دانلود پایان نامه طراحی و پیاده‌سازی الگوریتم حلقه قفل فاز در یک جبران‌ساز استاتیکی

دانلود پایان نامه ارشد رشته برق قدرت

پایان نامه ای که به شما همراهان صمیمی فروشگاه مسترداک معرفی میگردد از سری پایان نامه های جدید رشته  رشته برق قدرت و با عنوان طراحی و پیاده‌سازی الگوریتم حلقه قفل فاز در یک جبران‌ساز استاتیکی در ۹۳ صفحه با فرمت Word (قابل ویرایش) در مقطع کارشناسی ارشد تهیه و نگارش شده است. امیدواریم مورد توجه کاربران سایت و دانشجویان عزیز مقاطع تحصیلات تکمیلی رشته های جذاب مهندسی برق قرار گیرد.

چکیده طراحی و پیاده‌سازی الگوریتم حلقه قفل فاز در یک جبران‌ساز استاتیکی:

جبران‌سازی توان راکتیو همواره جزء موضوع‌های مهم تحقیقاتی در اکثر دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی بوده است. در این بین نسل جدید  جبران‌ساز‌ها (FACTS) به‌منظور کنترل توان راکتیو، پایداری و افزایش ظرفیت خطوط مورد توجه صنعت برق و مراکز تحقیقاتی بوده است. در این پایان‌نامه، ساختار کنترلی STATCOM(جبران‌ساز استاتیکی توان راکتیو) مورد بررسی قرار گرفته است. در این ساختار از حلقه قفل فاز (PLL) به‌منظور تخمین فرکانس و زاویه ولتاژ شبکه قدرت استفاده شده است. هدف استفاده از این کنترل‌کننده، پایداری و سنکرون کردن جبران‌ساز توان راکتیو با شبکه مصرفی می‌باشد. سپس به‌منظور ارزیابی جبران‌ساز از دو مدل میانگین و فازوری استفاده شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که کنترل‌کننده طراحی شده به‌همراه PLLبه‌خوبی توانسته است توان راکتیو را در شبکه قدرت کنترل نماید.

 

پیشگفتار

زاویهفازولتاژبهره‌برداری یکی از اطلاعات مهم برای عملکرد بیشتر دستگاه‌ها است. از جمله: مبدل‌های dc به ac کنترل‌شده،جبران‌سازهای استاتیکی VAR، سیکلوکانورترها، فیلترهای اکتیو هارمونیک و سایر سیستم‌های

ذخیره انرژی کوپل شده با سیستم الکتریکی.ممکن است از این اطلاعات برای هماهنگی روشن و خاموش کردن دستگاه‌های قدرت، محاسبه‌و کنترل پخش توان اکتیو وراکتیوو یا برای تبدیل متغیرهایفیدبک به‌یک قالب مرجعی که مناسب مقاصد کنترلی است استفاده شود. اطلاعات زاویه‌ای معمولا با استفاده از نوعی حلقه قفل شده در فاز(PLL[1]) بدست می‌آید. علاوه بر کاربردهای بهره‌برداری، از روش هایPLLدر کنترل موتور نیز استفاده می‌شود تا سرعت زاویه الکتریکی روتور تخمین زده شود. در کاربردهای فوق، کیفیت قفل شدن بطور مستقیم عملکرد حلقه‌های کنترلی را تحت تاثیر قرار می‌دهد. بریدگی خط، نامتعادلی ولتاژ، افت فاز و تغییرات فرکانس شرایطی معمول هستند که تجهیزات سیستم بهره‌برداری با آنها مواجه است. هرPLL که در چنین شرایطی به‌کار رفته باشد نه تنها باید در قفل کردن ولتاژهای سیستم سریع عمل کند و قفل باقی نگه دارد بلکه باید خروجی با اعوجاج کم داشته باشد. قصد ما در اینجا استفاده از سیستمPLLتنها برای حل مسائل کنترلی است.

