توان راکتیو یک از مهمترین عوامل حائز اهمیت در طراحی و بهره برداری سیستم های قدرت الکتریکی جریان متناوب از دیر باز مورد توجه بوده است .در یک بیان ساده و بسیار کلی میتوان گفت از آنجاییکه امپدانسهای اجزاء سیستم قدرت بطور غالب راکتیو می باشند،انتقال توان اکتیو مستلزم وجود اختلاف زاویه فاز بین ولتاژهای ابتداو انتهای خط است.درحالیکه برای انتقال توان راکتیولازم است که اندازه این ولتاژهامتفاوت باشد.بنابراین باید توان راکتیو در بعضی از نقاط سیستم تولید و سپس به محلهای مورد نیاز منتقل شود.اما به چه دلیل میخواهیم توان راکتیو را انتقال دهیم؟ جواب این است که نه تنها اغلب اجزاءسیستم توان راکتیو مصرف می کنندبلکه اکثر بارهای الکتریکی نیز توان راکتیو مصرف می کنند.بنابراین توان راکتیو مصرفی بایستی از محلی تامین گردد.اگر قادر نباشیم آن را به سهولت انتقال دهیم آنگاه بایستی در محلی که مورد نیاز است آن را تولید نماییم. یک رابطه بنیادی مهمی بین انتقال توان راکتیو و اکتیو وجود دارد.همانطوریکه گقتیم انتقال توان اکتیو مستلزم جابجایی فاز وولتاژها می باشد.لیکن مقدار ولتاژهانیز به همین منوال حائز اهمیت است.مقدار آنها نه تنها بایستی بقدر کافی بالا باشد که بتواند بارها را حمایت نماید،بلکه بقدر کافی پایین باشدکه بتواند که منجر به شکست عایقی تجهیزات عایق نگردد.بایستی،بنابراین-در صورت لزوم ولتاژها را در نقاط کلیدی کنترل کرده و یا حمایت یا محدودیتی را به آن اعمال کنیم.این عمل کنترل می تواند در سطح وسعی بوسیله تولیدیا مصرف توان راکتیودر نقاط کلیدی صورت گیرد.در عمل تمام تجهیزات یک سیستم قدرت برای ولتاژ مشخصی،ولتاژنامی، طراحی می شوند.اگر ولتاژازمقدار نامی خودمنحرف شود ممکن است باعث صدمه رساندن به تجهیزات سیستم ویا کاهش عمر آنهاگردد.برای مثال گشتاوریک موتور القایی با توان دوم ولتاژترمینالهای آن متناسب است.بنابراین تثبیت ولتاژنقاط یک سیستم قدرت کاملاً ضروری است.بدیهی است که کنترل ولتاژتمام نقاط سیستم از لحاظ اقتصادی عملی نمی باشد.از طرف دیگر کنترل ولتاژدر حد کنترل فرکانس ضرورت نداشته ودر بسیاری از سیستمهای خطای ولتاژ در محدوده تنظیم می شود.توان راکتیو مصرفی بارها در ساعات مختلف در حال تغییر است،لذا ولتاژ وتوان راکتیوبایددائماًکنترل شوند.در ساعات پربار بارهاقدرت راکتیوبیشتری مصرف می کنندو نیاز به تولید قدرت راکتیوزیادی در شبکه می باشد.اگر قدرت راکتیو مورد نیاز تامین نشوداجباراًولتاژ نقاطمختلف شبکه کاهش یافته و ممکن است از محدوده مجاز خارج شود.
نیروگاه ها دارای سیستم کنترل ولتاژ هستندکه کاهش ولتاژ را حس می کنندوفرمان کنترل لازم را برای بالا بردن تحریک ژنراتورو در نتیجه افزایش ولتاژژنراتور تا سطح ولتاز نامی صادرمی کند.با بالا بردن تحریک،قدرتراکتیوتوسط ژنراتورها تولید می شود.لیکن قدرت راکتیو تولیدی ژنراتورهابخاطر مسایل حرارتی سیم پیچ ها محدود بوده و ژنراتورها به تنهایی نمی تواند در ساعات پربار تمام قدرت راکتیو مورد نیاز سیستم را تامین کنند.بنابر این در این ساعات بوسایلی نیاز است که بتوانند قدرت راکتیو به شبکه تزریق نمایندتا سطح ولتاژدر محدوده مجاز قرار گیرند.در ساعات کم بار،بارها وعناصر شبکه،قدرت راکتیومصرف می کنند و کاپاسیتانس خطوط انتقال باعث اضافه شدن قدرت راکتیو تولیدی در شبکه می گردد. در این حالت ژنراتورها بصورت زیر تحریک بکار اقتاده و مقداری از قدرت راکتیو مصرفی ژنراتورها نیز محدود بوده وژنراتورها نمی توانند به تنهایی مساله اضافه تولید قدرت راکتیووافزایش ولتاژ ناشی از آن را حل کنند.بنابراین به وسایلی که بتوانند در این ساعات قدرت راکتیو اضافی سیستم را مصرف نمایند نیاز می باشد.
