پایان نامه کنترل کننده های توان راکتیو در خطوط انتقال

امروزه با توجه به گسترش روزافزون استفاده از انرژی الکتریکی، مسئله انتقال قدرت الکتریکی اهمیت زیادی یافته و روز به روز در حال گسترش است. گسترش خطوط انتقال نیرو با مشکلاتی روبرو است که برای رفع آن طرح های مختلفی مطرح گردیده است. یکی از این مشکلات، نوسانات ولتاژ و عدم تثبیت آن در طول شبکه می باشد.

برای رفع این مشکل از شیوه جبران توان راکتیو سیستم استفاده شده است و انواع جبران کننده های توان راکتیو به بازار عرضه شده اند. در این رساله به دنبال معرفی انواع جبران کننده های توان راکتیو و ویژگی های آنان می باشیم. از اصلی ترین انواع آنان می توان به بانک های خازنی، ماشین های گردان و جبران کننده های ایستای توان راکتیو (SVC) اشاره کرد. با توجه به کاربرد بیشتر SVC ها در خطوط انتقال نسبت به دو نوع ذکر شده دیگر، تأکید خود را بر روی این نوع جبران کننده توان راکتیو معطوف داشته و مطالب بیشتری را در مورد SVC ها بررسی خواهیم کرد.

مقدمه

در عصر حاضر شاهد تحولی عمیق در سیستم های انتقال قدرت و همچنین گسترش خطوط انتقال و توزیع در سراسر دنیا می باشیم. از علل این امر می توان به رشد صنعت، افزایش مصارف غیرصنعتی و عدم امکان تولید انرژی در محل زندگی اشاره کرد.

از طرفی عواملی مانند مسائل زیست محیطی، بار سنگین مالی احداث خطوط جدید، مسائل زمین در کشورهائی که دچار کمبود زمین می باشند جزو عوامل محدودکننده گسترش خطوط انتقال می باشند.

اما با توجه به همه عوامل ذکر شده شاهد گسترش روزافزون خطوط انتقال و پیشرفت فن اوری مربوط به آن می باشیم. از مشکلات فنی گسترش خطوط انتقال می توان، عدم قابلیت اعتماد بالا، بحث پایداری ولتاژ و فرکانس در مکان های تغذیه و ... اشاره کرد.

در یک سیستم قدرت ایده آل، ولتاژ و فرکانس در هر نقطه تغذیه ثابت و عاری از هارمونیک است. از آنجائی که امپدانس های اجزاء قدرت بطور غالب راکتیو می باشند، انتقال توان اکتیو مستلزم وجود اختلاف زاویه فاز بین ولتاژ ابتدا و انتهای خط است. در حالی که برای انتقال توان راکتیو لازم است که اندازه این ولتاژها متفاوت باشد. بنابراین ثابت نگهداشتن فرکانس توسط ایحاد توازن قدرت اکتیو بین منبع تولید و مصرف کننده تحقق می یابد و کنترل ولتاژ به وسیله نظارت بر میزان توان راکتیو مصرفی توسط بار حاصل می شود.

عدم توازن قدرت اکتیو از تأثیر آن بر سرعت یا فرکانس ژنراتور حس می شود. در صورت کاهش بار و اضافه بودن تولید ژنراتور، ژنراتور تمایل به افزایش سرعت و فرکانس خود دارد و در صورت افزایش بار و کمبود تولید، سرعت و فرکانس ژنراتور رو به کاهش است. انحراف فرکانس از مقدار نامی آن به عنوان سیگنالی جهت تحریک سیستم کنترل دور ژنراتور انتخاب می شود. به این ترتیب با ایجاد توازن قدرت اکتیو بین منبع تولید و مصرف کننده، فرکانس سیستم ثابت نگه داشته می شود.

اما لازمه انتقال توان راکتیو وجود اختلاف در اندازه ولتاژ دو سرخط انتقال می باشد. بنابراین مصرف کننده های توان راکتیو عامل مهمی در ایجاد نوسان در اندازه ولتاژ هستند. به خصوص با سیستم های تغذیه با سطح اتصال کوتاه کوچک یا خطوط انتقال طولانی سطح ولتاژ به شدت تحت تأثیر بارهای راکتیو مثل خازن ها، راکتورها و ترانسفورماتورهاست. نیروگاه ها دارای سیستم کنترل ولتاژ هستند که کاهش ولتاژ را حس کرده و فرمان کنترل لازم برای بالا بردن تحریک ژنراتورها و در نتیجه افزایش ولتاژ ژنراتور تا سطح نامی را صادر می کنند. با بالابردن تحریک (در حالت فوق تحریک) قدرت راکتیو توسط ژنراتورها تولید می شود. لیکن قدرت راکتیو تولیدی ژنراتور به خاطر مسائل حرارتی سیم پیچ ها محدود بوده و ژنراتور نمی تواند به تنهائی تمام قدرت راکتیو مورد نیاز سیستم را تأمین کند. همچنین در شرایط بروز اضافه ولتاژ، ژنراتورها می توانند به صورت زیر تحریک به کار افتاده، مقداری از قدرت راکتیو اضافی سیستم را مصرف نمایند. لیکن به لحاظ ملاحظات پایداری، قدرت راکتیو مصرفی ژنراتورها نیز محدود بوده و نمی توانند به تنها مسئله اضافه تولید قدرت راکتیو و افزیش ولتاژ ناشی از آن را حل کنند.

بنابراین احتیاج به وسیله ای داریم که در حالت اول بتواند قدرت راکتیو به شبکه تزریق کند و در حالت دوم قدرت راکتیو اضافی سیستم را مصرف نمایند.