رشدسريعتكنولوژيالكترونيكقدرتفرصت‌هاييرابه‌منظورتوسعهتجهيزاتقدرتجديدفراهممي‌آوردتامدل‌سازيسيستم‌هايقدرتواقعيرابهبودبخشند. طيدههگذشتهتعداديادواتكنترليمعروفبه‌سيتمهايانتقالACانعطاف‌پذير تكنولوژي(FACTS[2])اختراع شده و بكار گرفته می‌شوند.ادوات FACTSمي‌توانند به‌منظور كنترل پخشبار، ‌‌تنظيم ولتاژ، ‌‌افزايش پايداري حالت گذرا و ميرايي نوسانات قدرت بكار گرفته شوند. ادوات FACTS را می‌توانبه‌عنوان كنترل‌كننده‌هاي سري، ‌‌موازي يا تركيبي از اين دو نوع به‌كارگرفته می‌شود.

قبل از سال ۱۹۷۰ تريستور‌هاي خط با توان بالا همراه با خازن‌ها و القاگرها در اشكال مداري متنوعبه‌كار گرفته شدند تا خروجي متغيري مثل جبرانسازي VAR استاتيك موازي(SVC[3])و خازن سري كنترل‌شونده با تريستورهاي سري متصل به‌آن (TCSC[4])را توليد كنند، ‌‌و نيز بر اساس شرايط تجاري خازن‌ها با سوئيچ تريستوري(TSC[5])و القاگر‌هاي كنترل شونده با تريستور(TSR[6])كه به‌طور گسترده‌اي براي تنظيم ولتاژ  ACدر سيستمهاي قدرت مورد استفاده قرار گرفته‌اند كه اين كار توسط كنترل تزريق توان راكتيو صورت می‌گیرد. با ظهور GTO[7]‌های فشارقويوديگر نيمه‌هادي‌هايقدرتهمراه با قابليت خاموش شدن از درون مثل IGBT[8]نسل جديدي از تجهيزات الكترونيك قدرت در سوئيچ زني مدارات مبدل‌ها به‌كار گرفته شده‌اند.مبدل‌هاي منبع ولتاژ براي توليد وجذب توان راكتيو بدون استفاده از خازن‌هاي ACيا بانك‌هاي سلفي به‌كار گرفته شده‌اند.نسل جدید و مهمترین نیاز مبدل‌ها در کنترل‌ کننده‌های FACTS)) به جبران‌سازی سنکرون استاتیکی (STATCOM[9])به‌جبران‌سازي سري سنكرون استاتيك( SSSC[10])و نيز به‌تركيبي از دو كنترل‌كننده پخش توان يكتا است كه همه آن‌ها  بر اساس مبدل‌هاي منبع ولتاژ كار می‌کنند.

کمبود توان راکتیو در شبکه‌های قدرت سبب‌ ایجاد افت ولتاژ و نوسانات ولتاژ می‌شود. با توجه بهگسترش و پیچیدگی شبکه‌های قدرت جبران‌سازهای توان راکتیو به‌منظور جلوگیری از فروپاشی ولتاژ از اهمیت خاصی برخوردار است. در میان جبران‌سازهای توان راکتیو، ‌‌خازن شنت، ‌‌SVC، ‌ STATCOM به‌دلیل قابلیت انعطاف و کنترل‌پذیری مورد توجه محققان قرار گرفته است. اما نتایج نشان می‌دهد که اگر SVC و STATCOM در محل نصب شوند سبب افزایش پایداری ولتاژ شده و توانایی انتقال قدرت را افزایش می‌دهند. یکی از انواع تجهیزات نسل دوم ادوات  FACTS که برای جبران‌سازی موازی دینامیکی در خطوط انتقال به‌کار می‌رود، ‌‌جبران کننده استاتیکی سنکرون‌ یاSTATCOMاست. که امروزه با توجه به‌مزیت‌های متعدد نسبت به‌نوع نسل اول خود‌ یعنی SVC، مورد توجه قرار گرفته و استفاده می‌شود. بر خلاف SVC که در آن توان راکتیو مبادله شده با شبکه توسط سلف و خازن تامین می‌گردد در STATCOM‌ این توان راکتیو بدون استفاده از خازن‌هایAC‌یا سلف تامین می‌شود.

