پایان نامه جبران سازی کمبود و بیشبود ولتاژ در شبکه‌های توزیع نیروی برق با استفاده از بازیاب دینامیکی ولتاژ مبتنی بر مبدل‌های چند سطحی با ساختار مدولار شده و اتصال آبشاری

پایان نامه

مقطع کارشناسی ارشد

رشته: مهندسی برق - گرایش قدرت

چکیده

امروزه با وجود کاربرد وسیع بارهای حساس نظیر، ادوات الکترونیک قدرت، کامپیوترها و بارهای غیرخطی در شبکه‌های توزیع، مسئله کیفیت توان بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. اکثر این بارها به تغییرات ولتاژ، نظیر کمبود و بیشبود ولتاژ، حساس بوده و جهت عملکرد مناسب به منبع ولتاژ سینوسی نیاز دارند. بنابراین استفاده از بهسازهای کیفیت توان جهت کاهش اثر نامطلوب این اختلالات بر عملکرد بارهای حساس ضروری به نظر می‌رسد. در سال‌های اخیر راه‌حل‌های مختلفی برای مقابله با این مشکل پیشنهاد شده است که یکی از بهترین و مؤثرترین روش‌ها، استفاده از ‌DVR[1] می‌باشد.

هدف از انجام این پایان‌نامه بهبود کیفیت توان در شبکه‌های توزیع نیروی برق با وجود اغتشاشاتی نظیر کمبود و بیشبود ولتاژ با استفاده از DVR پیشنهادی می‌باشد. همچنین مقایسه عملکرد چهار تیپ مختلف DVR در جبران کمبود و بیشبود ولتاژ را می‌توان از دیگر اهداف این پایان‌نامه برشمرد. مبدل‌های منبع ولتاژ مختلفی جهت استفاده در DVR، در پژوهش‌های قبلی ارائه شده است. در این پایان‌نامه جهت نیل به اهداف فوق، مبدل منبع ولتاژ چند سطحی با ساختار مدولار شده و اتصال آبشاری ([2]MMCC) جهت بهبود عملکرد DVR در جبران­سازی اغتشاشات ولتاژ، ارائه شده است.

به منظور مشاهده عملکرد DVR پیشنهادی در بهبود کیفیت توان، بر روی سیستم تست در محیط MATLAB/SIMULINK شبیه‌سازی شده است. جهت ارزیابی کیفیت ولتاژ و مشاهده عملکرد DVR با استفاده از مبدل پیشنهادی، [3]THD ولتاژ دو سر بار و ولتاژ تزریقی توسط DVR پیشنهادی سه، پنج و هفت سطحه محاسبه ‌شده و با DVR معمولی (مبتنی بر اینورتر دو سطحه PWM[4]) مقایسه گردیده است. نتایج حاصل از شبیه‌سازی، سرعت عملکرد و دقت DVR پیشنهادی را در بازیابی ولتاژ دو سر بار تأیید می‌کند.

کلمات کلیدی: بازیاب دینامیکی ولتاژ، بیشبود ولتاژ، کمبود ولتاژ، کیفیت توان، مبدل چند سطحی با ساختار مدولار شده و اتصال آبشاری.

جدول ‏2‑1 مقدار توصیه شده برای حداکثر رطوبت موجود در روغن برای ولتاژ 69 کیلوولت. 16

جدول ‏2‑2 معیارهای تخمین پایان عمر عایق ترانسفورماتور. 21

جدول ‏3‑1 مقایسه روش گردش روغن در ترکیب با خلأ و روش گرمایش فرکانس پایین. 37

جدول ‏5‑1 مشخصات نامی دستگاه گرمایش فرکانس پایین. 41

جدول ‏5‑2 مقایسه پردازشگرهای TMS320F243 و TMS320F2812. 43

جدول ‏5‑3 تقریب پاده با توابع تبدیل گویا از درجه­های مختلف. 53

جدول ‏5‑4 محدودیت­های اعمال شده برای بهینه سازی جبران ساز جریان با تقریب پاده. 59

جدول ‏5‑5 مقادیر پارامترها برای آزمون راه اندازی نرم. 67

جدول ‏6‑1 مقاومت­های اندازه گیری شده با روش قدیم در اتصال مثلث(نتایج شبیه‌سازی) 88

جدول ‏6‑2 مقاومت­های اندازه گیری شده با روش قدیم در اتصال ستاره(نتایج شبیه‌سازی) 88

