پایان نامه مطالعه توان راکتیو در شبکه های توزیع
مقدمه :
براي عملكرد مؤثر و قابل اعتماد سيستمهاي قدرت ، بايد كنترل ولتاژ و توان راكتيو ، اهداف زير را برآورده سازد:
الف) ولتاژ در پايانههاي تمام تجهيزات سيستم در بازههاي قابل قبول باشند .
ب) به منظور حداكثر سازي استفاده از سيستم انتقال ، پايداري سيستم تقويت شود .
ج) جريان توان راكتيو حداقل شود به گونهاي كه تلفات, RI2 به حداقل قابل قبولي برسد . اين موضوع اطمينان ميدهد كه سيستم انتقال با بازده خوبي كار ميكند و به طور عمده براي انتقال توان حقيقي استفاده ميشود .
مسأله حفظ سطوح ولتاژ در محدودههاي مورد نياز ، با توجه به اينكه سيستم قدرت ، تعداد زيادي بار را تغذيه ميكند و از بسياري واحدهاي توليد تغذيه ميشود ، مسأله پيچيدهاي است . با تغيير بار ، نيازهاي توان راكتيو سيستم انتقال تغيير ميكند .
از آنجا كه نميتوان توان راكتيو را در مسيرهاي طولاني انتقال داد، بايد با استفاده از وسايل خاصي كه در سرتاسر سيستم پخش شده، كنترل ولتاژ تحت تأثير قرار گيرد. اين روش در مقابل كنترل فركانس قرار ميگيرد كه به تعادل كلي توان حقيقي سيستم بستگي دارد . انتخاب و هماهنگي صحيح تجهيزات مربوط به كنترل توان راكتيو و ولتاژ ، از جمله مباحث عمده تحقيق در مهندسي سيستمهاي قدرت است . در ابتدا از ديدگاه توان راكتيو ، مختصراً مشخصههاي مؤلفههاي سيستم قدرت را مرور كرده، آنگاه روشهاي كنترل ولتاژ را مورد بحث قرار خواهيم داد .
1-1- توليد و جذب توان راكتيو
ژنراتورهاي سنكرون ، ميتوانند بسته به تحريك توان راكتيو را توليد با جذب كنند . در حالت فوق تحريك ، توان راكتيو را توليد حالت زير تحريك جذب مينمايند .
همانطور كه ميدانيم توانايي تغذيه با جذب پيوسته توان راكتيو ، با جريان تحريك ، حريان آرميچر و حدود گرمايي ناحيه انتهايي[1] ، محدود ميشود . ژنراتورهاي سنكرون معمولاً مجهز به تنظيم كنندههاي خودكار ولتاژ هستند كه به طور پيوسته ، تحريك را به گونهاي تنظيم ميكنند كه ولتاژ آرميچر ، كنترل شود .
خطوط هوايي ، بسته به جريان بار، توان راكتيو را جذب يا تغذيه ميكنند . در بارهاي كمتر از بار طبيعي (امپدانس ضربهاي)، خطوط ، توان راكتيو خالص توليد ميكنند و در بارهاي بيشتر از بار طبيعي ، خطوط ، توان راكتيو جذب مينمايند .
كابلهاي زيرزميني به علت ظرفيت بالاي خازني ، داراي بارهاي طبيعي بالا هستند. اين كابلها ، هميشه زير بار طبيعي خود بارگذاري ميشوند و بنابراين در تمام حالتهاي كاري ، توان راكتيو جذب ميكنند . ترانسفورمرها ، بي توجه به بارگذاري ، هميشه توان راكتيو جذب مينمايند . در بيباري ، تأثير راكتانس مغناطيس كننده شنت غالب است و دربار كامل ، تأثير اندوكتانس نشتي سري ، اثر غالب را دارد .
بارها ، معمولاً توان راكتيو جذب مينمايند . يك شين نوعي بار كه از يك سيستم قدرت تغذيه ميشود ، از تعداد زيادي وسايل تشكيل شده است كه بسته به روز ، فصل و وضع آب و هوايي، تركيب وسايل تغيير ميكند . مشخصههاي تركيبي معمولاً به گونهاي است كه يك شين بار، توان راكتيو جذب ميكند . هم توان حقيقي و هم توان راكتيو بارهاي تركيبي به صورت تابعي از دامنه ولتاژ تغيير ميكنند . بارهايي كه در ضريب توان كم پس فاز هستند ، باعث افت ولتاژ بيش از حد در شبكه انتقال شده و در نتيجه از نظر اقتصادي براي تغذيه شدن مناسب نيستند . معمولاً ، مصرف كنندههاي صنعتي علاوه بر توان حقيقي ، به دليل توان راكتيو نيز بايد هزينه بپردازند . اين موضوع آنها را به اصلاح ضريب توان با استفاده از خازنهاي شنت ترغيب ميكند .