گر چه این جنبه از توان راکتیو از دیر باز مورد توجه بوده است لیکن حداقل به 2 دلیل اهمیت زیادی پیدا کرده است:
1- مربوط به فشار روز افزون در جهت بهره برداری حداکثر ممکن از سیستم های انتقال است و2- انواع جدید از جبران کننده های راکتیو استاتیکی قابل کنترل توسعه یافته است.درسنوات خیلی دوردر روند رشد شبکه های قدرت بای حمایت ولتاژو بهبود توانایی انتقال توان از کندانسورهای سنکرون استفاده گردید.همزمان در سیستم توزیع از خازنهای موازی برای بهبود پروفایل ولتاژوکاهش بارگیری خط وتلفات استفاده شد.توسعه سریع واقتصادی بودن خازنهای موازی منجر به جایگزینی آنها با کندانسورهای سنکرون در سیستمهای انتقال گردید.ملاحظه گردید که عملاً میتوان انچه را که کندانسور های سنکرون انجام می داده اند از سوییچ کردن خازنهای موازی با هزینه ای خیلی کمتر بدست اورد.هم اکنون نشانه هایی است که مجدداً شیوه رجعت یافته وتامین توان راکتیو قابل کنترل در قالب وسایلی استاتیکی مطرح شده است. البته از نقطه نظر اقتصادی،هنوز بایستی یک مهندس سیستم تعیین کند که چقدر از خازن ثابت استفاده گرددو چه مقدارسوییچ گردد ودر نهایت چه مقداربطور پیوسته وسریع کنترل گردد.
بدلایل متعددی که تعدادی از آنها را به اختصار در اینجا ذکر میکنم اهمیت روز افزون یافته-کنترل توان راکتیووبررسی روشهای کنترل ان- اینجانب را بر آن داشت که در قالب پروژه درسی به مطالعه وبررسی این مهم بپردازم:
دلیل1): با توجه به قیمت سوخت،نیاز به بهره برداری بهینه از سیستمهای قدرت افزایش یافته است.برای توزیع یک مقدار معین توان به حداقل رساندن پخش توان راکتیو کل،تلفات کاهش می یابد.این اصل می تواند در شکل ساده یک خازن اصلاح کننده ضریب توان یک بار اندوکتیوی در قالب الگوریتمهای پیشرفته توسط کامپیوتر کنترل می شوند در سراسر سیستم اعمال گردد.
دلیل 2) : بواسطه میزان بالای نرخ سود عموماً و مشکلات مربوط به حریم خطوط انتقال در مواردی خاص از توسعه واحداث شبکه های انتقال حتی الامکان جلوگیری می شود.در موارد متعددی سعی شده است که با استفاده از وسایل کنترل توان راکتیووبهبود پایداری،میزان توان انتقالی خطوط موجود افزایش داد.
دلیل 3) : در بهره برداری از منابع آبی نیروگاههای دور دست نظیر مناطق کوهستانی توسعه یافته است.علیرغم توسعه تکنولوژی انتقال dc در بسیاری از این طرحهاانتقال ac ترجیح داده شده است.مسایل پایداری وکنترل ولتاژبه مسایل کنترل راکتیودر ارتباط داشته وراه حلهای زیادی ارایه گردیده است.
دلیل 4): بواسطه مصرف روزافزون وسایل الکترونیکی(بخصوص کامپیوتروتلویزیون رنگی) و همچنین رشد صنایع با فرایند پیوسته،نیاز به داشتن تغذیه با کیفیت بالاافزایش یافته است.کاهش ولتاژ یا فرکانس اثر نامطلوبی رابرروی چنین بارهایی اعمال می کند وقطع تغذیه می تواند خیلی صدمه آوروپرهزینه باشد.
-کنترل توان راکتیو یک ازار اساسی در حفظ کیفیت تغذیه می باشد.بخصوص برای جلوگیری از اغتشاشات ولتاژکه از عمومی ترین نوع اغتشاش می باشد.امواع معین از بارهای صنعتی، از آن جمله کوره های الکتریکی،دستگاههای حفاری و دستگاههای جوشکاری با دریافت توان راکتیوو اکتیواز سیستم تغذیه تغییرات سریع ووسیعی را بر آن تحمیل می نمایند.و اغلب لازم است که با بکار گرفتن وسایل تثبیت کننده ولتاژ،نظیر جبران کننده های توان راکتیواستاتسکس در طرف ac مبدلها این ضرورت را کاهش داد.