جدول ‏6‑3 مقاومت­های اندازه گیری شده با روش جدید در اتصال مثلث(نتایج شبیه‌سازی) 88

جدول ‏6‑4 مقاومت­های اندازه گیری شده با روش جدید در اتصال ستاره(نتایج شبیه‌سازی) 88

جدول ‏6‑5 مقاومت­های اندازه گیری شده با روش قدیم در اتصال مثلث(نتایج آزمایشگاهی) 91

جدول ‏6‑6 مقاومت­های اندازه گیری شده با روش قدیم در اتصال ستاره(نتایج آزمایشگاهی) 91

جدول ‏6‑7 مقاومت­های اندازه گیری شده با روش جدید در اتصال مثلث(نتایج آزمایشگاهی) 91

جدول ‏6‑8 مقاومت­های اندازه گیری شده باروش جدید در اتصال ستاره(نتایج آزمایشگاهی) 91

جدول ‏6‑9 خطای نسبی نتایج آزمایش تخمین مقاومت­ها در بار نامتعادل. 93

جدول ‏6‑10 نتایج شبیه‌سازی تخمین مقاومت­ها (درصد) در حالات مختلف عدم تعادل. 94

جدول ‏6‑11 خطای نسبی مقاومت­های تخمین زده شده بر حسب درصد. 95

جدول ‏8‑1 شرایط و پارامترهای آزمایش برای اندازه گیری مقاومت اولیه. 109

جدول ‏8‑2 شرایط و پارامترهای آزمایش برای راه ارزیابی عملکرد جبران ساز جریان. 112

جدول ‏8‑3 شرایط و پارامترهای آزمایش برای راه اندازی نرم. 114

جدول ‏8‑4 شرایط آزمایش برای اندازه گیری مقاومت­ها در بار متعادل و نامتعادل. 117

1-1- پیشگفتار

عدم آگاهی از مفهوم کیفیت توان، طراحی ضعیف شبکه قدرت، حضور بارهای حساس به تغییرات ولتاژ و افزایش بارهای غیرخطی در شبکه‌های توزیع، بررسی و تحلیل کیفیت توان را به امری مهم مبدل ساخته است. به منظور حفظ کیفیت توان مطلوب در شبکه‌های توزیع در محدوده استاندارد، بایستی پارامترهای مرتبط باکیفیت توان، شناسایی، ارزیابی و اندازه‌گیری شده و سپس با پیدا کردن و در نهایت اعمال راه‌کارهای لازم در بهسازی و کنترل آن قدم‌های مؤثری برداشت. با توجه به وجود مشکلات ناشی از کیفیت نامطلوب برق، استفاده از روش‌های مناسب جهت بهبود آن، امری ضروری به نظر می‌رسد که نیاز به راه‌حل‌های مناسب و جدید را به همراه دارد. رشد سریع بارهای غیرخطی و الکترونیک قدرتی منجر به کاهش کیفیت توان می‌شود. تضعیف کیفیت توان در شبکه باعث صدمه دیدن بارهای حساس متصل به شبکه می‌گردد به عنوان نمونه، کمبود و بیشبود ولتاژ[1] در شبکه می‌تواند بارهای حساس را تخریب و باعث عملکرد نامطلوب و صدمه دیدن آن‌ها گردد. از اینرو صنعت برق به سوی استفاده از بهسازهای کیفیت توان سوق یافته است. از سوی دیگر مسائل اقتصادی، بالا رفتن آگاهی مشترکین نسبت به مسائل کیفیت توان، حساسیت بالای تجهیزات الکتریکی جدید نسبت به تغییرات کیفیت توان، وجود شبکه مجتمع و به هم پیوسته و بهبود راندمان کلی شبکه قدرت، مدیران صنعت برق را بر این می‌دارد تا بیش از پیش به مسئله کیفیت توان و بهبود آن توجه کنند. تمامی دلایل فوق‌الذکر زمینه‌ساز انجام تحقیقات گسترده‌ای باهدف بهبود کیفیت توان شده است. به منظور حفظ کیفیت توان در محدوده مشخص که توسط استانداردهای کیفیت توان تعریف شده است باید از روش‌های جبران سازی استفاده کرد تا تأثیر بارهای مخرب بر روی شبکه را کم کرد. در سال‌های اخیر توجه به سیستم بهساز توان راه حل مناسبی جهت جبران سازی مشکلات کیفیت توان به وجود آورده است. استفاده از