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.
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.
1-1 شکل 1- مشخصه تقریبی ولتاژتوان راکتیو جبران کنندهایده آل ب) جبران کننده اندوکتیومتغیربابایاس خازنی پ )جبران کننده کاپاسیتیومتغیربابایاس القایی همچنین با اضافه کردن یک جبران کننده به موازات بار می توان را در شکل صفحه بعد ایجاد کرد.یعنی تنظیم ولتاژ را به صفر رساندویا اینکه با وجود بار مقدار ولتاژتغذیه را در مقدار E ثابت نگه داشت.در نتیجه با توجه به شکل مقدار توان راکتیودر معادله (2-1) با مقدار جایگزین می شودو در مقداری تنظیم می شودکه با چرخش ، گردد.از معادله بالا داریم: (1-3) مقدار مطلوب با حل این معادله برای وقتی که و باشدبدست می آیدکه با نتیجه گیری مهم زیر منجر می شود: ((یک جبران کننده راکتیو خالص قادر خواهد بود که تغییرات ولتاژ تغذیه را که در اثر توان واقعی و راکتیو بار بوجود می آید حذف نماید.)) در صورتیکه توان راکتیو یک جبران کننده بتواند بطور پیوسته در یک رنج کافی (در جهت پس فاز و پیش فاز)ودر یک میزان تغییرات کافی کنترل شود،جبران کنده می تواند بعنوان رگولاتور ولتازایده ال عمل نماید.
بایستی توجه داشت که فقط مقدار ولتاژ کنترل میشودوفاز آن بطور پیوسته با جریان بار تغییر می کند.پس یک نتیجه گیری مهم دیگر اینست که : ((جبران کننده راکتیو خالص نمی تواند در یک زمان هم ولتاژ را ثابت نگه دارد و هم ضریب توان را اصلاح نماید.)) الف) مدارمعادل بار دو سیستم تغذیه ب) دیاگرام فازور پ) دیاگرام فازور (جبران برای ولتاژ ثابت) : جبران کننده بار بصورت رگولاتور ولتاژ: مشخصه کنترلی نشان داده شده در شکلهای 3 –الف و 3- ب را می توان بصورت زیر بوسیله سه عدد مشخص کرد: ولتاژنقطه زانوی مقدار ماکزیمم یا نامی توان راکتیو ضریب بهره ضریب بهره به صورت تغییر توان راکتیو تقسیم بر تغییر ولتاژ تعزیف می شود: بنابراین(1-4) اگر مشخصه کنترلی خطی باشد آنگاه برای ، مشخصه به کمک معادله زیر نشان داده می شود: (1-5) در شکلهای بالاضریب بی نهایت است و جبران کننده دقیقاً مقدار صحیح توان راکتیو را جذب یا تولید می کند تا مقدار ولتاژ نقطه تغذیه را در برابر تغییرات بار ثابت نگه دارد.
حال با در نظر گرفتن مقدار معینی برای ضریب بهره خواص تنظیم کنندگی ولتاژجبرن کننده را وقتیکه در سیستم با اتصال کوتاه معین کار می کند تعیین می کنیم.
ولی سوال اصلی این است که چگونه مقدار ولتاژنقطه تغذیه با بار تغییر می کند(مخصوصاً با توان راکتیو بار)؟
با توجه به مطالب بالا ،جبران کننده ایده آل در عملکرد تنظیم کنندگی ولتاژخود دارای ضریب بهره معین است.
در عمل مقادیرخیلی زیادبه ندرت وجود دارد،زیرا مقادیر زیادپایداری سیستم رادر نقطه کار جبران کننده ضعیف می نمایدودر برخی از انواع معین جبران کننده هاطراحی آن با ضریب بهره زیاد،ذاتاً گرانقیمت است.بنابراین بررسی رفتار جبران کننده بامعین حائز اهمیت است.
