ترجمه مقاله مطالعه¬ی طراحی یک واسط مبدل بین دستگاه ذخیره انرژی و لینک DC جبران¬ساز سنکرون استاتیکی

ترجمه مقاله مطالعه¬ی طراحی یک واسط مبدل بین دستگاه ذخیره انرژی و لینک DC جبران¬ساز سنکرون استاتیکی 

چکیده

 مبدل­های منبع ولتاژ (VSC) بطور وسیعی برای تامین توان راکتیو لحظه­ای به سیستم­های قدرت استفاده می­شوند، یک از کاربردها منتسب به جبران­ساز سنکرون استاتیکی (StatCom) است. اتصال ذخیره انرژی (ES) به یک StatCom  این امکان را برای StatCom بوجود می­آورد که یک مقدار مشخصی از توان کتیو و همچنین توان راکتیو را تامین نماید. مزیت تزریق توان اکتیو اضافی توسط StatCom می­تواند قابلیت میرایی نوسانات توان، کاهش اغتشاشات مربوط به پرش فاز و غیره باشد. اتصال مستقیم دستگاه ES به لینک DCی­ِ VSC باعث مقادیر غیرضروری فشار قوی (ولتاژ بالا) VSC می­شود که در نتیجه­ی نوسان زیاد ولتاژ ناشی از دستگاه ES است. توپولوژی (ساختار) مبدل تریستور دوتایی به­عنوان واسط بین ES و لینک DCی­ِ VSC ارائه می­شود. در این مقاله، یک برآورد هزینه برای سیستم­هایی با ساختار واسط پیشنهادی و با در نظر گرفتن سه نوع ES یعنی خازن­ها، خازن­های فوق ظرفیت و باتری­ها ارائه شده است. این مطالعه نشان می­دهد که با استفاده از توپولوژی واسط پیشنهادی، صرفه­جویی بالقوه­ای در هزینه وجود دارد. علاوه بر این،­ انواع مختلف ES از نظر هزینه با هم مقایسه شده­اند که می­تواند یک راهنمایی خوب برای انتخاب ES در این نوع از کاربردها ارائه کرده است.

واژگان کلیدی

تخمین هزینه، لینک DC، کانورتور تریستوری دوگانه، ذخیره­سازی انرژی (ES)، واسط، StatCom، جبران­ساز سنکرون استاتیک، کانورتورهای منبع ولتاژی (VSCها).

فهرست علائم و اختصارات

                       قیمت (هزینه) ترانسفورماتور T₁.

                       قیمت ترانسفورماتور T₂

                          ظرفیت خازنیِ خازن ES

                          ظرفیت خازنی بانک­های خازنی فوق ظرفیتی.

                                    ظرفیت خازنی یک خازن فوق ظرفیتی با یک سلول..

                      انرژی پایه خازن.           

                     انرژی پایه خازن فوق ظرفیت.

                          جریان پایه.

                            توان اکتیو تامینی توسط ES.

                             تلفات توان متوسط خازن فوق ظرفیت.

                         تلفات توان متوسط خازن فوق ظرفیت در طول یک زیردوره.

                        توان از مبدل تریستور دوتایی.

                  حداکثر توان از مبدل تریستوری.

                       مقاومت بانک­های خازن فوق ظرفیت.

               مقدار نامی توان VSC با و بدون واسط.

                     توان پایه.

                        مقدار نامی توان مبدل تریستور دوتایی.

                          مقدار RMS ولتاژ خط به خط باس.

                  ولتاژ پایه.

                          مینیمم ولتاژ سمت-dc.

                      مقدار ولتاژ ac خروجی VS.

                   قیمت خازن  100-MJ dc

                      قیمت یک  VSC 100-MVA

                    قیمت یک باتری  14400-MJ

                  قیمت یک مبدل تریستور دوتایی  100-MVA

           قیمت ES با و بدون واسط.

             قیمت VSC با و بدون واسط.  

                        قیمت مبدل تریستور دوتایی.

                               قیمت کل سیستم با و بدون واسط.

                         جریان عبوری از خازن .

                        جریان ES.

                جریان خازن فوق ظرفیتی در لحظات شروع و پایان اولین زیردوره.

              جریان خازن فوق ظرفیتی در لحظات شروع و پایان آخرین زیردوره.

