استفاده از برگرداننده ولتاژ ديناميکی در شبکه های قدرت و كاربرد آن در صنايع نفت ، گاز
رضا حاجيها/كارشناس ارشد برق /دانشگاه صنعتی شريف
مقدمه
اختلالات کیفیت توان مختلفی در شبکه های توزیع وجود دارد که باعث ایجاد مزاحمت و اشکال و یا حتی توقف کامل عملیات و فرایندهای مصرف کنندگان گردد. بخش های مختلفی نظیر شبکه های بازرگانی , مراکز صنعتی , مراکز پردازش اطلاعات , مراکز تحقیقاتی , نیروگاهها ، صنایع فولاد ، بخش ارتباطات ، بخشهای مسکونی و پالایشگاههای مربوط به صنایع (نفت، گاز و پتروشیمی) نیز نسبت به این , اختلالات حساس میباشند. مهمترین عوامل این اختلالات شامل پدیده های طبیعی نظیر صاعقه و نیز اتفاقات و عملیاتی که در شبکه رخ میدهند مانند خطاهای اتصال کوتاه و کلید زنی بانکهای خازنی میباشند.
تجهیزات مصرف کنندگان نظیر بارهای غیر خطی ادوات الکترونیکی , کوره های الکتریکی , جوش نقطه ای و راه اندازی موتورهای سنگین ازعوامل مخل کیفیت توان میباشند. بررسی های آماری نشان میدهند که کاهش لحظه ای ولتاژ و قطع کامل تغذیه از عمده ترین مسائل کیفیت توان میباشد که در شبکه های توزیع وجود دارند.
دو راه کلی برای کاهش مشکلات کیفیت توان وجود دارد:
یک مورد وابسته به وضعیت بار است یعنی اجازه دهیم تجهیزاتی که حساسیت آنها نسبت به اغتشاش , کم میباشد در مدار باقی بماند. راه دیگر ,نصب تجهیزات و دستگاههایی در شبکه است که باعث تضعیف و یا حذف کامل اغتشاشات کیفیت توان شوند.
در مداری که با یک نوع بار خاص سرو کار داشته باشیم انتخاب تجهیزات مناسب بهبود کیفیت توان کار مشکلی نیست , اما در سیستمهای بزرگ که تعداد زیادی بارهای مختلف وجود دارد , باید با خصوصیات و احتیاجات بارهای مختلف آشنایی داشته باشیم و نیز اثراتی که در نتیجه حضور تجهیزات بهبود کیفیت توان در شبکه حاصل میشود را مد نظر قرار دهیم.
روشهای قدیمی بهبود کیفیت توان ( نظیر استفاده از بانکهای خازنی ) , بیشتر برای بهبود مشخصات حالت دائم سیستم ( نظیر ولتاژ حالت دائم ) بکار میرفتند اما روش های جدید که در آنها از عناصر الکترونیک صنعتی استفاده میشود , اغلب در جاهایی بکار میروند که در آنها نیاز به پاسخ سریع در قبال اغتشاشات کیفیت توان وجود داشته باشد. شکل (5-1) یک نمونه از کاربرد ادوات نسل جدید FACTS را برای بهبود کیفیت توان در شبکه توزیع نشان میدهد
برگرداننده ولتاژ دینامیكی
مراكزی نظیر كارخانجات تولید نیمه هادی دارای تجهیزات حساسی هستند كه میتوانند در اثر كاهش لحظه ای ولتاژ ناشی از بروز خطا ها در شبكه ها دچار اختلال یا ایجاد وقفه در فرایند تولید شوند. برای جلوگیری از چنین پیامدهایی باید سیستمی نصب گردد كه بتواند در مدت كمتر از یك سیكل به اغتشا شی كه در شبكه رخ داده است پاسخ دهد و در خروجی ولتاژی سالم و بدون هر گونه اغتشاش تحویل دهد.
اغتشاش دیگری كه معمولا” در شبكه رخ میدهد نامتعادلی ولتاژ است . نامتعادلی شامل عدم تساوی مقادیر مؤثر ولتاژ فازها و نیز عدم تقارن زاویه ای بین فازها میباشد .
نامتعادلی ولتاژ در اثــر خطاهای اتصال كوتــاه در شبكـه (مخصوصا” اتصال كوتاه تك فاز به زمین كه از شیوع بیشتری برخوردار است) و نیز بر اثر جریانهای نامتعادل در شبكه كه ناشی از بارهای نامتعادل هستند و همینطور بر اثر نامتقارنی تجهیزات شبكه ایجاد میشوند. می دانیم كه اكثر محركه ها در كارخانجات صنعتی و پالایشگاههای مرتبط در زمینه صنایع نفت، گاز و پتروشیمی از نوع موتورهای القایی سه فاز میباشند. ولتاژ سه فاز نامتعادل باعث كاهش گشتاور تولیدی توسط این ماشین ها میشود كه میتواند باعث اختلال در عملكرد بارهای متصل به این موتورها گردد و به فرایند تولید لطمه وارد آورد..
