هادی طاریمرادی

ترانسفورماتورهای قدرت یکی از تجهیزات مهم، حیاتی، و گران قیمت در شبکه های انتقال و توزیع انرژی الکتریکی هستند و می توان گفت که رابطه ی مستقیمی بین عملکرد صحیح این تجهیز و قابلیت اطمینان شبکه وجود دارد. از این رو سلامت آنها برای حفظ پایداری و افزایش قابلیت اطمینان شبکه ضروری می باشد. در حالت کلی ترانسفورماتورها در مرحله ی بهره برداری ممکن است تحت تنش، و در معرض انواع مختلفی از خطا با سطوح مختلف شدت قرار گیرند. در بین همه عواملی که ترانسفورماتورها را به خطر می اندازند خطاها و تنش های مکانیکی ناشی از اتصال کوتاه ها هستند که بیشتر رایج اند. جریان های ناشی از اتصال کوتاه با وارد کردن نیروهای فشاری و کششی باعث دفورمه شدن سیم پیچ ها در راستای شعاعی و محوری می شوند، به همین دلیل مانیتورینگ و پایش وضعیت آنها از اهمیت زیادی برخوردار است. به طور کلی سیستمهای نظارت بر وضعیت یک ترانسفورماتور قدرت را می توان به دو دسته اصلی آنلاین و آفلاین طبقه بندی کرد. در حالت آفلاین ترانسفورماتور برای پایش وضعیت باید از مدار خارج گردد که این کار باعث اختلال در برق رسانی خواهد شد، اما در مانیتورینگ به روش آنلاین ترانسفورماتور در حال سرویس هست و همزمان با بهره برداری پایش وضعیت ترانسفورماتور هم انجام می شود و نیاز نیست ترانسفورماتور بی برق شود. در حال حاضر از روشهای تشخیصی مختلفی برای تشخیص عیوب در ترانسفورماتورهای قدرت استفاده می شود از میان همه ی این روشها، تکنیک تحلیل پاسخ فرکانسی (FRA) به دلیل هزینه کم، راحتی، سادگی، و اثربخشی، بیشتر مورد استفاده قرار میذگیرد. اصول تکنیک تحلیل پاسخ فرکانسی بر این اساس است که تابع تبدیل مربوط به هر ترانسفورماتور جزء ویژگیهای منحصر به فرد آن است، بهذطوریکه هر گونه تغییر در هندسه و شکل فیزیکی سیمذپیچذهای آن باعث تغییر در تابع تبدیل شده که از طریق آن می توان به وقوع خطا در ترانسفورماتور پی برد. با توجه به مشکلات و چالش هایی که در روش های مانیتورینگ به صورت آفلاین وجود دارد، اساس کار این تحقیق بر مبنای مانیتورینگ آنلاین است. روشهای مختلفی برای پایش وضعیت و تعیین تابع تبدیل ترانسفورماتورها به صورت برخط وجود دارد که هرکدام دارای مشکلات و چالش هایی در حین اجرا می باشد. در این پایان نامه سعی بر این است که با طراحی عملی یک مدار کلیدزنی قابل کنترل، بتوان گذرای با باند فرکانسی وسیع تولید کرد به طوریکه بتوان پاسخ فرکانسی ترانسفورماتور را به صورت آنلاین جهت تشخیص عیوب مکانیکی سیم پیچ به دست آورد. مدار سوئیچ شونده می تواند یک خازن باشد که در مورد مدار، و مقادیر آن، و سطح ولتاژ سوئیچینگ بعد از شبیه سازی و بررسی نتای ج نتیجه گیری خواهد شد. مرحله بعد استخراج پاسخ فرکانسی از ولتاژ و جریان های گذرای به دست آمده است. در این پایان نامه تابع تبدیل امپدانس ترانسفورماتور با دو روش شبیه سازی و عملی به دست آمده است. در روش شبیه سازی از نرم افزارهای EMTP و Matlab استفاده شده است. روش عملی هم در چندین مرحله انجام شده است. بعد از طراحی مدار سوئیچینگ و اجرای آن در آزمایشگاه، ابتدا سیگنال قدرت ولتاژ ورودی به وسیله ی یک فیلتر سخت افزاری طراحی شده حذف می شود و سپس با روشهای نرم افزاری مراحل حذف نویز و آماده سازی سیگنال جهت استخراج طیف فرکانسی انجام می شود. برای ثبت سیگنال جریان هم از دو روش پراپ جریان و مقاومت های آجری توان بالا استفاده شده است. در نهایت با استفاده از تبدیل فوریه سریع دو سیگنال ولتاژ و جریان ورودی، پاسخ فرکانسی امپدانس ورودی تراسفورماتور در حالت بی باری به دست آمده است.

