ترانسفورماتورهای قدرت علاوه بر انتقال انرژی الکتریکی، نقش بسیار مهمی در حفظ کیفیت ولتاژ شبکه ایفا می‌کنند. یکی از مهم‌ترین تجهیزاتی که در ترانسفورماتورهای قدرت مورد استفاده قرار می‌گیرد، سیستم On Load Tap Changer (OLTC) یا تغییر تپ تحت بار است. این تجهیز امکان تغییر نسبت تبدیل ترانسفورماتور را بدون قطع بار فراهم می‌کند و در نتیجه ولتاژ شبکه را در محدوده استاندارد نگه می‌دارد. در شبکه‌های انتقال و توزیع که بار مصرف‌کنندگان به صورت مداوم تغییر می‌کند، استفاده از OLTC یکی از مؤثرترین روش‌های تنظیم ولتاژ محسوب می‌شود.

در محیط Simscape Electrical نرم‌افزار Matlab نمونه‌ای جامع برای بررسی عملکرد ترانسفورماتور تنظیم‌کننده ولتاژ مجهز به OLTC ارائه شده است. این شبیه سازی علاوه بر نمایش رفتار واقعی سیستم، امکان مقایسه دو مدل متفاوت از ترانسفورماتور OLTC را فراهم می‌کند؛ مدلی که تمامی جزئیات کلیدهای تغییر تپ را در بر می‌گیرد و مدلی ساده‌شده که مخصوص تحلیل‌های فازوری و مطالعات پایداری گذرا طراحی شده است. این دو مدل از نظر دقت و سرعت اجرا تفاوت‌های قابل توجهی دارند و انتخاب هر یک به هدف مطالعه بستگی خواهد داشت.

معرفی شبکه مورد بررسی

در این شبیه سازی، یک شبکه توزیع 25 کیلوولت در نظر گرفته شده است که از سه فیدر توزیع 30 کیلومتری تشکیل شده و این سه فیدر به صورت موازی به یکدیگر متصل هستند. انرژی مورد نیاز این شبکه از طریق یک سیستم قدرت 120 کیلوولت با ظرفیت اتصال کوتاه 1000 مگاولت‌آمپر و یک ترانسفورماتور تنظیم‌کننده 120/25 کیلوولت تأمین می‌شود.

بار متصل به این شبکه دارای توان اکتیو 36 مگاوات و توان راکتیو 10 مگاولت‌آمپر است و ضریب توان آن برابر با 0.964 پس‌فاز در نظر گرفته شده است. همچنین برای جبران توان راکتیو، یک بانک خازنی 15 مگاولت‌آمپری در باس بار نصب شده است تا کیفیت ولتاژ و ضریب توان شبکه بهبود یابد.

به منظور مقایسه عملکرد دو مدل مختلف OLTC، همین شبکه یک بار دیگر به صورت کاملاً مشابه تکرار شده است تا رفتار دو مدل تحت شرایط یکسان بررسی شود.

مدل اول؛ مدل دقیق ترانسفورماتور OLTC

مدل اول یک مدل کاملاً دقیق از ترانسفورماتور تنظیم‌کننده ولتاژ است. در این مدل، تمامی کلیدهای تغییر تپ، سیم‌پیچ‌های تنظیم ولتاژ، مشخصات واقعی ترانسفورماتور و فرآیند تغییر تپ به صورت کامل شبیه سازی شده‌اند. این مدل می‌تواند هم در حالت Continuous و هم در حالت Discrete مورد استفاده قرار گیرد و حتی با روش شبیه سازی فازوری نیز قابل اجرا است.

مزیت اصلی این مدل مشاهده شکل موج‌های دقیق ولتاژ و جریان در هنگام تغییر تپ است. بنابراین زمانی که هدف تحلیل رفتار گذرای کلیدها، بررسی ولتاژهای لحظه‌ای یا مطالعه جزئیات عملکرد OLTC باشد، این مدل بهترین انتخاب خواهد بود. البته به دلیل مدل‌سازی تمامی تجهیزات داخلی، زمان اجرای شبیه سازی نسبتاً زیاد است.

مدل دوم؛ مدل فازوری ساده‌شده

مدل دوم یک مدل فازوری ساده‌شده است که در آن ترانسفورماتور و سیستم OLTC به کمک منابع جریان معادل مدل‌سازی شده‌اند. این مدل تنها در حالت Phasor قابل استفاده است و برای مطالعات پایداری سیستم قدرت توسعه یافته است.

