استفاده از برگرداننده ولتاژ دینامیکی در شبکه های قدرت و كاربرد آن در صنایع نفت ، گاز وپتروشیمی( بخش دوم )
رضا حاجیها – كارشناس ارشد برق /دانشگاه صنعتی شریف
واحد شارژ DC
به هنگام وقوع اغتشاش در شبكه و عملكرد DVR انرژی موجود در واحد ذخیره انرژی به شبكه تزریق میشود برای آماده كردن DVR جهت مقابله با اغتشاشات بعدی باید انرژی از دست رفته را به آن برگرداند . این كار توسط واحد شارژ DC انجام میشود این واحد انرژی لازم برای این منظور را از خود شبكه گرفته و پس از یكسو سازی و تنظیم ولتاژ جهت شارژ بانگ خازنی یا باتری های بكار رفته شده مورد استفاده قرار میگیرد.
ترانسفورماتور تزریق ولتاژ
برای تزریق ولتاژهای تولید شده توسط DVR به شبكه از ترانسفورماتور تزریق استفاده میشود . نسبت تبدیل این ترانسفورماتور با توجه به دامنه ولتاژ تولید شده توسط DVR و نیز مقدار ولتاژ مورد نیاز برای اصلاح ولتاژ تعیین میشود.
قدرت این ترانسفورماتور با توجه به حداکثر افت ولتاژی که سیستم اصلاح ولتاز برای آن طراحی شده و نیز جریان خط تعیین میشود . نکته ای که در طراحی این ترانسفورماتور باید لحاظ شود این است که چون ترانسفورماتور تزریق ولتاژ بطور دائم در شبکه باقی میماند. ( حتـی در وضعیت کارکرد عادی شبکـه ) اولا” بایـد تلفات آن تا حـد امکـان کم باشد ( زیرا در دراندمان کلی DVR موثر میباشد ) , ثانیا” راکتانس نشتی آن کوچک باشد تا در خلال کار عادی شبکه , افت ولتاژ زیادی تولید نکند.
در شکل (5-6) ساختمان یک DVR و عملکرد آن به هنگام وقوع کمبود ولتاز نشان داده شده است.
فیلتر هارمونیكی
ولتاژ خروجی مبدل منبع ولتاژ یك موج مدوله شده پهنای پالسی میباشد این ولتاژ را میتوان به یك نمونه اول با فركانس قدرت و هارمونیكهایش تجزیه كرد.
اگر از روش SPWM برای الگوی كلید زنی استفاده شود پالسهای گیت در هر نیم سیكل قدرت برابرP میباشد.
آنگاه هارمونیكهای با فركانس كمتر از (2P-1 ) در ولتاژ خروجی ظاهر نخواهند شد. بنابراین با افزایش تعداد پالسهای گیت در هر سیکل یا بعبارت دیگر با افزایش فرکانس کلید زنی سوئیچ های قدرت هارمونیکهای مرتبه پائین بیشتری حذف خواهند شد.
البته باید توجه داشت که با این کار ممکن است دامنه های هارمونیکهای مرتبه بالاتر افزایش یابد که با توجه به اینکه فرکانس این هارمونیکها بسیار بالا است میتوان آنها را براحتی فیلتر کرد.
شکل 5-6- نمایی ساده از ساختمان DVR و اصلاح یک کمبود ولتاژ
نکته دیگری که باید به آن توجه داشت این است که با افزایش فرکانس کلید زنی , تلفات کلید زنی سوئیچها نیز افزایش میابد. که این امر منجر به کاهش راندمان کل سیستم میشود.
به هر حال با توجه به ملاحظات اقتصادی مربوط به کاهش هزینه های ساخت فیلترهای فرکانس بالا و افزایش تلفات کلید زنی مربوط به این فرکانس های بالا , و نیز محدودیت ذاتی فرکانس کلید زنی مربوط به سوئیچهای قدرت , و همچنین اثری که افزایش فرکانس کلید زنی بر بهبود عملکرد دینامیکی سیستم دارد, مقدار بهینه برای فرکانس کلید زنی انتخاب خواهد شد.
نکته آخر اینکه عملکرد فیلتر تاثیر به سزایی در سرعت پاسخ DVR به اغتشاشات موجود در ولتاژ دارد که این نکته نیز میبایست به هنگام طراحی فیلتر لحاظ گردد تا عملکرد فیلتر به سرعت پاسخ سیستم لطمه ای وارد نکند.
كلیدهای مكانیكی
علت استفاده از كلیدهای مكانیكی ایجاد جدا سازی سیستم DVR از شبكه میباشد این عمل بخصوص به هنگام وقوع خطای اتصال كوتاه در طرف بار خروجی میباشد تا از عبور جریانهای اتصال كوتاه كه چندین برابر جریان نامی شبكه هستند از داخل DVR جلوگیری شده و مانع از وارد آمدن خسارت به سیستم شود.
