كيفيت توان در سالهاي اخير به طور جدي مورد توجه موسسات برق و مصرف‌كنندگان در برخي از كشورها قرار گرفته است. عامل اصلي ضرورت بازنگري مساله، گسترش بكارگيري تجهيزات جديد الكتريكي در شبكه‌هاست. كاربرهاي جديد مانند: ميكروپروسسورها، كامپيوترها، وسايل الكترونيكي سيستم‌هاي تغذيه و كنترل الكتروموتورها و فرآيند توليد كوره‌هاي القايي، لامپهاي كم‌مصرف و ... از يك سو حساسند و به توان الكتريكي با كيفيت مطلوب نياز دارند و در ارزيابي كيفيت توان برق با توجه به ويژگيهاي تجهيزات جديد و توقعات مشتركين بخصوص در محيط رقابت اقتصادي علاوه بر مدت زمان برق‌دار بودن، از جمله: پديده‌هاي گذراي ضربه‌اي يا نوساني، كاهش و افزايش كوتاه‌‌مدت ولتاژ، انحراف شكل موج و اعوجاج آن، تغيير فركانس، فليكر و عدم تعادل ولتاژ بايد دقيقاً‌مورد بررسي قرار گيرد. زيرا اثرات سوء آنها روي تجهيزات موجب عملكرد نادرست، صدمه ديدن دستگاه‌ها و قطع روند توليد مي‌شود.

كيفيت توان از سه عامل زير تاثير مي‌پذيرد.

1- فليكر: نوسانات ولتاژ ناشي از راه‌اندازي تجهيزات خاص در كارخانجات، كارگاه‌ها و يا منازل نظير موتورها، كوره‌هاي قوس الكتريكي و ... باعث فليكر مي‌شود.

2- هارمونيك‌ها: در شرايط هارمونيكي، مفاهيم توان‌هاي راكتيو و ظاهري با آنچه كه در شرايط شكل موج سينوسي خالص وجود دارد، متفاوت است. كه اين عامل باعث ايجاد توان اعوجاجي مي‌شود كه فقط در شرايط غيرسينوسي وجود دارد. در اين مقاله سعي شده است با يك مثال ساده برخي از تفاوت‌هاي اساسي و اصولي كه در مفاهيم اوليه توان در شرايط هارمونيكي وجود دارد، نشان داده شود.

3- عدم تعادل ولتاژ: در شرايط نرمال دامنه ولتاژ سه فاز با هم برابر و اختلاف فاز بين آنها برابر 120 درجه است. هرگونه عدم تعادل برابر در دامنه ولتاژ و يا تغيير در اختلاف فاز بين ولتاژ‌هاي سه فاز نامتعادلي ولتاژ ناميده مي‌شود. در اين مقاله كوشش شده است بر استانداردهاي معتبر موجود در زمينه كيفيت توان خصوصاً كميت عدم تعادل ولتاژ اشاره شود و روابط مربوط به تحليل شبكه سه فاز در شرايط عدم تعادل و روش محاسباتي براي ولتاژ و جريان در شبكه ارايه شود.

4- درخصوص روش‌هاي جبران‌سازي عدم تعادل ولتاژ در صنايع، پس از ارايه علل و تاثيرات عدم تعادل بر روي مصرف‌كننده‌هاي الكتريكي با تاكيد بر وري الكتروموتورها در مورد روش‌هاي جبران‌سازي آن و فناوري‌هاي موجود در اين زمينه بحث مي‌شود. اين فناوري‌ها بر پايه ادوات FACT بنا شده است كه در اين مقاله با تاكيد بر روي SVC‌ها به دليل سادگي كاربرد آن بيان شده است. SVCها  تركيبي از خازن‌هاي ثابت، تريستورهاي سوئيچ‌كننده خازن و سلفهاي كنترل‌كننده تريستورها هستند كه به عنوان جبران‌كننده از آنها استفاده مي‌شود.

