پایان نامه جایابی بهینه ادوات SVC & TCSC به منظور کاهش تلفات در سیستم های انتقال با استفاده از الگوریتم ژنتیک

پایان نامه دریافت درجه کارشناسی ارشد ( M.S )

گرایش برق قدرت

چکیده

با گسترش روزافزون مصرف انرژی در جهان، توسعه شبکه های قدرت امری ضروریست. اما ایجاد خطوط انتقال جدید، مستلزم صرف زمان وهزینه های گزاف بوده ولذا درصورت امکان استفاده ازهمان خطوط با ظرفیت انتقال بالاتر بسیار مقرون به صرفه می باشد. امروزه سیستم شبکه های قدرت با مشکلاتی از قبیل  ناپایداری ولتاژ با ریسک بالا و تلفات توان مواجه است. این پدیده ناشی ازعدم کنترل توان راکتیو در شرایط بهره برداری سنگین به سبب افزایش تقاضای بار و توسعه سیستم های قدرت در دنیا است. به طور کلی مشکل  کنترل توان راکتیو از دو منظر قابل بررسی است: جبران بار و پشتیبانی از ولتاژ. بدین منظور به جهت کاهش تلفات توان  کل سیستم  یا انحراف ولتاژ به عنوان یک هدف، با محاسبه تنظیمات بهینه خروجی توان راکتیو و ولتاژ ترمینال نیروگاه ها ، تپ ترانسفورماتور و تنظیمات  خروجی ادوات دیگر جبران کننده مانند بانک خازنی و مولد سنکرون استفاده می شود. دراین خصوص از تنظیمات  ادوات انعطاف پذیر جریان متناوب FACTS  به عنوان کنترلرهای اضافه شده درنظر گرفته شده است تا  با اعمال برپارامترهای سیستم انتقال، شاهد تاثیرآن بر کاهش تلفات انتقال در سیستم قدرت باشیم.  از  مدل های استاتیک جبران سازها  دو نوع از ادوات FACTS شامل: جبران ساز موازی توان راکتیو (SVC) و خازن جبران ساز سری کنترل شده با تریستور  (TCSC)، در فرمول حل مسئله گنجانده شده است. دراین پایان نامه با جایابی بهینه این ادوات در شبکه قدرت توسط الگوریتم ژنتیک، با کنترل توان راکتیو به کاهش هرچه بیشترتلفات وافزایش ظرفیت انتقال انرژی درخطوط کمک می شود و در پایان با شبیه سازی شبکه تست  6 و24 شین IEEE و قراردادن ادوات FACTS درآن این امراثبات خواهد شد.

واژه‌های کلیدی: ادوات  FACTS، SVC ، TCSC  ، جایابی ، الگوریتم ژنتیک ( GA) 

یکی ازمهمترین دغدغه های امروزه بشر، تأمین انرژی است. انرژی از ارکان اصلی اقتصاد به شمار می آید ودراین میان برق به عنوان عالیترین نوع انرژی جایگاه ویژه ای دارد. امروزه میزان تولید ومصرف انرژی برق شاخص رشد اقتصادی جوامع و یکی ازمعیارهای سنجش رفاه محسوب می شود. کاهش ذخایر نفت و گاز ازیکسو و افزایش میزان مصرف انرژی درسطح جهان ازسوی دیگر، پژوهشگران و محققین را برآن داشت تا برای افزایش راندمان و ارتقای بهره وری نیروگاهها، کاهش تلفات  وحفظ محیط زیست توجهی جدی به بهینه سازی تولید وانتقال انرژی درشبکه های قدرت داشته باشند. درهمین راستا درسالهای اخیر با گسترش صنعت الکترونیک قدرت، سیستمهای انعطاف پذیر انتقال جریان متناوب  (FACTS[1]) و با توجه به قابلیت های فراوان وکاربردهای وسیع، به سرعت درشبکه های انتقال قدرت بکار گرفته شد وتحولی درسیستم های انتقال ایجاد کرد به طوری که امکان بهبود انتقال جریان برق را فراهم می کند. تکنولوژی این سیستم ها، سرعتی بالاتر از ادوات الکترونیکی قدیمی را فراهم می نماید. انتخاب ادوات FACTS  برای کنترل توان راکتیو سیستم به کار برده می شود تا ولتاژ را در شین های بار کنترل نماید.مطالعات زیادی نشان می دهد که تکنولوژی ادوات   FACTS با حفظ پروفیل ولتاژ و تاثیر بر  پارامتر های انتقال باعث بالا رفتن ظرفیت انتقال شده و تلفات سیستم قدرت را کاهش، و تراکم بار خطوط را کم، قابلیت اطمینان را  بهبود  و عملکرد و کنترل را افزایش می دهد.در سال های اخیر کنترل توان راکتیو و کاهش تلفات در سیستم های قدرت  از طریق جایابی بهینه ادوات FACTS با استفاده از الگوریتم های مختلف هوشمند انجام شده است. الگوریتم ژنتیک (GA[2]) یکی از تکنیک های جستجو در علم رایانه به جهت یافتن راه حل تقریبی، برای بهینه سازی و مسائل جستجو است.

