مدلسازي و شبيه¬سازي اثر اتصالات ترانسفورماتور بر چگونگي انتشار تغييرات ولتاژ در شبکه

دسته بندي : فنی و مهندسی » برق، الکترونیک، مخابرات
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 ويژگيهاي افت ولتاژها در پايانه هاي تجهيزات لازم است. افت ولتاژها عمدتاً بوسيله خطاهاي متقارن يا نامتقارن در سيستمهاي انتقال يا توزيع ايجاد مي¬شود. خطاها در سيستمهاي توزيع معمولاً تنها باعث افت ولتاژهايي در باسهاي مشتريان محلي مي-شود. تعداد و ويژگيهاي افت ولتاژها كه بعنوان عملكرد افت ولتاژها در باسهاي مشتريان شناخته مي¬شود، 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 مكانهاي اصلي خطا به باسهاي 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 پايين¬تر تعريف مي¬شود. بواسطه امپدانس ترانسفورماتور كاهنده، انتشار در جهت معكوس، چشمگير نخواهد بود. عملكرد افت ولتاژها در باسهاي مشتريان را با مونيتورينگ يا اطلاعات آماري مي¬توان ارزيابي كرد. هر چند ممكن است اين عملكرد در پايانه¬هاي تجهيزات، بواسطه اتصالات سيم¬پيچهاي 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 گروههای برداری ترانسفورماتور و اتصالات آن و همچنین دسته بندی خطاهای متقارن و نامتقارن به هفت گروه، نحوه انتشار این گروهها را از طریق ترانسفورماتورها با مدلسازي و شبيه¬سازي انواع اتصالات سیم پیچها بررسی می¬کند 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.

فهرست مطالب

1-1 مقدمه 2
1-2 مدلهای ترانسفورماتور 3
1-2-1 معرفی مدل ماتریسي Matrix Representation (BCTRAN Model) 4
1-2-2 مدل ترانسفورماتور قابل اشباع Saturable Transformer Component (STC Model) 6
1-2-3 مدلهای بر مبنای توپولوژی Topology-Based Models 7
2- مدلسازی ترانسفورماتور 13
2-1 مقدمه 13
2-2 ترانسفورماتور ايده آل 14
2-3 معادلات شار نشتی 16
2-4 معادلات ولتاژ 18
2-5 ارائه مدار معادل 20
2-6 مدلسازی ترانسفورماتور دو سيم پيچه 22
2-7 شرايط پايانه ها (ترمينالها) 25
2-8 وارد کردن اشباع هسته به شبيه سازی 28
2-8-1 روشهاي وارد کردن اثرات اشباع هسته 29
2-8-2 شبيه سازي رابطه بين و 33
2-9 منحنی اشباع با مقادير لحظهای 36
2-9-1 استخراج منحنی مغناطيس کنندگی مدار باز با مقادير لحظهای 36
2-9-2 بدست آوردن ضرايب معادله انتگرالي 39
2-10 خطاي استفاده از منحني مدار باز با مقادير RMS 41
2-11 شبيه سازي ترانسفورماتور پنج ستوني در حوزه زمان 43
2-11-1 حل عددي معادلات ديفرانسيل 47
2-12 روشهاي آزموده شده براي حل همزمان معادلات ديفرانسيل 53
3- انواع خطاهاي نامتقارن و اثر اتصالات ترانسفورماتور روي آن 57
3-1 مقدمه 57
3-2 دامنه افت ولتاژ 57
3-3 مدت افت ولتاژ 57
3-4 اتصالات سيم پيچی ترانس 58
3-5 انتقال افت ولتاژها از طريق ترانسفورماتور 59
3-5-1 خطاي تكفاز، بار با اتصال ستاره، بدون ترانسفورماتور 59
3-5-2 خطاي تكفاز، بار با اتصال مثلث، بدون ترانسفورماتور 59
3-5-3 خطاي تكفاز، بار با اتصال ستاره، ترانسفورماتور نوع دوم 60
3-5-4 خطاي تكفاز، بار با اتصال مثلث، ترانسفورماتور نوع دوم 60