استقرار سیستم های ذخیره انرژی (ESS) راهی مهم برای به حداکثر رساندن بازده انرژی شبکه توزیع است و عملکرد کلی شبکه را می توان با تعیین بهترین محل برای نصب، می‌توان ظرفیت یا اندازه و عملکرد بهینه آن‌ها افزایش داد. یک ESS بهینه از نظر اندازه و محل نصب می‌تواند شبکه را در راستای تامین حداکثر تقاضای انرژی کمک کند، مزایای حاصل از ادغام منابع انرژی تجدید پذیر و توزیع شده را افزایش دهد، محاسن حاصل از ترکیب منابع انرژی تجدیدپذیر و توزیع انرژی را بهبود ببخشد، به مدیریت کیفیت انرژی کمک کند و هزینه های گسترش شبکه توزیع را کاهش دهد. در این پایان‌نامه مروری بر نحوه قرارگیری، اندازه و کارایی بهینه ESS ارائه شده است. این مجموعه طیف وسیعی از سناریوها، اهداف عملکرد هدفمند، استراتژیهای کاربردی، انواع ESS، مزایا و محدودیتهای سیستمها و رویکردهای پیشنهادی را در نظر می‌گیرد. در حالی که باتری ها به طور گسترده ای به عنوان ESS در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند، تجزیه و تحلیل دقیق مقایسه ای مشخصات فنی ESS نشان می دهد که ذخیره انرژی چرخ طیار (FES) نیز در برخی از سناریوهای شبکه توزیع مستلزم توجه است. این تحقیق توصیه هایی را برای نیازها یا رویه های مربوطه، انتخاب مناسب ESS، شارژ و تخلیه هوشمند ESS، اندازه گیری ESS، نحوه قرارگیری و بهره برداری و مشکلات کیفیت برق ارائه می دهد. علاوه بر این، این مطالعه فرصت های تحقیقاتی آینده را در رابطه با چالش های برنامه ریزی بهینه قرار دادن ESS، مسائل توسعه و پیاده سازی، تکنیک های بهینه سازی، تاثیرات اجتماعی و امنیت انرژی شناسایی می کند.

توسعه منابع تجدیدپذیر انرژی در مقیاس بزرگ منجر به نفوذ قابل توجه این منابع تولید متغیر در سیستم های قدرت جهان شده است. یکی از موانع اصلی در برابر گسترش نفوذ منابع تجدیدپذیر مخصوصاً سیستم های فتوولتائیک در شبکه های توزیع، مشکل افزایش هارمونیک شبکه به دلیل وجود مبدل‌های الکترونیک قدرت می باشد. هارمونیک می تواند اثرات نامناسب بر بار و شبکه داشته و حتی به سایر بخش های شبکه آسیب بزند. در این پایان نامه علاوه بر کنترل سیستم جهت دریافت ماکزیمم توان از خورشید، یک استراتژی کنترلی جدید برای کنترل اینورتر متصل به شبکه جهت بهبود کیفیت توان در نقطه ی PCC سیستم توزیع سه فاز چهار سیمه ارائه شده است. چهار روش کنترلر PI، کنترلر فازی، کنترلر شبکه عصبی و کنترلر با الگوریتم PSO شبیه سازی، بررسی و مقایسه شده اند. همه ی روش های کنترلی فوق بهبود قابل توجهی در هارمونیک های جریان و ولتاژ سیستم داشته اند. اما، با توجه به مقایسه های صورت گرفته برای چهار روش کنترلی پیاده سازی شده، مشاهده شد که از نظر عملکرد و پایداری کنترل فازی و شبکه عصبی نتایج بهتری نسبت به کنترل PI و الگوریتم PSO داشتند. از طرفی الگوریتم PSO مقدارTHD و کیفیت توان بهتری را برای خروجی جریان شبکه تنظیم می کند. از نظر عملکرد پاسخ‌دهی و جبران نامتعادلی الگوریتم های فازی و عصبی نتایج مقبول تری ارائه داده اند. در حالت کلی با مقایسه دو روش منطق فازی و شبکه عصبی می توان گفت که منطق فازی مقداری از نظر عملکرد و مقداری نیز از نظر THD از شبکه عصبی بهتر بوده و به همین دلیل کنترلر پیشنهادی این پایان نامه در نظر گرفته می شود. اثرات سیستم های کنترلی بر روی جبران نامتعادلی جریان بار نیز بررسی شده است و صحت عملکرد آن در این زمینه نیز بررسی شده است.

