چه چیزی تکنولوژی جبران توان راکتیو، استراتژی‌های بهینه‌سازی آن و اهمیت آن است؟

1 تکنولوژی جبران برق راکتیو
1.1 نقش تکنولوژی جبران برق راکتیو

تکنولوژی جبران برق راکتیو یکی از تکنیک‌های پرکاربرد در سیستم‌های برق و شبکه‌های الکتریکی است. این تکنولوژی عمدتاً برای بهبود عامل توان، کاهش تلفات خط، افزایش کیفیت برق و افزایش ظرفیت و ثبات انتقال در شبکه مورد استفاده قرار می‌گیرد. این امر مطمئن می‌سازد که تجهیزات برق در محیطی پایدار و قابل اعتماد عمل می‌کنند و همچنین قابلیت انتقال توان فعال شبکه نیز افزایش می‌یابد.

1.2 محدودیت‌های تکنولوژی جبران برق راکتیو

با اینکه تکنولوژی جبران برق راکتیو به طور گسترده‌ای کاربرد دارد، اما برای تمام سناریوهای کاربرد مناسب نیست. به عنوان مثال، در سیستم‌هایی با بارهای متغیر، سرعت تغییر وضعیت دستگاه‌های جبرانی ممکن است نتواند با تغییرات سریع بار همگام شود. این موضوع می‌تواند منجر به واکنش ناکافی و نوسانات ولتاژ ناپایدار در شبکه شود.

در برخی موارد، تجهیزات جبران برق راکتیو ممکن است جریان‌ها و ولتاژهای هارمونیک تولید کنند که می‌تواند تأثیرات منفی بر سیستم برق و تجهیزات متصل به آن داشته باشد. بنابراین، مشکلات هارمونیک باید در طراحی و اجرای طرح‌های جبرانی به طور کامل در نظر گرفته شود و اقدامات مناسب خنثی‌سازی اتخاذ شود.

2 استراتژی‌های بهینه‌سازی جبران برق راکتیو

تکنولوژی جبران برق راکتیو مبتنی بر خازنه‌های برقی که در این مقاله پیشنهاد شده است، در یک سیستم جبرانی کامل پیاده‌سازی می‌شود. این سیستم عمدتاً شامل سه مؤلفه است: کنترلر اصلی S751e-JP، برد کنترل S751e-VAR (واحد اجرایی تغییر وضعیت خازنه‌ها) و خازنه‌های برقی. در این میان، کنترلر اصلی S751e-JP و برد کنترل S751e-VAR به صورت رابطه‌ای مدیر-پیرو عمل می‌کنند.

در حالت عملیاتی عادی، برد کنترل S751e-VAR دستورالعمل‌هایی از کنترلر اصلی S751e-JP دریافت می‌کند و به تبع آن کلیدهای مرکب داخلی را کنترل می‌کند تا خازنه‌های برقی پیش‌گروه‌بندی شده را تغییر وضعیت دهد. کنترلر اصلی S751e-JP مسئول جمع‌آوری و تحلیل داده‌های عملیاتی زنده از سیستم برق است. با استفاده از نرم‌افزار و الگوریتم‌های داخلی، مقدار مورد نیاز جبران برق راکتیو را محاسبه می‌کند و این اطلاعات را به سیگنال‌های سازگار با برد کنترل S751e-VAR تبدیل می‌کند. پس از دریافت دستور، برد کنترل عملیات تغییر وضعیت را بر اساس منطق پیش‌تنظیم شده اجرا می‌کند و جبران دقیق برق راکتیو را برای سیستم برق فراهم می‌کند.

2.1 طراحی و پیکربندی تجهیزات جبران برق راکتیو
2.1.1 ظرفیت جبران خازنه‌های برقی

روش محاسبه ساده‌شده معمولاً برای برآورد ظرفیت جبران خازنه‌های برقی استفاده می‌شود. با این حال، این روش در کاربردهای عملی محدودیت‌هایی دارد. بنابراین، این مقاله از الگوریتم دقیق‌تر و جزئی‌تری برای تعیین مقدار مورد نیاز جبران استفاده می‌کند. ابتدا، عامل توان اولیه (cosφ) سیستم در شرایط بدون جبران تعیین می‌شود.

$P$ و $Q$ مقادیر توان فعال و راکتیو هستند، به ترتیب، وقتی که شبکه در بار کامل عمل می‌کند؛
$\α$ عامل بار فعال سالانه سیستم برق (یا شبکه) است که معمولاً بین 0.70 تا 0.75 متغیر است؛
$\β$ عامل بار راکتیو سالانه سیستم برق (یا شبکه) است که معمولاً 0.76 در نظر گرفته می‌شود.

اگر سیستم برق در حال عملیات عادی باشد، می‌توان از داده‌های مصرف برق تاریخی برای محاسبه استفاده کرد. در این صورت:

که:
W_m مصرف میانگین انرژی فعال ماهانه سیستم برق است؛
W_rm مصرف میانگین انرژی راکتیو ماهانه سیستم برق است.

بر اساس عامل توان هدف ذکر شده، ظرفیت جبران فعلی خازنه‌های برقی می‌تواند با استفاده از فرمول زیر تعیین شود:

2.1.2 روش‌های اتصال خازنه‌های برقی

در حالت عملیاتی عادی سیستم برق، خازنه‌های برقی معمولاً از دو روش اتصال اساسی استفاده می‌کنند: اتصال دلتا (Δ) و اتصال Y (وای). علاوه بر این، با توجه به موقعیت دستگاه‌های تغییر وضعیت در مدار، می‌توان آن‌ها را به عنوان پیکربندی‌های تغییر وضعیت داخلی یا خارجی طبقه‌بندی کرد.

