مقدمه

هدف بهره برداران از سیستم قدرت این است که در حالت دائم توان درخواستی مصرف کننده را تحت ولتاژ ثابت و فرکانس معین تامین نمایند. از دیدگاه مسائل کنترلی، بر روی مصرف کننده نمی توان محدودیتهای زیادی اعمال نمود. در نتیجه کنترل اصلی در شبکه برق روی تولید و انتقال است. طراحان در طراحی های اولیه مربوط به سیستم تولید و انتقال،‌قابلیت تولید و انتقال درخواستی را مدنظر قرار می دهند. ولی با گذشت زمان تغییراتی از قبیل رشد مصرف، اتصال شبکه ها به یکدیگر و تاسیس نیروگاهها و خطوط انتقال جدید این توازن را برهم زده و محدودیت هایی را در بهره برداری از شبکه قدرت به وجود می آورد.

در شبکه های غربالی اتصال شبکه ها در کنار مزایای زیادی که دارد، دارای مشکلات عدیده ای نیز هست. از جمله این مشکلات عبور توان در مسیرهای ناخواسته در سیستم انتقال است. این مسئله می تواند موجب افزایش بار غیرمجاز و عدم بهره برداری بهینه از سیستم قدرت شود. لذا بایستی به طریقی توان عبوری از یک مسیر را کنترل نمود.

در نواحی با خطوط طولانی، مسئله فوق مشکل ساز نیست، بلکه مشکل عمده مسئله حد پایداری گذرا و افت ولتاژ غیرمجاز است. به این معنی که برای حفظ پایداری شبکه و تثبیت سطح ولتاژ مجاز، توان عبوری در سیستم انتقال باید محدود شود. در نتیجه این مشکل باعث می گردد که ظرفیت بارپذیری (Load ability) خطوط، همراه با افزایش طول خطوط، شدیداً ‌کاهش یابد.

جهت رفع نواقص فوق الذکر و افزایش بهره وری از سیستم های انتقال قدرت، راه حلهای موجود عبارتند از:

اعمال تغییرات توپولوژیک مانند احداث خطوط جدید، تغییر قطر و تعداد هادیها در فاز و یا نصب خازن سری
کاربرد خطوط انتقال (rect Current High Voltage Di-) HVDC
کاربرد تجهیزات (mission System Flexible AC Trans-) FACTS

این راه حلها را باید از لحاظ:

کنترل سیلان قدرت در حالت دائم،
کنترل سیلان قدرت در بین دو حالت کاری متفاوت ، مثلاً‌کنترل اضافه با محتمل تجهیزات به علت خروج یکی از تجهیزات
کنترل سیلان قدرت در حین شرایط دینامیک، گذار بررسی و مقایسه نمود[1].

موردی را که این مقاله دنبال می کند،‌مورد اول یعنی کنترل پخش بار در حالت دائم است و هدفی که از کنترل سیلان قدرت دارد این است که وضعیت موجود سیلان قدرت را در خطوط انتقال،‌ به گونه ای تغییر دهد که تلفات شبکه کاهش یابد. با توجه به این موضوع ، آلترناتیوهای مطرح عبارتند از کاربرد خطوط انتقال HVDC یا کاربرد تجهیزات EACTS خطوط HVDC معمولاً‌ در فواصل انتقال بیش از km500 اقتصادی هستند. شبکه هدف در این مقاله، شبکه برق منطقه ای تهران و خطوط رابط آن با نواحی مجاور است. بنابراین با توجه به فواصل مطرح در این شبکه، تنها مورد قابل قبول در جهت اهداف این مقاله،‌ استفاده از تجهیزات FACTS است.

مقایسه ادوات FACTS

در میان تجهیزات FACTS تجهیزاتی که به صورت موازی در مدار قرار می گیرند و جریانی را به یک PV باس که به آن وصل هستند ، تزریق می کنند تاثیری بر روی قدرت حقیقی انتقالی از خط نخواهند داشت. در صورت اتصال این عناصر در وسط یا طرف گیرنده خط، ولتاژ باس مربوطه و در نتیجه قدرت انتقالی از خط تا حدودی قابل کنترل است. از جمله این عناصر می توان به SNC ها (Compensators Static Var) و (Var Generator SVG Static) Statcom اشاره نمود [2].

در میان ادوات FACTS تجهیزاتی هستند که می توانند قدرت انتقالی خط را توسط یک ولتاژ تزریقی (سری با خط) ، کنترل نمایند. این ولتاژ در ترانسفورماتور جابجا کننده فاز (Phase Shifting Transformer) PST توسط یک ترانس می تواند به خط تزریق (یا boost) شود [3] و یا ولتاژ سری با خط می تواند به گونه ای باشد که با جریان خط متناسب باشد که در این صورت آن را از نوع کنترل امپدانسی می نامند. در کنترل امپدانسی با توجه به اختلاف پتانسیل دو سر خط جریانی از خط عبور می کنند که اگر خازن متغیر سری در خط داشته باشیم، افت ولتاژ روی خازن به صورت عمودی با ولتاژ موجود جمع شده و باعث تغییر در قدرت انتقالی عبوری می گردد. این عمل توسط تجهیزاتی مانند (riec Compensation Controlled Se-) CSC که توسط تایریستورها ظرفیت را تغییر می دهند [4] یا توسط GTO-CSC (که مجهز به یک مبدل منبع ولتاژ با کلیدهای (Off Gate Turn) GTO است و توسط ترانسی ولتاژی را به داخل خط تزریق می کند [5] میسر است.