 

تاریخچهPLLو STATCOM

تحقیقات اولیه در زمینه آنچه که به‌عنوان حلقه با فاز قفل شونده می‌شناسیم به‌سال ۱۹۳۲ بر می‌گردد، یعنی زمانی که محققان بریتانیایی برای گیرنده سوپر هترودین هاوارد آمسترانگ، روش دیگرییعنی هوموداین را توسعه دادند در سیستم هوموداین یا سینکروداین یکاسیلاتور محلی  به‌فرکانس مطلوب توان ورودی تنظیم شده و با سیگنال ورودی چند برابر می‌گردد. حلقه­ی قفل شده در فاز (PLL) مداری است که اجازه می­دهد فرکانس و فاز نوسان­ساز حلقه‌اش توسط یک سیگنال مرجع خارجی کنترل شود. فرکانس نوسان­ساز حلقه می‌تواند برابر فرکانس مرجع یا مضربی از آن باشد. اگر سیگنال مرجع از یک نوسان­ساز گرفته شود، می‌توان فرکانس­های دیگری با پایداری فرکانسی نوسان‌ساز به‌دست آورد. این اساس سنتزکننده‌های فرکانس است. اگر فرکانس سیگنال مرجع متغیر باشد، فرکانس نوسان ساز حلقه، فرکانس ورودی را دنبال می‌کند. اما اواخر دهه ۱۹۶۰ بود که با کامل شدن PLLاز آن در صنعت الکترونیک قدرت به‌فراوانی استفاده شد.

STATCOMاولين کنترل کننده موازي بر اساس مبدل قدرت مي‌باشد. ايده اصلي STATCOMتوسط آقاي گایوگی در سال ۱۹۷۶ ارائه شد. بجاي استخراج مستقيم توان راکتيو از اجزاي ذخيره‌کنندة انرژي، STATCOMاساسا توان را با شبکه متصل شده به‌گردش در مي‌آورد. بنابراين اجزاي راکتيو استفاده شده در STATCOM، مي‌تواند بسيار کوچکتر از اجزاي SVCباشد. در سال ۱۹۹۵ اولين STATCOMبا قدرت  در ايستگاه فرعي “سالیوان” متعلقبه‌”سازمان دره تنسي”(TVA[11]) در شمال شرقي ايالت تنسي ايالات متحده نصب شده است. پروژه با حمايت مشترك انستيتو تحقيقات صنعت برق و TVAانجام شد و توسط شركت برق وستينگهاوس طراحي و ساخته شد.TVAوابسته به‌دولت فدرال است و به‌عنوان يك واحد خدماتي بزرگ داراي ظرفيت توليد نصب شدة بيش از ۳۰ هزار مگاوات است كه از طريق ۱۶۰۰۰ مايل (۲۵۸۰۶ كيلومتر) خط انتقال، توان الكتريكي را براي شركت‌هاي خدماتي ديگر و مشتركان صنعتي در هفت ايالت تامين مي‌كند.

 