بررسی را بر پایه هر فازیا تک فاز وبا فرض متعادل بودن شرایط ادامه میدهیم.فرض می شودکه نسبت سیستم تغذیه بزرگ باشدواز تغییرات توان بارصرفنظرگردد.تعادل توان راکتیوبوسیله رابطه زیر بیان می شود: (1-6) مشخصه ولتاژسیستم یا خط بار بوسیله معادله زیربدست می آید: (1-7) (به شکل 4- الف مراجعه شود) .گرادیان خط بارنشان دهنده حساسیت ذاتی ولتاژسیستم تغذیه نسبت به تغییرات توان راکتیواست.بنابراین: (1-8) سطح اتصال کوتاه بالا منجر به کاهش حساسیت ولتاژگردیده و خط بار را مسطح می نمایدودر نتیجه گفته می شود که سیستم محکم است.
در حالت جبران نشده ، طوریکه حساسیت ولتاژنسبت به توان راکتیوباربرابر حساسیت ذاتی یعنی می باشد.در حضور جبران کنده از معادلات(7-1) و(6-1) داریم: چونتابعی از V است،حسایت تغییر خواهد کرد.
(1-8) شکل 4-الف : مشخصه تقریبی ولتاژ-توان راکتیو ب) مشخصه ولتاژتوان جبران کننده ایده آل توان راکتیو جبران کننده بوسیله تفاوت ولتاژV-VK مطابق معادله 5 بدست می آید.(به شکل 4- ب مراجعه شود.) طوریکه : (1-10) قبلاً ملاحظه کردیم که ضریب بهره بالای یک مشخصه مسطح را ایجاب می کند.یعنی یک مشخصه ولتازثابت محکم بدست می آید.بر حسب پریونیت یک ضریب بهره مثلاً40Pu به این معناست که برای یک تغییر در ولتاژV یا برابر 40/1 یا 0.025Pu توان راکتیو جبران کننده از مقدار 0 تا 1 تغییر می کند.در ذیل آسانتر است که از پریونیت استفاده نماییم که در ان توان راکتیو مبنا وولتاژ مبنا E خواهد بود.
اثر جبران کنده با جایگزینی مقدار از معادله (9-1) مشخص می گردد با این صورت که : (1-11) این معادله نشان می دهد که چگونه ولتاژنقطه تغذیه نسبت به توان راکتیو بار با وجود جبران کننده وبا شرایط تغییر می کند.گرچه تقریبی است اما پارامترهای مهم ، یعنی توان راکتیوبار مشخصه ، جبران کننده ، و مشخصه E و سیستم را مستقیماً نشان میدهد.
اگر بار جبران نشده باشد داریم ومعادله (11-1) به معادله 5 تقلیل می یابد.
از معادله (11-1) واضح است که جبران کننده دارای دو اثر است : ((جبران کننده ولتاژنقطه تغذیه در حالت بی باری را تغییر می دهدوحساسیت ولتاژنقطه تغذیه نسبت به توان راکتیو بار را تغییر می دهد.)) اگر ضریب بهره جبران کننده مثبت باشد،آنگاه حساسیت ولتازبه معادله زیر تقلیل می یابد: (12-1) حال اگر از رابطه 11 با فرض در حالت بی باری معادله زیر را بنویسیم: آنگاه نشان دهنده ضریب بهره سیستم است که برابر است با میزان توان راکتیوی که بایستی از سیستم جذب شود تا اینکه ولتاژ سیستم به اندازه واحد تنزل یابد.بنابراین سیستم با جبران کننده شباهت داردونقشی که جبران کننده در تعیین حساسیت کلی ولتاژنقطه تغذیه نسبت به توان راکتیو بار دارد، تابعی از نسبت می باشد مشروط بر اینکه باشد.
رابطه بین مشخصه ها با فرض اینکه و یعنی جبران کننده کاپاسیتیو در شکل 5 نشان داده شده است.
بدلیل اینکه ضریب بهره جبران کننده مقدار معینی است جبران توان راکتیو کامل تیست و از مقدار 0 تا 2 تغییر می کند.
هنگامیکه توان راکتیو بار با توان راکتیو نامی جبران کننده برابر است، جبران کننده هنوز 2MVA را در اختیار دارد، بطوریکه محدوده تنظیم در این مثال به سمت محدوده اضافه بار با توان راکتیو بار 12.5MVA توسعه می یابد.
