نقش توان راکتیو در شبکه های انتقال و فوق توزیع

اختصاصی از اینو دیدی نقش توان راکتیو در شبکه های انتقال و فوق توزیع دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

تحقیق نقش توان راکتیو در شبکه های انتقال و فوق توزیع در 104 صفحه فایل ورد قابل ویرایش و آماده پرینت 

خلاصه ای از متن 

فصل اول:جبران بار

مقدمه

توان راکتیو یکی از مهمترین عواملی است که در طراحی و بهره برداری از سیستم های قدرت AC منظور می گردد علاوه بر بارها اغلب عناصر یک شبکه مصرف کننده توان راکتیو هستند بنابراین باید توان راکتیو در بعضی نقاط سیستم تولید و سپس به محل‌های موردنیاز منتقل شود.

در فرمول شماره (1-1)  ملاحظه می گردد

قدرت راکتیو انتقالی یک خط انتقال به اختلاف ولتاژ ابتدا و انتها خط بستگی دارد همچنین با افزایش دامنه ولتاژ شین ابتدائی قدرت راکتیو جدا شده از شین افزایش می‌یابد و در فرمول شماره (2-1) مشاهده می گردد که قدرت راکتیو تولید شده توسط ژنراتور به تحریک آن بستگی داشته و با تغییر نیروی محرکه ژنراتور می توان میزان قدرت راکتیو تولیدی و یا مصرفی آن را تنظیم نمود در یک سیستم به هم پیوسته نیز با انجام پخش بار در وضعیت های مختلف می‌توان دید که تزریق قدرت راکتیو با یک شین ولتاژ همه شین ها  را بالا می برد و بیش از همه روی ولتاژ همه شین تأثیر می گذارد. لیکن تأثیر زیادی بر زاویه ولتاژ شین ها و فرکانس سیستم ندارد بنابراین قدرت راکتیو و ولتاژ در یک کانال کنترل می شود که آنرا کانال QV قدرت راکتیو- ولتاژ یا مگادار- ولتاژ می گویند در عمل تمام تجهیزات یک سیستم قدرت برای ولتاژ مشخص ولتاژ نامی طراحی می شوند اگر ولتاژ از مقدار نامی خود منحرف شود ممکن است باعث صدمه رساندن به تجهیزات سیستم یا کاهش عمر آنها گردد برای مثال گشتاور یک موتور القایئ یک موتور با توان دوم و ولتاژ ترمینالهای آن متناسب است و یا شارنوری که لامپ مستقیماً با ولتاژ آن تغییر می نماید بنابراین تثبیت ولتاژ نقاط سیستم از لحاظ اقتصادی عملی نمی باشد از طرف دیگر کنترل ولتاژ در حد کنترل فرکانس ضرورت نداشته و در بسیاری از سیستم ها خطای ولتاژ در محدوده 5% تنظیم می شود. توان راکتیو مصرفی بارها در ساعات مختلف در حال تغییر است لذا ولتاژ و توان راکتیو باید دائماً کنترل شوند در ساعات پربار بارها قدرت راکتیو بیشتری مصرف می کنند و نیاز به تولید قدرت راکتیو زیادی در شبکه می باشد اگر قدرت راکتیو موردنیاز تأمین نشود اجباراً ولتاژ نقاط مختلف کاهش یافته و ممکن است از محدوده مجاز خارج شود. نیروگاه های دارای سیستم کنترل ولتاژ هستند که کاهش ولتاژ را حس کرده  فرمان کنترل لازم را برای بالا بردن تحریک ژنراتور و درنتیجه افزایش ولتاژ ژنراتور تا سطح ولتاژ نامی صادر می کند با بالا بردن تحریک (حالت کار فوق تحریک) قدرت  راکتیو توسط ژنراتورها تولید می شود لیکن قدرت راکتیو تولیدی ژنراتورها به خاطر مسائل حرارتی سیم پیچ ها محدود بوده و ژنراتورها به تنهایی نمی تواند در ساعات پربار تمام قدرت راکتیو موردنیاز سیستم را تأمین کنند بنابراین در این ساعات به وسایل نیاز است که بتواند در این ساعات قدرت راکتیو اضافی سیستم را مصرف نمایند نیاز می باشد. وسائلی را که برای کنترل توان راکتیو و ولتاژ بکار می روند «جبران کننده» می نامیم.

