بررسی کیفیت برق در شبکه‌های قدرت و راه‌های کنترل و بهبود آن

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: کیفیت توان در سال‌های اخیر به طور جدی مورد توجه موسسات برق و مصرف‌کنندگان در برخی از کشور‌ها قرار گرفته است. عامل اصلی ضرورت بازنگری مساله، گسترش بکارگیری تجهیزات جدید الکتریکی در شبکه‌هاست. کاربر‌های جدید مانند: میکروپروسسورها، کامپیوترها، وسایل الکترونیکی سیستم‌های تغذیه و کنترل الکتروموتور‌ها و فرآیند تولید کوره‌های القایی، لامپ‌های کم‌مصرف و ... از یک سو حساسند و به توان الکتریکی با کیفیت مطلوب نیاز دارند و در ارزیابی کیفیت توان برق با توجه به ویژگی‌های تجهیزات جدید و توقعات مشترکین بخصوص در محیط رقابت اقتصادی علاوه بر مدت زمان برق‌دار بودن، از جمله: پدیده‌های گذرای ضربه‌ای یا نوسانی، کاهش و افزایش کوتاه مدت ولتاژ، انحراف شکل موج و اعوجاج آن، تغییر فرکانس، فلیکر و عدم تعادل ولتاژ باید دقیقاً‌مورد بررسی قرار گیرد. زیرا اثرات سوء آن‌ها روی تجهیزات موجب عملکرد نادرست، صدمه دیدن دستگاه‌ها و قطع روند تولید می‌شود.
کیفیت توان از سه عامل زیر تاثیر می‌پذیرد.
۱- فلیکر: نوسانات ولتاژ ناشی از راه‌اندازی تجهیزات خاص در کارخانجات، کارگاه‌ها و یا منازل نظیر موتورها، کوره‌های قوس الکتریکی و ... باعث فلیکر می‌شود.
۲- هارمونیک‌ها: در شرایط هارمونیکی، مفاهیم توان‌های راکتیو و ظاهری با آنچه که در شرایط شکل موج سینوسی خالص وجود دارد، متفاوت است. که این عامل باعث ایجاد توان اعوجاجی می‌شود که فقط در شرایط غیرسینوسی وجود دارد.
۳- عدم تعادل ولتاژ: در شرایط نرمال دامنه ولتاژ سه فاز با هم برابر و اختلاف فاز بین آن‌ها برابر ۱۲۰ درجه است. هرگونه عدم تعادل برابر در دامنه ولتاژ و یا تغییر در اختلاف فاز بین ولتاژ‌های سه فاز نامتعادلی ولتاژ نامیده می‌شود.

۴- درخصوص روش‌های جبران‌سازی عدم تعادل ولتاژ در صنایع، پس از ارایه علل و تاثیرات عدم تعادل بر روی مصرف‌کننده‌های الکتریکی با تاکید بر وری الکتروموتور‌ها در مورد روش‌های جبران‌سازی آن و فناوری‌های موجود در این زمینه بحث می‌شود. این فناوری‌ها بر پایه ادوات FACT بنا شده است که در این مقاله با تاکید بر روی SVC‌ها به دلیل سادگی کاربرد آن بیان شده است. SVC‌ها ترکیبی از خازن‌های ثابت، تریستور‌های سوئیچ‌کننده خازن و سلف‌های کنترل‌کننده تریستور‌ها هستند که به عنوان جبران‌کننده از آن‌ها استفاده می‌شود.

تعریف کیفیت توان
از کیفیت توان می‌توان دو برداشت متفاوت ارایه داد. به عنوان مثال شرکت‌های برق کیفیت توان را مترادف با قابلیت اطمینان تعریف کرده‌اند. در عوض سازندگان وسایل الکتریکی کیفیت توان را بصورت کارکرد مناسب دستگاه‌ها بر اساس مشخصات منبع تغذیه تعریف می‌کنند. ولی آنچه به عنوان کیفیت توان در این مقاله مورد استفاده قرار گرفته است عبارت است از هرگونه مشکلی که باعث تغییر در ولتاژ، جریان یا فرکانس شوند و موجب خرابی و یا عملکرد نادرست تجهیزات مصرف‌کننده شود.
در رابطه با عوامل ایجادکننده مساله کیفیت توان، سوء تفاهم‌های زیادی وجود دارد. به طور کلی در یک سیستم قدرت تنها کیفیت ولتاژ را می‌توان کنترل کرد و کنترل مناسبی بر روی جریان‌هایی که بار‌های مختلف می‌کشند، وجود ندارد. بنابراین استاندارد‌های موجود کشور‌های صنعتی در حوزه کیفیت برق عمدتاً‌حدود مجاز ولتاژ منبع را مشخص می‌کند. شبکه‌های برق جریان متناوب طوری طراحی می‌شوند که در یک ولتاژ سینوسی با فرکانس و دامنه مشخص کار می‌کند. هرگونه انحراف قابل توجه در دامنه فرکانس و ... یک مساله کیفیت برق خواهد بود.