الف) –مشخصه ولتاژ—توان سیستم جبران شده ب ) – دیاگرام تعادل توان راکتیو تئوری کنترل توان راکتیودر سیستمهای انتقال الکتریکی در حالت ماندگار 2-1: نیازمندیهای اساسی در انتقال توان ac: انتقال مقدار عظیم توان الکتریکی ac وقتی امکان پذیر است که نیازمندیهای اساسی زیر بر آورده گردد: ماشین سنکرون بزرگ بایستی در وضعیت سنکرون باقی بمانند.
یکی از محدودیت های بهره برداری از خطوط انتقال این است که در یک خط با طول معین با افزایش توان انتقالی ، پایداری آن کاهش می یابد(بدون بروز اغتشاش فاحش) در سطح معینی از سطح انتقالی سیستم ناگهان نا پایدار می شود .ماشینهای سنکرون در دوانتهای خطا از سنکرون خارج می شوند که این سطح توان انتقالی به حد پایداری ماندگار موسوم است.زیرا ماکزیمم توانی است که می تواند در حالت ماندگار انتقال یابد .(البته از نظر تئوری).
ولتاژ بایستی نزدیک مقادیر نامی آنها نگه داشته شود.
دومین نیاز مندی اساسی شبکه انتقال ac نگه داری سطوح صحیح ولتاژ است.سیستمهای قدرت جدید ولتاژهای غیر عادی را حتی برای مدت زمان کوتاه هم تحمل نمی کنند.کاهش ولتاژ عموماًدر اثر بار زیاد ویاقطع تولید ایجاد می شودمنجر بهرفتار عملکرد نا مطلوب بار مخصوصاًموتورهای القایی می شود.
اضافه ولتاژ بدلیل ریسک جرقه زدن و شکست عایق یک شرایط خطرناکی است.اضافه ولتاژ منشا متعددی دارد .کاهش بار در قسمتهای معینی از سیکل بار روزانه سبب افزایش ولتاز تدریجی می شود.اگر این اضافه ولتاژ کنترل نگردد، سبب کاهش عمر مفید عایقها می گردد،حتی اگر چناچه به سطح شکست عایق نرسیده باشد.اضافه ولتاژ ناگهانی از قطع بار یا تجهیزات دیگر سیستم ناشی می شود .
در حالیکه اضافه ولتاژ سریع و تند از عمل کلید زنی اتصال کوتاه و رعدوبرق ناشی می شود.در سیستم انتقال طولانی اگر چنانچه از جبران کننده استفاده نشده باشداثر فرانتی مقدار توان انتقالی و فاصله انتقال را محدود می کند.
2-2 : خطوط انتقال جبران نشده الف – پارامترهای الکتریکی یک خط انتقال با 4 پارامتر پخش شده مشخص می گردد : مقاومت سریr و اندوکتانس سری l و کنداکتانس موازی g و کاپاسیتانس c .
تمامی 4 پارامتر توابعی از طرح خط یعنی اندازه هادی،نوع،فاصله هادی ها،ارتفاع آنها از زمین،فرکانس و درجه حرارت هستند.در مشخصه رفتار خط اندوکتانس سری وکاپاسیتانس موازی غلبه دارند.در این رفتارمقاومت سری آنچنان تاثیری نداردودر مشخص کردن تلفات اهمیت پیدا می کند.در این مبحث از کنداکتانس موازی همصرفنظر شده است ومقادیر نامی توالی مثبت در نظر گرفته شده اند.
شکل 1 مدار معادل یک فاز خط انتقالی که ماشینهای سنکرون مشابه در ابتدت و انتهای آن متصل شده است را نشان می دهد.به چنین خطی که دارای معادله اساسی : (2-1) و (2-2) می باشد ،خط متقارن گفته می شود.