1-2 سیستم های انعطاف پذیر انتقال جریان متناوب FACTS

(سیستم قدرت) گسترده و پیوسته..... .  شاید بتوان گفت سیستم قدرت پیچیده ترین وسیله ی ساخت بشر امروزیست. یکی از اجزاء اصلی سیستم ها، خطوط انتقال است.  وظیفه این خطوط انتقال الکتریکی از نیروگاه ها به مراکز مصرف است.بدیهی است خطوط انتقال باید دارای قابلیت اطمینان و بازدهی بالا  و تلفات کم باشند. از طرفی مصرف انرژی الکتریکی روز به روز بیشتر شده و نیاز بیشتری به انتقال توان احساس می شود. بنابراین یا باید خطوط انتقال جدیدی احداث شود و یا اینکه خطوط موجود تجهیز شوند تا امکان استفاده بیشتری با کمترین هزینه فراهم شود. ضمن اینکه در بعضی مواقع احداث خطوط انتقال جدید به دلیل مشکلات طبیعی و شرایط محیطی و هزینه های هنگفت، دشوار و بعضاً غیر ممکن است و ناچاریم از خطوط موجود حداکثراستفاده را ببریم]5[. تجهیزات  FACTS اولین بار توسط[3]EPRI در سال 1990 میلادی در امریکا ارائه شدند]6[. این تجهیزات وسایلی هستند که علاوه بر افزایش بار پذیری سیستم باعث می شوند قدرت تا حد بسیار زیادی تحت کنترل در آید و با سرعت زیادی که دارند قادر هستند پایداری سیستم را بهبود ببخشند]7[.

از مهمترین ادوات FACTS   پرکاربرد  می توان به موارد زیر اشاره کرد ] 9 ،10[:

جبران کننده توان راکتیواستاتیکی [4] SVC

خازن سری کنترل کننده با تریستور TCSC[5]

کنترل کننده یکپارچه توان UPFC[6]

جبران کننده استاتیک STATCOM[7]

از میان موارد بالا دو مورد اول در این پایان نامه تحت بحث و بررسی قرار گرفته اند. , SVC TCSC از نظر ساختار بسیار شبیه هم هستند. SVC توسط یک ترانسفورماتور کاهنده به طور موازی به خط وصل می شود   ]11 [، ولی TCSC  بصورت سری در خط قرار می گیرند.از آنجا که قیمت این تجهیزات تقریباً زیاد است، استفاده از این وسایل هنوز چندان رایج نشده و پیش بینی می شود قیمت ها روند کاهشی داشته باشند و زمینه بکارگیری این تجهیزات در سیستم انتقال بیشتر شود.

از تحقیقاتی که برای استفاده از ادوات   FACTSانجام شده و یا در حال انجام است، جایابی و تعیین ظرفیت آنهاست. بطوری که هم از نظر اقتصادی و هم از لحاظ تاثیر گذاری بهینه باشند. روش های بکار گرفته شده بستگی به هدف مورد نظر دارد.

