سیستم های قدرت مدرن برای عرضه توان قابل اطمینان به مصرف کننده و بارهای مختلف طراحی شده اند. نیروگاه های تولید برق به دلیل مسائل زیست محیطی، اقتصادی و ایمنی در مکانهایی دورتر از مصرف کننده قرار گرفته اند. بنابراین، شبکه خطوط انتقال برق در ولتاژهای خیلی بالایی برای انتقال توان به بهره برداری می رسند. علاوه بر انتقال توان به مصرف کننده، خطوط انتقال ممکن است باعث اتصال چندین شبکه قدرت بزرگ شوند که اصطلاحا به آن سیستم های قدرت بهم پیوسته می گویند. این امر جدا از پیچیدگی که در سیستم به وجود می آورد، باعث افزایش قابلیت اطمینان و همچنین مسائل مربوط به بازار برق می شود.
۲-۱- اساس کارکرد شبکه های انتقال توان
اکثر خطوط انتقال که بصورت AC هستند، تحت ولتاژهای مختلفی عمل می کنند. شبکه های توزیع در ولتاژهای پایین عمل میکنند در حالیکه شبکه های بزرگ دارای ولتاژهای بالایی هستند. خطوط انتقال با ولتاژهای مختلف توسط ترانسفورماتورها به یکدیگر متصل می شوند. خوشبختانه خطوط انتقال ac دارای خاصیت کنترل توان ذاتی هستند که توسط توان در ابتدا و انتهای خط تعیین می شود. بعنوان مثال، یک خط انتقال توان را در نظر بگیرید که بین یک نیروگاه و مصرف کننده قرار گرفته است که در شکل ۱ نشان داده شده است. با فرض اینکه خط بدون تلفات باشد (R=0) روابط زیر بر مدار حاکم است.
در رابطه بالا، X راکتانس سری خط است. V1 و V2 به ترتیب ولتاژ سمت ارسال و ولتاژ سمت دریافت می باشند. در رابطه بالا اختلاف زاویه ولتاژها میزان توان اکتیو انتقالی را مشخص می کنند و اختلاف دامنه ولتاژها میزان توان راکتیو انتقالی در خط را تعیین می کنند.
قابلیت اطمینان در سمت باسبار با اضافه کردن یک منبع تولید توان همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است قابل بهبود است. همانطور که در شکل ۱ مشاهده می شود، در صورتی که یکی از منابع یا خطوط انتقال از مدار خارج شود، تقاضای بار مصرف کننده توسط خط انتقال دیگر تامین می شود.
در کنار سیستم های انتقال ac، سیستم های انتقال توان HVDC نیز وجود دارند. سیستم های HVDC نیاز به مبدل های الکترونیک قدرت دارند که این باعث گران شدن این سیستم ها می شود. علاوه بر این، سیستم های HVDC برای فاصله های خیلی طولانی و سیستم های خیلی بزرگ استفاده می شوند. این سیستم انتقال توان از مبدل های پشت به پشت استفاده میکند. به این صورت که توان ac را ابتدا به dc تبدیل کرده و سپس این توان dc را به محل مورد نظر (انتهای خط HVDC) منتقل میکند و سپس دوباره در آنجا به ac تبدیل می کند.
۳-۱- کنترل سیلان توان در شبکه های انتقال ac
ما تمایل داریم سیلان توان در خطوط انتقال را برای افزایش ظرفیت انتقال توان کنترل کنیم و یا سیلان توان را تحت شرایط دینامیکی برای تضمین پایداری و امنیت سیستم تغییر دهیم. پایداری سیستم متأثر از افزایش یا کاهش کمی در فرکانس سیستم، نوسانات توان و فروپاشی ولتاژ می باشد. با توجه به شکل ۱، ماکزیم توان انتقالی در حالتی اتفاق می افتد که اختلاف زاویه ولتاژهای ابتدا و انتهای خط ۹۰ درجه باشد که در این صورت رابطه زیر برای انتقال توان ماکزیمم صادق است.
بطور مرسوم، جبرانسازی سری توسط خازن های سری در خط ماکزیمم توان انتقالی Pmax را افزایش می دهد. در این حالت مقدار خازن مورد نیاز برای جبرانسازی توسط رابطه زیر تعیین می شود.
در رابطه فوق Kse درجه جبرانسازی سری است. ماکزیمم مقدار Kse به عوامل زیادی بستگی دارد که مقاومت هادی یکی از آنها می باشد. بطور کلی Kse بیشتر از ۰٫۷ انتخاب نمی شود. استفاده از خازن های سری برای جبرانسازی در خطوط انتقال و افزایش ظرفیت خط انتقال از سال های دور استفاده شده است. با این وجود ۱۰ الی ۱۵ سال بعد، کنترل جبرانسازی سری با استفاده از تریستور برای کنترل سریع سیلان توان در خطوط انتقال معرفی شد. استفاده از راکتورهای کنترل شده تریستوری TCR که به صورت موازی با خازن های جبرانساز Xc قرار داشتند، علاوه بر کنترل جبرانسازی بر مشکلاتی از قبیل نوسانات زیرسنکرون غلبه می کرد. زیرا یکی از مشکلاتی که جبرانسازی سری در خطوط انتقال ایجاد می کند، نوسانات زیر سنکرون یا SSR است.
سیلان توان در خطوط با طول کوتاه توسط ترانسفورماتور شیفت فاز PST کنترل می شود که یک نسبت دور با دامنه واحد دارد. سیلان توان در یک خط انتقال بدون تلفات با یک PST بصورت زیر بیان می شود.
PST کنترل شده بصورت دستی تحت شرایط دینامیکی به اندازه کافی سریع نیست. کلیدهای تریستوری می توانند کنترل سریع مقایر گسسته را با توجه به ساختار PST استفاده شده تضمین کنند. همچنین، ماکزیمم توان انتقالی خط می تواند توسط ولتاژ سمت دریافت خط ac افزایش یابد. زمانیکه یک ژنراتور یک بار با ضریب توان واحد را تغذیه می کند، ماکزیمم توان زمانی اتفاق می افتد که مقاومت بار با مقاوت خط انتقال برابر باشد. قابل ذکر است که V2 با تغییر بار تغییر میکند و بصورت زیر بیان می شود.
با ارائه جبرانسازی دینامیکی توان راکتیو در باس بار (باس ۲)، همانطور که در شکل ۳ قابل مشاهده است، دامنه ولتاژ باس نیز قابل تنظیم است.
