در میان انواع سیستم های حمل و نقل (دریایی، هوایی، ریلی و جاده ای) سیستم حمل و نقل ریلی برقی به دلیل اقتصادی بودن، سازگاری با محیط زیست، اعمال آن در شرایط خاص و كمیت بالا برای جابجایی مسافران زیاد بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این امر به معنی سرمایه گذاری در زیرساختارهای ریلی پیشرفته و همچنین به روز رسانی و برقی سازی تأسیسات موجود می باشد و البته به عنوان یک معیار توسعه پایدار در كشورها محسوب می شود.
استاندارد سیستم برق رسانی راه آهن، به صورت تكفاز با ولتاژ متناوب 25 كیلو ولت وفركانس 50 هرتز با ساختار اتوترانسفور ماتوری، در بین كشورهای دنیا پذیرفته شده است. لذا ماهیت تك فاز بودن شبكه و لكوموتیوهای برقی وهمچنین میزان قابل توجه بودن مصرف آنها، باعث ایجاد عدم تعادل، اعوجاجات هارمونیكی و مصرف توان راكتیو زیاد در شبكه سه فازه تغذیه كننده، آنها می شود. برای مقابله با اغتشاشات و بهبود كیفیت توان در راه آهن برقی روش های متعددی پیشنهاد شده است، كه استفاده از ادوات FACTS، برای بهبود آن مناسب ترین گزینه می باشد.
در فصل اول این پایان نامه هدف، پیشینیه تحقیق و روش كار مورد بررسی قرار گرفته است. در فصل دوم ساختار كلی شبكه برق رسانی راه آهن شامل پست تراكشن اصلی، شبكه انتقال بالاسری (OCS)، پست های اتوترانسفورماتوری (ATP,SP) مدار قدرت لكوموتیوهای بررسی و پدیده عدم تعادل بار و روش های معمول جبران سازی آن با هم مقایسه شده است. در فصل سوم STATCOM و نمونه هایی از كاربردهای آن در راه آهن سایركشورهای دنیا معرفی و در ادامه روش های كنترلی آن نظیر تئوری قدرتمند توان اكتیو و راكتیو لحظه (P-Q)، بطور كامل بحث شده است. در فصل چهارم مدل سازی دقیق و جامع شبكه الكتریكی راه آهن برقی اعم از نیروگاه، خط انتقال فشار قوی 230 كیلو ولت، پست كشش اصلی، شبكه انتقال بالاسری (OCS)، پست های اتوترانسفورماتوری (ATP,SP) و مدار قدرت لكوموتیو تشریح شده است. به عنوان نمونه راه آهن برقی تهران – كرج – هشتگرد كه توسط یک خط انتقال دو مداره از نیروگاه منتظر قائم تغذیه می شود در محیط نرم افزار PSCAD/EMTDC شبیه سازی شده است. در ادامه نتایج با مقالات مشابه، كه درآنها اندازه گیری های عملی انجام شده، مقایسه شده است. در نهایت در فصل پنجم نتیجه گیری و پیشنهادات ارائه شده است.
در پیوست (الف) پارامترها و جداول فنی ترانسفورماتورها و در پیوست (ب) محاسبات مربوط به مدل سازی شبكه بالاسری ارائه شده است.

در سیستم توزیع معمول، پست های فوق توزیع از طریق شبكه فشار متوسط 20kV پستهای فشار متوسط واقع در سطح منطقه را تغذیه می كنند. این پستها با تبدیل سطح ولتاژ فشار متوسط به فشار ضعیف، انرژی برق را با سطح ولتاژ قابل استفاده در اختیار مصرف كننده ها قرار می دهند. در برخی از مناطق، اغلب در حواشی شهرها و مناطق روستایی مستقیماً از سطح ولتاژ فشار متوسط استفاده شده و در نقاط بار ترانس های 20/0/4kV تعبیه و مصرف كنندگان تغذیه می شوند.