تعريف كيفيت توان

از كيفيت توان مي‌توان دو برداشت متفاوت ارايه داد. به عنوان مثال شركت‌هاي برق كيفيت توان را مترادف با قابليت اطمينان تعريف كرده‌اند. در عوض سازندگان وسايل الكتريكي كيفيت توان را بصورت كاركرد مناسب دستگاه‌ها بر اساس مشخصات منبع تغذيه تعريف مي‌كنند. ولي آنچه به عنوان كيفيت توان در اين مقاله مورد استفاده قرار گرفته است عبارت است از هرگونه مشكلي كه باعث تغيير در ولتاژ، جريان يا فركانس شوند و موجب خرابي و يا عملكرد نادرست تجهيزات مصرف‌كننده شود.

در رابطه با عوامل ايجادكننده مساله كيفيت توان، سوء تفاهم‌هاي زيادي وجود دارد. به طور كلي در يك سيستم قدرت تنها كيفيت ولتاژ را مي‌توان كنترل كرد و كنترل مناسبي بر روي جريانهايي كه بارهاي مختلف مي‌كشند، وجود ندارد. بنابراين استانداردهاي موجود كشورهاي صنعتي در حوزه كيفيت برق عمدتاً‌حدود مجاز ولتاژ منبع را مشخص مي‌كند. شبكه‌هاي برق جريان متناوب طوري طراحي مي‌شوند كه در يك ولتاژ سينوسي با فركانس و دامنه مشخص كار مي‌كند. هرگونه انحراف قابل توجه در دامنه فركانس و ... يك مساله كيفيت برق خواهد بود.

عوامل تاثيرگذار بر كيفيت برق

فليكر

فليكر در حقيقت يك احساس شخصي از كم و زياد شدن ميزان روشنايي است كه بصورت سوسوزدن نور لامپهاي رشته‌اي ظاهر مي‌شود.

عوامل تاثيرگذار بر فليكر

هر پديده‌اي كه باعث تغييرات مقدار موثر ولتاژ منبع تغذيه مي‌شود به عنوان عامل ايجاد‌كننده فليكر شناخته مي‌شود.

سوئيچ كردن بارهاي مختلف مي‌تواند باعث به وجود آمدن پديده فوق شود، زيرا عموماً‌جريان هجومي در ملاحظه راه‌اندازي (سوئيچ كردن) از جريان حالت دائمي بيشتر است.

راه‌اندازي موتورها يكي از منابع معمول و اصلي ايجاد فليكر در شبكه‌ها است. اين دسته‌بندي كلي از موتورها شامل انواع فنها، پمپها، كمپرسورها، دستگاههاي تهويه مطبوع، يخچال‌‌ها، آسانسورها و غيره است. همچنين بارهايي كه به صورت متناوب كار مي‌كنند مانند دستگاههاي جوش قوسي يا نقطه‌اي، كوره‌هاي قوسي يا القايي باعث تغييرات ناگهاني در ولتاژ تغذيه شده و در نتيجه باعث ايجاد فليكر مي‌شوند. از منابع ديگر ايجاد كننده فليكر مي‌توان به سوئيچ كردن خازنهاي تصحيح ضريب قدرت در شبكه اشاره كرد.

منحني مشخصه حساسيت فليكر ولتاژ

جهت تعيين محدوده مجاز فليكر،تاكنون منحني مشخصه‌هاي مختلفي از سوي كشورها و كمپانيهاي مختلف ارايه شده و مورد استفاده فراوان نيز قرار گرفته‌اند. صرفنظر از نوع بار، به ازاي تعداد مشخصي نوسان در مدت زمان مشخص و يا به عبارت ديگر در يك فركانس نوسانات مشخص، اگر درصد تغييرات ولتاژ از يك حدكمتر باشد، فليكر اصلاً‌ تشخيص داده نمي‌شود. از طرف ديگر يك مقدار مشخص از درصد تغييرات ولتاژ، با تغيير فركانس نوسانات فليكر مي‌تواند غيرقابل احساس، قابل احساس و يا آزاردهنده باشد.

بنابراين با توجه به موارد ياد شده در بالا نتيجه مي‌شود كه تشخيص پديده فليكر و تعيين مجاز يا غيرمجاز بودن آن به سه عامل زير بستگي دارد.

- منحني مشخصه حساسيت فليكر كه تعيين كننده حدود مجاز آن است.