عوامل تاثیرگذار بر کیفیت برق

فلیکر
فلیکر در حقیقت یک احساس شخصی از کم و زیاد شدن میزان روشنایی است که بصورت سوسوزدن نور لامپ‌های رشته‌ای ظاهر می‌شود.

عوامل تاثیرگذار بر فلیکر
هر پدیده‌ای که باعث تغییرات مقدار موثر ولتاژ منبع تغذیه می‌شود به عنوان عامل ایجاد‌کننده فلیکر شناخته می‌شود.
سوئیچ کردن بار‌های مختلف می‌تواند باعث به وجود آمدن پدیده فوق شود، زیرا عموماً‌جریان هجومی در ملاحظه راه‌اندازی (سوئیچ کردن) از جریان حالت دائمی بیشتر است.
راه‌اندازی موتور‌ها یکی از منابع معمول و اصلی ایجاد فلیکر در شبکه‌ها است. این دسته‌بندی کلی از موتور‌ها شامل انواع فنها، پمپها، کمپرسورها، دستگاه‌های تهویه مطبوع، یخچال ها، آسانسور‌ها و ... است. همچنین بار‌هایی که به صورت متناوب کار می‌کنند مانند دستگاه‌های جوش قوسی یا نقطه‌ای، کوره‌های قوسی یا القایی باعث تغییرات ناگهانی در ولتاژ تغذیه شده و در نتیجه باعث ایجاد فلیکر می‌شوند. از منابع دیگر ایجاد کننده فلیکر می‌توان به سوئیچ کردن خازن‌های تصحیح ضریب قدرت در شبکه اشاره کرد.

منحنی مشخصه حساسیت فلیکر ولتاژ
جهت تعیین محدوده مجاز فلیکر، تاکنون منحنی مشخصه‌های مختلفی از سوی کشور‌ها و کمپانی‌های مختلف ارایه شده و مورد استفاده فراوان نیز قرار گرفته‌اند. صرفنظر از نوع بار، به ازای تعداد مشخصی نوسان در مدت زمان مشخص و یا به عبارت دیگر در یک فرکانس نوسانات مشخص، اگر درصد تغییرات ولتاژ از یک حدکمتر باشد، فلیکر اصلاً تشخیص داده نمی‌شود. از طرف دیگر یک مقدار مشخص از درصد تغییرات ولتاژ، با تغییر فرکانس نوسانات فلیکر می‌تواند غیرقابل احساس، قابل احساس و یا آزاردهنده باشد.
بنابراین با توجه به موارد یاد شده در بالا نتیجه می‌شود که تشخیص پدیده فلیکر و تعیین مجاز یا غیرمجاز بودن آن به سه عامل زیر بستگی دارد.
- منحنی مشخصه حساسیت فلیکر که تعیین کننده حدود مجاز آن است.
- فرکانس تغییرات اندازه ولتاژ
- درصد تغییرات اندازه ولتاژ

روش‌های جبران و تصحیح فلیکر
قبل از اینکه به روش‌های جبران و تصحیح پدیده فلیکر پرداخته شود لازم است با توجه به موارد ذکر شده در بالا به چند نکته در مورد وضعیت سیستم و بار‌های عامل فلیکر اشاره شود.
- بار‌های متصل به سیستم‌های ضعیف (Weak System) در مقایسه با همان بار‌ها که به سیستم بهم پیوسته (Stiff System) وصل شده است فلیکر قابل توجه‌تری را ایجاد می‌کند.
- مقدار فلیکر در نزدیکی منابع ایجاد‌کننده آن‌ها بیشترین مقدار است. مشترکانی که از همان ترانس که منبع فلیکر به آن وصل شده تغذیه‌کنند اثرپذیری بیشتری از سایر مشترکانی دارند که از ترانس‌های مجزایی استفاده می‌کنند.
- دامنه تغییرات ولتاژ ایجاد شده در اولیه بطور قابل توجهی کمتر از آنچه در ثانویه مشاهده می‌شود، است. اکنون روش‌های ممکن برای کاهش فلیکر غیرقابل قبول به مقدار مجاز بررسی می‌شود. لازم به ذکر است که برای هر نوع بار عامل فلیکر، می‌توان یکی از روش‌های ارایه شده را با توجه به کیفیت عملکرد و جنبه اقتصادی آن روش استفاده کرد.

راه‌اندازی موتوری/ وسایل تنظیم‌کننده سرعت
راه‌اندازی موتور‌ها یکی از مهمترین عوامل ایجاد فلیکر ولتاژ در شبکه‌های برق است. جریان راه‌اندازی اغلب موتور‌ها چندین برابر جریان بار کامل موتور است تا کوپل راه‌اندازی کافی جهت راه‌انداختن موتور ایجاد شود. KVA بزرگ راه‌اندازی و ضریب قدرت پایین باعث اختلال شدید در ولتاژ شین متصل به موتور می‌شود. یک راه‌اندازی موتور (Motor Starter) با کم کردن ولتاژ متصل به موتور در لحظه راه‌اندازی، KVA اولیه را کاهش داده و در نتیجه اختلال ولتاژ کم خواهد شد.
از راه‌انداز‌های اولیه موتور می‌توان به راه‌اندازی ستاره- مثلث اشاره کرد. پیشرفت عناصر نیمه هادی قدرت استفاده از راه‌اندازی موتوری الکترونیکی (ASD) باعث شد که راه‌انداز‌های ستاره- مثلث در مرحله پایین‌تری از آن‌ها قرار گیرند.