-- نمایش خط انتقال طویل به کمک اجزاء متمرکز 3-2 : خط مدار باز جبران نشده پروفایل ولتاژ و جریان: یک خط بدون تلفات که انتهایش باز واز ابتدا توسط ژنراتور انرژی دار می شود بوسیله معادله زیر تعریف می شود : (2-3) که با خواهیم داشت : (2-4) (2-5) ولتاژ وجریان در ابدای خط از این معادلات با x=0 بدست می آید: (2-6) که و همفاز هستند وبا این حقیقت که توان انتقالی صفر است سازگار می باشد.
پروفایل ولتاژ خط که بوسیله معادله (2-4) بیان شد را می توان بر حسب به شکل بهتری نوشت : بطریق مشابه پروفایل جریان از رابطه زیر بدست می آید.
(2-8) در عمل افزایش ولتاژمدار با بزرگتر از مقداریست که از معادله 2-6 که در آن ولتاژ در ابتدای خط ثابت فرض شده است.با باز شدن ناگهانی انتهای خط ولتاژ در ابتدای خط بلافاصله به مقدار ولتاژ مدار باز ژنراتور ابتدای خط افزایش می یابد یعنی ولتاژترمینال تقریباًبه اندازه افت ولت در راکتانس اتصال کوتاه که بواسطه عبور جریان قبل از مدار باز بوجود می آمد افزایش پیدا می کند.این موضوع علیرغم اهمیت عملی آن بیشتر مورد بررسی قرار نخواهد گرفت ولی توجه می دهیم که بطور نمونه مطلوبست که در بدترین شرایط یعنی وقتیکه تمام خطوط موازی در مدار هستند کمترین ژنراتورها در مدار هستند،تحریک ژنراتورها هنوز عمل کاهش ولتاژراانجام نداده اند.بایستی افزایش ولتاژدر ابتدای خط تا 25% ودر انتهای خط تا 40% محدود شود.
مقدار در شکل برابر 42.9% جریان مربوط به بار طبیعی خط است.
: خط جبران نشده در حالت بار داری: اثر طول خط ،توان بار وضریب توان بر ولتاژ وتوان راکتیو: خط شعاعی با ولتاژثابت در ابتدای خط،یک بار با واقع در انتهای خط انتقال جریان زیر را می کشد : (2-9) اگر خط بدون تلفات در نظر گرفته شود ولتاژابتدای خط وانتهای خط نیز بوسیله رابطه زیر به هم ارتباط داده می شوند : (10-2) چند خاصیت مهم انتقال ac از شکل بوضوح استنباط می شود برای هر ضریب توان بار یک حداکثر توان انتقالی وجود دارد.برای هر مقدار P کمتر از ماکزیمم دو جواب برای وجود دارد.(یعنی دو ریشه معادله 10-2 ) .
عملکرد نرمال سیستم قدرت همیشه در مقدار بالایی ولتاژاست که در محدوده حول 1 pu قرار دارد.
وقتی P=Q=0 معادله 10-2 به معادله 6-2 که مربوط به شرایط مدار باز است تقلیل می یابد.همچنین از شکل بوضوح بر می آید که پروفایل ولتاژ مسطح در ضریب واحد وقتی که است بدست می آید،یعنی است.
--- مقدار ولتاژ انتهای خط ،در یک خط شعاعی 200 مایل بدون تلفات،بصورت تابعی از توان بار وضریب توان ضریب توان بار یک تاثیر شدیدی بر روی ولتاژ انتهای خط دارد.بارهای با ضریب قدرت پس فاز ،با ضریب قدرت واحد یا با ضریب قدرت پیش فاز بالا،تمایل دارند که با افزایش P ولتاژ را کاهش دهند.در بارهای با ضریب قدرت پیش فاز (به استثناء آنهاییکه نزدیک به 1 هستند) ولتاژ افزایش می یابدتا وقتیکه P به مقدار خیلی بالاتر برسد.بارهای با ضریب قدرت پیش فاز توان راکتیو تولید می کنند که تکمیل کننده توان راکتیو بارگیری خط است وولتاژ خط را تقویت می نمایند.
