پایداری ولتاژ در شبکه‌های قدرت

[ad_1]

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: با تغییر ساختار جدیدی که در سالهای اخیر در سیستمهای قدرت پدید آمده و باعث شده است که واحدهای تولیدی، توان الکتریکی هرچه بیشتری را از خطوط انتقال عبور دهند، بدین ترتیب انتظار می‌رود شاهد فروپاشی ولتاژ گسترده‌تر و بیشتر سیستم‌های قدرت باشیم. برای مثال عبور توان بیش از حد یک خط انتقال باعث افت ولتاژ بیش از حد و کاهش ظرفیت انتقال توان الکتریکی به بخش مشخصی از سیستم قدرت گردد.

پایداری ولتاژ چیست؟

تعریف IEEE از پایداری ولتاژ عبارتست از توانایی یک سیستم قدرت در نگهداری ولتاژ دائمی در همه باسهای سیستم بعد از بروز اغتشاش در شرایط مشخصی از بهره برداری. اغتشاش ممکن است خروج ناگهانی یکی از تجهیزات باشد یا افزایش تدیریجی بار.

 

هنگامی که توان الکتریکی انتقالی به بار رو به افزایش است تا بتواند بار اضافه شده را تامین کند (بار ممکن است مکانیکی، حرارتی یا روشنایی باشد )، و هر دو مؤلفه یعنی توان و ولتاژ قابل کنترل بمانند، سیستم قدرت پایداری ولتاژی خواهد بود و اگر سیستم بتواند بار الکتریکی را منتقل کند و ولتاژ از دست برود سیستم ناپایدار ولتاژ است. فروپاشی ولتاژ هنگامی رخ می دهد که افزایش بار باعث غیرقابل کنترل شدن ولتاژ در ناحیه مشخصی از سیستم قدرت گردد؛ بنابراین ناپایداری ولتاژ در طبیعت خود یک پدیده ناحیه‌ای است، که میتواند بصورت فروپاشی ولتاژ کلی بدل گردد بدون هیچ پاسخ سریعی.

موضوعات پایداری ولتاژ چه هستند؟

  • آگاهی در مورد مشخصات بار که از شبکه‌های قدرت بزرگ قابل دسترسی هستند.
  •  روشهای کنترل ولتاژ در ژنراتور ها، دستگاههای کنترل توان راکتیو (مانند خازنهای موازی، راکتورها) در شبکه.
  • توانایی شبکه در انتقال قدرت، به خصوص توان راکتیو، از نظر تولید به نقاط مصرف
  • هماهنگی بین رله‌های حفاظتی و ادوات کنترل سیستم قدرت.

در هنگام بروز ناپایداری چه اتفاقاتی می‌افتد؟

ناپایداری ولتاژ اغلب هنگامی رخ می‌دهد که بروز یک خطا ظرفیت سیستم انتقال یک شبکه قدرت را کاهش می‌دهتد. پس از بروز این خطا، به سرعت بار مصرفی بارهای حساس به ولتاژ افت می‌کند آنگونه که ولتاژ افت کرد.

این کاهش بارگیری بصورت موقتی باعث می‌شود که سیستم قدترت پایدار بماند. به هر حال با گذشت زمان توان مصرفی بار‌ها افزایش خواهد یافت چرا که بسیاری از بار‌ها بصورت دستی یا اتوماتیک کنترل میشدند تا بتوانند نیازهای فیزیکی ویژه و تعیین شده‌ای را برآورده کنند و همچنین نپ ترانسفورماتورهای قدرت به گونه‌ای تغییر خواهند کرد تا بتوان ولتاژ مورد نیاز را تامین نمود با اینکه ولتاژ در سمت اولیه ترانس( ولتاژ سیستم انتقال) مقدار مطلوب را نداشته باشد و از حد مطلوب پائینتر باشد.

 

از هنگامی که بار به مقدار اولیه خود (قبل از بروز خطا) دست یافت، ممکن است سیستم قدرت وارد مرحله ناپایداری ولتاژ گردد که زمینه فروپاشی ولتاژ نیز هست. در خلال این مرحله بهره برداران (Operators) سیستم قدرت ممکن است کنترل ولتاژ و پخش بار در شبکه را از دست بدهند.