سیستمهای حفاظتی و كنترلی
این قسمت از سیستم بزرگترین نقش در سرعت پاسخ سیستم به اغتشاشات كیفیت توان را بر عهده دارد سیستم كنترل باید در هر لحظه با نمونه برداری از كمیت های شبكه مانند ولتاژهای ورودی و خروجی و نیز جریان بار و مقایسه این كمیتها با مقادیر مرجع در صورت بروز هر گونه اغتشاش كه خارج از تلورانس مجاز آن باشد با ارسال فرمانهای كنترلی مناسب DVR را فعال كرده تا با تزریق ولتاژهای با دامنه و فاز كنترل شده به جبران اغتشاش ایجاد شده در طرف ورودی پرداخته و در خروجی همراه ولتاژ سینوسی سالم و در محدوده تعیین شده را تحویل بار دهد.
سیستم حفاظتی نیز نقش حفاظت سیستم در برابر خطاهائی که ممکن است در شبکه رخ دهد و ایمنی سیستم اصلاح ولتاژ را به خطر اندازد را بر عهده دارد.
اصول عملکرد DVR
برای تشریح عملکرد یک DVR می توان دو حالت کاری در نظر گرفت : حالت فعال و حالت انتظار در حالت فعال همانطور که قبلا” گفته شد با نمونه برداری از ولتاژهای ورودی و خروجی و مقایسه آنها با مقدار مرجع , ولتاژی با چنان دامنه و فازی تولید میشود که وقتی این ولتاژ توسط ترانسفورماتور تزریق , به ولتاژ باس اضافه شد , در خروجی یک ولتاژ سینوسی عاری از اغتشاش داشته باشیم.
مدار معادل DVR که شامل مبدل منبع ولتاژ و ترانسفورماتور تزریق میباشد , در حالت فعال نشان داده شده است .
که در آن VB ولتاژ باس , VL ولتاژ بار , IL جریان بار , VG ولتاژ تولید شده توسط مبدل از دید شبکه , Xm راکتانس مغناطیس کنندگی ترانسفورماتور از دید طرف ثانویه ( طرف شبکه ) و XL/2 راکتانسهای نشتی طرف اولیه و ثانویه از دید شبکه میباشند.
همانطور که ملاحظه میشود , جریان بار از داخل مبدل نیز عبور میکند و DVR ضمن تولید ولتاژ VG و افزودن آن بر ولتاژ شبکه , توانهای اکتیو و راکتیو متناسب با ولتاژهای تولید شده و جریان بار به شبکه تحویل میدهد.
در حالتی که شبکه بدون اختلال بوده و DVR در حالت غیر فعال ( حالت انتظار ) به سر میبرد , هیچ ولتاژی توسط مبدل تولید نمیشود.
مدار معادل DVR در این حالت نشان داده شده است. فرمانهای گیت در این حالت به شکلی هستند که سیم پیچی اولیه ترانسفورماتور تزریق را اتصال کوتاه میکنند.
در نتیجه , در مدار معادل DVR از دید شبکه , فقط یک راکتانس نشتی ترانسفورماتور , که بصورت سری با خط قرار میگیرد وجود خواهد داشت.
در هنگام طراحی سعی میشود که مقدار این راکتانس نشتی , کوچک قرار گرفته شود تا افت ولتاژ چندانی را در خلال کار عادی سیستم بدنبال نداشته باشد. با توجه به عبور جریان بار از سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور تزریق اتصال کوتاه شدن اولیه آن توسط بازوهای مبدل , جریان بار با احتساب نسبت تبدیل ترانسفورماتور , از سوئیچهای قدرتی که اولیه را اتصال کوتاه کرده اند نیز خواهند گذاشت.
در نتیجه اتلاف توان را در سوئیچ ها خواهیم داشت که البته در صورت استفاده از عناصری با تلفات حالت هدایت کم نظیر IGCT این تلفات در مقابل قدرت نامی دستگاه , بسیار اندک بوده و سیستم از راندمان خوبی برخوردار خواهد بود.
عامل دیگری که باعث ایجاد تلفات در حالت غیر فعال بودن DVR میشود , تلفات مسی ناشی از عبور جریان از سیم پیچهای ترانسفور ماتور می باشد .
حالت دیگری که ممکن است برای سیستم اصلاح ولتاژی که در شبکه توزیع نصب شده است اتفاق بیفتد وقوع اتصال کوتاه در طرف بار میباشد.
