چه چیزی شبکه برق است

تعریف

شبکه برق، که به آن شبکه توان نیز می‌گویند، به عنوان یک شبکه جامع تعریف می‌شود که واحدهای تولید، انتقال و توزیع انرژی را یکپارچه می‌کند. وظیفه اصلی آن تسهیل انتقال برق از منابع تولید به کاربران نهایی است. مقدار قابل توجهی برق با ولتاژ ۲۲۰ کیلوولت یا بالاتر از ایستگاه‌های تولید برق به مراکز بار منتقل می‌شود. شبکه تشکیل شده از این خطوط انتقال با ولتاژ بالا به آن سوپر گرید معروف است. سوپر گرید به نوبه خود انرژی را به شبکه زیرانتقال که معمولاً با ولتاژ ۱۳۲ کیلوولت یا پایین‌تر عمل می‌کند، تأمین می‌کند.

نوع‌های شبکه برق

ایستگاه‌های تولید در یک شبکه برق معمولاً نزدیک به منابع سوخت قرار دارند تا هزینه‌های حمل و نقل سیستم کاهش یابد. اما این معمولاً به این معناست که آنها دور از مناطق پرجمعیت قرار دارند. برق با ولتاژ بالا که در این ایستگاه‌ها تولید می‌شود، با استفاده از ترانسفورماتورهای پایین‌بر در زیرایستگاه‌ها پایین برده می‌شود و سپس به مصرف‌کنندگان توزیع می‌شود. شبکه‌های برق به طور اصلی به دو نوع تقسیم می‌شوند:

شبکه منطقه‌ای

شبکه منطقه‌ای با پیوند دادن سیستم‌های مختلف انتقال در یک منطقه جغرافیایی خاص از طریق خطوط انتقال ایجاد می‌شود. این نوع شبکه برای بهینه‌سازی توزیع و مدیریت برق در سطح محلی یا منطقه‌ای عمل می‌کند و اطمینان می‌دهد که نیازهای برق منطقه به صورت کارآمد برآورده شود.

شبکه ملی

شبکه ملی با اتصال چندین شبکه منطقه‌ای تشکیل می‌شود. این شبکه یک شبکه توزیع واحد و گسترده در سراسر یک کشور فراهم می‌کند که انتقال برق بین مناطق مختلف را بدون مشکل امکان‌پذیر می‌سازد. این سیستم متصل شده به تعادل تأمین و تقاضای برق در کشور کمک می‌کند و پایداری و قابلیت اعتماد کلی شبکه را افزایش می‌دهد.

دلایل اتصال شبکه

اتصال شبکه‌های برق چندین مزیت مهم را فراهم می‌کند. این اتصال به استفاده بهینه از منابع انرژی کمک می‌کند و اطمینان می‌دهد که انرژی به صورت کارآمد در مناطق مختلف توزیع می‌شود. همچنین این اتصال امنیت تأمین برق را نیز افزایش می‌دهد، زیرا خرابی‌هایی که در یک بخش از شبکه رخ می‌دهند می‌توانند توسط برق از مناطق متصل شده دیگر جبران شوند.

علاوه بر این، اتصال شبکه به کارایی اقتصادی و قابلیت اعتماد کلی سیستم توان کمک می‌کند. با پیوند دادن ایستگاه‌های تولید، می‌توان ظرفیت ذخیره تولید لازم در هر منطقه را کاهش داد. این رویکرد منبع مشترک هم هزینه‌های نگهداری توان پشتیبان اضافی را کاهش می‌دهد و هم عملکرد و مقاومت کلی شبکه برق را بهبود می‌بخشد.

وقتی که بار ناگهانی یا از دست دادن تولید برق در یک منطقه خاص از شبکه برق رخ می‌دهد، آن منطقه می‌تواند برق را از مناطق متصل شده مجاور بکشد. اما برای اطمینان از اتصالات قابل اعتماد، مقداری از ظرفیت تولید، به نام ذخیره چرخان، ضروری است. ذخیره چرخان شامل ژنراتورهایی است که با سرعت عادی کار می‌کنند و آماده هستند تا در صورت نیاز بلافاصله برق تأمین کنند.

نوع‌های اتصال

اتصالات بین شبکه‌های برق به طور اصلی به دو نوع تقسیم می‌شوند: اتصال HVAC (جریان متناوب ولتاژ بالا) و اتصال HVDC (جریان مستقیم ولتاژ بالا).