ممکن است توان راکتیو خروجی ژنراتورهای سیستم قدرت کاهش یابد تا از حرارت بیش از حد آن‌ها جلوگیری به عمل آید، این کار باعث میگردد ذخیره توان راکتیو سیستم قدرت کاهش یابد و از دست برود. از طرفی با کاهش یافتن ولتاژ موتور‌ها از حرکت باز می‌مانند که خود باعث مصرف توان راکتیو بسیاری میگردد که نهایتاً این امر فروپاشی کامل ولتاژ را در پی دارد.

چه چیزهایی باعث بروز فروپاشی ولتاژ در شبکه میگردند؟

از آنجایی که واحدهای تولیدی در صددذ انتقال توان هرچه بیشتر از خطوط انتقال هستند، وقوع فروپاشی ولتاژ محتمل‌تر است، چرا که توان راکتیو مصرفی خطهایی که بیش از حد بارگیری شده اند بیشتر است.

تجهیزاتی که بصورت پل به یکدیگر متصل هستند و همچنین موتورهای سرعت ثابت که مقدار مشخصی توان مصرف رمی کنند – حتی در مواقعی که ولتاژ کاهش می‌یابد – می‌توانند به طور موثری کاهش بار موقتی و طبیعی را که به سرعت کاهش ولتاژ شبکه رخ داده و می‌تواعث خروج در سیستم گردد را کاهش دهد. در پی انجام موارد فوق سیستم قدرت بص. رت ناپایدار درخواهد آمد (Whde Less Stable).

تغییر دهنده‌های تپ بار اثر ناپایدار کننده مشابهی دارند. برای جبران کاهش ولتاژ در اولیه سیستم، آن‌ها با افزایش نسبت سعی در نگهداشتن ولتاژ ثانویه بصورت ثابت خواهد داتش. نتیجتاً ولتاژ در اولیه سیستم در قسمت ثانویه ظاهر نخواهد شد تا زمانی که LTC (Load Top Changer) به حد نهایی خود نرسد. علاوه بر موارد فوق عمل LTC سبب برزو افزایش توان راکتیو مصرفی در اولیه یم گردد، که باعث ناپایداری ولتاژ اولیه سیستم میگردد.

ادوات FACTS مانند SVC‌ها و STAT COM‌ها می‌توانند از ظرفیت انتقال توان را با تامین ولتاژ بصورت اکتیو افزایش دهند، اما فقط برای یک نقطه. در انتهای رنج کاری، یک تجهیز FACTS بطور ناگهانی توانایی خود را در کنترل از دست می‌دهد و بصورت یک تجهیز ثابت عمل می‌کند. توان راکتیو خروجی از یک خازن ثابت با کاهش ولتاژ نیز کم می‌شود (معمولاً با توان دوم ولتاژ V^2). بدون کنترل ولتاژ راکتیو، ولتاژ خط پایدار باقی نمی‌ماند یا اینکه به نقطه‌ای که فروپاشی ولتاژ در آن رخ می‌دهد نزدیکتر می‌گردد نسبت به موقعی که کنترل ولتاژ اکتیو صورت می‌گرفت.
به عبارت ساده تر، یک فروپاشی ولتاژ هنگامی رخ می دهد که مقدار توان راکتیو قابل کنترل کافی وجود ندارد و در دسترس نیست تا بتوان توان راکتیو مورد نیاز سیستم قدرت و مصرف کننده را تامین نمود. اگر این نقصان در توان راکتیو به اندازه کافی بزرگ باشد، ولتاژ سیستم کاهش خواهد یافت تا سطحی که برگشت به حالت اولیه غیرممکن گردد.

یک عامل محرک یا آغازگر مورد نیاز است تا فروپاشی ولتاژ واقع گردد. برای مثال ممکن است یک خط انتقال که نقش کلیدی در شبکه ایفا می‌کند ممکن است به علت برزو خطا از سرویس خارج گردد. از آنجایی که خطوط باقی مانده سعی در انتقال و جبران توان اکتیو و راکتیو مورد نیاز دارند، کمبود توان راکتیو بیشتر شده و ولتاژ سطح پایینتری را به خود اختصاص می‌دهد.

