شبیه سازی بهینه سیستم های مترویی ،جهت تنظیمات محدوده حفاظتی
مقدمه
همزمان با رشد اقتصاد و توسعه شهرها سیستم قطار شهری نیز به سرعت توسعه پیدا کرده است. هم اکنون پیاده سازی و استفاده از سیستم قطار شهری وارد برنامه ریزی های شهرهای بزرگ شده است. با توجه به این نکته که سیستم قطار شهری در ارتباط مستمر با عموم شهروندان شهر و منابع ملی می باشد. عملکرد مطمئن و مناسب از نیازهای اساسی این سیستم محسوب می شود. در نتیجه تحقیق در زمینه عملکرد دینامیکی سیستم و بروز خطای اتصال کوتاه در سیستم قطار شهری، ضریب توان، حفاظت و مسایل مربوط به آنها بسیار مهم و ارزشمند است.
با مدل سازی و شبیه سازی سیستم قطار شهری می توان رفتار دینامیکی تجهیزات را قبل و حتی بعد از فاز اجرایی پیش بینی و بررسی کرد. در نتیجه این مدل سازی ها ابزار قدرتمندی برای مطالعه ی انواع خطاها در قسمتهای مختلف سیستم، رفع ایرادها و ارتقاء سیستم می باشد. مدل سازی و شبیه سازی سیستم قطار شهری با موتور های جریان مستقیم و آسنکرون در اینجا انجام شده است، رفتار دینامیکی سیستم در حین راه اندازی و بروز اتصال کوتاه مطالعه و مقایسه شده است، روش های حفاظتی اضافه جریان قدیمی قادر به حفاظت کامل سیستم حمل ونقل جریان مستقیم نمی باشند و نیازمند ارائه یک روش حفاظتی جدید(روش حفاظتی DDL) می باشیم تا جریان خطای اتصال کوتاه دور از ایستگاه را از جریان راه اندازی قطار تشخیص دهد.
در شبیه سازی ، تاثیر سیستم قطار شهری بر شبکه قدرت محلی و ترانس های ایستگاه ها ،باید بررسی شود. همچنین نحوه تعیین پارامترهای روش حفاظتی جدید در یک سیستم قطار شهری واقعی مطرح نشده است. بدین منظور باید شبیه سازی ها و بررسی های متعدد و دقیق در كل سیستم انجام شود تا رفتار دینامیکی قسمتهای مختلف آن در بدترین شرایط ممکن ارزیابی شود.
مدل های شبیه سازی
مدل کامل سیستم الکتریکی قطار شهری شامل ایستگاه ها ، خط تغذیه و واگن دارای موتورهای آسنکرون شبیه سازی شده است، در شکل زیر مدل اجزای مختلف این سیستم نشان داده شده است. ایستگاه کششی شامل دو واحد یکسوسازی ۱۲ پالسه دیودی می باشد. در دو ترانسفورماتور ایستگاه شیفت فازی 7.5 درجه ایجاد می شود تا در نهایت سیستم یکسوسازی ۲۴ پالسه ایجاد شود. در این مدل اتصال ثانویه ترانس و پل یکسوساز، بدون امپدانس برقرار شده است.
مدل دینامیکی بار قطار متناسب با رفتار دینامیکی واگنها، چرخها و ریل هاست. روابط (۱، 2 ، 3و۴) به ترتیب معادله دینامیکی نیرو N، گشتاور بار قطار و گشتاور الکتریکی کل موتورهای یک قطار (N.m)را نشان میدهند.
در رابطه (1)، µ ضریب ادهلسون ، Nنیروی بین چرخ و ریل در حالت عادی(N) ، Mجرم كل قطار ( ( Kg Rمقاومت حرکتی سیستم Ө , ( N )انحراف زاویه ریل نسبت به خط افقی می باشد. همچنین در رابطه (۲)e شعاع چرخ واگن (m) بوده و در رابطه (۳) jضريب لختی قطار(K.g .s2 ) gr ضریب گیربکس، با سرعت روتور ماشین آسنکرون، B ضریب اصطکاک حرکتی(N. m . s ) و A ضریب اصطکاک استاتیکی قطار (N. m) می باشد. ضریب گیربکس نسبت سرعت چرخ واگن (ωw) به سرعت مکانیکی روتور است و مقدار لحظه ای ضریب ادهلسون از رابطه (۱) محاسبه می شود. قابل ذکر است که در مقدار دهی پارامترهای مدل موتور باید مقادیر ضرایب، متناظر با رابطه (۳) جاگذاری شوند. بنابراین ضریب لختی مدل نرم افزاری موتور برابر با j . gr2 و ضریب اصطکاک چرخشی آن متناظر با ضریب gr2.B خواهند بود.
بررسی شکل موج های جریان کشیده شده از ایستگاه ها
به منظور مدل کردن امپدانس خط تغذیه و ریل ها از مقاومت و سلف معادل استفاده شده است.
همچنین برای مدل کردن هر قطار از اینورتر PWM متصل به موتور آسنکرون استفاده شده است.
بار مکانیکی حداکثر به موتورها اعمال می شود و بار الکتریکی داخلی قطار نیز بصورت یک بلوک بار،
بطور موازی با موتور مدل شده است. در این مدل قطار اول در ایستگاه غیر کششی دوم و به فاصله
0.84 کیلومتر از ایستگاه کششی اول فرض شده است، همچنین قطار دوم در ایستگاه کششی سوم
و به فاصله 0.88 km از ایستگاه دوم قرار دارد.