اتصال HVAC (جریان متناوب ولتاژ بالا)

در یک اتصال HVAC، دو سیستم جریان متناوب (AC) از طریق یک خط انتقال AC به هم متصل می‌شوند. برای اتصال موفقیت‌آمیز سیستم‌های AC، حفظ فرکانس به صورت دقیق در هر دو سیستم بسیار مهم است. در یک سیستم ۵۰ Hz، محدوده قابل قبول فرکانس معمولاً بین ۴۸.۵ Hz و ۵۱.۵ Hz است. این نوع اتصال به عنوان اتصال همزمان یا پیوند همزمان شناخته می‌شود، زیرا یک اتصال محکم بین دو سیستم AC ایجاد می‌کند.

با وجود استفاده گسترده از اتصال AC، این نوع اتصال چندین محدودیت دارد و اتصال سیستم‌های AC معمولاً با چالش‌های زیر مواجه می‌شود:

• انتشار اختلال فرکانس: چون اتصال بین دو شبکه AC همزمان است، هر تغییر در فرکانس یک سیستم به سرعت به سیستم دیگر منتقل می‌شود. این می‌تواند منجر به ناپایداری در شبکه متصل شده شود.

• تأثیر نوسانات توان: نوسانات توان در یک سیستم AC می‌تواند به طور قابل توجهی بر سیستم دیگر تأثیر بگذارد. نوسانات توان در مقیاس بزرگ می‌تواند باعث فعال شدن مکرر دستگاه‌های محافظ شود که ممکن است منجر به خطا‌های بزرگ در سیستم شود. در موارد شدید، این خطا‌ها می‌توانند منجر به انهدام کامل شبکه AC متصل شده شوند.

• افزایش سطح خطا: اتصال یک سیستم AC موجود به سیستم دیگر از طریق یک خط اتصال AC می‌تواند سطح خطا را افزایش دهد. این اتفاق می‌افتد زیرا خط موازی اضافی واکنش معادل سیستم متصل شده را کاهش می‌دهد. اما اگر هر دو سیستم AC به یک خط خطا متصل شوند، سطح خطا هر سیستم جداگانه تأثیر نمی‌بیند.

اتصال HVDC (جریان مستقیم ولتاژ بالا)

اتصال DC یا پیوند DC، یک اتصال انعطاف‌پذیر‌تر بین دو سیستم AC متصل شده ارائه می‌دهد. برخلاف اتصالات HVAC، پیوندهای DC غیرهمزمان (ناهمزمان) هستند. رویکرد اتصال HVDC چندین مزیت قابل توجه دارد:

• استقلال فرکانس: طبیعت غیرهمزمان سیستم اتصال DC اجازه می‌دهد تا شبکه‌های AC که با فرکانس‌های یکسان یا متفاوت کار می‌کنند به هم متصل شوند. این ویژگی منحصر به فرد امکان یکپارچه‌سازی سیستم‌های AC متنوع را فراهم می‌کند و اجازه می‌دهد هر سیستم استانداردهای فرکانس خود را حفظ کرده و مستقل کار کند.

• کنترل دقیق جریان توان: پیوندهای HVDC می‌توانند به سرعت و با قابلیت اطمینان کنترل میزان و جهت جریان توان را با تنظیم زاویه تیراندازی کنورترها انجام دهند. این مکانیسم کنترل دقیق حد پایداری موقت سیستم متصل شده را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد و انتقال قابل اعتماد‌تر برق را تضمین می‌کند.

• دمپینگ نوسانات توان: با تعدیل جریان توان از طریق پیوند DC، اتصالات HVDC می‌توانند به سرعت نوسانات توان در شبکه‌های AC متصل شده را میرا کنند. این به طور موثر پایداری کلی شبکه برق را افزایش می‌دهد و خطر شکست‌های لانه‌ای را کاهش می‌دهد و مقاومت سیستم را افزایش می‌بخشد.

در دوران مدرن، شبکه‌های برق سنتی به طور فزاینده‌ای با شبکه‌های هوشمند جایگزین می‌شوند. با استفاده از سنج‌های هوشمند و وسایل خانگی هوشمند، شبکه‌های هوشمند کارایی عملیاتی بهتر، مدیریت بهتر طرف تقاضا و عملکرد کلی بهتری نسبت به همتایان سنتی خود ارائه می‌دهند.