به دلیل حذف مدل‌سازی کلیدهای مکانیکی و جزئیات داخلی ترانسفورماتور، سرعت اجرای این مدل بسیار بیشتر از مدل دقیق است. در شبکه‌های بزرگ که ممکن است ده‌ها ترانسفورماتور مجهز به OLTC وجود داشته باشد، استفاده از این مدل موجب کاهش چشمگیر زمان محاسبات خواهد شد.

مشخصات ترانسفورماتور تنظیم‌کننده

هر دو مدل از یک ترانسفورماتور سه‌فاز با توان نامی 47 مگاولت‌آمپر استفاده می‌کنند. ولتاژ نامی سمت اولیه 120 کیلوولت و سمت ثانویه 25 کیلوولت بوده و اتصال سیم‌پیچ‌ها به صورت ستاره-مثلث در نظر گرفته شده است. سیستم تغییر تپ نیز در سمت فشار قوی نصب شده است تا ولتاژ باس‌های 25 کیلوولت را تنظیم کند.

تنظیم ولتاژ از طریق تغییر نسبت تبدیل ترانسفورماتور انجام می‌شود. برای این منظور، سیم‌پیچ تنظیم ولتاژ به صورت سری با سیم‌پیچ اصلی قرار گرفته و کلیدهای OLTC با انتخاب تپ مناسب، نسبت تبدیل را تغییر می‌دهند.

نحوه عملکرد سیستم تغییر تپ

در این ترانسفورماتور، نه کلید مختلف امکان انتخاب هشت تپ اصلی به همراه تپ صفر را فراهم می‌کنند. علاوه بر آن، یک کلید معکوس‌کننده نیز وجود دارد که اتصال سیم‌پیچ تنظیم را در دو حالت افزایشی و کاهشی تغییر می‌دهد. به همین دلیل مجموعاً هفده موقعیت مختلف برای تنظیم ولتاژ در اختیار سیستم قرار می‌گیرد.

هر تغییر تپ باعث اصلاح ولتاژ به میزان 0.01875 پریونیت، معادل 1.875 درصد ولتاژ نامی می‌شود. بنابراین دامنه تغییر ولتاژ از حدود 102 کیلوولت تا 138 کیلوولت قابل دستیابی است و این تغییرات به صورت پله‌ای انجام می‌شود.

کنترل‌کننده ولتاژ

ولتاژ مثبت توالی در باس‌های B2 و B4 به عنوان ورودی کنترل‌کننده ولتاژ مورد استفاده قرار می‌گیرد. مقدار مرجع ولتاژ برابر 1.04 پریونیت تنظیم شده است تا ولتاژ خروجی ترانسفورماتور همواره در نزدیکی این مقدار باقی بماند.

برای اینکه در ابتدای شبیه سازی ولتاژ خروجی نزدیک مقدار مرجع باشد، موقعیت اولیه تپ روی عدد منفی چهار تنظیم شده است. در این وضعیت، ترانسفورماتور ولتاژ خروجی را تقویت می‌کند و مقدار ولتاژ باس‌های 25 کیلوولت در حدود 1.04 پریونیت قرار می‌گیرد.

ساختار داخلی مدل‌ها

اگر ساختار داخلی بلوک‌های Simulink بررسی شود، مشاهده خواهد شد که مدل دقیق از سه ترانسفورماتور چندسیم‌پیچه و سه زیرسیستم OLTC تشکیل شده است. این زیرسیستم‌ها شامل کلیدهایی هستند که وظیفه انتخاب تپ مناسب و تغییر جهت سیم‌پیچ تنظیم را بر عهده دارند.

در هنگام تغییر تپ، دو تپ مجاور برای مدت کوتاهی از طریق مقاومت‌های 5 اهم به یکدیگر متصل می‌شوند. این فرآیند که حدود 60 میلی‌ثانیه طول می‌کشد، از ایجاد جریان‌های بسیار بزرگ جلوگیری کرده و عملکرد مکانیکی کلیدها را شبیه‌سازی می‌کند.

در مقابل، مدل فازوری به جای استفاده از کلیدهای واقعی، از منابع جریان معادل استفاده می‌کند که امپدانس آن‌ها بر اساس مقاومت سیم‌پیچ‌ها، راکتانس نشتی و موقعیت تپ محاسبه می‌شود.

بازه مجاز تنظیم ولتاژ

کنترل‌کننده ولتاژ دارای یک ناحیه مرده یا Dead Band است که مقدار آن دو برابر اندازه هر پله تغییر ولتاژ در نظر گرفته شده است. این ویژگی باعث می‌شود سیستم در برابر نوسانات بسیار کوچک واکنش نشان ندهد و از تغییرات مداوم تپ جلوگیری شود.

