 1000 مگاوات تنظیم شده است. مقداردهی اولیه سیستم توسط قابلیت Load Flow موجود در بلوک Powergui انجام می‌شود تا تمامی متغیرهای شبکه در نقطه کار مناسب قرار گیرند.

در حالت اولیه، کلید Bypass بسته است و بنابراین UPFC از مدار خارج می‌باشد. در این وضعیت بخش عمده توان تولیدی نیروگاه دوم از طریق بانک ترانسفورماتور Tr2 به سمت شبکه 500 کیلوولت منتقل می‌شود.

نتایج محاسبات پخش بار نشان می‌دهد که از مجموع 1000 مگاوات تولیدی نیروگاه دوم، حدود 899 مگاوات از بانک ترانسفورماتور Tr2 عبور می‌کند و تنها 101 مگاوات در مسیر حلقوی شبکه جریان پیدا می‌کند. از آنجا که در این سناریو تنها دو ترانسفورماتور از سه ترانسفورماتور موجود در مدار قرار دارند، ظرفیت بانک Tr2 برابر 800 مگاولت‌آمپر است و عبور 899 مگاوات موجب اضافه‌بار حدود 99 مگاولت‌آمپر می‌شود.

همین اضافه‌بار، انگیزه اصلی استفاده از UPFC در این شبیه سازی است تا بدون تغییر توپولوژی شبکه یا احداث تجهیزات جدید، توزیع توان اصلاح شود.

ساختار داخلی UPFC

کنترل‌کننده یکپارچه توان مورد استفاده در این شبیه سازی از دو مبدل مبتنی بر IGBT تشکیل شده است که هر کدام ظرفیت نامی 100 مگاولت‌آمپر دارند. یکی از این مبدل‌ها به صورت موازی (Shunt Converter) و دیگری به صورت سری (Series Converter) به شبکه متصل شده‌اند.

هر دو مبدل از طریق یک باس DC مشترک با یکدیگر در ارتباط هستند. این ساختار امکان تبادل توان بین دو مبدل را فراهم می‌کند و باعث می‌شود توان اکتیو مورد نیاز مبدل سری از طریق مبدل موازی تأمین شود.

اتصال مبدل‌ها به شبکه توسط ترانسفورماتورهای کوپلینگ و راکتورهای مناسب انجام شده است تا علاوه بر تأمین ایزولاسیون الکتریکی، جریان‌های گذرا نیز کنترل شوند.

یکی از ویژگی‌های مهم این UPFC قابلیت تزریق ولتاژ سری تا 10 درصد ولتاژ نامی خط نسبت به زمین است که مقدار آن حدود 28.87 کیلوولت می‌باشد. این ولتاژ تزریقی امکان کنترل مستقیم توان عبوری از خط انتقال را فراهم می‌کند.

اهداف کنترلی UPFC

در این مدل سه هدف اصلی برای کنترل‌کننده تعریف شده است. هدف نخست کنترل توان اکتیو عبوری از باس B3 است. هدف دوم کنترل توان راکتیو همان باس بوده و هدف سوم نیز تثبیت ولتاژ باس متصل به UPFC می‌باشد.

کنترل هم‌زمان این سه کمیت باعث می‌شود علاوه بر کاهش اضافه‌بار تجهیزات، کیفیت ولتاژ شبکه نیز حفظ شده و پایداری سیستم افزایش پیدا کند.

فرآیند اجرای شبیه سازی

در این شبیه سازی مقدار مرجع توان اکتیو و توان راکتیو توسط بلوک‌های Pref و Qref تعیین می‌شوند. در ابتدای شبیه سازی، کلید Bypass بسته است و توان طبیعی عبوری از باس B3 برابر 587 مگاوات و توان راکتیو برابر منفی 27 مگاوار است.

به همین دلیل مقدار اولیه Pref برابر 5.87 پریونیت انتخاب شده است تا با شرایط واقعی شبکه منطبق باشد. مقدار مرجع توان راکتیو نیز روی منفی 0.27 پریونیت ثابت نگه داشته می‌شود.

در زمان 5 ثانیه، کلید Bypass باز می‌شود و جریان توان از شاخه بای‌پس به شاخه سری UPFC منتقل می‌شود. طراحی مناسب سیستم کنترل باعث می‌شود این انتقال تقریباً بدون ایجاد نوسان قابل توجه یا گذرای شدید انجام شود.

در زمان 10 ثانیه مقدار مرجع توان اکتیو یک پریونیت افزایش پیدا می‌کند؛ یعنی از 5.87 به 6.87 پریونیت می‌رسد که معادل افزایش 100 مگاواتی توان انتقالی است. این افزایش به صورت تدریجی و با نرخ یک پریونیت بر ثانیه انجام می‌شود و حدود یک ثانیه طول می‌کشد تا مقدار توان به 687 مگاوات برسد.