- فركانس تغييرات اندازه ولتاژ

- درصد تغييرات اندازه ولتاژ

روشهاي جبران و تصحيح فليكر

قبل از اينكه به روشهاي جبران و تصحيح پديده فليكر پرداخته شود لازم است با توجه به موارد ذكر شده در بالا به چند نكته در مورد وضعيت سيستم و بارهاي عامل فليكر اشاره شود.

- بارهاي متصل به سيستم‌هاي ضعيف (Weak System) در مقايسه با همان بارها كه به سيستم بهم پيوسته (Stiff System) وصل شده است فليكر قابل توجه‌تري را ايجاد مي‌كند.

- مقدار فليكر در نزديكي منابع ايجاد‌كننده آنها بيشترين مقدار است. مشتركاني كه از همان ترانس كه منبع فليكر به آن وصل شده تغذيه‌كنند اثرپذيري بيشتري از ساير مشتركاني دارند كه از ترانس‌هاي مجزايي استفاده مي‌كنند.

- دامنه تغييرات ولتاژ ايجاد شده در اوليه بطور قابل توجهي كمتر از آنچه در ثانويه مشاهده مي‌شود، است. اكنون روشهاي ممكن براي كاهش فليكر غيرقابل قبول به مقدار مجاز بررسي مي‌شود. لازم به ذكر است كه براي هر نوع بار عامل فليكر، مي‌توان يكي از روشهاي ارايه شده را با توجه به كيفيت عملكرد و جنبه اقتصادي آن روش استفاده كرد.

راه‌اندازي موتوري/ وسايل تنظيم‌كننده سرعت

راه‌اندازي موتورها يكي از مهمترين عوامل ايجاد فليكر ولتاژ در شبكه‌هاي برق است. جريان راه‌اندازي اغلب موتورها چندين برابر جريان بار كامل موتور است تا كوپل راه‌اندازي كافي جهت راه‌انداختن موتور ايجاد شود. KVA بزرگ راه‌اندازي و ضريب قدرت پايين باعث اختلال شديد در ولتاژ شين متصل به موتور مي‌شود. يك راه‌اندازي موتور (Motor Starter) با كم كردن ولتاژ متصل به موتور در لحظه راه‌اندازي، KVA اوليه را كاهش داده و در نتيجه اختلال ولتاژ كم خواهد شد.

از راه‌اندازهاي اوليه موتور مي‌توان به راه‌اندازي ستاره- مثلث اشاره كرد. پيشرفت عناصر نيمه‌ هادي قدرت استفاده از راه‌اندازي موتوري الكترونيكي (ASD) باعث شد كه راه‌اندازهاي ستاره- مثلث در مرحله پايين‌تري از آنها قرار گيرند.

خازنهاي موازي

اتصال دائم خازنهاي موازي باعث كم شدن اثر پديده فليكر نمي‌شود حتي ممكن است وضعيت را كمي بدتر هم بكند اما خازنهاي موازي كه با بار سوئيچ مي‌شوند مي‌توانند باعث كاهش افت ولتاژ شوند. در اين حالت، اولاً‌ سوئيچ كردن مكانيكي خازنها در مواقعي كه قطع و وصل‌هاي مداوم در زمانهاي كوچك لازم باشد مناسب نيست ثانياً قطع و وصل كردن آنها خود باعث اضافه ولتاژ و اختلالات ولتاژ مي‌شود.

خازنهاي سري

استفاده از خازنهاي سري در مدار تغذيه يك بار عامل ايجاد فليكر، باعث كاهش فليكر ولتاژ مي‌شود. خازن سري باعث حذف قسمتي از راكتانس سلفي مسير تغذيه مي‌شود و در نتيجه امپدانس سري مدار تغذيه كاهش مي‌يابد و افت ولتاژ در مسير تغذيه كم مي‌شود.

اندازه ظرفيت بانكهاي خازني بايد به نحوي انتخاب شود كه مقدار فليكر در قابل قبول قرار گيرد. همچنين بايد به مساله تشديد در مدار توجه شود البته در اغلب مواقع استفاده از خازن سري براي بارهاي عامل فليكر كه قدرتشان نسبت به كل بار فيدر كوچك است موفقيت‌آميز است.

همچنين در صورتي كه مقدار جبران‌كننده سري در مقايسه با راكتانس خط كوچك باشد (كمتر از 50 درصد امپدانس شبكه) وقوع هر نوع اختلافي غيرمحتمل است.