                     جریان سمت-DC مبدل تریستوری.

                       مدت زمان تخلیه­ی  ES

                   ولتاژ ترمینال  ES.

           ولتاژ ترمینال خازن فوق ظرفیت در لحظات شروع و پایان اولین زیردوره.

        ولتاژ ترمینال خازن فوق ظرفیت در لحظات شروع و پایان آخرین زیردوره.

               مینیمم ولتاژ ترمینال  ES.

                            ولتاژ بانک­های خازن فوق ظرفیت.

               ولتاژ نامی خازن فوق ظرفیت با یک سلول.

                     ولتاژ داخلی خازن فوق ظرفیت.

           ولتاژ داخلی خازن فوق ظرفیت در لحظات شروع و پایان اولین زیردوره.

        ولتاژ داخلی خازن فوق ظرفیت در لحظات شروع و پایان آخرین زیردوره.

              ماکزیمم ولتاژ داخلی خازن فوق ظرفیت.

                  ولتاژ نامی باتری.

                  ولتاژ شارژ باتری.

                    ولتاژ نهایی دشارژ باتری.

                            ولتاژ نهایی دشارژ باتری با واسط.

                      ولتاژ سمت-dcی VSC.

               راکتانس القاگر فاز بر حسب اهم و در واحد (پریونیت).

1. 1.      مقدمه

مبدل­های منبع ولتاژ (VSCها) بطور گسترده­ای برای جبران­­سازی توان راکتیو بکار می­روند که جبران­ساز سنکرون استاتیک (StatCom) یکی از این کاربردهاست. احتمالا در آینده، StatComهای شبکه­ی هوشمند یکی از مهم­ترین اجزای کنترل انعطاف­پذیر سیستم­های قدرت در سطح انتقال و در سیستم­های توزیع خواهد شد. با اضافه کردن ذخیره­سازی انرژی (ES) به StatCom، مبدل قادر به تامین مقدار مشخصی توان اکتیو (به عنوان مثال، 20%) با کاهش کمی در تولید توان راکتیو با توجه به رابطه درجه دوم بین توان اکتیو و راکتیو خواهد شد. با اضافه شدن تامین توان اکتیو به شبکه، اَشکال مختلفی از مدیریت انرژی بکار می­افتد. هم­چنین گزارش شده است که با تامین توان اکتیو توسط StatCom، میرایی نوسان [1]-[5] و کیفیت توان (PQ) و بهبود پایداری سیستم [6]-[11] حاصل می­شود. علاوه بر این، نشان داده شده است که StatCom می­تواند با جبران­سازی توان اکتیو، اغتشاشات را در مورد پرش­های فاز و نوسانات اندازه ناشی از تغییرات ناگهانی بار در شبکه­ی متصل شده کاهش دهد [12]. بنابراین، قابلیت­های دیگری که با اضافه کردن تامین توان اکتیو بدست می­آید ممکن است امنیت تامین توان را بشدت افزایش دهد. دو حالتی که در آن ممکن است این اتفاق بیافتد و از اهمیت بیشتری برخوردارند عبارتند از شبکه­های ضعیفی که در معرض تغییرات شدید توان ناشی از منابع انرژی پراکنده و مدیریت قطع قرار می­گیرند.

در این مقاله، خازن­ها، خازن­های فوق­ظرفیت (که تحت عنوان اولتراخازن­­ها یا خازن­های الکتروشیمیایی هم شناخته  می­شوند)، و باتری­ها برای ES در نظر گرفته شده­اند. هر سه نوع ES تغییرات قابل ملاحظه­ای را در ولتاژ ترمینال در حالت شارژ نشان می­دهند که این تغییرات به حالت شارژ و مقدار و جهت جریان بستگی دارد. به ­عنوان مثال، تغییر ولتاژ ترمینال برای باتری­های Ni-Cd ممکن است تا 50% هم برسد. در نتیجه، بایستی یک مرحله تبدیل میانی بین ES و لینک dcی VSC ایجاد شود، به ویژه اگر توان اکتیو نامی مبدل تنها کسری از توان راکتیو باشد. اگر بتوان ولتاژ لینک  dc را ثابت نگه­داشت، صرفه­جویی­های اساسی در هزینه­ی بوجود خواهد آمد زیر مقدار نامی ولتاژ VSC نبایستی با اضافه کردن ES افزایش یابد.