همچنان که کمبود توان راکتیو افزایش یابد، کاهش سطح ولتاژ بیشتر شده و خطوط بیشتری شامل خطا میشوند. در این شرایط بروز فروپاشی ولتاژ ناحیه‌ای یا کلی امری طبیعی است.

آیا انواع مختلفی از فروپاشی ولتاژ وجود دارد؟

– فروپاشی ولتاژ در درازمدت: این نوع فروپاشی هنگامی رخ می‌دهد که ژنراتور‌ها و تولید کننده‌های توان الکتریکی از منابع بار بسیار دور هستند و خطوط انتقال به میزان زیاید بارگیری میشدند و سیستم نمی‌تواند ولتاژ قابل قبول را در منابع بار ارایه دهد. هنگامی که سیستم نمی‌تواند مقدار کافی توان راکتیو به منطقه بار انتقال دهد، برای مثال، وقتی با کاهش تولید با انتقال مواجه هستیم فروپاشی ولتاژ می‌تواند حادث گردد. ممکن است بروز این فروپاشی ولتاژ از چند دقیقه تا چند ساعت به طول بینجامد.

– فروپاشی ولتاژ کلاسیک: این مورد هنگامی رخ می‌دهد که در یک سیستم قدرت بهم پیوسته با تولید پراکند. یک خطا باعث جدا شدن سیستم گردد و سیستم قدرت دارای ذخیره توان راکتیو کافی نباشد تا بتواند نیازهای سیستم و بار مصرف کنندگان را تامین کند. هر چقدر کمبود توان راکتیو بیشتر باشد کاهش ولتاژ نیز بیشتر خواهد بود. نهایتاً ولتاژ به نقطه‌ای می‌رسد که بازگشت به حالت اولیه امکان پذیر نیم باشد و سیستم دچار فروپاشی میگردد. این واقعه می‌تواند بین ۱ تا ۵ دقیقه بعد از بروز خطا رخ دهد.

– فروپاشی ولتاژ گذرا: دو دسته فروپاشی در این قسمت وجود دارد، اما هر دو کمتر از ۱۵ ثانیه بعد از بروز اغتشاش رخ می‌دهند. فروپاشی ولتاژ سریع می‌تواند توام با کاهش سنکرونیزم باشد یا اینکه فروپاشی هنگامی رخ یم دهد که تعداد زیادی از موتور‌ها با هم از کار بیفتند و بخواهیم همه را با هم دوباره به راه بیاندازیم. این مورد می‌تواند منجر به مصرف توان راکتیو زیاید گردد و فروپاشی ولتاژ را در پی دارد.

تفاوت فروپاشی ولتاژ ناپایداری حالت ماندگار کلاسیک در چیست؟

با توجه به آنچه که تا اینجا گفته شد فروپاشی ولتاژ از کاهش یافتن دامنه بصورت دینامیکی نشأت می‌گیرد، اما متغیرهای دیگری از سیستم قدرت را نیز شامل میگردد. برای مثال زوایای ماشین نیز در فروپاشی شامل هتسند؛ بنابراین تفاوت دقیقی نمیتوان بین فروپاشی ولتاژ و اغتشاشات ناپایدار ساز زاویه یا کاهش پایداری حالت دائمی قایل شد، همچنین همه فروپاشی‌ها نسبت‌های مختلفی از پایداری ولتاژ و ناپایداری زاویه را در خود دارند. به خاطر داشته باشید که در بسیاری از فروپاشی‌های ولتاژ ناهماهنگی بین توان اکتیو و زاویهتوان راکتیو و کاهش دامنه ولتاژ در شرایط بارگیری بی شاز حد برزو می‌کند.

تفاوت فروپاشی ولتاژ و ناپایداری کلاسیک حالت دائمی موارد مورد تاکید زیر است:
بحث پیرامون فروپاشیدگی ولتاژ شامل بار و دامنه ولتاژ میشود در حالی که بحث پیرامون ناپایداری کلاسیک حالت دائمی روی ژنراتور‌ها و زاویه‌ها متمرکز میشود. همچنین فروپاشیدگی ولتاژ اغلب شامل دینامیک از نوع طولانی تری است و اثرات تغییرات پیوسته مانند افزایش بار بعلاوه اتفاقات گسسته مانند خروج یک خط می‌باشد.