دلیل 5): با توسعه واحداث خطوط انتقالdc کنترل توان راکتیودر طرف ac مبدلها ضرورت پیدا کرده تا بدینوسیله ولتازتثبیت گردیده وبه عمل کموتاسیون مبدل مساعدت گردد.
در این پروژه ودر ادامه کلیه این مباحث از جنبه های مهندسی از نقطه نظر تئوری و عملی به بحث کشیده می شود.
: ضرورت جبران سازی
در یک سیستم ایده آل،هر بار مصرفی طوری طراحی می شود که به جای آنکه در یک محدوده وسیعی از ولتاژ غیر قابل پیش بینی رفتار وعملکرد مناسبی داشته باشددر یک ولتاژ معین تغذیه بهترین عملکرد را داشته باشد.
در این فصل بصورت مختصربعضی ازمشخصه های سیستمهای قدرت وبارهایش که منجر به خراب کردن کیفیت تغذیه می شوند،با تاکید به آنهایی که با عمل جبرانسازی-یعنی با تامین یا جذب کردن مقدار مناسب توان راکتیو قابل تصحیح می باشند،شناسایی می گردند.
: اهداف در جبران بار
جبران بار عبات است از مدیریت توان راکتیوکه به منظور بهبود بخشیدن به کیفیت تغذیه در سیستمهای قدرتac انجام می گیرد.اصطلاح جبران بار در جایی استعمال می شودکه مدیریت توان راکتیوبرای یک بار تنها انجام می گیردوبوسیله جبران کننده معمولاًدر محلی که در تملک مصرف کننده قراردارددر نزدیکی بار مصرفی نصب می شود.پاره ای از اهداف وروشهای بکار گرفته شده در جبران باربا آنچه که در جبران شبکه های وسیع تغذیه مورد نظر است بطورقابل ملاحظه ای تفاوت دارد.در جبران باراهداف اصلی سه گانه زیر مورد نظر است:
اصلاح ضریب توان
بهبود تنظیو ولتاژ
متعادل کردن بار
اصلاح ضریب توان به این معناست که توان راکتیومورد نیاز بار به جای آنکه از نیروگاه دور تامین گردد در محمحل نزدیک بار تولید گردد.اغلب بارهای صنعتی دارای ضریب توان پس فاز هستندیعنی توان راکتیو جذب می نمایند.بنابراین جریان بارمقدارش از آنچه که برای تامین توان واقعی ضروری است بیشتر خواهد بود.تنها توان واقعی است که سر انجام در تبدیل انرژی مفید خواهد بودوجریان اضافی نشان دهنده اتلاف است که مشتری نه تنها بایستی بها هزینه اضافی کابلی که آن را انتقال می دهدبپردازدبلکه تلفات ژولی اضافی ایجاد شده در کبل تغذیه را نیز می پردازد.
-تنظیم ولتاژدر حضور بارهایی که توان راکتیومصرفی آنها تغییر می کندیک موضوع مهمو در مواردی یک مساله بحران خواهد بود.توان راکتیو مصرفی کلیه بارها تغییر می کند،گرچه مقدار ومیزان تغییرات آنهاکاملاًمتفاوت است.این تغییرات توان راکتیودر تمامی مواردمنجر به تغییرات ولتاژدر نقطه تغذیه می گرددواین تغییرات ولتاژبر عملکردمفیدوموثرکلیه وسایل متصل به نقطه تغذیه مداخله نموده ومنجر به امکان تداخل در بارهای مصرف کننده های مختلف می گردد.
بدیهی ترین روش بهبود ولتاژ((قوی تر کردن)) سیستم قدرت به کمک افزایش اندازه و تعدادواحدهای تولید کننده برق وباهرچه متراکم کردن شبکه های به هم پیوسته می باشد.این روش عموماً غیر اقتصادی بوده ومنجر به افزایش سطح اتصال کوتاه و مقادیر نامی کلیدها می شود.راه عملی تر وبا صرفه تر این است که اندازه این سیستم قدرت برحسب ماکزیمم تقاضای توان واقعی طراحی شودوتوان راکتیو بوسیله جبران کننده هایی که دارای قابلیت انعطاف بیش از مولدها بوده ودر تغییرسطح اتصال کوتاه دخالت ندارند-فراهم گردد.
مساله سومی که در جبران بار مد نظر است متعادل کردن بار است.اکثر سیستمهای قدرتac سه فاز بوده وبرای عملکرد متعادل طراحی می شوند.عملکرد نا متعادل منجربه ایجاد مولفه های جریان توالی صفرومنفی می گردد.اینگونه مولفه های جریان اثرا نا مطلوبی چون ایجاد تلفات در موتورهاومولدها،گشتاور نوسانی در ماشینهای ac افزایش ریپل در یکسو کننده ها،عملکرد غلط انواع تجهیزات،اشباع ترانسفورماتورهاوجریان اضافی سیم زمین را به دنبال خواهد داشت.انواع خاصی از وسایل(منجمله برخی از جبران کننده ها)در عملکرد متادل هارمونیک سوم راکاهش می دهند.درشرایط کارنامتعادل این هارمونی نیز در سیستم قدرت ظاهرمی شود.هارمونیک ها معمولاًبوسیله فیلترحذف می گردندکه در آینده توضیح داده خواهد شد.