فهرست مطالب

چکیده  ۱

فصل اول: مقدمه

۱-۱پیشگفتار  ۲

۱-۲ تاریخچهPLLوSTATCOM 4

۱-۳ بخش‌های سیستم STATCOM  ۴

۱-۳-۱ مبدل قدرت  ۴

۱-۳-۲ راکتورهای اتصال ۵

۱-۳-۱ سیستم کنترل  ۵

فصل دوم : مروری بر استاتکام و کنترل کننده حلقه قفل فاز و توپولوژی‌های آن

۲-۱تعریف پایداری و علت‌های کاربرد استاتکام و PLL   ۶

۲-۱-۱ پایداری ولتاژ    ۶

۲-۱-۲ پایداریدینامیکی  ۶

۲-۱-۳ پایداری استاتیکی ولتاژ  ۷

۲-۱-۴ ضعیف ترین باس   ۷

۲-۱-۵ جبران‌سازاستاتیکی توان راکتیو(SVC 8

۲-۱-۵-۱ مهمترین  کاربردهای SVC 9

۲-۱-۵-۲ رایج ترین انواع  SVC  ۱۰

۲-۱-۶ جبران‌ساز استاتیکی سنکرون ((STATCOM 10

۲-۱-۶-۱ مهمترین کاربردهای STATCOM  ۱۲

۲-۱-۶-۲ اصول عمليات STATCOM‌  ۱۲

۲-۱-۶-۳ جایابی STATCOMدر‌یک سیستم قدرت  ۱۴

۲-۱-۶-۴ مدل‌سازی STATCOM  ۱۵

۲-۱-۶-۵ انواع کنترل کننده در جبران‌ساز استاتیکی ۱۶

۲-۱-۷ مقایسه STATCOMبا SVC  ۱۷

۲-۱-۸  توان راکتیو  ۱۹

۲-۱-۸-۱   فرموله کردن مساله  ۱۹

۲-۱-۸-۲ تابع هدف   ۲۰

۲-۱-۸-۳ محدودیت‌های سیستم  ۲۰

۲-۱-۸-۴ طرح کنترل توان راکتیو ۲۲

۲-۱-۹ بهبود عملکرد دینامیکی STATCOMبا استفاده از اینورتر سه سطحی   ۲۳

۲-۱-۹-۱  اینورتر سه سطحی دیود کلمپ  ۲۳

۲-۱-۹-۲  مدولاسیون پهنای پالس سینوسی    ۲۳

۲-۱-۹-۳ مدار کنترلی  ۲۴

۲-۱-۱۰ تئوری PLL  ۲۵

۲-۱-۱۰-۱ روش حلقه قفل شده در فاز   ۲۶

۲-۱-۱۰-۲ مقایسه مدل‌های PLL  ۲۷

۲-۱-۱۰-۲ بررسی حلقه قفل شده فاز (PLL) برای بار نامتعادل    ۲۹

۲-۱-۱۰-۳ معرفی حلقه قفل فاز برای کمیت های سه فاز ۲۹

۲-۱-۱۰-۴  پاسخ PLLسه‌فاز تحت شرایط نامتعادلی ولتاژ   ۳۳

۲-۱-۱۰-۵ روش حذف تأثیر عدم تعادل  ۳۵

۲-۲ نحوه استفاده حلقه قفل فاز (PLL) در جبرانساز استاتیکی  ۳۸

۲-۲-۱ بررسی حلقه قفل فاز برای STATCOMبه‌منظور افزایش پایداری سیستم قدرت ۳۸

۲-۲-۱-۱ روش های کنترل STATCOM  ۳۸

۲-۲-۱-۲ مبدل ۲۴ پالسه و اساس کنترل STATCOM  ۳۹

۲-۲-۱-۳ عملکرد دینامیکی STATCOM  ۴۱

۲-۲-۱-۴ تاثیر استحکام سیستم قدرت بر پایداری STATCOM  ۴۲

۲-۲-۱-۵ تاثیر PLLبر عملکرد STATCOM 43

۲-۲-۲  قاعدهPLL ارائه شده   ۴۵

۲-۲-۲-۱ مشکلات متداول SRF-PLL  ۴۵

۲-۲-۲-۳ جدا کردن مؤلفه‌های نامتعادل شده   ۴۶

۲-۲-۲-۴  الگوریتم فیلتر جابجایی متوسط  ۴۷

۲-۲-۲-۵ شماتیک DSRF-PLLارائه شده   ۴۹

۲-۲-۲-۷ کنترلSTSTCOMباPLL 49

فصل سوم: بیان مساله

۳-۱کنترلSTATCOM  ۵۲

۳-۱-۱ کنترل­کننده داخلی  ۵۲

۳-۱-۲ کنترل کننده خارجی  ۵۳

۳-۲ مدل متوسط STATCOM  ۵۴

۳-۳ مدل فازوری و DQاستاتکام  ۵۸

۳-۴ حلقه قفل فاز (PLL)  ۶۰

فصل چهارم: نتایج شبیه‌سازی ۶۲

۴-۱ کنترل توان راکتیو براساس مدل ریاضی اینورتر در حوزه DQ 62

۴-۲ ساختار کنترلی در محیط نرم افزار MATLABبراساس مدلهای موجود در این نرم افزار و بر پایه مدل فازوری  ۶۹

فصل پنجم :نتیجه‌گیری و پیشنهادات ۷۴

نتیجه گیری و پیشنهادات  ۷۴

منابع  ۷۵

 