نقش توان راکتیو در فروپاشی ولتاژ چیست؟

درست است که فروپاشی ولتاژ یک ناپایداری است که شامل بسیاری از مولفه‌های سیستم قدرت و متغیرهاشان میگردد، اما بصورت نوعی با تامین نشدن توان راکتیو که نتیجه موارد زیر است مرتبط می‌باشد.

  •  محدودیت در امر تولید توان راکتیو ( محدودیت‌های ژنراتور)
  •  محدودیت در امر انتقال توان راکتیو (تلفات توان راکتیو با بارگیری بیشتر از خظ افزایش می‌یابد) اگر بارگیری از خظ زیاد شود مقدار زیادی از توان راکتیو ورودی خط که باید در بار مصرف گردد مورد مصرف توسط خط قرار می‌گیرد برای اینکه تلفات اضافی خط را جبران کند و افت ولتاژ در طول خط نیز افزایش می‌یابد.
  •  افزایش بار راکتیو: میزان مصرف توان راکتیو با افزایش بار افزایش می‌یابد، اگر موتور‌ها از حرکت باز ایستند یا تغییری در ترکیب بار بوجود اید مانند گرما، رطوبت هوا که توسط کمپرسورهای دستگاههای هواساز جبران شدند.
  •  کاهش توان راکتیو شارژ خطوط انتقال با کاهش ولتاژ.

آیا ممکن است بتوان ناپایداری ولتاژ را پیشبینی کرد؟

بلی. دو دسته نرم افزار کامپیوتری وجود دارد که م. تواند پایداری ولتاژ سیستمهای قدذرت بزرگ را تجزیه و تحلیل – و پیشگویی – کنند. پایه و اساس آن‌ها بر پخش بار تکتیو و راکتیو حالت دائمی قرار دارد، دسته دوم نیز مبتنی بر شبیه سازی تغییرات زمانی (Time-variung simulation) هستند. علاوه بر موارد فوف روشهای ریاضی نیز وجود دارند که شامل منحنی‌های V-Q و P-V، تحلیل به روش modal و همچنین اندیسهای کارایی (Performance indice) هستند.

– تحلیل بوسیله پخش بار:


با اینکه پایداری ولتاژ امری دینامیکی است، تحلیل پخش بار (حالت دائمی)، که روشی ساده‌تر و دارای محاسبات کمتری نسبت بخ اتحلیل متغیر زمانی است، بسیار ارزشمند است. تحلیلی پخش بار مختص زمانی است که مقدار بسیار زیادی از بار بصورت غیر موتوری است. این روش در مطالعات وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرد هنگامی که محدوده‌های پایداری ولتاژ برای حالت‌های قبل و بعد از بروز خطا باید تعیین گردند. همچنین این روش بطور موفقیت آمیزی در عیب یابی اتفاقات به وقوع پیوسته سیستم‌های قدرت واقعی بکار رفتهد است. در پی برزو یک خطا، یا در خلال افزایش بار، تحلیل پخش بار تصویر لحظه‌ای از سیستم قدرت را شبیه سازی می‌کند. این روش تحلیل برای بازه‌های زمانی که در ذیل آورده یم شود دارای معنی خواهد بود:

-۱۰ تا ۳۰  ثانیه بعد از وقوع خطا: سیستم بطور نسبی ساکن خواهد شد تا نوسانات از بین بروند. کنترل تغییر دهئنده‌های تپا زیر بار، محدود کردن فوق تحریک و کنترل تولید خودکار آنچنان مهم نیستند. بار‌ها نسبت به ولتاژ حساس هستند.
– ۲ تا ۵ دقیقه بعد از بروز خطا: ممکن است تغییر تپ زیر بار تکمیل شده باشد. رگولاسیون صورت گرفته توسط تپ صنچر در نزدیکی بار‌ها ترمیم بارهای حساس نسبت به ولتاژ را در پی دارد. جریان میدان ژنراتور‌ها ممکن است تا حداقل خود کاهش یابد. کنترل تولید خودکار (AGC: Automatic Generation Control) کامل می‌شود اگر نامتعادلی بار زیاد نباشد.
– ۵ دقیقه یا بیشتر بعد از بروز خطا: بار احیا شده که اکنون از افت ولتاژ آسیب دیده توسط کنترل کننده‌های ترموستاتیک بازسازی میشود. کنترل تولید خودکار، دوباره برنامه ریزی تولید و پخش بار اقتصادی و همچنین دستورالعمل راه اندازی مجدد بهره برداری نیز در این مرحله باید اجرا گردند.