1-3  الگوریتم ژنتیک ( GA)

الگوریتم های ژنتیک الگوریتم هایی هستند که بر پایه تکامل طبیعی و بقای برتر کار می کنند و در محاسبات تکاملی به صورت انتزاعی از مفاهیم اساسی تکامل طبیعی در راستای جستجو برای یافتن راه حل  بهینه مختلف الهام گرفته شده است.

الگوریتم ژنتیک یکی از اصول انتخاب طبیعی داروین برای یافتن فرمول بهینه جهت پیش بینی یا تطبیق الگو استفاده می کنند. الگوریتم های ژنتیک اغلب گزینه خوبی برای تکنیک های پیش بینی بر مبنای تصادف هستند .مختصراً گفته می شود که الگوریتم ژنتیک (GA) یک تکنیک برنامه نویسی است که از تکامل ژنتیکی به عنوان یک الگوی حل مسئله استفاده می کند.

در دهه 70 میلادی دانشمندی از دانشگاه میشیگان به نام John Holland در کتاب خود با نام (تطبیق در سیستم های طبیعی و مصنوعی)، ایده استفاده از الگوریتم ژنتیک را در بهینه سازی های مهندسی مطرح کرد. ایده اساسی این الگوریتم انتقال خصوصیات موروثی توسط ژن هاست.

در این الگوریتم(GA)  مسأله ای که باید حل شود، ورودی است و راه حل ها طبق یک الگو کدگذاری       می شوند(باینری، حقیقی)، که تابع برازش  (Fitness)،  نام دارد.  تابع برازش ،کاندیدا (انتخاب) را ارزیابی  می کند، که اکثر آنها به صورت تصادفی انتخاب شده، و از بخش های زیر تشکیل می شوند: تابع برازش ، نمایش ، انتخاب و تغییر ( تقاطع( (Crossover ، جهش( (Mutation).

1-4 تعریف شاخص تلفات توان 

با گسترش شبکه های قدرت، بهره برداری از منابع توان راکتیو موجود در شبکه برای بهبود پروفیل ولتاژ و کاهش شاخص تلفات توان  مورد توجه تولید کنندگان انرژی  برق قرار گرفته است. اگر چه تولید توان راکتیو به خودی خود هزینه ندارد ولی به خاطر تاثیر بر تلفات سیستم بر هزینه کل تاثیرگذار است. در حالت کلی برنامه ریزی کنترل توان راکتیو شامل دو مسئله مکان یابی و بهره برداری می شود. مسئله مکان یابی، تعیین نوع، اندازه و محل منابع جدید توان راکتیو در سیستم است درحالی که مسئله بهره برداری بر تنظیم بهینه منابع موجود توان راکتیو در شبکه تاکید دارد.  پارامترهایی که لازم است در مسئله توزیع توان راکتیو تنظیم شوند ولتاژ شین های کنترل شده، تپ ترانسفورماتورهای با قابلیت تغییر تپ در زیر بار و اندازه ادوات  FACTS هستند. در حل مسئله کنترل توان راکتیو فرض بر این است که پخش بار  صورت گرفته و میزان تولید توان توسط هر ژنراتور مشخص می باشد. اگر مسئله توزیع توان اقتصادی را در نظر بگیریم با بزرگتر شدن سیستم قدرت فضای جواب مسئله به سرعت بزرگ وپیچیده می شود. بهره وری پایین سیستم های قدرت سنتی در تامین انرژی الکتریکی باعث شده، در سال های اخیر از روشهای آماری جستجو برای مسایل بهینه سازی کلی استفاده گردد .

 هدف ،کنترل بهینه توان راکتیو و کمینه کردن شاخص تلفات توان  در شبکه انتقال است .