نیازمندی توان راکتیو : نیازمندی توان راکتیو خط بوسیله ولتاژ وسطح انتقالی مشخص می شود.اهمیت دارد که بدانیم این نیاز مندیها چیست.زیرا اینها هستند که مقادیر نامی توان راکتیو ماشینهای سنکرون ترمینال و همچنین وسایل جبران کننده راتعیین می کنند.باید توجه داشت که ضریب توان ترمینال منتجه تمام مدارهایی است که به آن طرف خط متصل گردیده اند.بعنوان مثال اگر بار القایی در ابتدای خط متصل شود به ژنراتور سنکرون در جذب توان راکتیو بارگیری خط کمک می نماید.بطور کلی ،بدون حضور وسایل جبران کننده ،ماشینهای سنکرون بایستی تفاوت بین توان راکتیو خط وبار محلی را تولید ویا جذب نمایند.
در نقطه میانی خط که P توان انتقالی است.توجه اینکه یعنی بعد از نقطه میانی توان راکتیو عبور نمی کند.توان واقعی و راکتیو که بایستی در ابتدای خط فراهم شود برابر است با عبارت را می توان بصورت زیر منظم کرد با استفاده از رابطه : و داریم : (2-11) این معادله نشان می دهد که چگونه ولتاژ نقطه میانی خط متقارن با توان راکتیو مورد لزوم رابطه دارد.
از روی تقارن میتوان گفت که معادله 11-2 به هر دو انتهایخط اعمال می شود وهر طرف نیمی از خط کل را تغذیه می کند.با توجه به علامت قراردادی توان راکتیو میتوان نوشت جاییکه باشد یعنی در بار طبیعی باشد،اگر معادله 11-2 نتیجه می دهد که نتیجه ای که برایمان آشناست.
در حالت بی باری یعنی p=0 اگر ولتاژ ترمینال تنظیم شوند طوریکه وسپس باشد : 12-2 که این معادله با معادله و نشان میدهد که توان رامتیو ابتدای خط همان توان بارگیری نصف خط است.اگر ولتاژهای ترمینال بطور پیوسته تنظیم شوند طوریکه ولتاژ نقطه میانی در تمام سطوح توان انتقالی باشدآنگاه از معادله 11-2 داریم : 13-2 بعلاوه بازای می توان نشان داد : 14-2 این دو معادله رفتار کلی خط متقارن را نشان می دهد.اگر ولتاژ نقطه میانی بزرگتر از ولتاژ ترمینال است.
اگر عکس این مطلب صادق است و برای پروفایل ولتاژ مسطح مثبت است.نشان دهنده این است که در دو انتهای خط توان راکتیو جذب می شود.وقتی نشان دهنده کمبود توان راکتیو خز است.توان راکتیو اضافی ویا توان راکتیو کمبود خط را می توان بوسیله جبران کننده ها تصحیح کرد که در فصل بعدی توضیح داده خواهد شد.
بواسطه وجود اغتشاشات دایمی کوچک در توان انتقالی در هر سیستم واقعی و همچنین اغتشاشات فاحش اتفاقی که در اثر خط و یا عمل کلیدزنی بوجود می آید عملاً خط جبران نشده قادر نخواهد بود خیلی نزدیک به حدپایداری مانگار خودش کار کند.یک مارجین (فاصله اطمینان) لازم است و بر اساس تجربه یک قانون کلی است که زاویه بار در خط جبران نشده نبایستی بیش از 30 درجه تجاوز نماید که در این زاویه خط نصف توان ماکزیمم را انتقال می دهد.
مقادیر کوچک توان می تواند بطور پایدار از خطوط طولانی تر انتقال داده شود، اما وقتی از جبران کننده استفاده نمی شود حداکثر طول مجاز خط هنوز بوسیله مقدار ولتاژ بی باری با مقادیر نامی توان راکتیو ماشینهای سنکرون (که در حالت بی باری جذب و یا در تمام بار تولید می کنند) محدود می گردد.
عبارت دیگری برای نیازمندی توان راکتیو : همانطوریکه در بخش قبل معادله 11-2 برای توان راکتیو مورد نیاز در ابتدا وانتهای خط با بدست آمد می توان یک فرمول دیگر برای توان راکتیو در انتهای خط بدست آورد که : 15-2 یک روش مشابهی را می توان بکار برد تا فرمول زیر را برای توان راکتیو در ابتدای خط بدست آورد .