فهرست جداول

جدول(۲-۲) :خلاصه‌ای از مهمترین تفاوت‌های STATCOMوSVC  ۱۸

جدول (۲-۱) : هزینه کنترل کننده‌های مختلف    ۱۸

جدول (۲-۳) : خلاصه ای از مقایسه PLL  ۲۸

 

فهرست اشکال

شکل(۲-۱):خصوصیات ترمینال SVC  ۹

شکل(۲-۲):ساختار پایه SVC  ۹

شکل(۲-۳ ): انواع SVC 10

شکل (۲-۴): ساختار پایه STATCOM 11

شکل (۲-۵) : مشخصات ترمینال STATCOM 11

شکل (۲-۶) : (الف) حالت عملکرد سلفی  ۱۱

شکل (۲-۶) : (ب) حالت عملکرد خازنی  ۱۱

شکل (۲-۷ ) : دياگرام تك خطي مبدل منبع ولتاژ مستقر در STATCOM  ۱۳

شکل (۲- ۸ ) : دياگرام فازوري براي مبادلات قدرت در كاربردهاي STATCOM  ۱۴

شکل (۲-۹) : ساختار کلی STATCOM  ۱۵

شکل(۲-۱۰): مقایسه مشخصه (V-I)STATCOMوSVC  ۱۷

شکل (۲-۱۱) : دیاگرام رابط STATCOM  ۲۲

شکل (۲-۱۲) : طرح کنترل STATCOM  ۲۲

شکل (۲-۱۳) : نمایش یک اینورتر سه سطحی  ۲۳

شکل (۲-۱۴) : نمایش شکل موج‌های حامل و مرجع برای ایجاد پالس‌ها  ۲۴

شکل (۲-۱۵) : نمایش مدار کنترلی STATCOM   ۲۵

شکل (۲-۱۶) : بلوک دیاگرام حلقه قفل شده در فاز  ۲۶

شکل (۲-۱۷) : شمای یک حلقه قفل شده در سه‌فاز  ۲۷

شکل(۲-۱۸) : بلوک دیاگرام حلقه قفل فاز برای کمیت سه‌فاز   ۳۰

شکل (۲-۱۹) : بلوک دیاگرام حلقه قفل فاز Ppll  ۳۱

شکل (۲-۲۰) : نتایج حلقه قفل فاز با ورودی سه فاز متعادل  ۳۲

شکل (۲-۲۱) : نتایج حلقه قفل فاز با ورودی سه فاز نامتعادل  ۳۲

شکل (۲-۲۲) : نتایج حلقه قفل فاز با ورودی سه فاز نامتعادل و ورود اختلال پله ای به‌میزان  ۳۴

شکل (۲-۲۳) : ساختار سیستم تبادل قدرت با فیلتر L 34

شکل (۲-۲۴) : نتیجه جریان تزریقی به‌شبکه در سیستم نمونه، دارای PLLمعمولی. (الف) : جریان های سه فاز، (ب) : طیف هارمونیکی جریان ۳۵

شکل (۲-۲۵) : نتایج حلقه قفل فاز با ورودی سه فاز نامتعادل و با بکارگیری تکنیک جبران عدم تعادل  ۳۷

شکل (۲-۲۶) : نتایج برای PLLجبران شده با ورودی سه فاز نامتعادل و ورود اختلال پله ای فاز به‌میزان به‌میزان   ۳۷

شکل (۲-۲۷) نتیجه جریان تزریقی به‌شبکه در سیستم نمونه دارای PLLبا ورودی جبران شده ۳۸

شکل (۲-۲۸ ) : وضعیت مبدل ۲۴ پالسه  ۳۹

شکل(۲-۲۹ ) : شکل موج ولتاژ خروجی مبدل ۲۴ پالسه  ۴۰

شکل (۲-۳۰ ) : شماتیک سیستم کنترل برای STATCOM  ۴۱

شکل(۲-۳۱) : دیاگرام ساده شده سیستم قدرا به‌همراه STATCOM  ۴۲

شکل(۲-۳۲ ) :(الف): مولفه محور q جریان مرجع خروجی کنترل‌کننده ولتاژ، (ب): جابجایی فاز مبدل، (پ): ولتاژ خروجی مبدل ۲۴ پالسه، (ت): ولتاژ باس۲  ۴۳