انتخاب سطح ولتاژ برای یک خط به پارامترهای مختلفی وابسته است كه از جمله آنها می توان به طول فیدر، قدرت انتقالی، هزینه احداث، تلفات، حریم و غیره اشاره نمود. در صورتی كه از سطح ولتاژ بالاتری استفاده شود ظرفیت آزاد اضافی در خطوط ایجاد خواهد شد. كه در این صورت هزینه اضافی برای احداث ظرفیت آزاد خط پرداخت می شود. از طرفی اگر این سطح ولتاژ نسبت به طول فیدر و قدرت انتقالی آن پایین تر از حد استاندارد انتخاب شود تلفات و افت ولتاژ بیشتر و حتی بیش از حد مجاز خواهد بود. كه ارزش آتی تلفات احتمالاً بیشتر از هزینه احداث اضافی خواهد بود كه باید صرف احداث خط با سطح ولتاژ بالاتر می شد.
در طراحی سیستم توزیع پس از برآورد بار و تعیین مراكز چگالی بار، عمل جایابی پستهای 20kV صورت می گیرد. پس از آن از طریق كابل زمینی یا خط هوایی فشار متوسط این پستها تغذیه می شوند. كه پس از تبدیل یكباره سطح ولتاژ فشار متوسط به فشار ضعیف انرژی برق در اختیار مصرف كننده گان قرار می گیرد. اما سوالی كه اینجا مطرح می شود این است كه اگر از یک سطح ولتاژ بین 400V و 20kV استفاده شود چه اتفاقی می افتد. به عبارتی دیگر به جای اینكه از فیدرهای 20kV با طول نسبتاً زیاد استفاده شود از یک سطح ولتاژ میانی بین 400V و 20kV استفاده كرده و بدین ترتیب هزینه شبكه 20kV و همچنین طول آن را كاهش داده و این سطح ولتاژ میانی تا نزدیكترین نقطه به بارهای انتهایی منتقل شود در این صورت منافع احتمالی زیادی خواهد داشت. زیرا پستهای زمینی حذف خواهندشد و یاحداقل تعداد آن به نصف كاهش پیدا می كند. از طرفی طول فیدرهای 20kV نیز كوتاه تر خواهند شد. از سوی دیگر چون ازشبكه هوایی فشار ضعیف اغلب برای توزیع استفاده می شود و این شبكه باشبكه توزیع فشار میانی بطور مشترك بر روی یک تیر احداث خواهندشد هزینه احداث شبكه ولتاژمیانی كاهش می یابد. در مناطق خارج شهر یا مناطق روستایی و ویلایی كه بارها در فواصل نسبتاً طولانی از یكدیگر قرار دارند. در سیستم توزیع فعلی همانطور كه در بالا ذكر شد از خطوط فشار متوسط 20kV برای توزیع انرژی استفاده می شود.
هزینه احداث خط و پست های 20kV زیاد و قابل توجه است. مخصوصاً در پستهای هوایی هزینه ترانس پست وابسته به سطح ولتاژ آن می باشد. درصورتیكه از یک سطح ولتاژ میانی مناسب جهت توزیع انرژی برق استفاده شود قطعاً هزینه احداث كاهش پیدا خواهد كرد با این فرض كه خروجی پستهای فوق توزیع دارای چنین سطح ولتاژ میانی باشند. از طرفی تلفات درخط، در صورتی كه ظرفیت یا قدرت توزیع شده بزرگ و یا فیدر طولانی باشد نسبت به شبكه فشار متوسط بیشترخواهد بود. در موارد خاص هزینه خط با سطح ولتاژ میانی علاوه بر تلفات بدلیل افزایش سطح مقطع هادی جهت داشتن ولتاژ مجاز در بار انتهایی
و همچنین قدرت كششی قابل تحمل توسط تیرها و كنسول ها هزینه احداث آن بیشتر از هزینه احداث شبكه فشار متوسط می باشد. بنابراین لزوم بررسی حالتهای مختلف ضروریست. در سیستم های توزیع انرژی برق ایران مناطق توزیع انرژی را می توان به دو قسمت تقسیم نمودكه عبارتند از:
– مناطق شهری

– مناطق روستایی و حومه