توانایی های PST

PST یکی از قدیمی ترین ادوات FACTS است [8]. این وسیله ترانسفورماتوری است که نسبت تبدیل آن مختلط می باشد. بنابراین فازور ولتاژ، در گذر ار اولیه به ثانویه در ضمن تغییر دامنه، تغییر فاز نیز می یابد. از PST جهت کنترل سیلان قدرت در حالت مانا [9] و از PST های مجهز به کلیدهای نیمه هادی، جهت کنترل شرایط دینامیک [10] و گذرا [11] می توان استفاده نمود. در این جا با توجه به هدف مقاله فقط به موارد کاربرد حالت دائم آن اشاره خواهد شد.

کنترل سیلان قدرت در یک خط انتقال

در شبکه های همجوار مواردی پیش می آید که کنترل توان اکتیو عبوری از خط رابط دو سیستم قدرت همسایه موردنظر است. شبکه های همجوار می توانند دو کشور همسایه، مثل شبکه های ایران و ترکیه، و یا دو ناحیه در یک کشور، مثل شبکه های سراسری و خراسان، باشند. به علت محدودیت هایی و یا بر اساس قراردادهای تبادل انرژی مابین این کشورها، بهره برداران سیستم مایل هستند عبور توان مشخصی را از این خطوط داشته باشند. از اوائل دهه 30 میلادی [8] مشخص بوده است که در این موارد کاربرد PST می تواند میزان توان حقیقی عبوری را در حد موردنظر برقرار سازد.

جلوگیری از چرخش قدرت

در شبکه های به هم پیوسته در مواردی، چرخش توان حقیقی در داخل حلقه هایی به صورت ناخواسته پیش می آید که با استفاده از ترانسفورماتور جابجا کننده فاز می توان این توان گردشی را به حداقل رساند. به عبارت دیگر توسط PST توزیع سیلان قدرت به وجود آمده تغییر داده می شود و از چرخش بیهوده توان جلوگیری به عمل می آید.

توسعه PST به UPFC,IPC

همانگونه که قبلاً نیز بحث آن رفت، با افزودن یک مجموعه از تجهیزات پسیو و همچنین استفاده از کلیدهای نیمه هادی می توان PST ها را به IPC یا UPFC تبدیل کرد. توانایی بالای این وسایل در جهت کنترل پارامترهای انتقال، یعنی ولتاژ باس ها، راکتانس خطوط و زاویه ولتاژ باس ها، باعث شده است که مطالعات زیادی در این زمینه شروع شود که همگی در مرحله کاربرد آزمایشی یا تحقیقاتی هستند [1]. از دید بهره برداران سیستم قدرت، استفاده از UPFC و IPC منوط به در اختیار داشتن و تسلط آنها در استفاده از PST به تنهائی است.

بهینه سازی تلفات انتقال در خطوط موازی

این ایده در مواردی انجام شده و نهایتاً منجر به صرفه جوئی های چشمگیر اقتصادی شده است. از جمله می توان به مورد مطرح در [13] اشاره نمود. در [13] موردی بررسی شده است که در آن توان از دو خط انتقال به طول km100، ولی یکی در سطح ولتاژ kV380 و دیگری در سطح ولتاژ KV220 انتقال داده می شود. با نصب یک PST نشان داده شده است که با تغییر زاویه مربوط به ولتاژ تزریقی به خط، می توان با کنترل سیلان قدرت در خط تلفات انتقال را از MW19 در حالت بدون PST به مقدار MW10 در حالت تزریق ولتاژ عمودی، کاهش داد. در این مورد با فرض قیمت USS/kWh 05/0 برای برق مصرفی، صرفه جوئی سالیانه مربوطه برای انتقال MW600 حدود 4 میلیون دلار در سال بوده است.

با توجه به اهمیت اقتصادی این کاربرد، در این مقاله به بررسی امکان پیاده سازی این مورد در کل شبکه پرداخته خواهد شد و همچنین نشان داده خواهد شد که توسط کاربرد PST می توان نه تنها تلفات انتقال بلکه تلفات کل شبکه را نیز کاهش داد.

اثر نصب PST بر روی خطوط رابط

در سال 1383 تعداد خطوط رابط (Tie Lines) 230 یا 400 کیلوولت شبکه برق منطقه ای تهران با نواحی مجاور، یعنی برقهای منطقه ای باختر، اصفهان، زنجان، مازندران، سمنان و گیلان از 15 خط موجود به 18 خط افزایش می یابد. جدول 1 خلاصه ای از نتیجه پخش بار این سال در صورت عدم نصب PST بود.

جهت بررسی اثر نصب PST بر روی خطوط رابط، این ترانسفورماتور بین دو سطح ولتاژ یکسان (230 یا 400 کیلوولت) و بر روی تمامی خطوط رابطه شبیه سازی شده است. در بررسی های انجام شده بهترین حالت مربوط حالتی است که PST در خط 230 کیلوولت فیروزکوه- قائم شهر نصب شده باشد. جدول 3 نتایج مربوط به این حالت را نشان می دهد.

در این جدول و در این بررسی هر باس دارای یک کد به صورت ترکیب یک نام لاتین و یک یا دو عدد است. این کد مشابه با کدهای مطرح در برنامه PSS?E انتخاب شده است. به عنوان مثال، برای فیروزکوه کد FIROZ2 و برای قائمشهر کد GHAEM2 انتخاب شده است. اگر نام مخفف شده لاتین هر باس به عدد 4 ختم شود، این بدان معناست که باس مذکور یک باس 400 کیلوولت و اگر نام مخفف شده به عدد 2 ختم شود، یعنی باس مذکور یک باس 230 کیلوولت است.

اثر نصب PST در داخل شبکه برق منطقه ای تهران

در این بخش تاثیر نصب PST در خطوط 230 یا 400 و همچنین پست های 230/400 کیلوولت شبکه برق منطقه ای تهران مطالعه خواهد شد. همانگونه که مشخص است، در این حالت امکان دارد که PST در بین دو سطح ولتاژ نیز قرار گیرد. در این صورت در واقع PST با ترانسفورماتور معمولی تعویض شده است.

اثر تعویض ترانسفورماتورهای 230/400 با PST

جهت بررسی این تعویض ترانس های معمولی با PST ، از همان مفروضات قبلی استفاده شده به علاوه اینکه فرض شده است که در صورتی که دو ترانسفورماتور موازی با دو PST موازی kV400/230 تعویض شود، جهت جلوگیری از عبور جریان چرخشی بین PST ها ، تغییرات مربوط به ولتاژ تزریقی، یکسان اختیار شود. در این صورت قرار است که سیلان قدرت هر ترانس در محدوده MW و مجموعه ترانس های موازی در محدوده MW ، کنترل شود.

نتیجه گیری

با توجه به نتایج حاصله می توان نکات زیر را نتیجه گرفت:

تلفات ناحیه تهران حدود 15 درصد کل تلفات است. بنابراین بررسی مسئله کاهش تلفات انتقال در ناحیه برق منطقه ای تهران با اهمیت است.
با بررسی های انجام شده نشان داده شده است که با کاربرد PST ، امکان کاهش تلفات در دالان های انتقال انرژی میسر است.
با نصب PST در خطوط رابط می توان تلفات انتقال را کاهش داد. در صورتی که شرکتهای برق منطقه ای حالت شرکتهای خصوصی را داشته باشند، منافع مالی آنها در جهت تمایل به کاهش این تلفات خواهد بود. ولی در غیر این صورت باید دید که آیا عملیات انجام شده، در جهت کاهش تلفات انتقال منجر به کاهش تلفات شبکه سراسری می گردد یا خیر؟
شرایط تولید و مصرف در میزان کاهش تلفات موثر است. امکان دارد این موضوع بلافاصله به ذهن خطور کند که بنابراین کاربرد PST کاملاً منتفی است. ولی همانگونه که موارد متعدد کاربرد PST در شبکه های گوناگون دنیا نشان داده اند. توانایی اصلی PST در کنترل سیلان توان در شرایط عادی یا اضطراری است. بنابراین در کنار این خصیصه اصلی ما به دنبال کاهش تلفات انتقال می باشیم. به عبارت دیگر در هر حالتی که تلفات کاهش می یابد در کنار امتیاز مربوط به کنترل سیلان توان، امتیاز کاهش تلفات نیز به PST افزوده می گردد.
حداکثر کاهش تلفات در حالت نصب PST در خط رابط 230 کیلوولت قائم شهر فیروزکوه و در حالت نصب PST در خط 230 کیلوولت شرق تهران فیروزکوه بوده است. بنابراین با توجه به اهداف انتخابی می توان گفت که این منطقه در اولویت اول قرار دارد و در بررسی های اقتصادی باید به آن اهمیت زیادی داد.
با توجه به مطالب ارائه شده، انجام بررسی های مشابه در نواحی دیگر شبکه سراسری پیشنهاد می گردد. چه بسا که با انجام این بررسی ها به وجود نقاط حساس دیگری در شبکه واقف شویم و بتوانیم در ضمن کنترل سیلان قدرت، تلفات شبکه ایران را بیشتر کاهش دهیم.

کاهش تلفات انتقال با نصب ترانسفورماتور جابجا کننده فاز (PST)

چکیده

کلیات

اولین کسی باشید که دیدگاهی می نویسد “کاهش تلفات انتقال با نصب ترانسفورماتور جابجا کننده فاز (PST)” لغو پاسخ