ریزشبکه دارای چالش‌ها و محدودیت‌های مختلفی است که یکی از مهم‌ترین آن‌ها بحث کیفیت توان است. روش‌های گوناگونی برای بهبود کیفیت توان ارائه‌شده است. در بین این روش‌ها استفاده از ذخیره‌سازها در سال‌های اخیر بیشتر موردتوجه قرارگرفته است. ذخیره‌سازها درگذشته فقط به‌عنوان بافر انرژی عمل می‌کردند، اما با پیشرفت فنّاوری و الکترونیک قدرت، امروزه در مباحث پایداری، کیفیت توان و قابلیت اطمینان از ذخیره‌سازها استفاده بیشتری می‌شود. در بین ذخیره سازه‌ها باتری‌ها بیشتر موردتوجه قرا گرفته است. در این پژوهش از ساختار جدید ذخیره‌ساز ترکیبی باتری – باتری استفاده‌شده است. این باتری‌ها به‌صورت جداگانه کنترل می‌شوند. در سیستم کنترلی باتری اول ولتاژ و فرکانس در شرایط اغتشاشات مختلف شامل تغییرات در توان مکانیکی ژنراتور، کنترل می‌شود. برای بهینه‌سازی ضرایب کنترل‌کننده‌ها از الگوریتم ANN-PSO استفاده‌شده است. این الگوریتم به‌صورت آنلاین عمل کرده و ضرایب را تعیین می‌کند. سیستم کنترل باتری دوم شامل دو مسیر کنترلی و الگوریتم تشخیص اغتشاشات کیفیت توان است. مسیرهای کنترلی با ساختار طبقه‌ای به‌صورت جداگانه برای رفع اختلالات عدم تعادل و هارمونیک استفاده‌شده است. در واقع هر مسیر برای رفع یک اختلال به‌کاررفته است. برای انتخاب مسیر کنترلی از الگوریتم تبدیل هیلبرت تعمیم‌یافته استفاده‌شده است. این الگوریتم اغتشاشات کیفیت توان و انتخاب مسیر کنترلی استفاده‌شده است.

صنعت برق جهانی با چالشهای زیادی روبرو است که نیاز به توجه فوری به رشد ، گسترش و مدیریت انرژی دارد. بیشتر شرکتهای تامین کننده برق با کمبود در دسترس بودن انرژی الکتریکی روبرو هستند. بنابراین برای جبران کمبود در دسترس بودن انرژی الکتریکی ، کاهش تلفات و در نتیجه صرفه جویی در مصرف انرژی به عنوان بخشی از مدیریت طرف تقاضا به اولین و مهمترین مرحله تبدیل می شود. استفاده از فن آوری های شبکه هوشمند یکی از ابزارهای اصلی در حل مشکلات صنعت برق است. در این راستا تعیین مکان بهینه ترانسفورماتور توزیع مسئله مهمی است که باید به آن پرداخته شود. به نظر نمی رسد که شرکت های تامین کننده برق از روش اثبات شده برای یافتن مکان بهینه ترانسفورماتور توزیع استفاده می کنند. علاوه بر این ، در بسیاری از موارد ، ترانسفورماتورهای توزیع به دلیل ملاحظات سیاسی-اجتماعی و اقتصادی نمی توانند در موقعیت بهینه قرار بگیرند که منجر به تلفات بیشتر خواهد شد. مطالعات عددی در این پایان‌نامه بر روی یک سیستم واقعی توزیع انجام شده است. شبکه مذکور، بخشی از شبکه توزیع سنندج به نام فیدر حسین آباد است که فیدر اصلی آن ۲۰ کیلوولت بوده و فیدرهای فرعی آن ۲۰ کیلوولت یا ۴۰۰ ولت هستند. در مجموع این فیدر ۶۳۰۶ باسبار و به تبع آن ۶۳۰۶ خط دارد چراکه شبکه شعاعی است و دارای گراف درختی می‌باشد.کلیه محاسبات پخش بار و برنامه الگوریتم پیشنهادی، جهت اجرا در شبکه توزیع مورد مطالعه با استفاده از نرم افزار تهیه شده در محیط MATLAB صورت پذیرفته است.

