دانلود رایگان مقاله مطالعه جامع در مورد پیکربندی های DSTATCOM

چکیده

        در این مقاله، روش ها، تکنولوژی جدید، عملکرد، ملاحظات طراحی، توسعه های آینده و کاربردهای بالقوه ی جبران سازهای استاتیک توزیع (DSTATCOMs) مختلفی برای بهبود کیفیت توان مورد بررسی قرار می گیرد. این DSTATCOMs برای سیستم های سه فاز چهار سیمه و سه فاز سه سیمه ایجاد و در سیستم های توزیع نصب شده اند. این عمل برای کاربردهایی مانند جبران سازی توان رآکتیو، هارمونیک حذف ، متعادل کردن بار و جبران سازی جریان نول می باشد. این مقاله قصد دارد تا دیدگاهی وسیع در مورد DSTATCOMs را برای محققین، مهندسین و جامعه ای که با بهبود کیفیت توان سر و کار دارند، مورد بررسی قرار دهد. یک لیست طبقه بندی شده از آخرین تحقیقات منتشر شده نیز برای مرجع دم دست فراهم می شود.

1. دیباچه

       توان ac سه فاز متفقا برای سیستم های توزیع استفاده می شود و در ساختمان های مسکونی ، ساختمان های تبلیغاتی، ساختمان های اداری، بیمارستان ها و غیره استعمال می شود. بارهای معمول در سیستم توزیع سه فاز می تواند بارهای کامپیوتر، بالانس های رعد و برق، پیش ران های سرعت های قابل تنظیم (ASDs) با حد مجاز کم در تهویه های هوا، پنکه ها، یخچال ها و دیگر وسایل خانگی و تجاری و غیره باشد. تقریبا همه ی این کاربردها از منبع تغذیه ی سوئیچینگ (SMPS) استفاده می کنند که جریان های هارمونیک بیش از حدی را می کشد. سیستم های توزیع سه فاز با مشکلات کیفت توان شدیدی مانند تنظیم ضعیف ولتاژ، بار توان رآکتیو زیاد، جریان هارمونیک و نامتعادلی بار رو به رو می شوند. مشکلات کیفیت توان و روش های کاهش آنها در طول سال ها در ادبیات علمی منتشر شده اند.  دستگاه های بهبود کیفیت توان مانند جبران سازهای استاتیک توزیع (DSTATCOMs) سه فاز سه سیمه، توان رآکتیو را برای بهبود تنظیم ولتاژ تامین می کنند تا هارمونیک هی موجود در جریان های منبع را حذف نمایند و جریان های منبع را در زمانی که جریان های بار نامتعادل هستند، متعادل کند. استانداردهای متعددی مانند استاندارد IEEE 519 و IEEE 1531 وجود دارند که برای کنترل کیفیت منبع الکتریکی در سیستم توزیع مطرح گشته اند. بررسی ها و مطالعاتی در مورد علل، اثرات و تحلیل های کیفیت توان  وجود دارد. برخی از مقالات مطالعاتی و مروری در مورد جبران سازهای موازی فعال برای آماده سازی توان در ادبیات علمی گزارش شده اند.روش ها، کاربردها و کنترل فیلتر های فعال در 46 و 47 گزارش می شوند. بهبود کیفیت توان در سیستم های سه فاز چهار سیمه که از جبران سازهای فعال موال سه فاز سه سیمه استفاده می کنند و روش ها، تکنیک های کنترل، آزمایش های میدانی و غیره ی آنها به طور گسترده در طول سالها گزارش شده است و انتشارات اخیر در 51-69 لیست می شوند.

         یکی از مشکلات اصلی در سیستم های سه فاز چهار سیمه، جریان نول زیاد به همراه دیگر مشکلات کیفیت توان مانند تنظیم ضعیف ولتاژ، بار توان رآکتیو زیاد، جریان هارمونیک و نامتعادلی بار است. جریان نول زیاد هم از بنیان و هم از هارمونیک ها است و سیم نول دارای اضافه بار می شود که منجر به خرابی آن می شود. دلیل اصلی برای جریان نول زیاد در سیستم توزیع سه فاز چهار سیمه، ازدیاد بارهای غیر خطی و نیز بارهای نامتعادل است. در یک بررسی در ایالات متحده، مشاهدات روی سیستم های توان جریان های نول هارمونیک را از صفر تا 1.73 برابر جریان فاز نشان داد. همچنین مشخص شد که 22.6% از مکان هایی که دارای جریان های نول هستند از جریان های فاز بار کامل تجاوز می کند و این سناریو در سال های اخیر به علت ازدیاد چنین بارهای تک فاز غیر خطی بدتر می شود. بالاست های القایی با هسته ی آهنی و نیز بالاست های الکترونیکی در روشنایی های فلوئورسنت نیز در جریان های هارمونیک سوم مشارکت می کنند. روش ها، طراحی و تکنیک های کنترل برای چندین DSTATCOMs سه فاز چهار سیمه در جهت بهبود کیفیت توان در سال های  اخیر در ادبیات علمی گزارش شده اند. کاربردهایی از DSTATCOMs برای سیستم های الکتریکی هوایی ، تولید باد و حوزه های نفتی دور از ساحل وجود دارد.

        در این مقاله، روش های مختلفی و تکنیک های کنترل متفاوتی از DSTATCOMs سه فاز چهار سیمه برای جبران سازی بار مورد مطالعه قرار می گیرد. عمل کرد برخی روش ها ی DSTATCOMs سه فاز چهار سیمه برای تنظیم ولتاژ یا تصحیح فاکتور توان بوسیله ی جبران سازی توان رآکتیو به همراه حذف هارمونیک ها و متعادل کردن بار نشان داده می شود. تعدادی از روش های DSTATCOMs برای جبران سازی در سیستم های توزیع سه فاز چهار سیمه، دسته بندی، طراحی و مدل می شوند تا عملکردشان را برای تنظیم ولتاژ یا تصحیح فاکتور توان بوسیله ی جبران سازی توان به همراه حذف هارمونیک ها و جبران سازی جریان نول، شبیه سازی کند.

2. روش های مدرن

         مفهوم جبران سازی استاتیک اولین بار بوسیله ی Gyugyiand Strycula در سال 1976 ارائه شد. یک مبدل منبع ولتاژ (VSC) با خازنی در گذرگاه dc قادر به تزریق توان رآکتیو است که کمیت توان رآکتیو بوسیله ی خصوصیات دستگاه های نیمه رسانا محدود می شود. مفهوم فناوری توان سفارشی برای سیستم توزیع در ادبیات علمی ابداع می شود. دستگاه های متنوعی مانند DSTATCOMs، بازگرداننده ی ولتاژ پویا (DVR)، تهویه ی کیفیت توان یکپارچه (UPQC) و غیره،  تحت نام دستگاه های توان سفارشی برای تقویت کیفیت توان در سیستم های توزیع مطرح و نصب می شوند.

        جنبه های متنوعی مانند مدل سازی، طراحی و شبیه سازی برای جبران سازی توان رآکتیو، جبران سازهای نامتعادل و هارمونیک و تنظیم ولتاژ در 9-12 گزار ش می شوند. نظارت بر کیفیت توان الکتریک بر مبنای روش های مختلفی مانند شبکه های موج کوچک و عصبی در 10 و 40 ارائه می شوند. مدل سازی سیستم DSTATCOMs برای عملی و معتبر بودن طراحی لازم می شود. بررسی فناوری کنونی و مفهوم پارک توان سفارشی بوسیله ی Ghosh and Ledwich مورد بحث قرار می گیرد. تابع تنظیم ولتاژ DSTATCOMs در 13 و 66 بحث می شوند. مفهوم ولتاژ ثابت در نقطه ی پیوند رایج (PCC) بوسیله ی پمپ کردن مقداری اضافی از توان رآکتیو در طرف منبع شناسایی می شود به طوریکه افت خط می تواند به صورت دینامیکی جبران شود. مفهوم سیستم ذخبره ی انرژی باتری (BESS) برای DSTATCOMs در 5 54 ارائه می شود. عملیات DSTATCOMs برای تولید مجزا یا ضعیف نیز مهم است. DSTATCOMs برای مشکلات کیفیت ولتاژ جبران سازی مانند خم شدن، تورم و لرزش مطرح می شود. توان رآکتیو مورد نیاز در تولید توان مجزا برای تنظیم ولتاژ با استفاده از STATCOM محقق می شود.

       طرح های کنترل جبران سازهای استاتیک با استفاده از تئوری شناخته شده ی p-q که از طرف Akagi و دیگران مطرح شده، توسعه داده می شود. استخدام مولفه های اکتیو و رآکتیوِ جریان ها در این تئوری نشان داده می شود. یک تئوری کنترل دیگر (که شدیدا مورد پذیرش قرار گرفته)، تئوری چارچوب منبع سنکرون (SRF) است که از طرف Divan و دیگران مطرح شده است. این تئوری بر مبنای تبدیل جریان ها از چارچوب a-b-c به چارچوب دوار سنکرون و در ادامه استخراج مولفه های فرکانس بنیادی است. تکنیک های کنترل متعدد دیگری برای جبران ساز های موازی مانند کنترل حالت لغزش، الگوی ولتاژ و کنترلرهای PI، تئوری مولفه ی متقارن لحظه ای مطرح شده اند.