فناوری سیستم بهساز توان برای بهبود کیفیت توان، یکی از راه‌هایی است که اکنون برای جبران سازی اغتشاشات کیفیت توان پیشنهاد می‌شود. بر طبق تعریف، ادوات CUPS[2] ، به‌کارگیری کنترل‌کننده‌های الکترونیک قدرت در سیستم‌های توزیع جهت بالا بردن کیفیت توان و قابلیت اطمینان شبکه می‌باشد. ادوات CUPS انواع مختلفی نظیر D-STATCOM، DVR، UPQC، UPFC، SVC و ... دارند. در واقع ایده‌ی به‌کارگیری ادوات CUPS مبتنی بر کلیدهای قطع و وصل قدیمی و مربوط به اواخر قرن 19 میلادی است. اما اکنون پس از گذشت نزدیک به یک قرن از بهره‌برداری انسان از انرژی الکتریکی، طراحان و برنامه‌ریزان صنعت برق در سراسر دنیا به ایده‌ی جدید جبران‌سازها روی آورده و در جهت بهبود عملکرد آن‌ها تلاش می‌کنند. خسارات مالی ناشی از کیفیت توان پایین به علت اغتشاشاتی نظیر کمبود و بیشبود ولتاژ از مشوق‌های اصلی گسترش ادوات CUPS است. این فناوری مبتنی بر الکترونیک قدرت، در نزدیکی محل بار حساس نصب می‌شود که نتیجه آن کاهش و حذف اغتشاشات کیفیت توان و حفاظت بارهای حساس در سیستم توزیع نیروی برق می‌باشد. به طور کلی بهبود کیفیت توان، آزادسازی ظرفیت سیستم‌های توزیع، کاهش خسارات مالی مصرف‌کنندگان شبکه، ارتقاء بهره‌وری و افزایش امنیت برای بارهای حساس و پراهمیت شبکه‌های توزیع از نتایج مثبت به‌کارگیری ادوات CUPS برای مصرف‌کنندگان در شبکه‌های توزیع نیروی برق است. در میان ادوات CUPS، برای کنترل و جبران سازی کمبود و بیشبود ولتاژ بهترین گزینه بازیاب دینامیکی ولتاژ (DVR) می‌باشد. DVR، اساساً یک منبع ولتاژ کنترل شده است که بین شین تغذیه و بارهای حساس نصب می‌گردد و با تزریق یک ولتاژ دینامیکی کنترل شده، دامنه و فاز ولتاژ شبکه را طوری کنترل می‌کند که علیرغم وجود اغتشاش در ولتاژ منبع، در دو سر بار حساس ولتاژ سه فاز متقارن با دامنه مشخص به وجود می‌آید. یکی از روش‌هایی که برای افزایش قابلیت جبران سازی این تجهیز پیشنهاد می‌شود استفاده از مبدل‌های منبع ولتاژ چند سطحی به جای مبدل‌های معمولی (دو سطحی) است. مبدل‌های چند سطحی قابلیت تولید ولتاژ با اغتشاش هارمونیکی کل (THD%) و  کمتر را دارا می‌باشند از اینرو نیاز به فیلترهای بزرگ در DVR از بین می‌رود که این خود باعث کاهش حجم، اندازه و هزینه DVR می‌گردد. همچنین مبدل‌های چند سطحی توانایی کاربرد در سطوح ولتاژ بالا را دارند.

1-2- انگیزه استفاده از مبدل‌های منبع ولتاژ چند سطحی در بازیاب دینامیکی ولتاژ و اهداف اصلی پایان‌نامه

در اثر اغتشاش در شبکه‌های توزیع، بارهای حساس دچار مشکل می‌شوند از اینرو برای جلوگیری از صدمه دیدن بارهای حساس استفاده از جبران سازهای CUPS پیشنهاد می‌گردد، که بهترین گزینه جهت جبران سازی کمبود و بیشبود ولتاژ، DVR است.

یکی از اجزای اصلی DVR، مبدل منبع ولتاژ است که هرچه ولتاژ تزریقی توسط آن هارمونیک کمتری داشته باشد باعث بهبود عملکرد DVR در جبران سازی خواهد شد از اینرو به جهت دست‌یابی به ولتاژ تزریقی با عملکرد بالا توسط DVR و بهبود بهتر کیفیت توان، استفاده از DVRهای مبتنی بر مبدل‌های منبع ولتاژ چند سطحی مطلوب می‌باشد.