1-4-1 محاسبه شاخص تلفات توان

جبران ساز موازی SVC  با پایش ولتاژ شینه و تاثیر پیوسته بر  پارامتر های طبیعی خط انتقال و جبران کسری از سوسپتانس خط یا تقاضای راکتیو بار،  به افزایش توان قابل انتقال در حالت ماندگار و حفظ پروفیل ولتاژ در سرتا سر طول خط، بازده سیستم قدرت را افزایش داده و با تزریق یا جذب توان راکتیو، مقدار توان راکتیو عبوری از شبکه را کنترل کرده تا با حفظ ولتاژ شینه ها و زاویه توان در کاهش تلفات سیستم نقش اساسی ایفا نماید. جبران ساز سری TCSC  با کاهش امپدانس موثر سری مربوط به کل خط انتقال از شینه فرستنده تا شینه گیرنده بر پخش توان  با حفظ حد حرارتی، بر پایداری گذرا سیستم و تغییرات خط بار و میرایی نوسانات شبکه موثر است. در حل این مسئله، هم متغیر های پیوسته مانند ولتاژ شین های ژنراتور و هم متغیر های گسسته مانند اندازه ادوات جبران ساز سری  یا  موازی سوئیچ شونده، استفاده شده و کاهش شاخص  تلفات توان شبکه قدرت به عنوان تابع هدف در نظر گرفته شده است.

 تلفات توان حقیقی در شبکه انتقال بصورت زیر  محاسبه می گردد]32[:

که در ان BR، مجموعه  شاخه های سیستم قدرت ،     تلفات شاخه   ،   و  ولتاژ های ابتدا و انتهای شاخه  و   اختلاف  زاویه توان و   ، هدایت شاخه K  می باشد . قید هایی که برای این مسئله در نظر گرفته می شود، شامل قید های تساوی غیر خطی معادلات پخش بار و قید های نا مساوی خطی محدودیت های پارامتر های مختلف می باشد.

که در آن ها و  توان های اکتیو و راکتیو تولیدی شین  i ،    توان های اکتیو و راکتیو مصرفی شین i و   و    قسمتهای حقیقی و موهومی مؤلفه ij، ماتریس ادمیتانس شبکه ، B مجموعه شین های شبکه ، BG  مجموعه شین های ژنراتور ،  اندیس های minو max  کمترین و بیشترین مقدار مجاز هر پارامتر را نشان می دهند .

فصل دوم

FACTS

سیستم های انعطاف پذیر انتقال جریان  متناوب

2-1 مقدمه

سیستم های انتقال و توزیع توان در شبکه های قدرت در حال ورود به دوره ای از تغییرات می باشند که با بکارگیری الکترونیک قدرت، میکرو پرسسور و در کل الکترونیک و مخابرات بوجود آمده است ]12[.       این فناوری ها سیستم های انتقال و توزیع را به سیستم های قابل اعتماد قابل کنترل و بسیار کارا تبدیل کرده است که در صنعت برق تحت عنوان سیستم های انتقال جریان متناوب انعطاف پذیر شناخته شده است در حال حاضر موفقیت های زیادی در مورد استفاده از این سیستم های بدست آمده است ولی مطالعات و تحقیقات بر روی این سیستم ها در اکثر کشورها ادامه دارد و مقالات زیادی در این موارد ارائه شده و می شود.

 سیستم های انعطاف پذیر از بکارگیری ادوات نیمه هادی مانند دیود، تریستور و[8] GTO حاصل شده است. سیستمهای انعطاف پذیر از یک جهت با HVDC مشابهت دارند و آن اینکه در هر دو سیستم نیمه هادی ها نقش اول را ایفا می کنند]6[. سیستم های انعطاف پذیر طوری طراحی می شوند که بتوانند بر محدودیت های مکانیکی موجود در کنترل سیستم AC غلبه کنند. بکار گیری کنترل کننده های قدرت با سرعت زیاد و قابلیت اعتماد بالا ، پنج فرصت برای افزایش راندمان و استفاده بهینه از سیستم قدرت ایجاد می کنند که عبارتند از]13[:

کنترل بسیار خوب انتقال توان که امکان انتقال توان از قبل تعیین شده را میسر می سازد.