3. روش های DSTATCOM

       روش های DSTATCOMs می توانند بر مبنای تعداد دستگاه های کلیدزنی، استفاده از ترانسفورمرها برای  جداسازی، استفاده ز ترانسفورمرها برای جبران سازی جریان نول و غیره دسته بندی شوند. این DSTATCOMs برای محقق کردن ملزومات کاردهای مختلفی مانند سیستم های توزیع سه فاز چهار سیمه و سه فاز سه سیمه ایجاد می شوند.

A. سه فاز سه سیمه  DSTATCOM

       DSTATCOMs سه فاز سه سیمه برای بهبود کیفیت توان در سیستم توزیع سه فاز سه سیمه به منظور جبران سازی بارهای مصرف کننده استفاده می شوند. روش ها برای DSTATCOMs سه فاز سه سیمه همان طور که در شکل 1(a) نشان داده شده، دسته بندی می شوند. DSTATCOM های VSC بنیانِ مجزا و نامجزا وجود دارد.

Abstract

        In this paper, different Distribution Static Compensators (DSTATCOMs) topologies, state of the art, their performance, design considerations, future developments, and potential applications are investigated for power quality improvement. These DSTATCOMs for three-phase three-wire systems and three-phase four-wire systems are developed and installed in the distribution system for many functions, such as reactive power compensation, harmonics elimination, load balancing, and neutral current compensation. This paper is aimed to explore a broad perspective on DSTATCOMs to researchers, engineers, and the community dealing with the power quality improvement. A classified list of some latest research publications is also provided for quick reference.

I. INTRODUCTION

         THREE-PHASE ac power is used unanimously for distribution systems and is used in residential buildings, commercial buildings, office buildings, hospitals, etc. Typical loads in a three-phase distribution system may be computer loads, lighting ballasts, small rating adjustable speeds drives (ASDs) in air conditioners, fans, refrigerators, other domestic and commercial appliances, etc. Almost all these applications use switchedmode power supplies (SMPS), which draw excessive harmonic currents. Three-phase distribution systems are facing severe power quality problems such as poor voltage regulation, high reactive power burden, harmonics current, and load unbalancing. The power quality problems and their mitigation techniques are reported in the literature over the years [1]–[14]. The power quality improvement devices such as three-phase three-wire Distribution Static Compensators (DSTATCOMs) provide reactive power for improving voltage regulation, to eliminate harmonics in the supply currents, and to balance the supply currents when the load currents are unbalanced. There are many standards [15]–[17] proposed to control the quality of electric supply in the distribution system such as IEEE standard 519 [16] and IEEE 1531 [17]. There are surveys and studies on the power quality causes, effects, and analyses [18]–[26]. Many studies and review articles on active shunt compensators for power conditioning are reported in the literature [27]–[50]. The topologies, application, and control of active filters are reported in [46] and [47]. The voltage source type of harmonic loads and their compensation using series active filters is reported by Peng [48]. The power quality improvement in the three-phase three-wire systems using three-phase three-wire shunt active compensators and their topologies, control techniques, field tests, etc., is reported extensively in the literature over the years and the recent publications are listed in [51]–[69].

         One of the major problems in three-phase four-wire distribution systems is excessive neutral current along with other power quality problems such as poor voltage regulation, high reactive power burden, harmonics current injection, and load unbalancing [11]–[13]. The excessive neutral current is of both fundamental and harmonics, and the neutral conductor is overloaded resulting in busting of it. The major reason for excessive neutral current in the three-phase four-wire distribution systems is the proliferation of nonlinear loads as well as unbalanced loads. In a survey in the United States, observations on computer power systems have indicated harmonic neutral currents from 0 to 1.73 times the phase current [20]. It has also been revealed that 22.6% of the sites have neutral currents exceeding the full-load phase currents, and this scenario is becoming worst in the recent years due to the proliferation of such nonlinear single-phase loads. The iron-cored inductive ballasts as well as electronic ballasts in fluorescent lighting also contribute to third harmonic currents [20]. The topologies, design, and control techniques for many three-phase four-wire DSTATCOMs for power quality improvement are reported in the literature in recent years [70]–[126]. There are applications of DSTATCOM for aircraft electrical systems [92], wind generation [93], and offshore oil fields [96].

         In this paper, various topologies and different control techniques of three-phase three-wire and three-phase four-wire DSTATCOMs are explored for load compensation. The performance of some topologies of three-phase three-wire DSTATCOMs is demonstrated for voltage regulation or power factor correction by reactive power compensation along with harmonics elimination and load balancing. A number of topologies of DSTATCOMs for compensation in three-phase four-wire distribution system are classified, designed, and modeled to simulate their performance for voltage regulation or power factor correction by reactive power compensation along with harmonics elimination, load balancing, and neutral current compensation.