شبکه توزیع از فیدر اصلی، انشعابات، زیر انشعابات و درنهایت بارها تشکیل‌شده است. شبکه توزیع در سیستم قدرت وظیفه انتقال توان الکتریکی به مصرف‌کنندگان را بر عهده‌دارد؛ به‌عبارت‌دیگر، شبکه‌های توزیع محل تلاقی مشترکین با صنعت برق هستند. اگر قطعی برق در یک نقطه از شبکه توزیع اتفاق بیفتد، سبب ایجاد وقفه در تامین توان الکتریکی برخی از مشترکین می‌گردد. بروز این وقفه‌ها، از دید مصرف‌کنندگان، مشکل کل سیستم قدرت قلمداد می‌شود. تقریباً وقفه‌های ایجادشده در سیستم‌های قدرت به دلیل بروز خرابی‌ها در شبکه‌های توزیع است. ازاین‌رو مکان‌یابی خطا در شبکه توزیع امری ضروری است، چون کمک خواهد کرد که خطا در کوتاه‌ترین زمان ممکن رفع شده و سیستم به کار عادی خود برگردد. برای مکان‌یابی خطا در شبکه‌های توزیع برق اغلب از روش‌های امپدانسی استفاده می‌کنند. اشکال اصلی روش‌های مبتنی بر امپدانس تخمین چند نقطه است. در نتیجه، این روش‌ها مکان خطا را دقیق اعلام می‌کنند اما قطعی نیست. این مشکل با اسم مسئله تخمین متعدد شناخته می‌شود که باعث صرف هزینه و زمان بیشتر برای بازیابی خط می‌شود. با اضافه کردن نشانگر خطا این نقاط کمتر شده و حتی در بعضی از باس‌ها از بین رفته است. در این پایان‌نامه، یک استراتژی مکان‌یابی خطا به روش مبتنی بر امپدانس و به کمک تعداد بهینه اندازه‌گیر ولتاژ و نشانگر خطا ارائه‌شده است. شبکه موردمطالعه شبکه واقعی است. مکان‌یابی خطا برای چند سناریو انجام‌شده و تفاوت‌های آن‌ها موردبررسی قرارگرفته است. در آخر با استفاده از الگوریتم ژنتیک چندهدفه، تعداد و چیدمان اندازه‌گیرها و نشانگرها بهینه‌شده است.

ترانسفورماتورها یکی از پرکاربردترین و گران‌ترین تجهیزات شبکه قدرت الکتریکی هستند. روش-های فعلی تشخیص خطا قادر به شناسایی انواع خطاها نیستند؛ به همین دلیل علاوه بر روش‌های حفاظتی معمول، به منظور پیشگیری و یا تشخیص سریع و جلوگیری از گسترش عیوب، استفاده از سیستم‌های مانیتورینگ ترانسفورماتورها بسیار ضروری است. با تشخیص و اطلاع رسانی به‌موقع خطا در مراحل اولیه، می‌توان موجب پایداری شبکه الکتریکی شد و از وارد آمدن خسارات جدی به ترانسفورماتور و سایر تجهیزات متصل به شبکه جلوگیری کرد. خطاهای مختلف داخل ترانسفورماتور توسط تجهیزات حفاظتی تشخیص داده می‌شوند، اما خطاهای جزئی و تغییر شکل‌های مکانیکی از جمله جابجایی و تغییر شکل‌های خیلی کم سیم‌پیچ توسط تجهیزات حفاظتی تشخیص داده نمی‌شوند. تغییر شکل‌های جزئی سیم‌پیچ باعث تغییر گرادیان ولتاژ شده که در نتیجه پیری زودرس عایق و تخلیه‌ی جزئی را به دنبال خواهد داشت. در این رساله برای بالا بردن دقت مطالعه از نرم‌افزار مبتنی بر روش المان محدود برای مدلسازی ترانسفوماتور و اعمال عیوب مکانیکی سیم‌پیچ استفاده شده است. ابتدا ماتریس‌های R، L و C برای حالت سالم ترانسفوماتور استخراج شده، سپس با اعمال سه نوع خطای جابجایی محوری، تغییر شکل شعاعی و تغییر فاصله بین دیسک‌ها با شدت و موقعیت‌های مختلف، ماتریس‌های فوق دوباره بدست آورده و با مقادیر حالت سالم مقایسه شده‌اند تا میزان و نحوه تغییرات المان‌های ماتریس‌های فوق بررسی شوند. در ادامه از الگوریتم‌های مختلف برای طبقه‌بندی خطا از نظر نوع، شدت