معمولاً جهت تغذيه يا جذب توان راكتيو و در نتيجه كنترل تعادل توان راكتيو به نحو مطلوب ، وسايل جبرانگر اضافه ميشوند . در انچه به دنبال ميآيد ، مشخصههاي اين وسايل و اصول كاربرد آنها مورد بحث قرار خواهد گرفت .
روشهاي كنترل ولتاژ :
كنترل سطوح ولتاژ از طريق كنترل توليد ، جذب و جريان توان راكتيو در تمام سطوح ، در سيستم عملي ميشود . واحدهاي توليد، وسيله اصلي كنترل ولتاژ هستند . تنظيم كنندههاي خودكار ولتاژ جريان تحريك را به منظور حفظ سطح برنامهريزي شدهاي از ولتاژ در تمام پايانههاي ژنراتورها ، كنترل مينمايند. معمولاً به منظور كنترل ولتاژ در سرتاسر سيستم، وسايل اضافي مورد نياز است . وسايل مورد استفاده براي اين هدف را ميتوان به صورت زير طبقهبندي كرد:
الف) منابع يا مخازن توان راكتيو از قبيل خازنهاي شنت، راكتورهاي شنت ، كندانسورهاي سنكرون و جبرانگرهاي استاتيكي توان راكتيو(SVC) ؛
ب) جبرانگرهاي راكتانس خط از قبيل خازنهاي سري؛
ج) ترانسفورمرهاي تنظيم كننده از قبيل ترانسفورمرهاي داراي تغيير دهنده تپ و تقويت كنندهها .
خازنهاي و راكتورهاي شنت و خازنهاي سري ، جبرانسازي غيرفعال را فراهم ميآورند اين وسايل يا به طور دائم به سيستم انتقال و توزيع متصل هستند و يا كليدزني ميشوند كه با تغيير دادن مشخصههاي شبكه، به كنترل ولتاژ كمك ميكنند .
كندانسورهاي سنكرون و SVC ها ، جبرانسازي فعال را تأمين ميكنند . توان راكتيو توليد شده يا جذب شده به وسيله انها، به طور خودكار تنظيم ميشود به گونهاي كه ولتاژ شينهاي متصل به آنها حفظ شود. به همراه واحدهاي توليد ، اين وسايل ، ولتاژ را در نقاط مشخصي از سيستم ، تثبيت ميكنند . ولتاژ در محلهاي ديگر سيستم ، با توجه به توانهاي انتقالي حقيقي و راكتيو از عناصر گوناگون مدار (از جمله وسايل جبرانسازي غير فعالي)، تعيين ميشود .
در ذيل ، شرح مشخصههاي اصلي و صورتهاي كاربرد وسايل كنترل ولتاژ توان راكتيو ، بيان ميشود .
راكتورهاي شنت :
راكتورهاي شنت به منظور جبرانسازي تأثير خازني خط ، به خصوص براي محدود كردن افزايش ولتاژ در حالت مدار باز يا بار كم، به كار ميروند . اين وسايل معمولاً براي خطوط هوايي فشار بسيار قوي (EHV)[2] ، كه طولاني تر از 200km باشند ، ضروري هستند . اگر خط هوايي كوتاهتر ، از يك سيستم ضعيف (ظرفيت كم اتصال كوتاه) تغذيه شود ممكن است باز به راكتورهاي شنت نياز باشد . زماني كه انتهاي دور خط باز شود، جريان خازني خط كه از راكتانس بالاي اندوكتانس منبع (XS ) عبور ميكند ، باعث افزايشي در ولتاژ طرف فرستنده خط (ES) ، خواهد شد . تأثير فرانتي ولتاژ طرف گيرنده (ER) را باز هم افزايش خواهد داد.
1
بايد راكتور شنتي با اندازه كافي به طور دائم به خط متصل باشد تا اضافه ولتاژهاي موقتي فركانس اصلي را به حدود pu5/1 براي دورهاي كمتر از يك ثانيه ، محدود نمايد . چنين راكتورهاي متصل به خط ، همچنين ضافه ولتاژهايي را كه زمان انرژي دار كردن خطوط پيش ميآيد (اضافه ولتاژهاي گذرا در اثر كليد زني) ، محدود ميكند . ميتوان راكتورهاي اضافي شنت را كه براي حفظ مقدار عادي ولتاژ ، در حالت بار كم مورد نياز هستند ، با توجه به شكل 2-1 شين ehv و يا با توجه به شكل 3-1 به سيمپيچ ثالثيه ترانسفورمرهاي مجاور متصل كرد.
