مدلسازي اثر اتصالات ترانسفورماتور بر چگونگي انتشار تغييرات ولتاژ در شبکه با در نظر گرفتن اثر اشباع

چكيده

در سالهاي اخير، مسايل جدي كيفيت توان در ارتباط با افت ولتاژهاي ايجاد شده توسط تجهيزات و مشتريان، مطرح شده است، كه بدليل شدت استفاده از تجهيزات الكترونيكي حساس در فرآيند اتوماسيون است. وقتي كه دامنه و مدت افت ولتاژ، از آستانه حساسيت تجهيزات مشتريان فراتر رود ، ممكن است اين تجهيزات درست كار نكند، و موجب توقف توليد و هزينه­ ي قابل توجه مربوطه گردد. بنابراين فهم ويژگي هاي افت ولتاژها در پايانه هاي تجهيزات لازم است. افت ولتاژها عمدتاً بوسيله خطاهاي متقارن يا نامتقارن در سيستم هاي انتقال يا توزيع ايجاد مي ­شود. خطاها در سيستم هاي توزيع معمولاً تنها باعث افت ولتاژهايي در باس هاي مشتريان محلي مي­ شود. تعداد و ويژگيهاي افت ولتاژها كه بعنوان عملكرد افت ولتاژها در باسهاي مشتريان شناخته مي­شود، ممكن است با يكديگر و با توجه به مكان اصلي خطاها فرق كند. تفاوت در عملكرد افت ولتاژها  يعني، دامنه و بويژه نسبت زاويه فاز، نتيجه انتشار افت ولتاژها از مكان هاي اصلي خطا به باس هاي ديگر است. انتشار افت ولتاژها از طريق اتصالات متنوع ترانسفورماتورها، منجر به عملكرد متفاوت افت ولتاژها در طرف ثانويه ترانسفورماتورها مي­ شود. معمولاً، انتشار افت ولتاژ بصورت جريان يافتن افت ولتاژها از سطح ولتاژ بالاتر به سطح ولتاژ پايين­تر تعريف مي­شود. بواسطه امپدانس ترانسفورماتور كاهنده، انتشار در جهت معكوس، چشمگير نخواهد بود. عملكرد افت ولتاژها در باسهاي مشتريان را با مونيتورينگ يا اطلاعات آماري مي­توان ارزيابي كرد. هر چند ممكن است اين عملكرد در پايانه­ هاي تجهيزات، بواسطه اتصالات سيم ­پيچ هاي ترانسفورماتور مورد استفاده در ورودي كارخانه، دوباره تغيير كند. بنابراين، لازم است بصورت ويژه انتشار افت ولتاژ از باسها به تاسيسات كارخانه از طريق اتصالات متفاوت ترانسفورماتور سرويس دهنده، مورد مطالعه قرار گيرد. اين پايان نامه با طبقه بندی انواع گروه های برداری ترانسفورماتور و اتصالات آن و همچنین دسته بندی خطاهای متقارن و نامتقارن به هفت گروه، نحوه انتشار این گروه ها را از طریق ترانسفورماتورها با مدلسازي و شبيه­ سازي انواع اتصالات سیم پیچ ها بررسی می­کند و در نهایت نتایج را ارایه می ­نماید و این بررسی در شبکه تست چهارده باس IEEE برای چند مورد تایید می ­شود. 

كليد واژه ­ها: افت ولتاژ، مدلسازي ترانسفورماتور، اتصالات ترانسفورماتور، اشباع، شبيه سازي.

 

Key words:  Voltage Sag, Transformer Modeling, Transformer Connection, Saturation, Simulation.

مقدمه

 

يکی از ضعيفترين عناصر نرم افزارهای مدرن شبيه سازی، مدل ترانسفورماتور است و فرصتهای زيادی برای بهبود شبيه­سازی رفتارهای پيچيده ترانسفورماتور وجود دارد، که شامل اشباع هسته مغناطيسی، وابستگی فرکانسی، تزويج خازنی، و تصحيح ساختاری هسته و ساختار سيم پيچی است.

مدل ترانسفورماتور بواسطه فراوانی طراحيهای هسته و همچنين به دليل اينکه برخی از پارامترهای ترانسفورماتور هم غير خطی و هم به فرکانس وابسته­اند، می تواند بسيار پيچيده باشد. ويژگيهای فيزيکی رفتاری که، با در نظر گرفتن فرکانس، لازم است برای يک مدل ترانسفورماتور بدرستی ارائه شود عبارتند از:

·        پيکربنديهای هسته و سيم پيچی،

·        اندوکتانسهای خودی و متقابل بين سيم پيچها،

·         شارهای نشتی،

·        اثر پوستی و اثر مجاورت در سيم پيچها،

·        اشباع هسته مغناطيسی،

·        هيسترزيس و تلفات جريان گردابی در هسته،

·        و اثرات خازنی.