3-5-5 خطاي تكفاز، بار با اتصال ستاره، ترانسفورماتور نوع سوم 60
3-5-6 خطاي تكفاز، بار با اتصال مثلث، ترانسفورماتور نوع سوم 60
3-5-7 خطاي دو فاز به هم، بار با اتصال ستاره، بدون ترانسفورماتور 61
3-5-8 خطاي دو فاز به هم، بار با اتصال مثلث، بدون ترانسفورماتور 61
3-5-9 خطاي دو فاز به هم، بار با اتصال ستاره، ترانسفورماتور نوع دوم 61
3-5-10 خطاي دو فاز به هم، بار با اتصال مثلث، ترانسفورماتور نوع دوم 61
3-5-11 خطاي دو فاز به هم، بار با اتصال ستاره، ترانسفورماتور نوع سوم 62
3-5-12 خطاي دو فاز به هم، بار با اتصال مثلث، ترانسفورماتور نوع سوم 62
3-5-13 خطاهاي دو فاز به زمين 62
3-6 جمعبندي انواع خطاها 64
3-7 خطاي TYPE A ، ترانسفورماتور DD 65
3-8 خطاي TYPE B ، ترانسفورماتور DD 67
3-9 خطاي TYPE C ، ترانسفورماتور DD 69
3-10 خطاهاي TYPE D و TYPE F و TYPE G ، ترانسفورماتور DD 72
3-11 خطاي TYPE E ، ترانسفورماتور DD 72
3-12 خطاهاي نامتقارن ، ترانسفورماتور YY 73
3-13 خطاهاي نامتقارن ، ترانسفورماتور YGYG 73
3-14 خطاي TYPE A ، ترانسفورماتور DY 73
3-15 خطاي TYPE B ، ترانسفورماتور DY 74
3-16 خطاي TYPE C ، ترانسفورماتور DY 76
3-17 خطاي TYPE D ، ترانسفورماتور DY 77
3-18 خطاي TYPE E ، ترانسفورماتور DY 78
3-19 خطاي TYPE F ، ترانسفورماتور DY 79
3-20 خطاي TYPE G ، ترانسفورماتور DY 80
3-21 شكل موجهاي ولتاژ – جريان ترانسفورماتور پنج ستوني براي خطاي TYPE A شبيه سازي با PSCAD 81
شبيه سازي با برنامه نوشته شده 83
3-22 شكل موجهاي ولتاژ – جريان ترانسفورماتور پنج ستوني براي خطاي TYPE B شبيه سازي با PSCAD 85
شبيه سازي با برنامه نوشته شده 87
3-23 شكل موجهاي ولتاژ – جريان ترانسفورماتور پنج ستوني براي خطاي TYPE C شبيه سازي با PSCAD 89
شبيه سازي با برنامه نوشته شده 91
3-24 شكل موجهاي ولتاژ – جريان ترانسفورماتور پنج ستوني براي خطاي TYPE D شبيه سازي با PSCAD 93
شبيه سازي با برنامه نوشته شده 95
3-25 شكل موجهاي ولتاژ – جريان ترانسفورماتور پنج ستوني براي خطاي TYPE E شبيه سازي با PSCAD 97
شبيه سازي با برنامه نوشته شده 99
3-26 شكل موجهاي ولتاژ – جريان ترانسفورماتور پنج ستوني براي خطاي TYPE F شبيه سازي با PSCAD 101
شبيه سازي با برنامه نوشته شده 103
3-27 شكل موجهاي ولتاژ – جريان ترانسفورماتور پنج ستوني براي خطاي TYPE G شبيه سازي با PSCAD 105
شبيه سازي با برنامه نوشته شده 107
3-28 شكل موجهاي ولتاژ – جريان چند باس شبكه 14 باس IEEE براي خطاي TYPE D در باس 5 109
3-29 شكل موجهاي ولتاژ – جريان چند باس شبكه 14 باس IEEE براي خطاي TYPE G در باس 5 112
3-30 شكل موجهاي ولتاژ – جريان چند باس شبكه 14 باس IEEE براي خطاي TYPE A در باس 5 115
4- نتيجه گيري و پيشنهادات 121
مراجع 123


فهرست شكلها

شكل (1-1) مدل ماتريسي ترانسفورماتور با اضافه كردن اثر هسته صفحه 5
شكل (1-2) ) مدار ستاره¬ي مدل ترانسفورماتور قابل اشباع صفحه 6
شكل (1-3) ترانسفورماتور زرهی تک فاز صفحه 9
شكل (1-4) مدار الکتريکی معادل شكل (1-3) صفحه 9