: مشخصات یک جبران کننده بار
پارامترها وفاکتورهایی که بایستی در تعریف یک جبران کننده باردر نظر گرفت در لیست زیر بطور اجمال آمده است ومنظور ارائه لیست کامل نیست بلکه هدف ارایه یک ایده از نوع عملی جبران کننده ودر نظر گرفتن ملاحظات مهم است:
حداکثر توان راکتیوپیوسته مورد لزوم که بایستی جذب یا تولید گردد.
مقدار نامی اضافه بارو مدت زمان آن.
ولتازنامی وحدود ولتاژکه مقدار نامی توان راکتیو نبایستی از آن حدود تجاوز نماید.
فرکانس و تغییرات آن.
دقت لازم در تغییر ولتاژ.
زمان پاسخ جبران کننده در مقابل یک اغتشاش معین.
نیازمندیهای کنترل ویژه.
حفاظت جبران کننده وهماهنگی آن با حفاظت سیستم ودر نظر گرفتن محدودیت توان راکتیودر صورت لزوم.
حداکثر اعوجاج ناشی از هارمونیک بادر نظر گرفتن جبران کننده.
اقدامات مربوط به انرژی دار کردن واقدامات احتیاطی.
نگهداری ، قطعات یدکی،پیش بینی برای توسعه،وآرایش جدید سیستم در آینده.
عوامل محیطی،سطح نویز،نصب تاسیسات در محیط باز یا بسته،درجه حرارت،رطوبت،آلودگی هوا،باد و زلزله ،نشتی در ترانسفورماتورها،خازنها،سیستمهای خنک کننده.
رفتار وعملکرددرمعرض ولتاژتغذیه نامتعادل ویا بارهای نا متعادل.
نیازمندیهای کابل کشی و طرح بندی وآرایش اجزاء قابل دسترسی بودن،محصور بودن،زمین کردن.
قابلیت اعتمادوخارج از سرویس بودن اجزاء.
در مورد جبران کوره های الکتریکی بایستی نسبت بهبود یا نسبت کاهش چشمک زدن به عنوان معیاری برای سنجش رفتار و عملکرد جبران کننده مشخص شود.
: بایاس کردن توان راکتیو:
اگرتوان راکتیو قادر باشد از پیش فاز تا پس فاز تغییر نماید آنگاه بایستی مشخصه تنظیم شده V-Q جبران کننده مطابق شکل1-الف در هر دو ربع مختصات امتداد یابد.یک مشخصه جبران کننده اندوکتیورا می توان بوسیله یک خازن موازی ثابت مطابق شکل 1-پ بایاس کرد.و به همین صورت جبران کننده کاپاسیتیورا می توان با راکتور موازی ثابت به سمت ربع پس فاز مطابق شکل 1-پ بایاس کرد.اگر چنانچه خازن موازی شکل 1-ب بقدر کافی بزرگ باشد آنگاه جبران کننده اکتیو می تواند بایاس گرددطوریکه مشخصه آن کاملاًدر سمت ربع پس فاز پیش فاز قرار گیرد.وقتی جبران کننده اندوکتیو باخازن موازی ثابت ترکیب می شود،جبران کننده قادر خواهد بودهم ولتاژ را تثبیت نمایدوهم ضریب توان میانگین باراندوکتیو را به واحد برساند.
حال به نظر میرسد که متمایز نمودن جبران کننده اندوکتیواز جبران کننده کاپاسیتیوقدری مصنوعی است. اما از نقطه نظر کاربردعملی حائز اهمیت است ز.یرا به استثناءکندانسورهای سنکرون تمامی جبران کننده های واقعی با کنترل جریان در بانک خازن یا راکتور کار می کنند.بعنوان مثال جبران کننده راکتورقابل اشباع بوسیله خازنهای موازی به سمت ربع پیش فازبایاس می شود.یک راکتانس موازی ثابت از یک جبران کننده متغیرکه دارای توان راکتیونامی یکسان است ارزانتر است.ودرمواردی از نظر اقتصادی بهتر است که اندازه جبران کننده طوری باشدکه فقط باتغییرات توان راکتیوبار منطبق باشد،وبرای بدست آوردن ضریب توان میانگین مورد نظر آن راباراکتانس ثابت موازی بایاس نمود.برای نتایج دقیق تر،محاسبات دقیق ترمعادلات تنظیم ولتاژبصورت زیرضروریست.همچنین می توان به جای توان راکتیو،عملیات را بر حسب جریان انجام داد.