شكل 3-1
ممكن است لازم شود در حالت بارگذاري شديد، بعضي راكتورها از مدار خارج شوند . اين كار با استفاده از كليدزني راكتورهاي داراي كليد ، عملي ميشود .
البته براي خطوط كوتاهتري كه از سيستمهاي قوي تغذيه ميشود ، الزاماً نيازي نيست كه از راكتورهايي كه به طور دائم به خط متصل هستند، استفاده شود . در چنين حالاتي ، ممكن است تمام راكتورهاي مورد استفاده، قابل كليد زني باشند و به سيمپيچهاي ثالثيه ترانسفورمرها يا شين ehv متصل باشند . در بعضي كاربردها، همچنان كه در شكل 4-1 نشان داده شده
شكل 4-1
است، براي صدور اجازه تغيير مقدار راكتانس ، از راكتورهاي داراي تپ با تسهيلات كنترل تغيير تپ ولتاژ دار، استفاده شده است .
راكتورهاي شنت از نظر ساختمان شبيه ترانسفورمرها هستند اما داراي يك سيم پيچ منفرد (به ازاي هر فاز) بر روي يك هسته آهني داراي فاصله هوايي ميباشند كه در روغن غوطهور است . راكتورها ممكن است به صورت تك فاز يا سه فاز باشند .
خازنهاي سري :
خازنهاي سري به منظور جبرانسازي راكتانس اندوكتيو خط ، به طور سري با هاديهاي خط قرار ميكيرند . اين موضوع باعث ميشود كه راكتانس انتقالي بين شينهايي كه خط به آنها متصل است، كاهش، توان حداكثري كه ميتواند انتقال يابد، افزايش و تلفات مؤثر توان راكتيو(XI2) نيز كاهش يابد . گرچه خازنهاي سري معمولاً براي كنترل ولتاژ نصب نميشوند اما به كنترل اصلاح شده ولتاژ و تعادل توان راكتيو كمك مينمايند . توان راكتيو توليدي به وسيله يك خازن سري با افزايش انتقال توان افزايش مييابد . از اين نظر ، خازن سري ، افزاري خود تنظيم است .
كاربرد در فيدرهاي توزيع :
از دهه 1930 ميلادي ، از خازنهاي سري براي اصلاح تنظيم ولتاژ فيدرهاي توزيع و صنعتي استفاده شده است . دستگاههاي جوش[3] و كورههاي قوسي [4] از نمونه بارهايي هستند كه داراي ضريب ضعيف توان و تقاضاي متناوب هستند . خازن سري نه تنها افت ولتاژ را در حالت ماندگار كاهش ميدهد بلكه به طور تقريباً لحظهاي به تغييرات در جريان بار، عكسالعمل نشان ميدهد . خازن سري با كاهش امپدانس بين منبع عمده توان و بار در حال تغيير ، در حل مسائل چشمكزني وسايل زوشنايي نيز مؤثر است .
مسائلي در خصوص كاربرد خازنهاي سري در فيدرهاي صنعتي مطرح است كه به دقت كافي نياز دارد :
- خود تحريكي موتورهاي بزرگ القايي و سنكرون طي راهاندازي ؛ موتور ممكن است به علت حالت تشديد ، در بخشي از سرعت سنكرون (زير سنكرون) قفل شود . رايجترين راهحل ، اين است كه طي راهاندازي ، مقاومت مناسبي به طور موازي با خازن سري نصب شود .
- به نوسان افتادن موتورهاي سنكرون (در بعضي حالات، موتورهاي القايي) در بار كم به علت نسبت بالاي P/X فيدر .
- فرورزنانس[5] بين ترانسفورمرها و خازنهاي سري كه منجر به اضافه ولتاژهاي هارمونيكي ميشود . اين موضوع زماني كه يك ترانسفورمر بيبار ، انرژيدار شود يا زماني كه باري به طور ناگهاني جدا شود، ممكن است اتفاق افتد .
به علت مسائل فوق و مشكلات حفاظت خازنها از جريانهاي خطاي سيستم، در سيستمهاي نوين توزيع ، خازنهاي سري خيلي استفاده نميشوند ، اما در سيستمهايي زير انتقال [6] براي تغيير توزيع بار بين خطوط موازي و نيز به منظور اصلاح تنظيم ولتاژ، به كار ميروند .
كاربرد در سيستم انتقال EHV :
به اين علت كه خازنهاي سري اجازه بارگذاري اقتصادي خطوط طولاني انتقال را فراهم ميآورند ، كاربرد آنها در انتقال EHV گسترش يافته است و به طور عمده به منظور اصلاح پايداري سيستم و كسب توزيع مطلوب بار بين خطوط موازي، به كار رفتهاند.