II. STATE OF THE ART

        The concept of static compensation is first given by Gyugyi and Strycula in 1976 [51]. A voltage source converter (VSC) with a capacitor at its dc bus is able to inject reactive power of which the quantity of reactive power is limited by the specification of power semiconductor devices. The concept of custom power technology for the distribution system is coined in the literature [13]. Various devices such as DSTATCOM, Dynamic Voltage Restorer (DVR), Unified Power Quality Conditioner (UPQC), etc., are proposed and installed under the name of custom power devices for the enhancement of power quality in distribution systems [13], [14].

         The various aspects such as modeling, design, and simulation for reactive power compensation, unbalanced and harmonic compensations, and voltage regulation are reported in [9]–[12]. Monitoring of electric power quality based on different techniques such as wavelet and neural networks is also reported in [10] and [40]. The modeling of the DSTATCOM system [9], [77] is necessary for feasibility and validating the design. The review of the present technology and concept of custom power park is discussed by Ghosh and Ledwich [9]. The voltage regulation function of the DSTATCOM is discussed in [13] and [66]. The concept of constant voltage at point of common coupling (PCC) is realized by pumping extra amount of reactive power into the source side, so that the line drop can be compensated dynamically. The concept of battery energy storage system (BESS) for DSTATCOM is presented [5], [54]. The operation of the DSTATCOM for weak or isolated generation is also important [9]. The DSTATCOM is proposed for compensating voltage quality problems such as sag and swell [8]–[10] and flicker [9]. The reactive power demand in isolated power generation for voltage regulation is achieved using STATCOM [56].

         The control schemes of static compensators are developed using the well-known theory proposed by Akagi et al. [52]. The extraction of fundamental active and reactive components of currents is demonstrated in this theory. Another widely accepted control theory is synchronous reference frame (SRF) theory reported by Divan et al. [53]. This theory is based on the transformation of currents from frame to synchronous rotating frame and then extracting the fundamental frequency components. Many other control techniques for shunt compensators have been reported such as sliding mode control [62], voltage template and PI controllers [56], instantaneous symmetrical component theory [9], and neural network theory [61], [65].

III. TOPOLOGIES OF DSTATCOM The DSTATCOM

        topologies can be classified based on the number of switching devices, use of transformers for isolation, use of transformers for neutral current compensation, etc. These DSTATCOMs are developed to meet the requirements of different applications such as three-phase three-wire and threephase four-wire distribution systems.

A. Three-Phase Three-Wire DSTATCOM

        Three-phase three-wire DSTATCOMs are used for the power quality improvement in three-phase three-wire distribution system for the compensation of consumer loads. The topologies for the three-phase three-wire DSTATCOMs are classified as shown in Fig. 1(a). There are nonisolated VSC- and isolated VSC-based DSTATCOMs.

چکیده

1. دیباچه

2. روش های مدرن

3. روش های DSTATCOM

A. DSTATCOM سه فاز سه سیمه

B. DSTATCOM سه فاز چهار سیمه

4. ملاحظات طراحی و مقایسه

A. طراحی VSC

B. طراحی ترانسفورمرها

C. فیلتر ریپل

D.  مقایسه ی روش ها

5. روش های کنترل DSTATCOM

A. تئوری p-q لحظه ای

B. تئوری SRF

C. کنترل کننده های قاب ولتاژ و انتگرال-تناسبی

D. تئوری مولفه های متقارن لحظه ای

E. استخراج مولفه ی فرکانس بنیادی

6. ملاحظات گزینش

7. پیشرفت های آینده و کاربردهای بالقوه

8. عملکرد DSTATCOM

A. DSTATCOM سه فاز سه سیمه

B. DSTATCOM سه فاز چهار سیمه

C.  مقایسه ی عملکردهای DSTATCOM

9. نتیجه گیری

منابع

Abstract

1. INTRODUCTION

2. STATE OF THE ART

3. TOPOLOGIES OF DSTATCOM

A. Three-Phase Three-Wire DSTATCOM [51]–[69]

B. Three-Phase Four-Wire DSTATCOM [70]–[126]

4. DESIGN CONSIDERATIONS AND COMPARISON

A. Design of VSC

B. Design of Transformers

C. Ripple Filter

D. Comparison of Topologies

5. CONTROL METHODS OF DSTATCOM

A. Instantaneous p–q Theory [52]

B. SRF Theory [53]

C. Voltage Template and Proportional-Integral (PI) Controllers [56]

D. Instantaneous Symmetrical Components Theory [9]

E. Adaline-Based Neural Network [65]

6. SELECTION CONSIDERATIONS

7. FUTURE DEVELOPMENTS AND POTENTIAL APPLICATIONS

8. PERFORMANCE OF DSTATCOMS

A. Three-Phase Three-Wire DSTATCOM

B. Three-Phase Four-Wire DSTATCOM

C. Comparison of Performances of DSTATCOMs

9. CONCLUSION

REFERENCES