كندانسورهاي سنكرون (Synchronous Condensers)

كندانسورهاي سنكرون با كاهش امپدانس ديده شده در سربار مي‌توانند باعث كاهش فليكر ولتاژ شوند. مقدار تصحيح بستگي به اندازه راكتانسهاي زيرگذرا و گذراي كندانسور سنكرون دارد. از لحاظ عملي استفاده از كندانسورهاي سنكرون براي تصحيح فليكر ناشي از بارهاي كوچك اقتصادي نيست.

تغيير دادن سيستم (System Changes)

با تغيير دادن شكل سيستم مي‌توان بارهايي كه عامل ايجاد نوسان ولتاژ هستند را از ديگر مشتركان جدا كرد. بعضي از روشهاي تغيير سيستم عبارتند از ساختن خطوط جديد، اضافه كردن ترانسفورماتور، تغيير دادن ولتاژ خط تغذيه، جابجايي بارها، افزايش سطح مقطع فيدر و ... اين روشها به طور موثري نوسان ولتاژ را كاهش مي‌دهند اما روشهاي نسبتاً‌گراني هستند و اغلب از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه نيستند.

جبران كننده‌هاي استاتيكي  توان راكتيو  (SVC: Static Var Compenssators)

يك Cigre SVC يك توليد‌كننده توان راكتيو موازي است كه خروجي آن به نحوي تغيير مي‌كند تا پارامتر مشخصي را در سيستم قدرت ثابت نگه دارد. در جبران‌كننده‌هاي عملي، توليد و كنترل توان راكتيو خروجي يك SVC انحصاراً بوسيله كليدهاي تريستوري متصل به بانكهاي خازني يا سلفي انجام مي‌شود.

مقدار بانكهاي خازني يا ثابت است و يا بوسيله سوئيچهاي تريستوري به صورت پله‌اي تغيير مي‌كند و راكتورها نيز با سوئيچينگ تريستورها اندازه امپدانسشان تغيير مي‌كند. انواع SVC بدين شرح هستند.

- راكتورهاي با كنترل تريستور (TCR:Thyristor-Controlled Reactor)

- خازنهاي موازي با كنترل تريستور (TSC:Thyristor-Switched Capacitor)

- تركيب TSC, TCR

زمان پاسخ SVC حدوداً 2 تا 3 سيكل است در نتيجه آنها را براي كاربردهاي كنترل سريع و مداوم توان راكتيو مناسب مي‌سازد. روشهاي اشاره شده در قبل نظير خازنهاي موازي و يا سري در كنترل نوسانات ولتاژ سريع و متناوب جوابگو نيستند و براي جبران اينگونه نوسانات نياز به جبران‌كننده‌اي سريع مانند SVC است. 

روش محاسبه فليكر

در صورتي كه ZL,ZS را به ترتيب امپدانس خط و بار در نظر بگيريم و EL ولتاژ دو سر بار باشد روابط زير برقرار خواهد بود.

- SRE: كل قدرت ظاهري (KVA) مورد نياز شبكه

- SSC: قدرت اتصال كوتاه (KVA)

در رابطه (1-2)، SSC قدرت اتصال كوتاه در نقطه‌اي از شبكه است كه فليكر ولتاژ در آن محاسبه مي‌شود. فرم مطلق رابطه (3-2) به فرم زير است:

در رابطه‌هاي (102) و (2-2) SRC كل قدرت مورد نياز بار و آنچه در امپدانس خط تلف مي‌شود، است. روابط فوق را مي‌توان با تقريب به صورت رابطه (3-2) نوشت:

SRC: قدرت مورد احتياج بار است.