خازن‌های موازی
اتصال دائم خازن‌های موازی باعث کم شدن اثر پدیده فلیکر نمی‌شود حتی ممکن است وضعیت را کمی بدتر هم بکند، اما خازن‌های موازی که با بار سوئیچ می‌شوند می‌توانند باعث کاهش افت ولتاژ شوند. در این حالت، اولاً سوئیچ کردن مکانیکی خازن‌ها در مواقعی که قطع و وصل‌های مداوم در زمان‌های کوچک لازم باشد مناسب نیست ثانیاً قطع و وصل کردن آن‌ها خود باعث اضافه ولتاژ و اختلالات ولتاژ می‌شود.

خازن‌های سری
استفاده از خازن‌های سری در مدار تغذیه یک بار عامل ایجاد فلیکر، باعث کاهش فلیکر ولتاژ می‌شود. خازن سری باعث حذف قسمتی از راکتانس سلفی مسیر تغذیه می‌شود و در نتیجه امپدانس سری مدار تغذیه کاهش می‌یابد و افت ولتاژ در مسیر تغذیه کم می‌شود.
اندازه ظرفیت بانک‌های خازنی باید به نحوی انتخاب شود که مقدار فلیکر در قابل قبول قرار گیرد. همچنین باید به مساله تشدید در مدار توجه شود البته در اغلب مواقع استفاده از خازن سری برای بار‌های عامل فلیکر که قدرتشان نسبت به کل بار فیدر کوچک است موفقیت‌آمیز است.
همچنین در صورتی که مقدار جبران‌کننده سری در مقایسه با راکتانس خط کوچک باشد (کمتر از ۵۰ درصد امپدانس شبکه) وقوع هر نوع اختلافی غیرمحتمل است.

کندانسور‌های سنکرون (Synchronous Condensers)
کندانسور‌های سنکرون با کاهش امپدانس دیده شده در سربار می‌توانند باعث کاهش فلیکر ولتاژ شوند. مقدار تصحیح بستگی به اندازه راکتانس‌های زیرگذرا و گذرای کندانسور سنکرون دارد. از لحاظ عملی استفاده از کندانسور‌های سنکرون برای تصحیح فلیکر ناشی از بار‌های کوچک اقتصادی نیست.

تغییر دادن سیستم (System Changes)
با تغییر دادن شکل سیستم می‌توان بار‌هایی که عامل ایجاد نوسان ولتاژ هستند را از دیگر مشترکان جدا کرد. بعضی از روش‌های تغییر سیستم عبارتند از: ساختن خطوط جدید، اضافه کردن ترانسفورماتور، تغییر دادن ولتاژ خط تغذیه، جابجایی بارها، افزایش سطح مقطع فیدر و ... این روش‌ها به طور موثری نوسان ولتاژ را کاهش می‌دهند، اما روش‌های نسبتاً‌گرانی هستند و اغلب از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیستند.

جبران کننده‌های استاتیکی توان راکتیو (SVC: Static Var Compenssators)
یک Cigre SVC یک تولید‌کننده توان راکتیو موازی است که خروجی آن به نحوی تغییر می‌کند تا پارامتر مشخصی را در سیستم قدرت ثابت نگه دارد. در جبران‌کننده‌های عملی، تولید و کنترل توان راکتیو خروجی یک SVC انحصاراً بوسیله کلید‌های تریستوری متصل به بانک‌های خازنی یا سلفی انجام می‌شود.
مقدار بانک‌های خازنی یا ثابت است و یا بوسیله سوئیچ‌های تریستوری به صورت پله‌ای تغییر می‌کند و راکتور‌ها نیز با سوئیچینگ تریستور‌ها اندازه امپدانسشان تغییر می‌کند. انواع SVC بدین شرح هستند.
- راکتور‌های با کنترل تریستور (TCR:Thyristor-Controlled Reactor)
- خازن‌های موازی با کنترل تریستور (TSC:Thyristor-Switched Capacitor)
- ترکیب TSC, TCR
زمان پاسخ SVC حدوداً ۲ تا ۳ سیکل است در نتیجه آن‌ها را برای کاربرد‌های کنترل سریع و مداوم توان راکتیو مناسب می‌سازد. روش‌های اشاره شده در قبل نظیر خازن‌های موازی و یا سری در کنترل نوسانات ولتاژ سریع و متناوب جوابگو نیستند و برای جبران اینگونه نوسانات نیاز به جبران‌کننده‌ای سریع مانند SVC است.