ولتاژهای نامتعادل همچنین میتوانند باعث ایجاد گشتاورهای نوسانی در ماشین ها و به دنبال آن لرزش و ارتعاش موتورها شوند و نیز افزایش جریان در فازهای سالم را به دنبال دارند كه باعث بالا رفتن دما در ماشین شده كه كاهش عمر مفید موتورها را به دنبال دارد . حتی ممكن است باعث به كار افتادن سیستمهای حفاظتی اضافه بار شود كه موتور را از شبكه جدا كرده باعث ایجاد وقفه در فرایند تولید شود . دستگاهی كه برای جبران سازی این اختلالات در شبكه های توزیع به كار میرود برگرداننده ولتاژ دینامیكی نام دارد. ایده اصلی كه در DVR بكار میرود تزریق ولتاژ دینامیكی كنترل شده بصورت سری با خط میباشد و دامنه و فاز این ولتاژ طوری كنترل میشود كه علیرغم وجود اغتشاش در ولتاژ ورودی در خروجی سیستم یك دستگاه ولتاژ سه فاز متقارن با دامنه ای كه از پیش تعیین شده داشته باشد. شكل (5-2) یك نمای كلی از DVR و عملكرد آن بر روی ولتاژ یك فاز در حین بروز یك كمبود ولتاژ در ولتاژ سیستم را نشان میدهد.
در شكل (5-3) ولتاژ سه فاز نامتقارن باس توزیع ولتاژهای تزریق شده توسط DVR و ولتاژ سه فاز متقارن خروجی نشان داده شده است.
ساختمان DVR
همانطور كه قبلا” ذكر شده DVR با تزریق یك ولتاژ اضافه عمل اصلاح ولتاژ را انجام میدهد. برای تولید و تزریق چنین ولتاژی به اجزایی كه در شكل (5-4) نشان داده شده نیاز میباشد.
شکل (5-4) ساختمان کلی DVR و اجزای آن
حال به شرح هر كدام از این اجزاء می پردازیم:
مبدل منبع ولتاژ
وظیفه مبدل منبع ولتاژ تولید ولتاژ سینوسی با فركانس قدرت و دامنه و فازی كه سیستم كنترل آن را تعیین میكند از یك ولتاژ dc میباشد. از آنجایی كه به كنترل ولتاژ فازها بطور جداگانه نیاز میباشد باید از سه واحد مبدل منبع ولتاژ تكفاز استفاده شود. الگوی كلید زنی مبدلها بصورت PWM میباشد و فركانس هارمونیكهای ولتتاژ خروجی را نوع الگوی كلید زنی و فركانس كلید زنی سوئیچ ها تعیین میكند. دامنه مؤلفه اول ولتاژ خروجی توسط شاخص مدولاسیون تعیین میشود.
سوئیچ هایی كه در بازوهای مبدل بكار میروند باید دارای قابلیت روشن و خاموش شدن با فرمان گیت باشند. در فركانس های كم میتوان از GTO برای این منظور استفاده نمود . اما ار آنجایی كه در قدرتهای بالا فركانس كلید زنی GTO نسبتا” پائین بوده ( معمولا” كمتر از 500 هرتز ) و از طرفی عملكرد دینامیكی سریع DVR نیازمند به فركانس كلید زنی بالایی دارد لذا برای این منظور از عنصر جدیدی بنام IGCT ( Integrated Gate Commutated Thyristor ) ( تایریستور كموتاسیون شونده با گیت مجتمع ) استفاده میشود.
IGCT : دارای تلفات هدایت اندك شبیه تریستورها بوده و از طرفی قابلیت های كلید زنی بسیار خوب IGBT را دارا میباشد مواردی از خصوصیات IGCT عبارتند از :
IGCT : دارای تلفات هدایت اندك شبیه تریستورها بوده و از طرفی قابلیت های كلید زنی بسیار خوب IGBT را دارا میباشد مواردی از خصوصیات IGCT عبارتند از :
قدرت بالا, افت ولتاژ حالت هدایت اندك , ولتاژ شكست زیاد , تلفات كلید زنی اندك , خاموش شدن بدون نیاز به شبكه اسنابر و سرعت كلیدزنی بالا.
منبع ذخیره انرژی نظیر بانكهای خازنی
همانطوركه مطرح گردید مبدل منبع ولتاژ یك ولتاژ dc را به ولتاژ ac تبدیل میكند در DVR این ولتاژ dc میتواند توسط بانكهای خازنی و یا توسط باتریهای dc تامین شود و در مورد افت ولتاژهای لحظه ای كه زمان و مقدار افت ولتاژ اندك باشد میتوان از یك بانك خازنی برای تامین انرژی مورزد نیاز استفاده كرد. اگر جریانهای لحظه ای خط را با iR(t) , iS(t) , iT(t) نشان میدهیم و ولتاژهای لحظه ای تولید شده توسط DVR را با ∆UR(t) , ∆Us(t) , ∆UT(t) , نمایش میدهیم و Tcor , Cos θ1, Im ,Um ∆ به ترتیب زمان اصلاح ولتاژ (و یا ماکزیمم زمان اغتشاش ) , ضریب قدرت , جریان ماکزیمم و ولتاژ اضافه شده باشند , آنگاه انرزی که لازم است توسط واحد ذخیره انرزی در مدت زمان وقوع اغتشاش تامین شود و از رابطه زیر محاسبه میگردد:
اما در مورد افت ولتاژهای با دامنه و زمان تداوم زیاد باید از باتریهای dc استفاده شود به هر حال چون اصلاح ولتاژ از طریق تزریق ولتاژ به شبكه مستلزم تزریق توانهای اكتیو و راكتیو به شبكه میباشد منبع مورد استفاده باید قادر به تامین انرژی مورد نیاز باشد.
مدت زمان وقوع اغتشاش از رابطه زیر محاسبه میگردد:
كه در آن لحظه TO لحظه وقوع اغتشاش میباشد.
برای مثال در مورد یک بار با قدرت 4MVA و ضریب 0.85 , در صورت بروز کمبود ولتاز سه فاز 38 درصدی به مدت 150 میلی ثانیه خواهیم داشت :
” ادامه مطالب در بخش دوم مقاله “
رضا حاجیها- کارشناس ارشد برق – دانشگاه صنعتی شریف