نحوه عملکرد مبدل سری

برای دستیابی به افزایش 100 مگاواتی توان انتقال، مبدل سری ولتاژی معادل 0.089 پریونیت با زاویه تقریباً 94 درجه در مسیر خط انتقال تزریق می‌کند. این ولتاژ تزریقی موجب تغییر اختلاف زاویه ولتاژ بین دو انتهای خط شده و در نتیجه مسیر عبور توان اکتیو اصلاح می‌شود.

از آنجا که توان اکتیو در خطوط انتقال تابع اختلاف زاویه ولتاژ است، تغییر کنترل‌شده این زاویه توسط ولتاژ سری، روشی بسیار مؤثر برای مدیریت جریان توان محسوب می‌شود.

کاهش اضافه‌بار ترانسفورماتور

مهم‌ترین نتیجه این شبیه سازی کاهش بار وارد بر بانک ترانسفورماتور Tr2 است. پیش از فعال شدن UPFC حدود 899 مگاوات از این بانک عبور می‌کرد که بیشتر از ظرفیت مجاز آن بود.

پس از عملکرد کنترل‌کننده، توان عبوری از این ترانسفورماتور به حدود 796 مگاوات کاهش پیدا می‌کند. بنابراین اضافه‌بار حذف شده و تجهیز در محدوده مجاز بهره‌برداری قرار می‌گیرد. این موضوع نشان می‌دهد که بدون نیاز به احداث تجهیزات جدید یا تغییر ساختار شبکه، تنها با مدیریت هوشمند مسیر عبور توان می‌توان بهره‌برداری ایمن‌تری از سیستم قدرت داشت.

بررسی نتایج در محیط Matlab

در محیط Matlab و Simscape Electrical چندین ابزار اندازه‌گیری برای تحلیل عملکرد سیستم در اختیار کاربر قرار دارد. یکی از مهم‌ترین آن‌ها UPFC Scope است که تغییرات توان اکتیو و راکتیو اندازه‌گیری‌شده در باس B3 را نمایش می‌دهد. همچنین پنجره VPQ Lines Scope تغییرات توان در تمامی باس‌های اصلی شبکه را نشان می‌دهد و امکان مشاهده توزیع مجدد جریان توان پس از فعال شدن UPFC را فراهم می‌کند.

کاربر می‌تواند با تغییر مقادیر مرجع Pref و Qref، ظرفیت مبدل‌ها، زاویه ولتاژ تزریقی، پارامترهای کنترل‌کننده و همچنین شرایط بهره‌برداری شبکه، سناریوهای مختلفی را بررسی کرده و تأثیر هر پارامتر را بر عملکرد سیستم انتقال مطالعه کند.

مزایای استفاده از مدل فازوری

مدل فازوری مورد استفاده در این شبیه سازی نسبت به مدل‌های کلیدزنی دارای سرعت اجرای بسیار بالاتری است. در این روش به جای مدل‌سازی جزئیات کلیدزنی نیمه‌هادی‌ها، رفتار متوسط مبدل‌ها در فرکانس اصلی شبکه بررسی می‌شود. به همین دلیل اجرای شبیه سازی‌های طولانی‌مدت، مطالعات پایداری گذرا، بررسی عملکرد کنترل‌کننده‌ها و تحلیل بهره‌برداری شبکه با زمان محاسباتی بسیار کمتر امکان‌پذیر خواهد بود.

جمع‌بندی

این شبیه سازی یکی از کاربردی‌ترین نمونه‌های استفاده از UPFC در شبکه‌های انتقال قدرت را نشان می‌دهد. هدف اصلی مدل، رفع ازدحام توان و کاهش اضافه‌بار ترانسفورماتورهای انتقال بدون تغییر ساختار شبکه است. نتایج نشان می‌دهد که با تزریق کنترل‌شده ولتاژ سری و استفاده از مبدل موازی برای تأمین توان مورد نیاز، می‌توان توان اکتیو و راکتیو را به صورت مستقل کنترل کرد، ولتاژ باس را تثبیت نمود و ظرفیت بهره‌برداری از شبکه را افزایش داد. این مدل در Matlab و Simscape Electrical بستری مناسب برای آموزش، تحقیق و توسعه الگوریتم‌های پیشرفته کنترل تجهیزات FACTS فراهم می‌کند و درک عمیق‌تری از نحوه مدیریت جریان توان در شبکه‌های انتقال مدرن در اختیار پژوهشگران و مهندسان سیستم قدرت قرار می‌دهد.