وسایلی را که برای کنترل توان راکتیو و ولتاژ به کار می روند جبران کننده می نمائیم. همانطوری که ملاحظ شد توازن قدرت راکتیو در سیستم، تضمینی بر ثابت بودن ولتاژ و کنترل قدرت راکتیو به منزله کنترل ولتاژ می باشد.

امروزه جبران کننده های توان راکتیو به عنوان یکی از ادوات FACTS جزء ضروری سیستم های قدرت به شمار می روند و نقش غیرقابل انکاری در افزایش دینامیک سیستم قدرت، پایداری، حمایت از ولتاژ و افزایش توان قابل انتقال به عهده دارند.

جبران کننده های توان راکتیو در حالت کلی به دو دسته غیرفعال و فعال تقسیم می شوند.

جبران کننده های توان راکتیو غیرفعال

شامل سلف ها و خازن های سری و موازی می باشد که قادر به تغییرات پیوسته نمی باشد و صرف نظر از قطع و وصل به مدار، غیرقابل کنترل می باشد.

جبران کننده های توان راکتیو فعال

شامل جبران کننده های سنکرون و جبران کننده های ایستای توان راکتیو SVC می باشد که قابل کنترل بوده و قادر به تغییرات سریع و پیوسته توان راکتیو استفاده می شدند. با پیشرفت تکنولوژی ساخت نیمه هادی ها، برای جذب و تولید توان راکتیو خازن های سوئیچ شونده با تریستور و راکتورهای کنترل شونده با تریستور مورد استفاده قرار گرفت.

SVC اولین بار در سال 1978 در شبکه قدرت مورد استفاده قرار گرفت و مزایای آن باعث شد استفاده از آن سریعاً رو به رشد گذارد.

امروزه در موارد کنترل ولتاژ با کیفیت بالا، SVC به دلیل دارابودن مزیت های از قبیل کاهش هزینه کل، قابلیت اطمینان بالا تعمیر و نگهداری ساده تر و مناسب بودن مشخصه های کاری، جایگزین جبران کننده های سنکرون گردیده است.

از این رو در ادامه بحث به بررسی SVC به عنوان اصلی ترین عنصر جبران کننده توان راکتیو در عصر حاضر پرداخته و در انتها سایر جبران کننده های توان راکتیو را نیز معرفی خواهیم کرد.

کاربرد GCSC در خطوط انتقال با طول نیم موج

همانطور که می دانید پیش از این در مورد بیان الکتریکی یک خط انتقال برحسب طول موج صحبت کردیم.

در این بخش بحث ما روی خطوطی متمرکز است که طول آنها نسبت به فرکانس سیستم قدرت، اندکی از نیم موج بیشتر است (حدوداً 2700 km در فرکانس60 HZ). کشور برزیل طی سال های اخیر از یک بحران طاقت فرسای انرژی، به شدت رنج برده است تا جائیکه این امر موجب وارد آمدن خسارات مالی سنگینی به صنایع سنگین این کشور پهناور شد .

بنا به مطالعات انجام شده توسط اساتید برجسته مشخص شد تنها راه منطقی عبور از این بحران، بهره برداری از انرژی پتانسیل دست نخورده خدادادی نهفته در منطقه آمازون است که براساس تاسیس واحدهای برق-آبی امکان پذیر است.

براساس مطالعات انجام شده در سال 2000 ،متوسط انرژی استحصال شده از این منطقه چیزی نزدیک به 105 GW است که تقریباً 170% تمام تولیدی در کل کشور برزیل در آن سال بوده است.

اما یک مشکل جدی بر سر راه انتقال این انرژی ارزشمند به مراکز مصرف وجود دارد و آن فاصله زیاد این منطقه با مراکز مصرف است بطوریکه متوسط فاصله بین مراکز تولید و مصرف به بیش از 2000 km می رسد.

اغلب موسسات تحقیقاتی که با این موضوع به نحوی در ارتباط اند درباره بکاربردن خطوط انتقال ac که طول آنها نسبت به فرکانس سیستم، اندکی از نیم موج بیشتر است بحث می کنند (از این پس به اختصار خطوط انتقال با طول نیم موج می نامیم).

اصول کلی انتقال با طول نیم موج

این خطوط در مقایسه با خطوط کوتاه (حداکثر طول موج) ویژگیهای خاصی از خود نشان می دهند.

روشهای متداول کاستن طول الکتریکی معادل خطوط انتقال بلند تا کمتر از طول موج که به جبران سازی راکتیو مشهورند ممکن است موجب ایجاد پدیده رزنانس گردند و پیامدهای طاقت فرسای بی شماری ایجاد کنند.

گذشته از آن، این نوع جبران سازی به میزان قابل ملاحظه ای قیمت تمام شده خط را بالا می برند .از این رو استفاده از جبران سازی دو واحدی شامل راکتورهای سری و خازن های موازی، برای خطوط انتقال بلندی که در عین حال طول الکتریکی آنها از نیم موج کمتر است ممکن است یک راه حل جالب برای ارتقاء طول معادل الکتریکی تا محدوده اندکی بیش از نیم موج باشد.

یک خط انتقال با جبران سازی سری موازی را به طور یکنواخت و به نسبت طول موج در بالاترین فرکانس مطلوب به فواصل کوچکتر تقسیم می کنند. α و β ضرایب سری و موازی خطوط جبران سازی شده، نسبت به خطوط بدون جبران سازی تعریف می شوند؛

بطوریکه برای خطی که هیچ گونه جبران سازی ندارد α = β =1 می باشد. به عبارت دیگر برای خطی با 30% جبران سازی طولی خازنی (سری) و 60 % جبران سازی القایی( موازی) ، α= 0.7 و β =0.4 می باشد.

توجه شود که α برای جبرانگرهای سری القایی بزرگتر از واحد است . همچنین β برای جبرانگرهای موازی خازنی از یک بزرگتر است.