امکان بارگذاری بی خطر( بدون اضافه بار) خطوط انتقال در سطحی نزدیک به حد گرمایی.

ایجاد توانایی مطلوب در انتقال بین دو ناحیه که باعث کاهش ذخیره چرخان[9] می شود.

جلوگیری از خطاهای زنجیره ای با محدود کردن اثرات خطا.

میرا کردن نوسانات سیستم که باعث آسیب به تجهیزات گشته یا ظرفیت انتقال را محدود می نماید.

در بکارگیری تجهیزات FACTS مسائل اقتصادی فعلاً نقش مهمی دارند چرا که قیمت کنترل کننده های تریستوری زیاد است. ( قیمت این کنترل کننده ها با افزایش ظرفیت کاهش می یابد).

بنابراین مزایا و صرفه جویی های ناشی از بکارگیری تجهیزات FACTS  را باید در کنار هزینه های مربوط ملاحظه کرد تا تصمیمی که گرفته می شود در بلند مدت مقرون به صرفه باشد. سیستم قابل انعطاف توانایی مدیریت پارامترهای محدود کننده شبکه به هم پیوسته را دارد. این پارامترها عبارتند از امپدانس سری، امپدانس موازی، زاویه فاز و نوسانات مختلف با فرکانس های کمتر از فرکانس های اصلی شبکه با افزایش قابلیت های انعطاف خطوط انتقال از این طریق کنترل کننده ها می تواند در صورت لزوم خطوط انتقال را در نزدیک حدود گرمایی بارگذاری کنند.

غلبه براین محدودیت ها و نگهداری سیستم در حد قابل اعتماد با وسایل قدیمی مثل تغییر دهنده های تپ، راکتورها، خازن های موازی و شیفت دهنده فازها ممکن نیست، اگر چه قیمت کنترل کننده های مکانیکی روی هم رفته خیلی ارزان است ولی برای تکمیل شدن شدیداً به کنترل شده های الکترونیک قدرت با سرعت عکس العمل بالا نیاز دارند]6[.

تجهیزات FACTS بسیار متنوع هستند و هر کدام وظیفه خاصی دارند ولی در کل تجهیزات قادر هستند کارهایی از قبیل میراکردن ،کنترل امپدانس سری، بهبود پایداری گذرا، کنترل ولتاژ جبران توان راکتیو، کنترل توان، کنترل فاز و ... را انجام دهند]13[. بعضی از این تجهیزات می توانند بسیاری از کارهای ذکر شده را به تنهایی انجام دهند. در قسمت های بعدی نحوه عملکرد دو نمونه از این تجهیزات ارائه می شود.

عناصر SVC و TCSC از تجهیزات FACTS می باشد که از نظر ترکیب ساختمانی شبیه هم هستند و برای جبران توان راکتیو بکار می روند SVC به صورت موازی به سیستم وصل می شود. ولی TCSC بصورت سری در خط انتقال قرار می گیرد.

2-2 جبران کننده توان راکتیو استاتیکی

عنصر SVC برای اولین بار در سال 1970 میلادی برای جبران توان راکتیو و بهبود پایداری دینامیکی سیستم بکار گرفته شد]6[که همچنین اثرات مثبتی در بهبود پایداری ولتاژ داشت. در سال 1978، SVC  ها به تریستور مجهز شدند و شرکت وستینگهاس این SVC را در شبکه قدرت مینه سونا نصب کرد. برای پایین آوردن قیمت ها می توان خازن با راکتور را بطورت مکانیکی وارد و خارج کرد. از سال 1990 میلادی که سیستم های انعطاف پذیر مطرح شدند، فروش SVC رشد چشمگیری پیدا کرده است. امروزه صدها SVC با ظرفیتهای متفاوت در سراسر دنیا نصب شده و از آنها بهره برداری می شود]12[.