شكل (2-1) ترانسفورماتور صفحه 14
شكل (2-2) ترانسفورماتور ايده ال صفحه 14
شكل (2-3) ترانسفورماتور ايده ال بل بار صفحه 15
شكل (2-4) ترانسفورماتور با مولفه های شار پيوندی و نشتي صفحه 16
شكل (2-5) مدرا معادل ترانسفورماتور صفحه 20
شكل (2-6) دياگرام شبيه سازی يک ترانسفورماتور دو سيم پيچه صفحه 24
شكل (2-7) ترکيب RL موازی صفحه 26
شکل (2-8) ترکيب RC موازی صفحه 27
شكل (2-9) منحنی مغناطيس کنندگی مدار باز ترانسفورماتور صفحه 30
شكل (2-10) رابطه بين و
صفحه 30
شكل (2-11) دياگرام شبيه سازی يک ترانسفورماتور دو سيم پيچه با اثر اشباع صفحه 32
شكل (2-12) رابطه بين و
صفحه 32
شكل (2-13) رابطه بين و
صفحه 32
شكل (2-14) منحنی مدار باز با مقادير rms صفحه 36
شكل (2-15) شار پيوندی متناظر شكل (2-14) سينوسی صفحه 36
شکل (2-16) جريان لحظه ای متناظر با تحريک ولتاژ سينوسی صفحه 36
شكل (2-17) منحني مدار باز با مقادير لحظه¬اي صفحه 40
شكل (2-18) منحني مدار باز با مقادير rms صفحه 40
شكل (2-19) ميزان خطاي استفاده از منحني rms صفحه 41
شكل (2-20) ميزان خطاي استفاده از منحني لحظه¬اي صفحه 41
شكل (2-21) مدار معادل مغناطيسي ترانسفورماتور سه فاز سه ستونه صفحه 42
شكل (2-22) مدار معادل الكتريكي ترانسفورماتور سه فاز سه ستونه صفحه 43
شكل (2-23) مدار معادل مغناطيسي ترانسفورماتور سه فاز پنج ستونه صفحه 44
شكل (2-24) ترانسفورماتور پنج ستونه صفحه 45
شكل (2-25) انتگرالگيري در يك استپ زماني به روش اولر صفحه 47
شكل (2-26) انتگرالگيري در يك استپ زماني به روش trapezoidal صفحه 49
شكل (3-1) دياگرام فازوري خطاها صفحه 62
شكل (3-2) شكل موج ولتاژ Vab صفحه 63
شكل (3-3) شكل موج ولتاژ Vbc صفحه 63
شكل (3-4) شكل موج ولتاژ Vca صفحه 63
شكل (3-5) شكل موج ولتاژ Vab صفحه 63
شكل (3-6) شكل موج جريان iA صفحه 64
شكل (3-7) شكل موج جريان iB صفحه 64
شكل (3-8) شكل موج جريان iA صفحه 64
شكل (3-9) شكل موج جريان iA صفحه 64
شكل (3-10) شكل موجهاي ولتاژ Va , Vb , Vc صفحه 65
شكل (3-11) شكل موجهاي ولتاژ Va , Vb , Vc صفحه 68
شكل (3-12) شكل موجهاي جريان ia , ib , ic صفحه 68
شكل (3-13) شكل موجهاي ولتاژ Va , Vb , Vc صفحه 69
شكل (3-14) شكل موجهاي ولتاژ Va , Vb , Vc صفحه 69
شكل (3-15) شكل موجهاي جريان , iB iA صفحه 69
شكل (3-16) شكل موج جريان iA صفحه 70
شكل (3-16) شكل موج جريان iB صفحه 70
شكل (3-17) شكل موج جريان iC صفحه 70
شكل (3-18) شكل موجهاي ولتاژ Va , Vb , Vc صفحه 71
شكل (3-19) شكل موجهاي جريان ia , ib , ic صفحه 71
شكل (3-20) شكل موجهاي ولتاژ Va , Vb , Vc صفحه 73
شكل (3-21) شكل موجهاي جريان ia , ib , ic صفحه 73
شكل (3-22) شكل موجهاي جريان ia , ib , ic صفحه 74
شكل (3-23) شكل موج ولتاژ Va صفحه 74
شكل (3-24) شكل موج ولتاژ Vb صفحه 74
شكل (3-25) شكل موج ولتاژ Vc صفحه 74
شكل (3-26) شكل موج جريانiA صفحه 74
شكل (3-27) شكل موج جريان iB صفحه 74
شكل (3-28) شكل موج جريان iC صفحه 74
شكل (3-29) شكل موج جريانiA صفحه 75
شكل (3-30) شكل موج جريان iB صفحه 75