همانطوری که ملاحظه می شود توازن قدرت راکتیو در سیستم تضمینی بر ثابت بودن ولتاژ و کنترل قدرت راکتیو به منزله کنترل ولتاژ می باشد.

به طور کلی کنترل قدرت راکتیو ولتاژ از سه روش اصلی زیر انجام می گیرد.

1- با تزریق قدرت راکتیو  سیستم توسط جبران کننده هائی که به صورت موازی متصل می شوند مانند خازن- راکتیو کندانسور کردن و جبران کننده های استاتیک

2- با جابجا کردن قدرت راکتیو  در سیستم توسط ترانسفورماتورهای متغیر ازقبیل پی و تقویت کننده ها

3- از طریق کم کردن راکتانس القائی خطوط انتقال با نصب خازن سری

خازنها و راکتورهای نشت و خازنهای سری جبرانسازی غیر فعال را فراهم می آورند این وسایل با به طور دائم به سیستم انتقال و توزیع وصل می شوند یا کلید زنی می شوند که با تغییر دادن مشخصه های شبکه به کنترل ولتاژ شبکه کمک می کنند.

کندانسورهای سنکرون و SVC ها جبرانسازی فعال را تأمین می کنند  توان راکتیو تولید شده یا جذب شده به وسیله آنها به طور خودکار تنظیم می شود به گونه ای که ولتاژ شینهای متصل با آنها حفظ شود به همراه واحدهای تولید این وسایل ولتاژ را در نقاط مشخصی از سیستم تثبیت می کنند ولتاژ در محلهائی دیگر سیستم باتوجه به توانهای انتقالی حقیقی و راکتیو از عناصر گوناگون دارد ازجمله وسایل جبرانسازی غیرفعال تعیین می شود.

خطوط هوائی بسته به جریان بار توان راکتیو را جذب یا تغذیه می کنند در بارهای کمتر از بار طبیعی (امپدانس ضربه ای) خطوط توان راکتیو خالص تولید می کنند و در بارهای بیشتر از بار طبیعی خطوط توان راکتیو جذب می نمایند کابلهای زیرزمینی به علت ظرفیت بالای خازنی، دارای بارهای طبیعت بالا هستند این کابلها همیشه زیر بار طبیعی خود بارگذاری می شوند و بنابراین در تمام حالتهای کاری توان راکتیو جذب می کنند ترانسفورمرها بی توجه به بارگذاری همیشه توان راکتیو جذب می کنند در بی باری تأثیر راکتانس مغناطیس کننده شنت غالب است و در بار کامل تأثیر اندوکتانس نشتی سری اثر غالب را دارد بارها معمولاً توان راکتیو جذب می کنند یک شین نوعی بار که از یک سیستم قدرت تغذیه می شود از تعداد زیادی وسایل تشکیل شده که بسته به روز فصل و وضع آب و هوایی ترکیب وسایل متغیر است معمولاً مصرف کننده های صنعتی علاوه بر توان حقیقی به دلیل توان راکتیو نیز باید هزینه بپردازند این موضوع آنها را به اصلاح ضریب توان با استفاده از خازنها شنت ترغیب می کند معمولاً جهت تغذیه یا جذب توان راکتیو و در نتیجه کنترل تعادل توان راکتیو به نحوه مطلوب وسایل جبرانگر اضافه
 می شود.

1- جبران بار

1-1- اهداف درجبران بار:

جبران بارعبارتست از مدیریت توان راکتیوکه به منظور بهبود بخشیدن به کیفیت تغذیه در سیستم های قدرت متناوب انجام می گیرد.اصطلاح جبران بار در جایی استعمال می شود که مدیریت توان راکتیو برای یک بار تنها (یا گروهی از بارها ) انجام می گیرد و وسیله جبران کننده معمولا در محلی که در تملک مصرف کننده قرار دارد , در نزدیک بار نصب می شود. پاره ای از اهداف و روشهای به کار گرفته شده در جبران بار با آنچه که در جبران شبکه های وسیع تغذیه (جبران انتقال) مورد نظر است , به طور قا بل ملاحظه ای تفاوت دارد. در جبران بار اهداف اصلی سه گانه زیر مورد نظر است.