در نتیجه انتظار می‌رود ولتاژ باس‌های خروجی همواره در بازه تقریبی 1.021 تا 1.059 پریونیت باقی بماند، مگر آنکه تعداد تپ‌های قابل استفاده به پایان برسد.

روند اجرای شبیه سازی

از آنجا که مکانیزم تغییر تپ یک فرآیند مکانیکی است، زمان تغییر هر تپ برابر چهار ثانیه در نظر گرفته شده است. به همین دلیل مدت زمان شبیه سازی برابر 120 ثانیه انتخاب شده تا عملکرد کامل سیستم قابل مشاهده باشد.

برای ایجاد اغتشاش در شبکه، از یک منبع ولتاژ سه‌فاز قابل برنامه‌ریزی استفاده شده است. در ابتدای شبیه سازی، منبع ولتاژ در مقدار نامی خود قرار دارد. سپس در زمان 10 ثانیه ولتاژ منبع به 0.95 پریونیت کاهش یافته و در زمان 50 ثانیه به 1.10 پریونیت افزایش پیدا می‌کند.

نتایج شبیه سازی

در لحظه شروع، ترانسفورماتورها روی تپ منفی چهار قرار دارند و ولتاژ باس‌های B2 و B4 حدود 1.038 پریونیت است. پس از کاهش ناگهانی ولتاژ منبع در ثانیه دهم، ولتاژ خروجی به حدود 0.986 پریونیت افت می‌کند که خارج از محدوده مجاز است.

در این شرایط کنترل‌کننده فرمان افزایش ولتاژ را صادر کرده و سیستم OLTC به تدریج تپ را تا موقعیت منفی شش تغییر می‌دهد. پس از پایان تغییرات، ولتاژ خروجی در حدود 1.025 پریونیت تثبیت می‌شود.

در ادامه، در زمان 50 ثانیه ولتاژ منبع به 1.10 پریونیت افزایش می‌یابد و ولتاژ باس خروجی به حدود 1.19 پریونیت می‌رسد. اکنون کنترل‌کننده در جهت عکس عمل کرده و با افزایش شماره تپ، نسبت تبدیل ترانسفورماتور را کاهش می‌دهد تا در نهایت موقعیت تپ روی عدد مثبت یک قرار گیرد و ولتاژ خروجی در حدود 1.043 پریونیت تثبیت شود.

مقایسه سرعت اجرای دو مدل

یکی از مهم‌ترین مزایای مدل فازوری، افزایش قابل توجه سرعت شبیه سازی است. اگر مدل دقیق حذف شده و به جای آن از یک نمونه دیگر مدل فازوری استفاده شود، زمان اجرای شبیه سازی تقریباً 2.5 برابر کاهش می‌یابد. علت اصلی این افزایش سرعت، حذف مدل‌سازی کلیدهای مکانیکی OLTC و ساده‌سازی معادلات سیستم است.

به همین دلیل در مطالعات پایداری گذرا، تحلیل عملکرد شبکه‌های بزرگ و بررسی پاسخ دینامیکی سیستم قدرت، مدل فازوری انتخاب مناسب‌تری محسوب می‌شود؛ در حالی که برای تحلیل دقیق فرآیند تغییر تپ و بررسی شکل موج‌های لحظه‌ای همچنان مدل دقیق برتری دارد.

جمع‌بندی

این شبیه سازی یکی از نمونه‌های ارزشمند Simscape Electrical برای مطالعه عملکرد ترانسفورماتورهای مجهز به سیستم تغییر تپ تحت بار است. در این مدل، علاوه بر بررسی نحوه تنظیم خودکار ولتاژ، امکان مقایسه دو رویکرد متفاوت مدل‌سازی نیز فراهم شده است. مدل دقیق رفتار واقعی کلیدها، سیم‌پیچ‌ها و فرآیند تغییر تپ را نمایش می‌دهد، در حالی که مدل فازوری با کاهش پیچیدگی محاسبات، گزینه‌ای مناسب برای تحلیل شبکه‌های بزرگ و مطالعات پایداری محسوب می‌شود.

آشنایی با این شبیه سازی در Matlab به مهندسان قدرت کمک می‌کند تا نحوه عملکرد ترانسفورماتورهای تنظیم‌کننده ولتاژ، تأثیر تغییر تپ بر کیفیت ولتاژ، نقش کنترل‌کننده ولتاژ و تفاوت میان مدل‌های دقیق و فازوری را به‌خوبی درک کرده و در طراحی، تحلیل و بهره‌برداری از شبکه‌های انتقال و توزیع از مدل مناسب استفاده کنند.