دو قطار بطور همزمان راه اندازی می شوند و در لحظه 0.15 ثانیه اتصال کوتاهی داخلی با امپدانس
۱۰ میلی اهم در قطار اول رخ می دهد. در شکل روبرو ، شکلموجهای جریان کشیده شده از
ایستگاهها نشان داده شده اند.
به منظور شبیه سازی عملکرد سیستم قطار شهری و تعیین پارامترهای سیستم حفاظتی DDL در بدترین
شرایط از آرایش بای پس استفاده شده است. در شکل زیر شکل موج جریان کشیده شده از ایستگاه نشان
داده شده است. فاصله بین دو ایستگاه فعال کششی، بیشترین میزان ممکن بوده و چهار قطار بین آنها
راه اندازی می شوند.
اتصال کوتاهی در نزدیکی یک ایستگاه و در لحظه 0.11 ثانیه از طریق امپدانس اتفاق می افتد.
خطاهای اتصال کوتاهی با امپدانس معادل و کلید مدل می شوند. بروز جرقه نیز با امپدانس معادل قابل شبیه سازی است. در شکل زیر الگوهای جریان خطای خارجی که از ایستگاه کشیده می شوند، نشان داده شده اند. امپدانس خطا ۲۰ میلی اهم فرض شده است.
نتایج شبیه سازی
در شكل ( الف ) الگوی جریان کشیده شده از سمت اولیه ترانسفورماتور ایستگاه کششی نشان داده شده است. از دید شبکه قدرت محلی سیستم قطار شهری به عنوان یک بار اهمی سلفی می باشد که ضریب توان حداکثر آن از راه اندازی با عملکرد عادی قطارها بین0.935 تا 0.975 تغییر می کند. در شكل( ب) دامنه هارمونیک های این جریان بر حسب درصدی از دامنه هارمونیک اصلی نشان داده شده است که وجود هارمونیک های کم دامنه یازدهم و سیزدهم را نشان می دهد. همچنین بدلیل تغییرات دائمی دامنه جریان با جابجایی قطارها مولفه صفر نیز ایجاد شده است.
همچنین الگوی جریان کشیده شده از سمت ثانویه ترانسفورماتور ایستگاه کششی ارائه شده است و در شکل دامنه هارمونیک های موجود در این جریان دیده میشوند که مطابق آن هارمونیک های پنجم و هفتم با دامنه قابل توجه ۴۲ درصد و ۱۶ درصد حضور دارند و ضریب اعوجاج کل در این نمونه حدود ۴۵ درصد می باشد.
بررسی عملکرد سیستم حفاظتی برای شکل موج های مختلف جریان
در شکل بالا، عملکرد سیستم حفاظتی برای سه شکل موج جریان خط نشان داده شده است – شکل موج سبز رنگ وقوع اتصال کوتاهی در بیشترین فاصله ممکن از ایستگاه را در حالت تعذیه نرمال نشان می دهد. همچنین شکل موج آبی رنگ و نوع اتصال کوتاهی در بیشترین فاصله ممکن از ایستگاه را در حالتی نشان می دهد که تغذیه در آرایش بای پس انجام شود. در هر دو مورد پس از تاخیر زمانی حفاظتی، شیب و میزان افزایش دامنه جریان بیشتر از مقادیر مورد انتظار است و بهمین دلیل سیستم حفاظتی عمل می کند – در مورد شکل موج قرمز رنگ عملکرد سیستم به این طریق خواهد بود که در ابتدا شیب جریان تا قبل از زمان تاخیر حفاظتی، کمتر از مقدار کمینه می شود و سیستم عمل نمی کند ولی با وقوع اتصال کوتاه داخلی، شیب و افزایش دامنه جریان بیشتر از محدوده مجاز شده و عمل می کند.
نتیجه گیری
با توجه به تحلیل شبیه سازی های متعدد نتایج زیر حاصل می شود. اتصال کوتاهی نوع داخلی شیب کمتری نسبت به نوع خارجی دارد و باید در تعیین پارامترهای روش حفاظتی جدید در نظر گرفته شود. با توجه به بررسی انجام شده، در حداکثر ضریب توان اولیه ترانسفورماتور، ضریب اعوجاج كل جريان ثانویه ترانسفورماتور در حدود ۴۵ درصد خواهد بود که این میزان برای ترانس های ایستگاه ها مخرب است.
اگر منظور کاهش این ضریب اعوجاج از اندوکتانس سری بین پل یکسوساز و ترانس استفاده گردد، ضریب توان کاهش خواهد یافت و در عین حال الگوی جریان خط تغییر می کند که باید تاثیر آن در تنظیم محدوده حفاظتی بررسی شود. در جدول زیر تاثیر مقدار این اندوکتانس بر ضریب توان و ضریب اعوجاج كل ارائه شده است. با توجه به این جدول در یک ضریب توان قابل قبول برای ثانویه، اعوجاج هارمونیکی کل بالای ۱۵ درصد اجتناب ناپذیر خواهد بود که علت آن استفاده از پل یکسوساز دیودی است.
منابع
1_ Ultracapacitor Model: Designed to Simulate Electrical and Thermal
Performance . White Paper 3JMM, Maxwell
Technologies, Inc., April 2009. URL: www.maxwell.com
2- Electric Machinery Fundamental chapman
3_ IEC, EN50163
4_ M.Meinert, „New mobile energy storage system for, Industry Sector, Mobility
Division, 2008
5_ L.Sun, C.C.Chan, R.Liang, and Q.Wang, “State-of-art of rolling stock‟,
Siemens AG Energy System for New Energy Vehicles”, Proc. IEEE Vehicle
Power and Propulsion Conference (VPPC), Harbin, China, September 3-5, 2008