مدلهايی با پيچيدگيهای مختلف در نرم افزارهای گذرا برای شبيه سازي رفتار گذرای ترانسفورماتورها، پياده سازی شده است. اين فصل يک مرور بر مدلهای ترانسفورماتور، برای شبيه سازی پديده های گذرا که کمتر از رزونانس سيم پيچ اوليه (چند کيلو هرتز) است، می باشد، که شامل فرورزونانس، اکثر گذراهای کليدزنی، و اثر متقابل هارمونيکها است.

مدل های ترانسفورماتور

يک مدل ترانس را می توان به دو بخش تقسيم کرد:

·        معرفی سيم پيچها.

·       معرفی هسته آهنی.

اولين بخش خطی است، و بخش دوم غير خطی، و هر دوی آنها وابسته به فرکانس است. هر يك از اين دو بخش بسته به نوع مطالعه ­ای که به مدل ترانسفورماتور نياز دارد، نقش متفاوتی بازی می­کند. برای نمونه، در شبيه­ سازيهاي فرورزونانس، معرفي هسته حساس است ولی در محاسبات پخش بار و اتصال کوتاه صرفنظر می­شود.

برای کلاس بندی مدلهای ترانسفورماتور چند معيار را می­ توان بکار برد:

·        تعداد فازها،

· رفتار (پارامترهای خطی/ غير خطی، ثابت/ وابسته به فرکانس)،

·  مدل های ریاضی. با دسته ­بندي مدلسازي ترانسفورماتورها، مي­توان آنها را به سه گروه تقسيم كرد.

·   اولین گروه از ماتريس امپدانس شاخه يا ادميتانس استفاده می­کند.

· گروه دوم توسعه مدل ترانسفورماتور قابل اشباع به ترانسفورماتورهای چند فاز است. هر دو نوع مدل در نرم افزار EMTP پياده سازی شده است، و هر دوی آنها برای شبيه سازی برخی از طراحيهای هسته، محدوديت های جدی دارد.

·        گروه سوم مدلهای براساس توپولوژی، كه گروه بزرگی را تشکيل می دهد و روشهای زيادی بر اساس آن ارائه شده است. اين مدلها از توپولوژی هسته بدست می آید و می­تواند بصورت دقيق هر نوع طراحی هسته را در گذراهای فرکانس پايين، در صورتيکه پارامترها بدرستی تعيين شود، مدل کند.

بخشی از منابع :

[1]Thu Aung, and Jovica V. Milanovic, “The Influence of Transformer Winding Connections on the Propagation of Voltage Sags”, IEEE Trans. Power Del., VOL. 21, NO. I, JANUARY 2006

 

[2]M.H.J.Bollen, Understanding Power Quality Problems: Voltage Sags and Interruptions , IEEE Press Series on Power Engineering. NJ:IEEE Press , 2000

 

[3]G.J.Wakileh, Power System Harmonic: Fundamental, Analysisand Filter Design.  New York:Springer-Verlag,2001

 

[4]V.Milanovic and Aung, "The Influenceof Transformer Winding Connections on the Propagation of Voltage Sags"   vol. 21 NO. 1 , JANUARY 2006

 

[5] Bruce A. Mork, Francisco Gonzalez, Dmitry Ishchenko,Don L. Stuehm, and Joydeep Mitra. “Hybrid Transformer Model for Transient Simulation—Part I: Development and Parameters”. IEEE Trans. Power Del., VOL. 22, NO. 1, JANUARY 2007

 

[6]R.C.Dugan et al., Electrical Power Systems Quality , 2^nd ed . New York: McGraw-Hill ,2002.

 

[7]Joaquín Pedra, Luis Sáinz, Felipe Córcoles, and Luis Guasch , "Symmetrical and   Unsymmetrical Voltage Sag Effects on Three-Phase Transformers"   IEEE RANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 20 NO. 2, APRIL 2005

 

[8]Luis Guasch, Felipe Córcoles, Joaquín Pedra,, and Luis Sáinz , "Effects of Symmetrical Voltage Sags on Three-Phase Three-Legged Transformers"IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 19, NO. 2, APRIL 2004

 

[9]S.G. Abdulsalam, W. Xu and V. Dinavahi , "Modelling and simulation of three-phase transformers for inrush current studies"IEE Proc.-Gener. Transm. Distrib., Vol. 152, No. 3, May 2005

 

[10]S. A. Saleh, , and M. A. Rahman ,"A New Transient Model for Three-Phase Power Transformers Using a Wavelet Filter Bank" IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 20, NO. 2, APRIL 2005

 

[11]Pirjo Heine, and Matti Lehtonen  ,  "Voltage Sag Distributions Caused by Power System Faults" IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS, VOL. 18, NO. 4, NOVEMBER 2003POWER DELIVERY, VOL. 21, NO. I, JANUARY 2006