و موقعیت با استفاده از آرایه‌های ماتریس‌های R، L و C استفاده شده است. دقت‌های حاصل از طبقه‌بندی توسط الگوریتم یکسان برای هر کدام از پارامترها باهم مقایسه شده و میزان حساسیت پارامترها به خطای رخ داده بررسی شده است. از میان روش‌های مختلف عیب‌یابی ترانسفورماتور، تجزیه و تحلیل پاسخ فرکانسی به دلیل حساسیت بالای آن به تغییرات اندک در هندسه‌ی سیم‌پیچ برای تشخیص خطاهای مکانیکی سیم‌پیچ مقبولیت بالایی دارد. در این رساله، پاسخ فرکانسی توسط نرم‌افزار EMTP با مدلسازی ترانسفورماتور با استفاده از ماتریس‌های استخراج شده توسط روش المان محدود، برای حالت سالم و حالت‌های معیوب استخراج شده و تاثیر نوع، مو قعیت و شدت خطا بر پاسخ فرکانسی در بازه‌های مختلف فرکانسی بررسی شده است. در نهایت با استفاده از شاخص‌های آماری پرکاربرد که از مقایسه‌ی پاسخ فرکانسی در حالت سالم و دارای خطا محاسبه می‌شوند برای طبقه‌بندی خطا استفاده شده است.

در بیشتر فرآیندهای صنعتی استفاده از ماشین‌های الکتریکی امری رایج است و در میان انواع ماشین‌های الکتریکی، موتورهای القایی سه فاز به خاطر ویژگی های ساختاری خاص و صرفه اقتصادی، بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند. همچنین کاربرد وسیع این موتورها و اهمیت توقفات در پروسه ها موجب شده است که تشخیص خطای به هنگام و با دقت مناسب این موتورها به یک مسئله با اهمیت بدل شود. از طرفی با مرور زمان سیستم‌های پایش وضعیت برای تشخیص خطای موتورهای القایی سه فاز ارتقا یافته اند و در حال حاضر هر نوع خطا پیش آمده در این موتورها با روش های مختلف به میزان دقت های متفاوت قابل شناسایی و ارزیابی است. در این پایان نامه ابتدا ساختمان، اصول کارکرد موتورهای القایی سه فاز و انواع خطاهای رایج آن ها ارائه شده، سپس روش های مختلف تشخیص خطا معرفی گردیده و مزیت ها و ضعف های هر کدام بیان گشته است. در ادامه رفتار موتور القایی در فرکانس های بالا بررسی شده و در ادامه رفتار موتورهای القایی در فرکانس های بالا بررسی شده و از مدارات معادل برای درک بهتر عملکرد موتور در فرکانس های بالا استفاده شده است.روش تحلیل پاسخ فرکانسی که کاربرد و دقت قابل توجهی در تشخیص عیب ترانسفورماتورهای قدرت دارد، در این پایان نامه برای تشخیص عیوب موتورهای القایی سه فاز استفاده می شود. چون اصول روش تحلیل پاسخ فرکانسی بر مقایسه نتایج با پاسخ مرجع استوار است، در این پایان نامه سعی شده است تعداد زیادی از خطاهای رایج نظیر خطاهای مربوط به سیم پیچی استاتور، خطای بلبرینگ، نصب ضعیف و خطای شکستگی میله روتور به صورت عملی به موتور القایی اعمال گشته و داده های عددی با دستگاه آنالیزور WK6500B گردآوری و ثبت شده اند و با استفاده از نرم افزار متلب داده‌های حاصل، شبیه سازی و مورد بررسی قرار گرفته اند. نتیجه ی پاسخ فرکانسی حالت معیوب با منحنی مرجع (پاسخ فرکانسی در حالت سالم) مقایسه شده است، برای بررسی تغییرات و تحلیل نتایج پاسخ فرکانسی از شاخص های آماری CC، SIGMA، NRMSD و CSD استفاده شده است. جهت بالا بردن اعتبار نتایج آزمایش ها و بررسی بیشتر، تشخیص خطاهای رایج فوق در حالت آنلاین با دستگاه تست آنلاین exp3000 نیز انجام و نتایج ارائه شده است.