ساختارهای واسط بین ES و لینک dcی مبدل در منابع گزارش شده است. این ساختارهای عمدتا برای کاربردهای ولتاژ پایین و متوسط بوده و مبدل­های dc/dc دو جهتی مبتنی بر ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق شده (IGBT) با یک  پایه [14]، [15] یا سه پایه [16]، [17] هستند. مبدل­های dc/dc دوجهتی معمولا به­عنوان واسط مابین یک دستگاه ES و لینک dc یک مبدل در سیستم­های قدرت خودکار استفاده می­شوند [18]-[21]. یک مبدل با سه خروجی به عنوان واسط بین دستگاه­های ES و لینک dc مبدل تکفاز در یک سیستم منبع تغذیه برق اضطراری (UPS) تک­فاز ارائه شده است [22].

با این حال، هزینه­ی مرحله تبدیل اضافی ناچیز نیست گرچه این مبدل تنها بایستی دارای یک مقدار نامی مربوط به توان اکتیو  VSCباشد. یک روش جدید برای کاهش مقدار نامی این مبدل داشتن مبدلی است که فقط بر روی اختلاف ولتاژ بین ESو لینک dcی VSC عمل می­کند. مقدار نامی چنین مبدلی ممکن است کمتر از مقدار اسمی VSC و نوعا بطور تقریبی به اندازه یک مرتبه از مقدار نامی VSC کمتر باشد. به­منظور کاهش بیشتر هزینه­ی اضافی، ممکن است فن­آوری مبتنی بر تریستور انتخاب شود. این مبدل در این مقاله در نظر گرفته شده است. مشخصات اصلی این مبدل در [23] و [24] تشریح شده است.

با داشتن این امکان که ولتاژ ES بدون تاثیر گذاشتن بر مقدار نامی ولتاژ VSC تغییر کند، این سوال پیش می­آید که از چه نوع ES استفاده شود و چه صرفه­جویی­های هزینه­ای بالقوه را می­توان در مقایسه با حالت بدون واسط بین ES و لینک dcی VSC بدست آورد.

بخش 2 مفاهیم پایه این مطالعه را تشریح می­کند. روش برآورد هزینه در بخش 3 معرفی شده است. در بخش 4، کل هزینه­ی سیستم با و بدون واسط مبدل بین  ESو لینک dcی VSC بررسی شده است. برای هر یک از سه نوع ES، یک مقایسه­ی هزینه ما بین حالت­های با و بدون واسط مبدل تریستور انجام شده است. یک دوره زمانی تحویل انرژی ثابت در نظر گرفته شده است. در بخش 5، هزینه­ی کل سیستم با استفاده از سه نوع مختلف ES مجددا بررسی شده است. سیکل­های مختلف شارژ/ دشارژ (تخلیه) در نظر گرفته شده است و هزینه ها با استفاده از انواع مختلف ESها مقایسه شده است. انتخاب نوعES  عمدتا به مقدار انرژی بستگی دارد که در طول چرخه شارژ/دشارژ معمولی مورد نیاز است .در برخی موارد، هنگامی­که چند حالت ممکن و جایگزین وجود دارد، انتخاب منبع انرژی باید براساس تخمین هزینه باشد.

علاوه بر خازن­ها، خازن­های فوق ظرفیت، و باتری­ها، ذخیره انرژی ابررسانای مغناطیسی (SMES) نیز در منابع  به ­عنوان ES قابل اضافه شدن به StatCom  (به­عنوان مثال، در [4]) در نظر گرفته شده است. با این­حال، این مقاله به بحث درمورد هزینه­ی سیستم واسط پیشنهادی بین ES و یک VSC می­پردازد. بطور خاص، هدف مطالعه بدست آوردن هزینه­ی نسبی با و بدون واسط با استفاده از دستگاه­های  ES مختلف است. از آنجاکه این مقاله یک مقایسه­ی کلی بین هزینه­های سیستم­های ES مختلف نیست و دسترسی به اطلاعات هزینه­های مربوط به SMES یا سایر سیستم­های جایگزین (پمپ­های آبی،  ESهوای فشرده و غیره) دشوار است لذا تنها خاز­ن­ها، خازن­های فوق ظرفیت، و باتری­ها در این مقاله در نظر گرفته شده­اند