شكل (3-31) موج جريان iC صفحه 75
شكل (3-32) شكل موج جريانiA صفحه 75
شكل (3-33) شكل موج جريان iB صفحه 75
شكل (3-34) شكل موج جريان iC صفحه 75
شكل (3-35) شكل موج ولتاژ Va صفحه 76
شكل (3-36) شكل موج ولتاژ Vb صفحه 76
شكل (3-37) شكل موج ولتاژ Vc صفحه 76
شكل (3-38) شكل موج جريانiA صفحه 76
شكل (3-39) شكل موج جريان iB صفحه 76
شكل (3-40) شكل موج جريان iC صفحه 76
شكل (3-41) شكل موج جريانiA صفحه 76
شكل (3-42) شكل موج جريان iB صفحه 76
شكل (3-43) شكل موج جريان iC صفحه 76
شكل (3-44) شكل موج ولتاژ Va صفحه 77
شكل (3-45) شكل موج ولتاژ Vb صفحه 77
شكل (3-46) شكل موج ولتاژ Vc صفحه 77
شكل (3-47) شكل موج جريانiA صفحه 77
شكل (3-48) شكل موج جريان iB صفحه 77
شكل (3-49) شكل موج جريان iC صفحه 77
شكل (3-50) شكل موج جريانiA صفحه 77
شكل (3-51) شكل موج جريان iB صفحه 77
شكل (3-52) شكل موج جريان iC صفحه 77
شكل (3-53) شكل موج ولتاژ Va صفحه 78
شكل (3-54) شكل موج ولتاژ Vb صفحه 78
شكل (3-55) شكل موج ولتاژ Vc صفحه 78
شكل (3-56) شكل موج جريانiA صفحه 78
شكل (3-57) شكل موج جريان iB صفحه 78
شكل (3-58) شكل موج جريان iC صفحه 78
شكل (3-59) شكل موج جريانiA صفحه 78
شكل (3-60) شكل موج جريان iB صفحه 78
شكل (3-61) شكل موج جريان iC صفحه 78
شكل (3-62) شكل موج ولتاژ Va صفحه 79
شكل (3-63) شكل موج ولتاژ Vb صفحه 79
شكل (3-64) شكل موج ولتاژ Vc صفحه 79
شكل (3-65) شكل موج جريانiA صفحه 79
شكل (3-66) شكل موج جريان iB صفحه 79
شكل (3-67) شكل موج جريان iC صفحه 79
شكل (3-68) شكل موج جريانiA صفحه 79
شكل (3-69) شكل موج جريان iB صفحه 79
شكل (3-70) شكل موج جريان iC صفحه 79
شكل (3-71) شكل موج ولتاژ Va صفحه 80
شكل (3-72) شكل موج ولتاژ Vb صفحه 80
شكل (3-73) شكل موج ولتاژ Vc صفحه 80
شكل (3-74) شكل موج جريانiA صفحه 80
شكل (3-75) شكل موج جريان iB صفحه 78
شكل (3-76) شكل موج جريان iC صفحه 80
شكل (3-77) شكل موج جريانiA صفحه 80
شكل (3-78) شكل موج جريان iB صفحه 80
شكل (3-79) شكل موج جريان iC صفحه 80
شكل (3-80) شكل موجهاي ولتاژ) (kV با PSCAD صفحه 81
شكل (3-81) شكل موجهاي ولتاژ) (kV با PSCAD صفحه 81
شكل (3-82) شكل موجهاي جريان) (kV با PSCAD صفحه 82
شكل (3-83) شكل موجهاي جريان) (kV با PSCAD صفحه 82
شكل (3-84) شكل موجهاي ولتاژ با برنامه نوشته شده صفحه 83
شكل (3-85) شكل موجهاي ولتاژ با برنامه نوشته شده صفحه 83
شكل (3-86) شكل موجهاي جريان با برنامه نوشته شده صفحه 84
شكل (3-87) شكل موجهاي جريان با برنامه نوشته شده صفحه 84
شكل (3-88) شكل موجهاي ولتاژ) (kV با PSCAD صفحه 85
شكل (3-89) شكل موجهاي ولتاژ) (kV با PSCAD صفحه 85
شكل (3-90) شكل موجهاي جريان) (kV با PSCAD صفحه 86
شكل (3-91) شكل موجهاي جريان) (kV با PSCAD صفحه 86
شكل (3-92) شكل موجهاي ولتاژ با برنامه نوشته شده صفحه 87
شكل (3-93) شكل موجهاي ولتاژ با برنامه نوشته شده صفحه 87
شكل (3-94) شكل موجهاي جريان با برنامه نوشته شده صفحه 88
شكل (3-95) شكل موجهاي جريان با برنامه نوشته شده صفحه 88