با توجه به دو طبقه بندی فوق، محل و چگالی بارها، هر یک از شبكه های ولتاژ میانی باید برای هر دو مورد متناسب با آن طراحی شود. كه این كار به طور كامل و با جزئیات صورت گرفته و تلفات و افت ولتاژ و روابط مربوط به هر كدام جهت طراحی بهینه ارائه شده اند. در استفاده از شبكه ولتاژ میانی در مناطق شهری نكته بسیار مهم و اساسی وجود دارد كه باید به آن پرداخته شود و آن نحوه تبدیل ولتاژ فشار متوسط 20kV به فشار میانی می باشد. در صورتی كه خروجی پستهای فوق توزیع دارای فیدر ولتاژ میانی باشد مشكل احداث پست زمینی و هوایی فشار متوسط به فشار میانی برای فیدرهای با طول و قدرت انتقالی پایین حل خواهد شد. درصورتیكه طول فیدر طولانی و بار سنگین باشد. طوری كه انتقال آن با سطح ولتاژ میانی مقدور نباشد از سطح ولتاژ فشار متوسط استفاده می شود و در نقاط مختلف نیاز به پستهای هوایی فشار متوسط به میانی خواهد بود. در احداث پستهای هوایی محدودیت هایی وجود دارد ازجمله برای پستهای تا 400kVA می توان به راحتی پست هوایی احداث و بهره برداری نمود. اما برای ظرفیتهای 500kVA و 630kVA نیاز به مجوز بوده و احداث این پستها با مشكل اجرایی همراه است. این محدودیت در اجرای پستهای هوایی باعث محدود شدن طول فیدرهای ولتاژ میانی خواهد شد. بنابراین در صورتی كه ظرفیت پست بالاتر از این مقدار باشد یا باید دو پست هوایی احداث یا اینكه پست زمینی بررسی شود. اما آنچه بدیهی به نظر می رسد احداث پست زمینی فشار متوسط به فشار میانی و در ادامه احداث پستها ی هوایی فشارمیانی به فشار ضعیف، هزینه بیش از پیش افزایش یافته و ارزش آتی هزی

نه اضافی را كه برای احداث پست ها پرداخت می شود بیش از ارزش آتی تلفات كاهش یافته خواهد بود. در این پروژه با توجه به توضیحات ارائه شده در فوق آرایش های مناسب برای خطوط ولتاژ میانی ارائه و همچنین سطح ولتاژ میانی مناسب با در نظر گرفتن نوع منطقه اعم از شهری یا روستائی بودن آن انتخاب و روی یک شبكه نمونه واقعی پیاده سازی خواهد شد.
مسئله مهم دیگر حریم خطوط می باشد. شبكه ولتاژ میانی زمانی اقتصادی تر خواهد بود كه از خط با سیم هوایی استفاده شود. زیرا در غیر اینصورت باید از كابل خود نگهدار و یا كابل زمینی استفاده شود كه این خود در مواردی باعث غیر اقتصادی شدن طرح خواهد شد. بنابراین بررسی حریم خطوط یكی از مباحث این پروژه را تشكیل می دهد.
در این پروژه ابتدا به بررسی تلفات و افت ولتاژ در تجهیزات سیستم توزیع و رابطه افت ولتاژ و تلفات آنها با سطح ولتاژ كاری و همچنین مقایسه تلفات ترانس سه فاز و تكفاز برای قدرتهای مساوی پرداخته شده است. سپس در ادامه تابع هزینه و روابط مربوطه جهت محاسبه ارزش آتی هزینه تلفات و سرمایه گذاری ارائه می شوند. در فصل بعد انواع آرایش های شبكه توزیع با ولتاژ میانی ارائه و از نظر تلفات و افت ولتاژ مورد بررسی قرار می گیرند. در فصل چهارم تجهیزات مربوط به شبكه ولتاژ میانی بحث شده و در فصل پنجم انواع استانداردهای بین المللی در مورد سطوح ولتاژ بررسی و با توجه به انوع آرایش های خط، سطح ولتاژ میانی مناسب انتخاب شده است. در فصل ششم حریم خطوط برای شبكه ولتاژ میانی تعریف و فواصل هادیها برای خطوط ولتاژمیانی از یكدیگر و تأسیسات اطراف آن بررسی شده است. در فصل هفتم شبكه نمونه با توجه به نوع شبكه ولتاژ میانی انتخاب و روی آن پیاده سازی شده و نتایج بدست آمده بررسی و پیشنهادات لازم ارائه شده است.