1-اصلاح ضریب توان

2- بهبود تنظیم ولتاژ

3- متعادل کردن بار

خاطر نشان می کنیم که اصلاح ضریب توان ومتعادل کردن بار حتی درمواقعی که ولتاژ تغذیه فوق العاده((محکم)) است (یعنی ثابت و مستقل از بار است ) مطلوب خواهند بود.

اصلاح ضریب توان به این معنا ست که توان راکتیو مورد نیاز به جای آنکه از نیروگاه دور تامین گردد, در محل نزدبک بار تولید گردد. اغلب بارهای صنعتی دارای ضریب توان پس فاز هستند. یعنی توان راکتیو جذب می نمایند. بنا براین جریان بار مقدارش از آنچه که برای تامین توان واقعی ضروری است بیشتر خواهد بود. تنها توان واقعی است که سر انجام در تبدیل انرژی مفید بوده و جریان اضافی نشان دهنده اتلاف است که مشتری نه تنها بایستی بها هزینه اضافی کابلی که آن را انتقال می دهد بپردازد .بلکه تلفات ژولی اضافی ایجاد شده در کابل تغذیه را نیز می پردازد.موسسات تولید کننده همچنین دلیل کافی برای عدم ضرورت انتقال توان راکتیو غیر ضروری از ژنراتورها به بار, را دارند و آن این است که ژنراتورها و شبکه های توزیع قادر نخواهند بود در ضریب بهره کامل کار کنند و کنترل ولتاژ در سیستم تغذیه بسیار مشکل خواهد شد. تعرفه های برق تقریباٌ همواره مشتریان صنعتی را به واسط بارهای با ضریب توان پایین آنها جریمه می نمایند. و این عمل سالیان متمادی انجام گرفته و در نهایت منجر به توسعه گسترده کاربرد سیستم های اصلاح ضریب توان در مراکز صنعتی شده است . تنظیم ولتاژ در حضور بارهایی که توان راکتیو مصرفی آنها تغییر می کند,  یک موضوع مهم ودر مواردی یک مساله بحرانی خواهد بود. توان راکتیو مصرفی کلیه بارها تغییر می کند , گر چه مقدار و میزان تغییرات آنها کاملا متفاوت است. این تغییرات توان راکتیو در تمامی موارد منجر به تغییرات ولتاژ (یا تنظیم ولتاژ)در نقطه تغذیه می گردد.و این تغییرات ولتاژ بر عملکرد مفید و مؤثر کلیه وسایل متصل به نقطه تغذیه مداخله نموده ومنجر به امکان تداخل در بارهای مصرف کننده های مختلف می گردد .به منظور جلوگیری از این مساله موسسات تولید کننده برق معمولا موظف می شوند که ولتاژ تغذیه را در یک حد قانونی نگاه دارند. امکان دارد این حد از مقدار مثلا %5+ میانگین در یک فاصله زمانی چند دقیقه یا چند ساعت  تا یک مقدار بسیار محدودتر تغییر نماید این مقدار محدودتر از ناحیه بارهای بزرگ و دارای تغییرات سریع که منجر به ایجاد فرورفتگی در ولتاژ و اثر نامطلوب بر عملکرد وسایل حفاظتی یا چشمک زدن لامپ و آزار چشم می گردد, تحمیل می شود . وسایل جبران کننده نقش اساسی را در نگاهداشتن ولتاژ در محدوه مورد نظر بازی
 می کنند .

بدیهی ترین روش بهبود ولتاژ ((قوی تر کردن ))سیستم قدرت به کمک افزایش اندازه و تعداد واحد های تولید کننده برق وبا هر چه متراکم کردن شبکه های به هم پیوسته , می باشد این روش عموماٌ غیر اقتصادی بوده ومنجربه افزایش سطح اتصال کوتاه و مقادیر نامی کلیدها می شود . راه عملی تر و با صرفه تر این است که اندازه سیستم قدرت بر حسب ماکزیمم تقاضای توان واقعی طراحی شود و توان راکتیو به وسیله جبران کننده ها- که دارای قابلیت انعطاف بیش از مولدها بوده و در تغییر سطح اتصال کوتاه دخالت ندارند-فراهم گردد.