مبدلی که در این پایان‌نامه استفاده شده است، مبدل منبع ولتاژ چند سطحی با ساختار مدولار شده و سلول تمام پل (CHB) سری کسکاد با اتصال ستاره، که به اختصار (MMCC) نامیده می‌شود. روش کلیدزنی مورد استفاده در مبدل، مدولاسیون بردار فضایی (SVPWM) مبتنی بر مدولاسیون بردار فضایی دو سطحه استاندارد می‌باشد زیرا در میان انواع مدولاسیون مورد استفاده در اینورترهای چند سطحی بهترین عملکرد را داراست. در راستای نیل به هدف این پایان‌نامه ساختار DVR پیشنهادی در سه تیپ مختلف در محیط نرم افزاری MATLAB/Simulink شبیه‌سازی و مطالعات موردی همراه با مقایسه عملکرد سه تیپ DVR پیشنهادی با DVR معمولی (مبتنی بر اینورتر دو سطحه PWM) و نتایج چند مرجع از لحاظ دامنه ولتاژ جبران‌سازی شده و THD% ولتاژ دو سر بار حساس و تزریقی DVR صورت خواهد گرفت.

1-3- ساختار پایان‌نامه

این پایان‌نامه شامل 5 فصل به شرح زیر می‌باشد:

در فصل اول، موضوع تحقیق، اهداف و ساختار پایان‌نامه ارائه شده است.

در فصل دوم، مسئله کیفیت توان و سیستم بهساز توان، در شبکه توزیع نیروی برق بررسی شده است. همچنین به معرفی کامل مبدل‌های سه‌گانه منبع ولتاژ چند سطحی و روش‌های مختلف مدولاسیون آن‌ها پرداخته شده و مطالعات صورت گرفته توسط محققین در زمینه جبران‌سازی کمبود و بیشبود ولتاژ در سیستم‌های توزیع به کمک DVR مبتنی بر مبدل‌های چند سطحی بررسی شده است.

در فصل سوم، پس از معرفی ساختار کلی و عملکرد DVR پیشنهادی و روش استراتژی کنترلی و آشکارساز خطا مورد استفاده در آن به مدل‌سازی DVR پیشنهادی جهت جبران‌سازی کمبود و بیشبود ولتاژ پرداخته می‌شود.

در فصل چهارم، DVR با مبدل پیشنهاد شده بر روی یک شبکه نمونه و با استفاده از نرم‌افزار MATLAB/SIMULINK پیاده‌سازی شده و مطالعات موردی پس از اعمال اغتشاش (Sag/Swell متقارن) شبیه‌سازی می‌شود تا صحت عملکرد DVR مذکور در جبران سازی کمبود و بیشبود ولتاژ مورد تحقیق قرار گیرد.

در فصل پنجم، جمع‌بندی کلی به همراه نتیجه‌گیری بیان خواهد شد. سپس پیشنهاداتی نیز برای ادامه کار در این زمینه ارائه می‌گردد.

Abstract

Today despite the wide use of sensitive loads such as power electronics devices, computers and nonlinear load networks power distribution, power quality issue is located of most interest. Most of These loads the voltage changes, such as voltage sag and swell was sensitive need for the proper functioning of the sinusoidal voltage source. So used to reduce the undesirable effects this disturbances on the function of custom power sensitive loads seems to be necessary. In recent years several solutions have been suggested to tackle this problem, which one of the best and most effective ways to use the DVR (Dynamic Voltage Restorer). The aim of this Thesis improve power quality in electric power distribution networks despite Voltage sag and swell of disturbance such as voltage using DVR proposed. Also compare the performance of four different types of DVR can and other purposes mentioned in this Thesis. Different voltage source converters for use in DVR in previous research are presented. In this Thesis, in order to achieve the above objectives a Multi-level voltage source converter with modular structure and a cascade connection (Modular Multilevel Cascade Converter) to improve the performance of DVR in voltage disturbances compensation are proposed. Proposed in order to improve power quality DVR view performance on the test system in MATLAB/SIMULINK were simulated. To assess the quality of voltage and DVR performance observation using the proposed converters %THD load voltage and the injected voltage by the DVR offers three-level, five-level and seven-level organized calculated with a conventional DVR (based on two-level organized inverter PWM) were compared. The results of the simulation performance speed and accuracy of the proposed DVR corroborates the recovery load voltage.

Key Words: Dynamic Voltage Restorer, Modular Multilevel Cascade Converter, Power Quality, Voltage Sag, Voltage Swell.