این خطاها باعث عبور جریان بسیار زیاد از DVR میشود که باید با اتخاذ تکنیکهای حفاظتی موثر , از بروز خسارات و آسیب دیدگی به دستگاه جلوگیری شود.
برای حفاظت در برابر اتصال کوتاه طرف بار در این سیستم , از یک بخش بنام “ عنصر اتصال کوتاه “ و نیز یکسری کلیدهای مکانیکی و همچنین یک مسیر بای پاس برای عبور جریانهای اتصال کوتاه در نظر گرفته شده است.
طرز کار سیستم به این شکل است که در صورت وقوع اتصال کوتاه در طرف بار , این جریان توسط سیستم کنترل آشکار شده است و به دنبال آن به تریستورهای بخش اتصال کوتاه فرمان وصل داده میشود .
با این کار جریان اتصال کوتاه که در اولیه ترانسفورماتور تزریق نیز جریان دارد مسیر خود را از این تریستورها بسته و بدین ترتیب , از عبور جریان اتصال کوتاه از مبدل جلوگیری میکند.
همزمان با این کار , کلیدهای بای پاس مکانیکی بسته شده و جریان اتصال کوتاه به جای عبور از ثانویه ترانسفورماتور , از مسیر بای پاس عبور میکند و DVR از مدار خارج میکند.
بعنوان مثال دستگاهی مطابق با مشخصات قدرت نامی 4MVA , ولتاژ 21 کیلو ولت, زمان بر طرف شدن اغتشاش 150 ms , ظرفیت انرژی 600 Kj , و حداکثر افت ولتاژ 50 درصدی برای افت تکفاز و حداکثر 38 در صد برای افت ولتاژ سه فاز در نظر گرفته میشود.
نتیجه گیری
عوامل زیادی سبب شده اند تا بحث كیفیت توان در سالهای اخیر مورد توجه جدی كارشناسان سیستمهای قدرت ، مؤسسات برق و مصرف كنندگان برق قرار گیرد. عواملی نظیر حساسیت تجهیزات الكتریكی كنونی نسبت به اختلافات كیفیت توان در مقایسه با گذشته (تجهیزاتی نظیر دستگاههای مدرن پزشكی ، كنترل كننده های پروسسوری ، سیستمهای پردازش اطلاعات ، كارخانجات تولید، پالایشگاهها، نیروگاهها و ادوات نیمه هادی و …… ) و نیز اهمیت روزافزون بهبود راندمان كلی سیستم قدرت كه باعث رشد مداوم استفاده از تجهیزات پر بازده ای نظیر محركه های با قابلیت تنظیم سرعت كه از طرفی به اختلالات كیفیت توان حساس بوده و از طرف دیگر خود باعث برخی از مشكلات كیفیت توان ( نظیر افزایش اثرات سوء انواع اغتشاشات كیفیت توان ( نظیر پدیده های گذرای ضربه ای و نوسانی ، كاهش یا افزایش موقت ولتاژ ، اعوجاج شكل موج ، فلیكر یا تغییرات ولتاژ فركانس قدرت ) روی تجهیزات مصرف كننده ، موجب عملكرد نادرست دستگاهها و یا حتی از كارافتادن آنها میشود كه ضرر و خسارات جانبی ( مخصوصا” در بخش پزشكی ) و مالی زیادی را به همراه دارد .
چرا كه روند تولید در بخشهای صنعتی بطور ناگهانی متوقف شده و راه اندازی مجدد آن مستلزم هزینه های اضافی و نیز از دست رفتن زمان میباشد. استفاده از ادوات FACTS همانطور كه در بخشهای دیگر سیستم قدرت ( نظیر مدیریت پخش بار و پایداری سیستم قدرت ) بخوبی قابلیتهای مفید و استثنائی خود را نشان داده است ، در بحث كیفیت توان نیز بسیار مؤثر و كارآمد میباشد خصوصا” اینكه ظهور تكنولوژیهای جدید در بخش الكترونیك صنعتی ، تحولی شگرف را در بخش ادوات FACTS ایجاد كرده است.
دستگاههایی نظیر ( برگرداننده دینامیكی ولتاژ DVR ) ، ( منبع تغذیه بدون وقفه یا DUPS ) ، ( اصلاح كننده جامع كیفیت توان یا UPQC ) ، ( جبران كننده سنكرون استاتیكی یا DSTATCOM ) ادواتی هستند كه با استفاده از تكنولوژی FACTS پا به عرصه ظهور گذاشته اند و می توانند در بهبود كیفیت توان در شبكه های توزیع به كار روند.
دانلود فایل Pdf مقاله:
استفاده از برگرداننده ولتاژ دینامیکی در شبکه های قدرت (بخش اول)
رضا حاجیها- کارشناس ارشد برق – دانشگاه صنعتی شریف