کلمه استاتیک برای جبران کننده ها به این مفهوم است که برخلاف جبران کننده های سنکرون SVC ها اجزا متحرک ندارند. چه در قسمت کلید زنی که توسط تریستور انجام می شود و چه در قسمت اجزاء ذخیره کننده انرژی که برای SVC همان سلف و خازن معمولی است.

از مشخصه های این تجهیزان سرعت پاسخ دهی بالا، دامنه عملکرد وسیع و قابلیت اطمینان بالا را می توان نام برد از میان روشهای گوناگون جبران و کنترل توان راکتیو در حال حاضر GTO تقریباً به صورت منحصر بفرد در تمام بانک های سلفی و خازنی استفاده می شود، دلیل استفاده آن سرعت زیاد و قابلیت کنترل آنها در سطحی بالاست]15[.

وظیفه اصلی SVC تنظیم ولتاژ شین است. این کار با کنترل تزریق توان راکتیو در آن نقطه انجام می شود نگه داشتن ولتاژ شین در مقدار نامی آن برای کارایی مناسب و مطلوب مصرف کننده ها بسیار مهم است.

  پایین بودن سطح ولتاژ سبب تنزل کارآیی مصرف کننده هایی از قبیل موتورهای القایی ، لامپهای روشنایی و ... می شود اضافه ولتاژ هم می تواند باعث اشباع مغناطیسی، در نتیجه تولید هارمونیک شود و یا ممکن است به عایق مصرف کننده ها آسیب جدی وارد سازد و آنها را از بین ببرد]6[.

از دیگر خصوصیات SVC افزایش حد پایداری حالت ماندگار سیستم است. این افزایش حد پایداری حالت ماندگار، باعث افزایش پایداری حالت گذاری سیستم هم می شود]16[.

آرایش عمومی SVC به یکی از دو صورت خازن ثابت موازی با راکتورکنترل شده با تریستور (FC+TCR[10]) و یا به صورت خازن سوئیچ با تریستور، موازی با راکتور کنترل شده با تریستور (TSC+TCR[11]) می باشد.از این دو آرایش، ترکیب دوم یعنی (TSC+TCR)، برای حداقل کردن تلفات STANDAY بکار می رود. ولی از نظر مدار معادل حالت ماندگار، مانند  (FC+TCR)است.بنابراین در این تحقیق از ساختار (FC+TCR) که در شکل 2-1 نشان داده شده است برای تحلیل استفاده می شود]17[.

[1] Flexible AC Transmission System

[2] Genetic Algorithm

[3] Electric Power Research Institute

[4] Static VAR Compensator

[5] Thyristor Controlled Series Capacitor

[6] Unified Power Flow Controller

[7] Static Compensator

[8] .Gate turn off

[9] .spinning Reserve

[10] Fixed Capacitor +Thyristor Controlled Reactor

[11] Thyristor Switched Capacitor + Thyristor Controlled Reactor

ABSTRACT

With increasing world energy consumption, the development of power grid is essential. But the creation of new transmission lines required therefore, excessive costs and time lines if possible use the same transmission capacity much higher cost. In Modern day power system networks are having high risks of voltage instability problems and Real power loss have been faced .This phenomenon tends to occur from lack of control reactive power supports in heavily stressed operating conditions caused by increased load demand and the fast developing of power systems across the world. In general the problem of reactive power to reduce the total system real power loss or voltage deviation as an objective to compute optimal settings of reactive power output or terminal voltages of generating plants, transformer tap settings and output of other compensating devices such as capacitor banks and synchronous condensers. This paper has considered the setting of flexible AC transmission system (FACTS) devices as additional control parameters for transmission loss reduction in power system and the impact on system loss reduction in power system. Static models of two FACTS devices consisting of static VAR compensator (SVC),Thyristor controlled series compensator (TCSC) have been included in the problem formulation. The proposed algorithm has been in this paper, the optimal placement of the instruments of power network by genetic algorithm to   control reactive power to further reduce losses and increase the transmission capacity.
In the energy lines and assisted in the simulation of IEEE 6 &24 bus test system and the placement of FACTS devices, where it will be proven.