شکل( ۲-۳۳ ) : (الف): مولفه محور qجریان مرجع خروجی کنترل‌کننده ولتاژ، (ب): ولتاژ خروجی مبدل ۲۴ پالسه، (پ): توان اکتیو و راکتیو STATCOM،(ت) :ولتاژ باس ۲  ۴۵

شکل (۲-۳۴) : ساختارSRF-PLL معمول با LPF  ۴۶

شکل (۲-۳۵) : تخمین زننده توالی مثبت ارائه شده  ۴۷

شکل (۲-۳۶) : الگوریتم فیلترینگ جایابی میانگین  ۴۸

شکل (۲-۳۷) دیاگرام‌های پیش بینی MAFو LPFs  ۴۸

شکل (۲-۳۸) : پاسخ پله MAFو LPFs  ۴۸

شکل (۲-۳۹) : ساختار PLLارئه شده    ۴۹

شکل(۲-۴۰) : منبع ولتاژ سینوسی خالص  ۵۰

شکل (۲-۴۱) : منبع ولتاژ هارمونیک اعوجاج ‌یافته  ۵۰

شکل (۲-۴۲) : منبع ولتاژ نامتعادل  ۵۱

شکل (۳-۱): بلوک دیاگرام سیستم کنترلSTATCOM 52

شکل( ۳-۲): STATCOMمتصل به‌شبکه قدرت ۵۵

شکل(۳-۳) : مدل مداری متوسط STATCOM 57

شکل(۳-۴): ساختار کلی جبران‌ساز استاتیکی توان راکتیو ۵۸

شکل(۳-۵): مدل مداری جبران‌ساز استاتیکی توان راکتیو ۵۹

شکل(۳-۶): ساختار حلقه قفل فاز جهت تخمين فرکانس ۶۰

شکل (۳-۷): ساختار کنترل استاتکام ۶۱

شکل (۴-۱): شماتیک شبیه‌سازی کنترل توان راکتیو براساس مدل ریاضی اینورتر در حوزه DQ 62

شکل (۴-۲): مدار شبیه‌سازی شده بلوک statcom_control  ۶۳

شکل(۴-۳): مدار شبیه‌سازی شده بلوک Signals1  ۶۳

شکل(۴-۴):مدار شبیه‌سازی بلوک Shunt Converter Output Voltage Computation 64

شکل(۴-۵): مدار شبیه‌سازی بلوک DC Voltage Computation  ۶۴

شکل(۴-۶): ولتاژ های شبکه ۶۵

شکل(۴-۷): تغییرات توان راکتیو خروجی جبران‌ساز ۶۵

شکل (۴-۸): تغییرات جریان خروجی اینورتر (کیلو آمپر) جبران‌ساز در حین تغییرات توان راکتیو ۶۶

شکل (۴-۹):  تغییرات مولفه q جریان های تزریق شده توسط جبران‌ساز در حین تغییرات توان راکتیو ۶۶

شکل(۴-۱۰): تغییرات مولفه d جریان‌های تزریق شده توسط جبران‌ساز در حین تغییرات توان راکتیو ۶۷

شکل(۴-۱۱): تغییرات qدر خروجی PLL 67

شکل(۴-۱۲): تغییرات فرکانس در خروجی PLL…68

شکل(۴-۱۳): تغییرات فرکانس و زاویه در حیت اغتشاش ولتاژ شبکه ۶۸

شکل(۴-۱۴): شماتیک مدل فازوری در محیط مطلب ۶۹

شکل(۴-۱۵): مدار داخلی بلوک Signals  & Scopes 70

شکل(۴-۱۶): مدار داخلی بلوک SVC  Power System 70

شکل(۴-۱۷): تغییرات ولتاژ موثر شبکه ۷۱

شکل(۴-۱۸): تغییرات توان راکتیو خروجی در جبران‌سازSTATCOM 71

شکل (۴-۱۹): تغییرات ولتاژ لینک DCمبدل در حین تغییرات ولتاژ شبکه ۷۲

شکل(۴-۲۰): تغییرات شاخص مدولاسیون ۷۲

شکل(۴-۲۱): تغییرات فاز ولتاژ خروجی جبران‌ساز ۷۳