رابطه (3-2) رابطه تقريبي است كه در آن Sre قدرت مورد نياز بار است. در حالت وقتي اطلاعاتي از بار در دسترس نباشد اطلاعات آمده در مشخصات نامي بار را مي‌توان به عنوان مقادير پايه به كار برد. البته چون هدف بررسي اثرات راه‌اندازي و شروع به كار بارهاي مولد فليكر است، در رابطه (3-2) Sre، قدرت مورد نياز بار در لحظات راه‌اندازي و شروع به كار آن است. پس در حالت كلي با داشتن قدرت ظاهري لحظه راه‌اندازي بار و قدرت اتصال كوتاه محل اتصال بار به شبكه، مي‌توان دامنه افت ولتاژ را در شينه بار از رابطه (3-2) به دست آورد و با داشتن فركانس نوسانات و استفاده از منحني حساسيت فليكر مقدار فليكر ولتاژ را نسبت به حدود مجاز مشخص كرد. براي بارهاي موتوري (القايي) دستگاههاي جوش و كوره‌هاي القايي مي‌توان مقادير تقريبي از SRE را با استفاده از مقادير نامي آنها پيدا كرد.

در عمل براي موتورهاي القايي اگر Pn، توان نامي بر حسب اسب بخار (HP) باشد، Sre (بر حسب KVA) در حدود 6Pn تا 8Pn اختيار مي‌شود. براي دستگاههاي جوش، اگر Pn برحسب كيلووات (KW) باشد، Sre (برحسب KVA) در ضريب 6/0 در محدوده Pn25/1 تا Pn75/1 و در ضريب توان 4/0 در محدوده Pn75/1 تا Pn3 اختيار مي‌شود. همچنين براي كوره‌هاي القايي، اگر Pn برحسب كيلووات آمپر (KVA) باشد، Sre بين 2Pn تا 4Pn در نظر گرفته مي‌شود.

لازم به توضيح است كه اگر اطلاعات جزيي‌تري از موتورها در اختيار باشد مي‌توان از رابطه زير براي محاسبه Sre در لحظه راه‌اندازي استفاده كرد:

در اين رابطه:

- HP: توان مكانيكي موتور بر حسب اسب‌بخار

- ? : راندمان

- PF: ضريب توان در كاركرد عادي

- Is: جريان راه‌اندازي

- In: جريان نامي

- ?: ضريب راه‌اندازي و بسته به اينكه موتور مستقيماً‌يا با اتو ترانسفورمر در تپهاي 80%، 65% و 50% به شبكه وصل شود به ترتيب مقادير 1، 68/0، 46% و 3/0 را خواهد داشت.

و سرانجام:

D-statcom بطور موازي با شبكه قرار مي گيرد و با تزريق توان را اكتيو  به شبكه اعوجاج ها هارمونيكي را جبران مي كند. D-statcom در حمايت ولتاژ در شبكه توزيع مطلوب خواهد بود و از نفوذ اغتشاشات بار به شبكه جلوگيري مي كند. كمبود ولتاژ به وسيله تزريق جريان رااكتيو يا با استفاده از مقدار انرژي ذخيره شده، در خازن مبدل جبران سازي مي شود. كمبود تكفاز به وسيله كشيدن توان از فاز هاي سالم جبران سازي ميشود.

خازن قديمي ترين جبران كننده توان راكتيو است كه به علت سادگي ساختار و عملكرد، همچنين ارزانتر بودن نسبت به ساير ادوات جبران كننده، در حال حاضر يكي از متداول ترين ادوات جبران كننده در شبكه برق است... 

نياز به پشتيباني ولتا‍‍‍‍‍‍‍ژ

توان راكتيو براي حفظ و كنترل ولتاژ در سيستم هاي الكتريكي ac ‍‍‍, نقش بسيار مهمي دارد. توانايي برطرف كردن نياز به تغييرات سريع در انرژي راكتيو از عدم پايداري افت ولتاژ حتي فروپاشي ولتاژ و ... و برايند هاي حاصله و تجهيزات توليد تجهيزات انتقال و توزيع و بارهاي مرتبط با مصرف كننده هاي صنعتي تجاري مسكوني جلوگيري ميكند.

در دو دهه ي گذشته در بعضي موارد افت بار بوجود آمده است كه علت اين موضوع ريكاوري (بازگشت به حالت نرمال) دير هنگام ولتاژ در اثر وقوع اختلال قابل توجه در سيستم توزيع است.