– تحلیل بوسیله متغیرهای زمانی:
برنامه‌های پایداری گذرا و همچنین برنامه‌های طویل المدت یات میان مدت را می‌توان برای تحلیل متغیر زمانی بکار برد. کاربردهای ممکن برای بکار بردن این روش تحلیل عبارتند از:
· هماهنگ کردم زمتانی تجهیزات: هنگامی که بازه‌های زمانی با یکدیگر همپوشانی دارند به عنوان مثال سیستم تحریک ژنراتور و کنترل گاورنر، طرح‌های حفاظتی پیچیده و مخصوص، SVC ها، تغییرات بار ناشی از تغییرات فرکانس و ولتاژ (مانند آنچه در مورد موتورهای القایی و دستگاههای تهویه مطبوع گفته شد) و همچنین لود شدینگ تحت ولتاژ کمتر.

  •  شناختن و آشکارسازی هرچه بیشتر پدیده و ممانعت از بکار بردن تجهیزات اضافی: مدل سازی دامه زمانی تاکید بیشتری بر تحلیل‌های دقیقتر و مدل سازی دقیقتر دارد.
  •  تاکید بر کاهش تحلیل‌های استاتیک با محاسبات پیچیده.
  • بهبود کیفیت شبیه سازی: به خصوص در نزدیکی مرزهای پایداری.
  • شبیه سازی وقایع دینامیکی سریع مرتبط با فاز‌ها و مراحل نهایی فروپاشی ولتاژ
  •  تهیه و ارایه میزان کارایی سیستم با به کار بردن نمودارهای زمانی که میزان پایداری ولتاژ را نشان می‌دهند.

برای کسب بینش مضاعف نسبت به مکانیزم ناپایداری ولتاژ، مهندسان می‌توانند تحلیل مقادیر وزنی را در نقاط متعددی برای سنجش میزان ناپایداری ولتاژ بکار ببرند. برای مثال مقادیر ویژه یک سیستم خطی سازی شده می‌توانند محاسبه شوند تا بتوانند تصاویر لحظه‌ای پس از فروشناندن حالت گذرا را نشان دهند.

مقادیر ویژه بریا نشان دادن دوباره تنزل کردن نرخ پادیاری ولتاژ در هنگام تغییر تپ پیوسته نیز بکار می‌روند و محاسبه می‌شوند. (این مورد برای سیستم‌های قدرت واقعی کاربرد آنچنانی ندارند). به هر حال، تحلیل مقادیر ویژه یا هر نوع تحلیل که مربوط به سیستم‌های هطی سازی شده می‌باشد می‌تواند گاهی اوقات منجر به برزو خطا در مورد حس کردن مقدار ایمنی گردد چرا که آستانه‌های پایداری همیشه تحت تأثیر عناصر غیرخطی هستند مانند ژنراتورها، ادوات FACTS یا تغییر دهنده‌های تپ زیر بار که می‌توانند به نهایت مقدار عملیاتی خود برسند. علت این امر این است که تحلیل مقادیر ویژه یا هر نوع تحلیل رمبوط به سیستمهای خطی سازی شده فقط هنگامی می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد که شرایط سیستم حول یک نقطه کار ثابت تغییر می‌کند و تحت تغییرات و اغتشاشات کوچکی قرار دارد و می‌توان معادلاتا سیستم‌های غیر خطی را در حول آن‌ها خطی سازی نمود. ناآگاهی نسبت به هناصر غیرخطی دینامیکی سیستم، مخصوصاً در حوالی فروپاشیدگی ولتاژ می‌تواند منجر به نتایج غلط و تصمیم گیری هیا اشتباه شود.

– به کار بردن منحنی‌های P-V و V-Q
منحنی‌های V-Q که اسان‌ترین ابزار برای تحلیل پایداری ولتاژ هستند به مهندسان اجازه می‌دهند تا مقاومت سیستم را با اضافه کردن بار راکتیو بسنجند.

[ad_2]

لینک منبع

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *