پایان نامه
مقطع کارشناسی ارشد
رشته: مهندسی برق – گرایش قدرت
عنوان:
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
استاد راهنما:
دکتر عبدالرضا شیخ الاسلامی
استاد مشاور:
مهندس توحید نوری
(تابستان 1393)مقدمات
تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
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.
عنوان علامت اختصاری ی
پیک دامنه ولتاژ
زاویه ولتاژ بار
سرعت زاویهای
جریان
دوره تناوب
تبدیل پارک
مختصات محور dq
ولتاژDC
ولتاژ تزریقی
ولتاژ دو سر بار
توان حقیقی
زاویه ولتاژ DVR
ولتاژ تونن
ولتاژ DVR
توان ظاهری DVR
تغییرات آنی ولتاژ
فرکانس کلیدزنی
کیلو هرتز
اهم
امپدانس
فرکانس
سلف
خازن
اندوکتانس
فهرست علایم و نشانهها
عنوان علامت اختصاری ی
ولتاژ منبع
تعداد سلول در هر فاز
مقاومت
کیلوولت
زاویه ولتاژ تزریقی
زاویه ولتاژ بار
زاویه ولتاژ منبع
ولتاژ مؤلفه d
ولتاژ مؤلفه q
توان حقیقی DVR
شاخص مدولاسیون دامنه
شاخص مدولاسیون فرکانس
دامنه تغییرات گام ولتاژ
فهرست علائم اختصاری
جریان متناوب | Alternative Current | AC |
سیستم بهساز توان | Custom Power System | CUPS |
مبدل تمام پل آبشاری | Cascade H-Bridge | CHB |
بازیاب دینامیکی ولتاژ | Dynamic Voltage Restorer | DVR |
مبدل چند سطحی با کلمپ دیود | Diode-Clamped Multilevel Converter | DCMC |
ادوات FACTS در شبکه توزیع | Distribution-Flexible AC Transmission System | D-FACTS |
جبران کننده استاتیکی توزیع | Distribution STAtic COMpensator | D-STATCOM |
جریان مستقیم | Direct Current | DC |
تداخل الکترومغناطیسی | Electromagnetic Interference | EMI |
کمیته تحقیقاتی توان الکتریکی | Electric Power Research Institute | EPRI |
سیستم انتقال جریان متناوب قابل انعطاف | Flexible AC Transmission System | FACTS |
مبدل چند سطحی خازن شناور | Flying-Capacitor Multilevel Converter | FCMC |
ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق شده | Insulated Gate Bipolar Transistor | IGBT |
تریستور کموتاسیون با گیت مجتمع | Integrated Gate-Commutated Thyristor | IGCT |
انجمن مهندسین برق و الکترونیک آمریکا | Institute of Electrical and Electronic Engineers | IEEE |
اینورتر چند سطحی | Multi-Level Inverter | MLI |
مبدل چند سطحی آبشاری مدولار شده | Modular Multilevel Cascade Converter | MMCC |
مدولاسیون عرض پالس | Pulse Width Modulation | PWM |
نقطه اتصال مشترک | Point of Common Coupling | PCC |
کیفیت توان الکتریکی | Power Quality | PQ |
حلقه فاز قفل شده | Phase Locked Loop | PLL |
پریونیت | Per Unit | P.U. |
مقدار مؤثر | Root Mean Square | RMS |
مدولاسیون پهنای پالس بردار فضایی | Space Vector Pulse-Width Modulated | SVPWM |
قاب مرجع سنکرون | Synchronous Reference Frame | SRF |
اعوجاج هارمونیکی کل | Total Harmonic Distortion | THD |
کنترل کننده یکپارچه کیفیت توان | Unified Power Quality Conditioner | UPQC |
اینورتر منبع ولتاژ | Voltage Source Inverter | VSI |
فهرست مطالب
2- رطوبت در ترانسفورماتور و تاثیر آن بر عمر عایق. 4
2-1- اهمیت خشک کردن عایق ترانسفورماتور 4
2-2- علل تولید رطوبت در ترانسفورماتور و تاثیر آن بر عایق 8
2-3- روشهای اندازهگیری رطوبت موجود در عایق جامد. 14
2-3-1-………………………………………………………………….. روش مستقیم. 14
2-3-2-……………………………………………………. روشهای غیرمستقیم. 14
2-4-……… پیر شدن و تعیین عمر عایق ترانسفورماتور. 19
2-5- تعیین عمر ترانسفورماتور با داشتن دمای نقطه داغ 21
3- مروری بر روشهای خشک کردن عایق ترانسفورماتور. 23
3-1- نقش گرما و خلأ در فرایند خشک کردن 23
3-2- انواع روشهای خشک کردن عایق ترانسفورماتور 24
3-2-1-…………………………………………………. روش استفاده از خلأ. 25
3-2-2-……………………………………………………………… روش هوای داغ. 26
3-2-3-…………………………………………………………… روش گرما و خلأ. 27
3-2-4-…………………………………………………………… روش گردش روغن. 28
3-2-5-……………………………………….. روش خشک کردن فاز بخار. 29
3-2-6-………………………………….. روش گرمایش فرکانس پایین. 30
3-3-…………………………………. مقایسه روشهای خشک کردن عایق. 34
3-3-1-……………………… مقایسه از نظر سرعت جذب رطوبت. 34
3-3-2- مقایسه انرژی مورد نیاز، زمان و هزینه در روشهای مختلف 36
3-3-3- مقایسه روش گردش روغن در ترکیب با خلأ و روش گرمایش فرکانس پایین. 37
4-1- روش پل وتستون با ترانسفورماتور ولتاژ 38
4-2- روش اندازه گیری چهار سیمه با فیلتر پایین گذر 39
4-3-
اندازه گیری مقاومت ترانسفورماتور در دستگاه گرمایش فرکانس پایین. 40
5-1- مشخصات پردازنده TMS320F2812. 42
5-2-……………………………………………………….. اصلاح بردهای کنترلی. 44
5-3-……………………………………………………….. کالیبراسیون حسگرها. 44
5-3-1- اندازه گیری مقاومت اولیه سیمپیچیهای ترانسفورماتور 44
5-3-2- پیاده سازی اندازه گیری مقاومت در چند نقطه کار 46
5-3-3- طراحی نرم افزاری برای کالیبره کردن حسگرها 47
5-4-………………………………………………… کنترل حلقه بسته جریان. 49
5-4-1-………………………………….. طراحی کنترل کننده جریان. 51
5-4-2- شبیهسازی کنترل کننده جریان با استفاده از بلوک محاسبه مقدار موثر. 61
5-4-3-……………………………….. آزمایش کنترل کننده جریان. 62
5-4-4-…………. تنظیم وفقی پارامترهای کنترل کننده. 64
5-5-………………………………………………………………….. راه اندازی نرم. 66
5-5-1- تعیین بهینه لحظه تغییر وضعیت کنترل کننده در راه اندازی نرم. 66
5-5-2-………. نتایج آزمایشگاهی در راه اندازی نرم. 67
6- اندازه گیری مقاومت سیمپیچیهای ترانسفورماتور. 69
6-1- اندازه گیری توان سیمپیچیهای ترانسفورماتور 69
6-1-1-……………………… نحوه محاسبه توان در روش قدیم. 70
6-1-2-………………………………….. محاسبه توان در روش جدید. 71
6-2- عدم تعادل در مقاومت فازها. 77
6-2-1-………………………………………………………………… اتصال ستاره. 78
6-2-2-…………………………………………………….. اتصال مثلث (D11). 82
6-5- بررسی حالات دیگر عدم تعادل. 93
8- پیوست: مجموعه آزمایشها 106
8-2-1- نتایج آزمایشگاهی در اندازه گیری مقاومت اولیه 109
8-2-2- نتایج آزمایشگاهی در ارزیابی کنترل حلقه بسته جریان 112
8-2-3-………………… نتایج عملی برای راه اندازی نرم. 113
8-2-4-……………………… اندازه گیری مقاومت سیمپیچیها. 116
فهرست شکلها
شکل 2‑1 نحوه چینش عایق در یک ترانسفورماتور.. 5
شکل 2‑2 نحوه چینش عایق در یک ترانسفورماتور.. 6
شکل 2‑3 تغییرات مقاومت عایقی و ضریب تلفات عایقی کاغذ بر حسب درصد رطوبت موجود در آن.. 7
شکل 2‑4 تغییرات سرعت نسبی وابسپارش کاغذ بر حسب درصد رطوبت موجود در آن.. 7
شکل 2‑5 نحوه تشکیل آب از تجزیه سلولز.. 9
شکل 2‑6 تغییرات عمر ترانسفورماتور (سال) بر حسب دما در مقادیر مختلف رطوبت عایق.. 10
شکل 2‑7 تغییر شکل عایق کاغذی در اثر جذب و پس دادن رطوبت. 13
شکل 2‑8 منحنیهای تعادلی رطوبت موجود در کاغذ و روغن بر حسب دما.. 15
شکل 2‑9 منحنی رطوبت موجود در کاغذ برحسب رطوبت نسبی روغن. 17
شکل 2‑10 وابستگی منحنی پاسخ فرکانسی ضریب تلفات عایقی به رطوبت موجود در عایق. 18
شکل 2‑11 پاسخ فرکانسی ضریب تلفات عایقی و نحوه تغییر آن با عوامل مختلف.. 19
شکل 2‑12 منحنی عمر یکایی شده ترانسفورماتور بر حسب دمای نقطه داغ.. 22
شکل 3‑1 افزایش سرعت نسبی نفوذ آب در پرسبورد (غیر آغشته به روغن) با دما و فشار.. 23
شکل 3‑2 روش خلأ تنها برای خشک کردن عایق ترانسفورماتور. 26
شکل 3‑3 روش استفاده از جریان هوای داغ برای خشک کردن عایق ترانسفورماتور.. 27
شکل 3‑4 روش استفاده توامان از گرما و خلأ برای خشک کردن عایق ترانسفورماتور.. 28
شکل 3‑5 روش استفاده از گردش روغن به منظور خشک کردن عایق ترانسفورماتور.. 29
شکل 3‑6 استفاده از روش فاز بخار برای خشک کردن عایق ترانسفورماتور.. 30
شکل 3‑7 روش گرمایش فرکانس پایین برای رطوبت زدایی از عایق ترانسفورماتور.. 31
شکل 3‑8 فرایند خشک کردن ترکیبی از گرمایش فرکانس پایین و پاشش روغن.. 33
شکل 3‑9 تعداد ترانسفورماتورهای قدرتی که در محل نصب با روش گرمایش فرکانس پایین خشک شدهاند.. 34
شکل 3‑10 زمان لازم برای خشک کردن یک ترانسفورماتور MVA400 با 14 تن عایق از رطوبت %3 به %5/1.. 35
شکل 3‑11 مقایسه قدرت جذب رطوبت در روشهای مختلف.. 35
شکل 3‑12 مقایسه انرژی الکتریکی و حرارتی مورد نیاز در روشهای مختلف خشک کردن.. 36
شکل 3‑13 مقایسه زمان، انرژی، هزینه نگهداری و سرمایهگذاری در روشهای مختلف خشک کردن.. 37
شکل 4‑1 مداری برای اندازه گیری مقاومت DC حین اتصال به منبع AC.. 39
شکل 4‑2 مداری برای اندازه گیری مقاومت DC حین اتصال به منبع AC با فیلتر پایین گذر.. 39
شکل 5‑1 جریان مرجع برای اندازه گیری مقاومت اولیه. 46
شکل 5‑2 محیط نرم افزار کالیبراسیون حسگرها.. 48
شکل 5‑3 کنترل کننده جریان در سامانه قدیم.. 49
شکل 5‑4 بلوک جبران ساز دما از نوع تناسبی.. 50
شکل 5‑5 کنترل کننده جریان در سامانه جدید.. 51
شکل 5‑6 مدار فیلتر خروجی اینورتر.. 51
شکل 5‑7 نمودار بلوکی کنترل کننده جریان با تاخیر مسیر پسخور. 52
شکل 5‑8 پاسخ پله کنترل کننده جریان با تقریب پاده R0,1(s). 55
شکل 5‑9 ناحیهای از صفحه که پایداری سیستم حلقه بسته را با تقریب پاده R1,1(s) تضمین میکند.. 56
شکل 5‑10 پاسخ پله کنترل کننده جریان با تقریب پاده R1,1(s). 57
شکل 5‑11 ناحیهای از صفحه که پایداری سیستم حلقه بسته با تقریب پاده مرتبه دوم را تضمین میکند.. 58
شکل 5‑12 منحنی مکان ریشههای سیستم حلقه بسته در تقریب پاده R2,2(s).. 60
شکل 5‑13 پاسخ پله کنترل کننده جریان با تقریب پاده R2,2(s). 60
شکل 5‑14 پاسخ پله کنترل کننده جریان با استفاده از بلوک محاسبه مقدار موثر.. 62
شکل 5‑15 پاسخ پله کنترل کننده جریان (فرکانس 1/0 هرتز.) 63
شکل 5‑16 پاسخ پله کنترل کننده جریان (فرکانس 1 هرتز.) 64
شکل 5‑17 نمودار بلوکی راه اندازی نرم.. 66
شکل 5‑18 منطق کنترلی راه اندازی نرم.. 67
شکل 5‑19 شکل موج جریان مرجع، جریان شیب و جریان واقعی هنگام راه اندازی نرم.. 68
شکل 6‑1 نمودار بلوکی تخمین مقاومت به روش قدیم.. 71
شکل 6‑2 نحوه اتصال ستاره و نمودار فازوری آن.. 71
شکل 6‑3 نحوه اتصال مثلث D11.. 72
شکل 6‑4 دو روش برای محاسبه مقدار موثر جریان فاز.. 74
شکل 6‑5 نمودار بلوکی تخمین مقاومت به روش جدید.. 75
شکل 6‑6 خطای تخمین مقاومت در حالت گذرای تغییر پلهای در ولتاژ ورودی (روش قدیم).. 76
شکل 6‑7 خطای تخمین مقاومت در حالت گذرای تغییر پلهای در ولتاژ ورودی (روش جدید).. 77
شکل 6‑8 بهبود تخمین مقاومت با اعمال ماتریس تصحیح در اتصال ستاره (فاز r).. 81
شکل 6‑9 بهبود تخمین مقاومت با اعمال ماتریس تصحیح در اتصال ستاره (فاز y و b).. 82
شکل 6‑10 بهبود تخمین مقاومت با اعمال ماتریس تصحیح در اتصال مثلث (فاز r).. 85
شکل 6‑11 مدار مورد استفاده برای آزمایش الگوریتم جدید اندازه گیری مقاومت (اتصال ستاره).. 86
شکل 6‑12 مدار مورد استفاده برای آزمایش الگوریتم جدید اندازه گیری مقاومت (اتصال مثلث D11).. 86
شکل 6‑13 شبیهسازی تخمین مقاومتها در حالت عدم تعادل با روش قدیم.. 89
شکل 6‑14 شبیهسازی تخمین مقاومتها در حالت عدم تعادل با روش جدید.. 89
شکل 6‑15 آزمایش تخمین مقاومتها در حالت عدم تعادل با روش قدیم… 92
شکل 6‑16 آزمایش تخمین مقاومتها در حالت عدم تعادل با روش جدید.. 92
شکل 8‑1 برد واسط جدید طراحی شده برای پردازنده TMS320F2812. 106
شکل 8‑2 ارتقای برد حفاظت دستگاه به منظور افزایش قابلیت اطمینان.. 107
شکل 8‑3 دستگاه گرمایش فرکانس پایین در آزمایشگاه محرکههای الکتریکی.. 108
شکل 8‑4 شکل موج توان کل و جریان مرجع هنگام اندازه گیری مقاومت اولیه.. 109
شکل 8‑5 شکل موج ولتاژ باس DC و اندیس مدولاسیون هنگام اندازه گیری مقاومت اولیه.. 110
شکل 8‑6 ولتاژ موثر و جریان موثر واقعی (میانگین سه فاز) هنگام اندازه گیری مقاومت اولیه.. 110
شکل 8‑7 مقاومت تخمین زده شده (میانگین سه فاز) هنگام اندازه گیری مقاومت اولیه.. 111
شکل 8‑8 نتایج نهایی اندازه گیری مقاومت اولیه در ده نقطه کار. 112
شکل 8‑9 پاسخ جبران ساز جریان به پله مثبت و منفی فرمان در فرکانس 1/0 هرتز.. 113
شکل 8‑10 پاسخ جبران ساز جریان به پله مثبت و منفی فرمان مقدار موثر جریان در فرکانس 1/0 هرتز.. 113
شکل 8‑11 جریان مرجع تولید شده و جریان شیب هنگام راه اندازی نرم.. 114
شکل 8‑12 ولتاژ موثر و جریان موثر واقعی (میانگین سه فاز) هنگام راه اندازی نرم.. 115
شکل 8‑13 ولتاژ باس DC و اندیس مدولاسیون هنگام راه اندازی نرم. 115
شکل 8‑14 دما و مقاومت تخمین زده شده (میانگین سه فاز) هنگام راه اندازی نرم.. 116
شکل 8‑15 توان کل تزریقی هنگام راه اندازی نرم.. 116
شکل 8‑16 مقاومتهای اندازه گیری شده بر حسب زمان در روش قدیم (اتصال ستاره).. 117
شکل 8‑17 مقاومتهای اندازه گیری شده بر حسب زمان در روش جدید (اتصال ستاره).. 118
شکل 8‑18 مقاومتهای اندازه گیری شده بر حسب زمان در روش قدیم (اتصال مثلث).. 118
شکل 8‑19 مقاومتهای اندازه گیری شده بر حسب زمان در روش جدید (اتصال مثلث).. 119
فهرست جدولها
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
- ۹۵/۰۵/۰۱