16-2 این عبارت برای وقتیکه خط متقارن نباشد یعنی باشد قابل قبول است اگر خط متقارن بوده و داریم : 17-2 که اگر و و کوچکتر از و ، منفی است در حالیکه مثبت است.این مطلب بیانگراینست که توان راکتیو در ابتدای خط و انتهای خط هر دو جذب می شوند.
نیازمندی توان راکتیو در ترمینالهای خط متقارن بصورت تابعی از توان انتقالی و طول خط 5-2 : خطوط انتقال جبران شده 1-5-2 : انواع جبران سازی - مجازی ، - مجازی : در این مبحث جبرانسازی به معنای تغییر مشخصات الکتریکی خط به منظور افزایش ظرفیت توان انتقالی و بر آورده کردن نیازمندیهای انتقال که در بخش قبلی بیان شد می باشد.
با این هدف کلی یک سیستم جبران کننده ایده آل اعمال زیر را انجام خواهد داد : در ایجاد یک پروفایل ولتاژ مسطح در تمامی سطوح انتقال توان مساعدت می نماید.
با افزایش حد اکثر توان انتقال پایداری را بهبود می بخشد.
یک روش مقرون به صرفه در جوابگویی به نیاز توان راکتیو در سیستم انتقال را فراهم می کند.
عددیکه برای ارزیابی میزان تاثیر سیستم جبران کننده بکار می رود عبارت است ازحاصلضرب طول خط در ماکزیمم توان انتقالی .
- یک پروفایل ولتاژ مسطح حاصل می شود اگر چنانچه امپدانس ضربه ای موثر خط تغییر داده شود طوریکه مقدار مجازی را دارگردد که (18-2) که در آن P توان واقعی است که بایستی انتقال یابد و ولتاژ نامی خط است.جبران کننده ایده آل بایستی توانایی تغییرات سریع داشته باشد.جبران کننده ای که نقش تغییر یا را دارد به جبران امپدانس ضربه ای یا جبران موسوم است.
کنترل کردن امپدانس ضربه ای مجازی به منظور انتقال توان مشخص به این معنا نیست که اطمینان حاصل نماییم که در انتقال توان در فاصله های طولانی تر ،پایداری حفظ گردد.در عمل در غیاب جبران کننده در فواصل خیلی کوتاهتر پایداری یک فاکتور محدود کننده می باشد.
هر دو پارامتر اساسی خط یعنی و از طریق تاثیر بر روی زاویه انتقال بر پایداری تاثیر می گذارند.
وقتی خطی از طریقی جبران می شود که معادله 18-2 را برقرار نماید تا پروفایل ولتاژ مسطح بدست آید.برای نیل به این مقصود دو روش جبران بکار گرفته شده است .
یکی کاربرد خازنهای سری و کاهش و در نتیجه کاهش است.زیرا در فرکانس پایه می باشد.این روش به جبران طول الکتریکی خط یا جبران موسوم است.
روش دیگر این است که خط را به بخشهای کوچکتر تقسیم می کنیم که تقریباًهر بخش از بخشهای دیگر مستقل باشد.(به جز آنکه همگی توان مشترکی را انتقال می دهند).این روش به جبران با تقسیم بندی خط موسوم است.این کار با اتصال دادن جبران کننده ها ولتاژ ثابت در فواصل مختلف خط انجام می شود.
6-2 :جبران کننده های اکتیو و پاسیو: مفید است که جبران کننده های پاسیو از جبران کننده های اکتیو تمیز داده شوند.جبران کننده های پاسیو شامل خازنها و راکتورهای موازی، خازنهای سری می باشند.این وسایل جبران کننده ممکن است بطور دائم در مدار قرار گیرند و یا به مدار سوئیچ شوند.اما عموماً قادر به تغییرات پیوسته نخواهند بود.اینها با تغییر دادن کاپاسیتانس و اندوکتانس طبیعی کار می کنندو کارشان اساساً استاتیک است.قطع نظر از عمل سوئیچینگ ، غیر قابل کنترل می باشند.