كندانسورهاي سنكرون :
كندانسور سنكرون ماشين سنكروني است كه بدون محرك يا بار مكانيكي ميچرخد . با كنترل تحريك ، كندانسور ميتواند توان راكتيو را توليد يا جذب نمايد . به كمك تنظيم كننده ولتاژ ميتوان خروجي توان راكتيو را به طور خودكار تنظيم كرد تا ولتاژ ثابت پايانه حفظ شود . به منظور تغذيه تلفات كندانسور مقدار كمي توان حقيقي از سيستم قدرت اخذ ميكند .
از دهه 1930 ميلادي ، كندانسورهاي سنكرون براي كنترل ولتاژ توان راكتيو در هر دو سطح انتقال و زير انتقال استفاده شدهاند . آنها اغلب به سيمپيچهاي ثالثيه ترانسفورمرها متصل ميشوند . كندانسورهاي سنكرون از زمره جبرانگرهاي فعال شنت هستند اما به علت هزينههاي بالاي خريد و بهرهبرداري ، بيشتر با جبرانگرهاي استاتيكي توان راكتيو كه در ادامه بحث خواهد آمد جايگزين شدهاند . كاربردهاي اخير كندانسورهاي سنكرون به طور عمده در پستهاي كنوتور HVDC متصل به سيستمهاي ضعيف است . هنوز تعداد زيادي كندانسور سنكرون قديمي در حال كار وجود دارد كه به شكل وسايلي عالي براي كنترل ولتاژ و توان راكتيو عمل ميكنند . كندانسورهاي سنكرون محاسن چندي نسبت به جبرانگرهاي استاتيكي دارند . براي مثال به ظرفيت اتصال كوتاه سيستم كمك ميكنند و توليد توان راكتيو آنها از ولتاژ سيستم تأثير نميپذيرد. طي نوسانهاي توان (نوسانهاي الكترومكانيكي) ، تبادل انرژي جنبشي بين كندانسور سنكرون و سيستم قدرت وجود دارد . لذا هنگام بروز هنگام چنين نوسانهايي ، كندانسور سنكرون ميتواند مقدار قابل توجهي توان راكتيو (شايد دو برابر ظرفيت پيوسته آن) را تأمين نمايد . كندانسور داراي قابليت اضافه بار حدود 10 تا 20 درصد براي بيشتر از 30 دقيقه است . بر خلاف ساير صورتهاي جبرانسازي شنت، كندانسور يك منبع داخلي ولتاژ دارد و به شكل بهتري توانايي مواجهه با حالت ولتاژ كم سيستم را دارد .
بعضي واحدهاي اوج مصرف توربين احتراق را ميتوان در صورت لزوم، به صورت كندانسور سنكرون مورد بهرهبرداري قرار داد . چنين واحدهايي اغلب به كلاچهايي مجهز هستند كه زماني كه توان حقيقي از آنها مورد نياز نيست، ميتوانند براي جداسازي توربين از ژنراتور به كار روند .
جبرانگرهاي استاتيكي توان راكتيو(SVCs) [7]
توليد كنندهها و يا جذب كنندههاي استاتيكي شنتي هستند كه خروجي آنها تغيير ميكند به گونهاي كه پارامترهاي خاصي از سيستم قدرت الكتريكي را كنترل نمايند . واژه استاتيكي به اين منظور استفاده ميشود كه نشان دهد بر خلاف جبرانگرهاي سنكرون، SVCها ، هيچ عنصر اصلي در حال حركت يا چرخاندن ندارند . بنابراين ، يك SVC شامل توليد كننده استاتيكي توان راكتيو (SVG) [8] يا وسايل جذب كننده و يك وسيله مناسب كنترلي است .
يك سيستم استاتيكي توان راكتيو (SVS)[9] ، اجتماعي از SVGها و خازنهاي قابل كليدزني مكانيكي (MSCs) [10]يا راكتورهاي قابل كليدزني مكانيكي (MSRs) [11] است كه خروجيهاي آنها، هماهنگ شده است .
انواع SVC :
در اينجا انواع اصلي عناصر كنترل توان راكتيو كه تمام يا بخشي از هر سيستم استاتيكي توان راكتيو را تشكيل ميدهند ، بيان ميشود:
- راكتور قابل اشباع (SR)[12]؛
- راكتور قابل كنترل به وسيله تريستور(TCR)[13]؛
- خازن قابل كليدزني به وسيله تريستور(TSC)[14] ؛
- راكتور قابل كليدزني به وسيله تريستور(TSR)[15] ؛
- ترانسفورمر قابل كنترل به وسيله تريستور (TCT) [16]؛
كنورتور خود كموتاسيون يا خط كموتاسيون (SCC/LCC)
4- Mechanically switched Capactors
5- Mechanically switched Reactors
7- Thyristor-controlled Reactor
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.