شكل (3-96) شكل موجهاي ولتاژ) (kV با PSCAD صفحه 89
شكل (3-97) شكل موجهاي ولتاژ) (kV با PSCAD صفحه 89
شكل (3-98) شكل موجهاي جريان) (kV با PSCAD صفحه 90
شكل (3-99) شكل موجهاي جريان) (kV با PSCAD صفحه 90
شكل (3-100) شكل موجهاي ولتاژ با برنامه نوشته شده صفحه 91
شكل (3-101) شكل موجهاي ولتاژ با برنامه نوشته شده صفحه 91
شكل (3-102) شكل موجهاي جريان با برنامه نوشته شده صفحه 92
شكل (3-103) شكل موجهاي جريان با برنامه نوشته شده صفحه 92
شكل (3-104) شكل موجهاي ولتاژ) (kV با PSCAD صفحه 93
شكل (3-105) شكل موجهاي ولتاژ) (kV با PSCAD صفحه 93
شكل (3-106) شكل موجهاي جريان) (kV با PSCAD صفحه 94
شكل (3-107) شكل موجهاي جريان) (kV با PSCAD صفحه 94
شكل (3-108) شكل موجهاي ولتاژ با برنامه نوشته شده صفحه 95
شكل (3-109) شكل موجهاي ولتاژ با برنامه نوشته شده صفحه 95
شكل (3-110) شكل موجهاي جريان با برنامه نوشته شده صفحه 96
شكل (3-111) شكل موجهاي جريان با برنامه نوشته شده صفحه 96
شكل (3-112) شكل موجهاي ولتاژ) (kV با PSCAD صفحه 97
شكل (3-113) شكل موجهاي ولتاژ) (kV با PSCAD صفحه 97
شكل (3-114) شكل موجهاي جريان) (kV با PSCAD صفحه 98
شكل (3-115) شكل موجهاي جريان) (kV با PSCAD صفحه 98
شكل (3-116) شكل موجهاي ولتاژ با برنامه نوشته شده صفحه 99
شكل (3-117) شكل موجهاي ولتاژ با برنامه نوشته شده صفحه 99
شكل (3-118) شكل موجهاي جريان با برنامه نوشته شده صفحه 100
شكل (3-119) شكل موجهاي جريان با برنامه نوشته شده صفحه 100
شكل (3-120) شكل موجهاي ولتاژ) (kV با PSCAD صفحه 101
شكل (3-121) شكل موجهاي ولتاژ) (kV با PSCAD صفحه 101
شكل (3-122) شكل موجهاي جريان) (kV با PSCAD صفحه 102
شكل (3-123) شكل موجهاي جريان) (kV با PSCAD صفحه 102
شكل (3-124) شكل موجهاي ولتاژ با برنامه نوشته شده صفحه 103
شكل (3-125) شكل موجهاي ولتاژ با برنامه نوشته شده صفحه 103
شكل (3-126) شكل موجهاي جريان با برنامه نوشته شده صفحه 104
شكل (3-127) شكل موجهاي جريان با برنامه نوشته شده صفحه 104
شكل (3-128) شكل موجهاي ولتاژ) (kV با PSCAD صفحه 105
شكل (3-129) شكل موجهاي ولتاژ) (kV با PSCAD صفحه 105
شكل (3-130) شكل موجهاي جريان) (kV با PSCAD صفحه 106
شكل (3-131) شكل موجهاي جريان) (kV با PSCAD صفحه 106
شكل (3-132) شكل موجهاي ولتاژ با برنامه نوشته شده صفحه 107
شكل (3-133) شكل موجهاي ولتاژ با برنامه نوشته شده صفحه 107
شكل (3-134) شكل موجهاي جريان با برنامه نوشته شده صفحه 108
شكل (3-135) شكل موجهاي جريان با برنامه نوشته شده صفحه 108
شكل (3-136) شكل موجهاي ولتاژ) (kV صفحه 109
شكل (3-137) شكل موجهاي ولتاژ) (kV صفحه 110
شكل (3-138) شكل موجهاي جريان (kA) صفحه 111
شكل (3-139) شكل موجهاي ولتاژ) (kV صفحه 112
شكل (3-140) شكل موجهاي ولتاژ) (kV صفحه 113
شكل (3-141) شكل موجهاي جريان (kA) صفحه 114
شكل (3-142) شكل موجهاي جريان (kA) صفحه 115
شكل (3-143) شكل موجهاي جريان (kA) صفحه 116
شكل (3-144) شكل موجهاي جريان (kA) صفحه 117
شكل (3-145) شبكه 14 باس IEEE صفحه 118