کنترل توان راکتيو بعنوان يک عامل حائز اهميت در طراحي وبهره‌برداري از سيستم‌هاي قدرت از ديرباز مورد توجه بوده است و امروزه اولا" به دليل فشار روزافزون در جهت بهره‌برداري با حداکثر راندمان و با قابليت اطمينان بالا وثانيا" بخاطر توسعه انواع جديدي از جبران کننده‌هاي توان راکتيو با قابليت‌هاي برتر، از اهميت فوق‌العاده‌اي برخوردار است . پيشرفت الکترونيک قدرت ابزار قدرتمندي را در اختيار صنعت انتقال و توزيع انرژي الکتريکي قرار داده است . يکي از عمده‌ترين آنها که اخيرا" بطور گسترده مورد استفاده قرار مي‌گيرد، جبران کننده‌هاي توان راکتيو کنترل شده توسط تريستورها (SVC) مي‌باشد اين وسايل بطور موفقيت‌آميزي در جبران توان راکتيو در حالت ماندگار و گذراي شبکه مورد استفاده قرار مي‌گيرد. کنترل و پايداري از مهمترين مسائلي هستند که بايد در شبکه‌هاي قدرت امروزي از ديد يک سيستم ديناميکي مورد مطالعه و تحقيق قرار گيرند براساس نتايج آن توسعه آينده شبکه طراحي شده و شبکه موجود نيز بهبود يابد، اختلالاتي که در سيستم‌هاي قدرت اتفاق مي‌افتد باعث ايجاد نوساناتي در سيستم مي‌گردد که مي‌تواند پايداري ديناميکي سيستم را بخطر اندازد، يکي از عواملي که پايداري شبکه‌هاي قدرت را تهديد مي‌نمايد نوسانات فرکانس پائين در شبکه‌هاي بهم پيوسته مي‌باشد، لذا ميراي اين نوسانات يک امر ضروري براي اطمينان از عملکرد پايدار سيستم‌هاي قدرت مي‌باشد. يکي از وسائل مدرن و موثري که در سالهاي اخير جهت بهبود پايداري ديناميکي و گذراي سيستم‌هاي قدرت استفاده مي‌گردد جبران کننده‌ها استاتيک توان راکتيو مي‌باشد که با استفاده از اين جبران کننده‌ها و با اتخاذ استراتژيهاي کنترلر مناسب و حلقه‌هاي فيدبک مي‌توان بطور موثر ميراي نوسانات فرکانس پائين را بهبود بخشيد. اولين مرحله در بکارگيري اين وسايل در يک شبکه بزرگ مشخص نمودن موثرترين مکان نصب اين تجهيزات مي‌باشد تا بيشترين استفاده از قابليت‌هاي آن در شبکه بعمل آيد. زيرا عليرغم قابليت‌هاي زياد(SVC)  در صورت نصب آن در مکاني نامناسب ، مستقل از سيستم کنترل و ابعاد جبران کننده هيچ تاثيري بر پايداري شبکه نمي‌گذارد لذا تعيين مکان بهينه نصب(SVC) با استفاده از روش صحيح و مناسب لازم و ضروري مي‌باشد. کانون توجه این تحقیق و فرضیه بر روی کاربرد(SVC) برای حل تنظیم ولتاز و بهبود عملکرد دینامیکی سیستم می باشد.(SVC) یک کنترل کننده کامل وبالغ بر پایه تریستور می باشد که کنترل ولتاز سریع را برای حمایت توان الکتریکی در طی وبلا فاصله بعد از اغتشاشات سیستم اصلی را فراهم می نماید. وقتی که پخش توان اضافی در خط انتقال وجود دارد سعی برآن دارند که با راه حلی کم خرج آن را کاهش دهند وقتی امنیت سیستم یا مسئله تراکم در طول ناحیه مورد مطالعه مشاهده شود راحل های کارامد پر هزینه ای براى اين چنين مسائل  مورد توجه قرار می گیرد. راه‌حلهاى سنتى مسئله تراکم وامنیت سیستم را با نصب خطوط انتقال جدید گران قیمت  حل می کرداند که اغلب بانک های خازنی که بصورت مکانیکی کلید زنی می شوند بودند که دارای مزایای محدود برای عملکرد دینامیکی در طول کلیدزنی و تکرار آن است. یک راه کار برای حل این مشکل در کاربرد سیستم انتقال (AC)  قابل انعطاف وجود دارد که شامل (SVC)   می شود. تکنولوزی (FACTS) بر روى پاسخ كنترل سريع توان راکتیو بر پایه تریستور بنياد ‌شده است.