مساله سومی که در جبران بار مد نظر است متعادل کردن بار است . اکثر سیستمهای قدرت متناوب سه فاز بوده و برای عملکرد متعادل طراحی می شوند.  عملکرد نامتعادل منجر به ایجاد مولفه های جریان توالی صفر ومنفی می گردد. اینگونه مولفه های جریان اثرات نامطلوبی چون ایجاد تلفات اضافی در موتورها ومولدها , گشتاور نوسانی در ماشین متناوب افزایش ریپل در یکسو کننده ها , عملکرد غلط انواع تجهیزات , اشباع ترانسفورماتورها وجریان اضافی سیم زمین را به دنبال خواهند داشت.انواع خاصی از وسایل (منجمله تعدادی از انواع جبران کننده)در عملکرد متعادل, هارمونیک سوم را کاهش می دهند. در شرایط کار    نا متعادل این هارمونی نیز درسیستم قدرت ظاهر
می شود محتوی هارمونیک در شکل موج ولتاژ تغذیه پارامتر مهمی در کیفیت تغذیه محسوب می شوداما این مساله ای است که به واسطه این حقیقت که طیف تغییرات کاملا بالاتر از فرکانس پایه است, مستلزم توجه خاص جداگانه
می گردد.

هارمونیک ها معمولا به وسیله فیلتر ها- که دارای اصول طراحی متفاوتی با جبران کننده ها هستند- حذف
می گردند. با وجود این  مسائل هارمونیک اغلب همراه با مسائل جبران پیش می آیند و همواره مساله هارمونیک و فیلتر کردن مورد توجه خواهند بود . به علاوه , تعداد زیادی از جبران کننده ها ذاتاٌ تولید هارمونیک می کنند که بایستی به روش داخلی یا فیلتر خارجی تضعیف شوند .

2-1- جبران کننده ایده ال

با معرفی اجمالی اهداف اصلی در جبران بار, هم اکنون می توان مفهوم جبران کننده ایده ال را بیان کرد . جبران کننده ایده ال وسیله ای است که در نقطه تغذیه (یعنی به موازات بار)متصل و وظایف سه گا نه زیر را به عهده
 می گیرد:

1- ضریب توان را به مقدار واحد تصحیح می کند

2- تنظیم (تغییر)ولتاژرا حذف می کند و یا مقدارش را تا سطح قابل قبولی کاهش می دهد .

3- جریان های یا ولتاژ سه فاز را متعادل می کند .

جبران کننده ایده ال در حذف اعواج ناشی از هارمونیک  که در جریان یا ولتاژ های تغذیه موجود است,,نقشی ندارد (این عمل به عهده فیلتر مناسب می باشد), لیکن جبران کننده ایده ال خودش نبایستی تولید هارمونی اضافی نماید. از خواص دیگر جبران کننده ایده ال توانائیش در پاسخ لحظه ای است که می تواند نقش سه گانه فوق را انجام دهد . مفهوم پاسخ لحظه ای, تعریف کردن ضریب توان لحظه ای و عدم تعادل فاز لحظه ای را ایجاب می کند. جبران کننده ایده ال همچنین توان متوسط را مصرف نمی کند  یعنی بدون تلفات در نظر گرفته می شود .

عملیات اصلی سه گانه جبران کننده ایده ال مستقل از یکدیگر هستند .البته , اصلاح ضریب توان و متعادل کردن فازها خود به خود منجر به بهبود در وضع تنظیم ولتاژ می گردد .در حقیقت در بعضی از موارد, مخصوصاٌ وقتی که تغییرات بار کند یا وقوع آن کم است, جبران کننده ای که برای اصلاح ضریب توان و یا متعادل کردن فاز ها طراحی شده است لازم نیست که عمل خاصی را به منظور تنظیم ولتاژ انجام دهد.

3-1- ملا حظات عملی

1-3-1- بارهائیکه به جبران سازی نیاز دارند.