در شبکه های توزیع امروزی، بخصوص با روند روبه رشد خصوصی سازی و رقابتی شدن بازار برق، هدف اولیه شرکت های توزیع پایین آوردن هزینه های مربوط به بهره برداری، نگهداری، ساخت شبکه خود و همزمان بالا بردن قابلیت اطمینان شبکه و مشترکین می باشد.
یکی از موثرترین روش ها برای پاسخگویی به رشد بار و نیز تامین سطح مشخصی از قابلیت اطمینان استفاده از تولیدات پراکنده است.
در طی چند دهه اخیر به خاطر بالا بودن بازده بهره برداری و تشویق سرمایه گذاران، صنعت برق دستخوش تغییرات اساسی از لحاظ مدیریت و مالکیت گردیده است به طوری که برای ایجاد فضای رقابتی مناسب بخش های مختلف آن از جمله تولید، انتقال و توزیع از هم مستقل گردیده اند.
این تغییر و تحولات از یک طرف و عواملی همچون آلودگی محیط زیست، مشکلات احداث خطوط انتقال جدید و پیشرفت فناوری در زمینه اقتصادی نمودن ساخت واحدهای تولیدی در مقیاس کوچک در مقایسه با واحدهای تولیدی بزرگ از طرف دیگر باعث افزایش استفاده از تولیدات پراکنده که به طور عمده به شبکه های توزیع متصل شده و نیازی به خطوط انتقال ندارند، گردیده است.
تولیدات پراکنده به تولیداتی اطلاق می شود که قابلیت وصل شدن به شبکه توزیع را داشته باشند.
تحقیقات انجام شده توسط مراکز تحقیقاتی همچون EPRI بیانگر استفاده بیش از 25% انرژی الکتریکی تولیدی توسط تولیدات پراکنده تا سال 2010 می باشد.
تولیدات پراکنده دارای انواع مختلفی می باشد که بسته به نوع آن ظرفیت نامی و نیز قیمت آن متفاوت است. توربین های گازی کوچک با ظرفیت 500 کیلووات تا 20 مگاوات و بازده حدود 25 تا 40 درصد و پیل های سوختی با ظرفیت حدود 50 کیلووات تا 3 مگاوات و بازده حدود 45 تا 55 درصد به تدریج در شبکه های توزیع و مصارف صنعتی و تجاری مورد استفاده قرار می گیرند.
سایر تولیدات پراکنده مثل میکروتوربین ها، سلول های خورشیدی و فتوولتائیک ها و توربین هادی بادی و… هم در حال گسترش هستند.
در شبکه های توزیع شعاعی هنگام طراحی، امکان اتصال یک ژنراتور یا یک مولد در سمت بار در نظر گرفته نشده است. یعنی کل شبکه بعد از پست فوق توزیع یا همان فیدر به عنوان یک مدار غیرفعال در نظر گرفته شده است.
لذا نصب تولیدات پراکنده در سمت بار یا در طول فیدر تاثیر قابل توجهی بر توان عبوری، ولتاژ نقاط مختلف و… خواهد داشت. این تاثیرات می تواند در جهت بهبود وضعیت شبکه یا عکس آن باشد. به همین دلیل لازم است قبل از نصب تولیدات پراکنده تاثیر آن بر روی پروفیل ولتاژ، جریان خطوط، جریان اتصال کوتاه، میزان هارمونیک تزریقی، قابلیت اطمینان و… بررسی گردد.

نصب تولیدات پراکنده، ولتاژ نقاط مختلف را تحت تاثیر قرار می دهد لذا باید حداکثر توان قابل تزریق توسط واحد تولید پراکنده در یک باس به نحوی تعیین گردد که ولتاژ همه نقاط در محدوده مجاز باشد. نصب تولیدات پراکنده می تواند در باس محل نصب و یا در ابتدای فیدر باعث ایجاد اضافه ولتاژهای غیرمجاز شود. لذا باید در هنگام تعیین اندازه تولیدات پراکنده این عامل به عنوان یکی از عامل های محدود کننده در نظر گرفته شود.