مساله اینکه آیا یک بار معین در شرایط پایدار نیاز به اصلاح ضریب توان دارد یا خیر, یک مساله اقتصادی است که جواب آن به عوامل مختلفی از آن جمله تعرفه برق, اندازه بار و ضریب توان جبران نشده بستگی دارد . برای بارهای صنعتی بزرگ با ضریب توان جبران نشده کمتر از 0.8 اصلاح ضریب توان از نظر اقتصادی مقرون به صرفه خواهد بود .

بارهای که منجر به تغییرات سریع ولتاژ تغذیه می شوند بایستی برای اصلاح ضریب توان و همچنین تنظیم ولتاژ جبران شوند .

نمونه بارهائیکه مستلزم جبران هستند عبارتند از کوره های الکتریکی, کوره های القائی, دستگاه جوش الکتریکی, دستگاه جوش القائی, انواع دستگاه غلطک برای شکل دادن فلزات به کار می رود . موتور های بزرگ (بخصوص آنهائی که به کرات روشن و خاموش می شوند) ,دستگاه چوب بری, دستگاههای مثل سینکروترون که نیاز به منبع تغذیه با قدرت بالای پالسی دارند .این بارها را می‌توان به بار های که ذاتاٌ رفتار غیر خطی دارند و بارهائی که با قطع و وصل آنها ایجاد اغتشاش می شود, طبقه بندی کرد . بارهای غیر خطی معمولاٌ علاوه بر تولید هارمونیک باعث تغییرات ولتاژ فرکانس پایه می گردند .که برای حذف هارمونیک ها از فیلتر مناسب استفاده می کنند.

در صورتی که تعدادی از محرک های موجود در مراکز صنعتی به جای موتور القائی از نوع موتور سنکرون باشند, در ضریب توان و تنظیم ولتاژ بهبود حاصل می شود,زیرا موتور سنکرون قادر است که مقدار قابل کنترل توان راکتیو را وارد شبکه یا از آن جذب نماید. موتور سنکرون همچنین به واسطه داشتن قسمت گردان, انرژی جنبشی را در خود ذخیره کرده و می تواند سیستم تغذیه را در موقع افزایش ناگهانی بار حمایت کند .

4-1- مشخصا ت یک جبران کننده بار :

پارامترها و فاکتورهائی که بایستی در تعریف یک جبران کننده بار در نظر گرفت,  در لیست زیر به طور اجمال آمده است . منظور ارائه لیست کامل نیست بلکه هدف ارائه یک ایده از نوع عملی جبران کننده و در نظر گرفتن ملاحظات مهم است.

1-حداکثر توان راکتیو پیوسته مورد لزوم که بایستی جذب یا تولید گردد .

2-مقدار نامی اضافه بار و مدت زمان آن

3-ولتاژ نامی و حدود ولتاژ که مقدار نامی توان راکتیو نبایستی از آن حدود تجاوز نماید .

4-فرکا نس وتغییرات آن

5-دقت لازم در تنظیم ولتاژ

6-زمان پاسخ جبران کننده در مقابل یک اغتشاش معین

7-نیازمندی های کنترل ویژه

8-حفاظت جبران کننده و هماهنگی آن با حفاظت سیستم و در نظر گرفتن محدودیت توان راکتیو در صورت لزوم

9-حداکثر اعوجاج ناشی از هارمونیک با در نظر گرفتن جبران کننده

10-اقدامات مربوط به انرژی دار کردن و اقدامات احتیاطی

11-نگهداری, قطعات یدکی, پیش بینی برای توسعه و آرایش جدید سیستم در آینده

12-عوامل محیطی, سطح نویز, نصب تاسیسات در محیط باز یا بسته, درجه حرارت , رطوبت, آلودگی هوا, باد وعوامل زلزله, نشتی در ترانس ها, خازن ها,  سیستم خنک کننده 

13-رفتار و عملکرد در معرض ولتاژ تغذیه نامتعادل و یا بارهای نا متعادل

14-نیازمندی های کابل کشی و طرح بندی وآرایش اجزاء, قابل دسترسی بودن, محصور بودن, زمین کردن

15-قابلیت اعتماد و خارج از سرویس(یدکی)بودن اجزا

5-1- تئوری اساسی جبران ...