بر این اساس با توجه به اینکه جایابی مناسب نیروگاه های تولید پراکنده سبب تاثیر بر شاخص های عملکردی سیستم توزیع می گردد، لذا در این پروژه اثر جایابی و تغییر قرارگیری این نیروگاه ها در باس های مختلف با در نظر گرفتن میزان کاهش تلفات و تغییر رگولاسیون ولتاژ بررسی می گردد. عدم جایابی بهینه ممکن است به تنهایی سبب بهبود این شاخص ها نگردد حتی گاهی سبب بدتر شدن وضعیت نیز می گردد.
در فصل اول این پایان نامه، به معرفی انواع تولیدات پراکنده و مزایای استفاده از آنها در شبکه توزیع می پردازیم. معرفی کشورهای استفاده کننده از تولیدات پراکنده و حداکثر توان تولید شده توسط آنها و اندازه های مرسوم مورد استفاده در انواع فناوری های موجود و معرفی تکنولوژی اتصال از جمله مباحث موجود در این فصل است.
در فصل دوم، تاثیر نیروگاه های پراکنده روی رگولاسیون ولتاژ شبکه توزیع با توجه به پروفیل ولتاژ آن قبل و بعد از قرارگیری نیروگاه تولید پراکنده با بهره گرفتن از یک سیستم تست بررسی شده است و همچنین قرارگیری همزمان این منابع و رگولاتورهای ولتاژ و خازن در همان سیستم تست در حالت های مختلف و نحوه تاثیرگذاری آن روی پروفیل ولتاژ در این فصل بررسی شده است.
در فصل سوم، تاثیر نیروگاه های تولید پراکنده روی کاهش تلفات شبکه توزیع در سه حالت بار متفاوت را بررسی می کنیم و برای درک بیشتر موضوع به مدل سازی سیستم برای تحلیل تلفات توان بر پایه احتمال با بکارگیری یک روش گسسته می پردازیم. بدین منظور از یک فیدر توزیع شعاعی به عنوان سیستم تست استفاده گردیده است.
در فصل چهارم، الگوریتم های ارائه شده تاکنون جهت جایابی بهینه نیروگاه های تولید پراکنده بررسی می گردد. و مزایا و معایب و روش اجرای آنها شرح داده می شود.
در فصل پنجم، الگوریتم پیشنهادی برای جایابی با بهره گرفتن از ماتریس ادمیتانس و توان های باس ها معرفی می گردد.>
در انتها به شبیه سازی این الگوریتم و بررسی صحت نتایج حاصل با اجرای برنامه پخش بار روی یک سیستم تست 6 باس IEEE با قرارگیری نیروگاه پراکنده در باس های مختلف می پردازیم.

از آنجا که پدیده های هوای فضا در داخل کشور و حتی در محافل علمی نسبتاً ناآشنا می باشند، فصل اول به شرح مختصری از این پدیده ها اختصاص داده شده است. همچنین در این فصل شاخص های مختلف پدیده های هوای فضا بطور مختصر توضیح داده شده است. فصل دوم تشریح مختصری از عملکرد سیستم قدرت و اجزای آن اثرات زیان آور طوفانهای ژئومغناطیس را مورد بررسی قرار داده است. در این فصل شاخص KP به عنوان معیاری در سیستم های هوشمند قدرت انتخاب شده است. فصل سوم پیش بینی شاخص KP به روش های مختلف، شبکه های عصبی، روش فازی – عصبی و روش LOLIMOT مورد بررسی قرار گرفته است. و بالاخره فصل چهارم شامل خلاصه ای از دستاوردها، مقایسه نتایج پیش بینی و هشدار، و پیشنهاد برای ادامه کار است.
فصل اول: کلیات
1-1) هدف
1-1-1) پلاسما چیست؟
همه اجسام را می توان به سه گروه جامد، مایع و گاز گروه بندی کرد. اما ماده داخل یک لامپ فلورسنت یا چراغ نئون، و شفق کاملاً با سه گروه ذکر شده متفاوت می باشد. هر یک از این موارد پلاسما می باشند (گاز یونیزه شده).
اغلب گفته م یشود که ٩٩% ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست، یعنی به شکل گاز الکتریسیته داری که اتم هایش به یونهای مثبت و الکترونهای منفی تجزیه شده باشد. این تخمین هر چند ممکن است خیلی دقیق نباشد ولی تخمین معقولی است از این واقعیت که درون ستارگان و جو آنها، ابرهای گازی و اغلب هیدرژن فضای بین ستارگان به صورت پلاسما هستند. در نزدیکی خود ما، وقتی جو زمین را ترک کنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می شویم که شامل کمربندهای تشعشعی و ان آلن و باد خورشیدی است. به نظر چنین میرسد که ما در یک درصدی از عالم زندگی می کنیم که در آن پلاسما به طور طبیعی یافت نمی شود. علت این امر را می توان از معادله ساها که میزان یونش یک گاز را در حال تعادل حرارتی نشان می دهد دریافت.

در این فصل در مورد مبدل های ماتریسی و دو روش کنترلی که به صورت گسترده ای برای کنترل این نوع مبدل ها به کار می رود، توضیح داده می شود. روش کنترل اولی بر پایه تابع انتقال مستقیم و دومی بر پایه مدولاسیون بردار فضایی می باشد. در این فصل اساس استراتژی مدولاسیون در هر دو روش کنترلی بررسی شده و در خاتمه کنترل مبدل ماتریسی بر پایه SVM شبیه سازی شده و نتایج آن بررسی شده است.
2-1- مبدل های ماتریسی کنترل شده توسط تابع انتقال مستقیم
انتقال و کنترل انرژی یکی از مهمترین مراحل در مهندسی برق می باشد، در سال های اخیر این کار با به کارگیری نیمه هادی های قدرت و المان های ذخیره کننده انرژی مانند خازن و سلف انجام گرفته است، و بدین ترتیب چندین خانواده مبدل ها همچون یکسوسازها و اینورترها و چاپرها توسعه یافته اند. هریک از این خانواده ها مزایا و محدودیت های خودشان را دارند.
مبدل های ماتریسی، یک توپولوژی مداری پیشرفته ای است که توانایی تبدیل مستقیم Ac/Ac را دارد، در این نوع مبدل ها هیچ گونه لینک DC وجود ندارد.
مبدل های ماتریسی شامل آرایه ای از سوئیچ های دو طرفه ای می باشد و به گونه ای مرتب شده است که سه فاز منبع ولتاژ را مستقیما و بدون هیچ لینک DC و یا المان های حجیم ذخیره کننده انرژی به سه فاز طرف بار وصل می کند.
مهمترین مشخصات مبدل های ماتریسی عبارتند از:
1- ساده و فشرده بودن
2- تولید ولتاژ بار، با دامنه و فرکانس دلخواه
3- جریان ورودی و خروجی سینوسی
4- عملکرد با ضریب توان واحد

توسعه این نوع مبدل ها با کار اولیه آقایان venturini و Alesina آغاز شد آنها مدار قدرت این نوع مبدل ها را مانند ماتریسی از سوئیچ های قدرت دو طرفه ای قرار دادند و اسم مبدل های ماتریسی را برای آنها برگزیدند. روش مدولاسیون آنها به تابع انتقال مستقیم معروف می باشد که در آن ولتاژ خروجی از حاصل ضرب ماتریس مدولاسیون در ولتاژ ورودی به دست می آید.
دو مشکل اساسی و اولیه در توسعه این نوع مبدل ها وجود داشت اولی کنترل کلیدهای دوطرفه استفاده شده در مبدل ماتریسی به گونه ای که هیچ گونه اضافه جریان و پیک های اضافه ولتاژ که می توانند نیمه هادی های قدرت را بسوزانند، وجود نداشته باشد خیلی مشکل بود. این مشکل با ارائه مقالاتی در زمینه استراتژی کموتاسیون چند مرحله ای برطرف شد.
مشکل دوم در گسترش مبدل های ماتریسی تعداد زیاد المان های قدرت جهت پیاده سازی کلیدهای دوطرفه بود این مشکل نیز امروزه با پیشرفت تئوری نیمه هادی ها و قرار دادن مدارات قدرت حتی در یک مدار مجتمع مرتفع شده است.