اتصال دلتا اجازه می‌دهد تا جبران سه‌فازی سریع و همزمان انجام شود، که به تقلیل مدت زمان عدم تعادل خط و بهبود کارایی جبران کمک می‌کند. با این حال، این روش معمولاً فقط برای سیستم‌هایی با بارهای سه‌فازی نسبتاً متقارن مناسب است و نمی‌تواند جبران دقیق شبکه را فراهم کند.

اتصال Y اجازه می‌دهد تا جبران مستقل و دقیق برای هر فاز خازنه‌های برقی انجام شود. با این حال، ممکن است منجر به ولتاژ کم یا زیاد در یک فاز شود و معمولاً هزینه‌های پیاده‌سازی بالاتری دارد.

بنابراین، این مقاله یک رویکرد ترکیبی را پیشنهاد می‌کند که مزایای هر دو روش اتصال را ترکیب می‌کند و تعداد و ظرفیت گروه‌های خازنه را بر اساس شرایط بار واقعی تنظیم می‌کند.

2.1.3 پیکربندی گروه‌بندی خازنه‌های برقی

پیکربندی گروه‌بندی خازنه‌های برقی معمولاً شامل طرح‌های ظرفیت یکسان و ظرفیت ناهمسان است.

در گروه‌بندی ظرفیت یکسان، خازنه‌های کل به گروه‌هایی با ظرفیت یکسان تقسیم می‌شوند، که تعداد گروه‌ها بر اساس ظرفیت کل مورد نیاز تعیین می‌شود. این روش مونتاژ ساده و منطق کنترل تغییر وضعیت ساده‌تری دارد. با این حال، به دلیل تعداد کمتر گروه‌ها و ظرفیت‌های بزرگتر، موجب مراحل جبران خشن می‌شود و جبران دقیق را سخت می‌کند. تغییر وضعیت مکرر ممکن است سرعت لخته شدن تجهیزات را افزایش دهد و هزینه‌های نگهداری را افزایش دهد.

در گروه‌بندی ظرفیت ناهمسان، ظرفیت‌های خازنه‌ها بر اساس نسبت پیش‌تعیین شده (مثلاً 1∶2∶4∶8) پخش می‌شوند. این رویکرد دقت و انعطاف‌پذیری بالاتری در جبران ارائه می‌دهد و تنظیم دقیق‌تر برق راکتیو را ممکن می‌سازد. با این حال، طراحی و منطق کنترل سیستم پیچیده‌تر است و مقیاس‌پذیری آن محدود است. علاوه بر این، خازنه‌های با ظرفیت کم ممکن است عملیات تغییر وضعیت بسیار زیادی را تجربه کنند که می‌تواند تأثیرات بلندمدت را تحت تأثیر قرار دهد.

بعد از ارزیابی جامع، این مقاله از روش گروه‌بندی ظرفیت یکسان استفاده می‌کند. با این حال، ظرفیت گروه جبران مشترک کمی بزرگتر از گروه جبران تفکیک‌فاز است. این پیکربندی بهتر عملیات تغییر وضعیت دوره‌ای را پشتیبانی می‌کند، دقت و سرعت جبران را افزایش می‌دهد و پیچیدگی کنترل را کاهش می‌دهد. همچنین دوره جبران را کوتاه‌تر و کارایی کلی را افزایش می‌دهد.

2.2 بهینه‌سازی استراتژی جبران برق راکتیو

یک استراتژی جبران برق راکتیو خوب طراحی شده مطمئن می‌سازد که جبران موثر در شرایط مختلف عملیاتی فراهم شود. در حالت عملیاتی عادی سیستم، حالت واقعی سیستم جبرانی می‌تواند به مناطقی مانند منطقه تغییر وضعیت، منطقه پایدار و منطقه خارج کردن، بر اساس پارامترهایی مانند توان فعال و راکتیو تقسیم شود.

بهینه‌سازی استراتژی جبران جنبه مهمی از طراحی سیستم است که مستقیماً تأثیرگذار بر عملکرد جبران است. استراتژی‌های کنترل تک‌پارامتری سنتی فقط بر یک متغیر تمرکز دارند، که آن‌ها را برای مدیریت شرایط پیچیده یا پویا ناکافی می‌کند. این معمولاً منجر به جبران بیش از حد یا تغییر وضعیت بسیار زیاد می‌شود، که هزینه‌های عملیاتی و نگهداری را افزایش می‌دهد.

بنابراین، این مقاله از استراتژی کنترل ترکیبی چند‌پارامتری استفاده می‌کند. یک پارامتر به عنوان معیار تصمیم‌گیری اصلی استفاده می‌شود، در حالی که چند پارامتر دیگر به عنوان عوامل کمکی عمل می‌کنند. سیستم چند پارامتر را به طور همزمان ارزیابی می‌کند، محاسبات جامع انجام می‌دهد تا نیازهای تغییر وضعیت را تعیین کند و عملیات تغییر وضعیت را به تبع آن اجرا می‌کند، که کارایی و ثبات کنترل را افزایش می‌دهد.

2.3 عملیات و نگهداری تجهیزات جبران

برای افزایش پایداری و مقاومت در برابر تداخلات تجهیزات جبران، باید سیستم محافظ داخلی نرم‌افزاری پیاده‌سازی شود. این امر مطمئن می‌سازد که دستگاه می‌تواند در شرایط غیرعادی مختلف به طور عادی عمل کند یا به طور ایمن جدا شود، که منجر به افزایش قابلیت اطمینان و ایمنی عملیاتی می‌شود.

علاوه بر این، تکنسین‌های حرفه‌ای باید به طور منظم نصب، راه‌اندازی و بازرسی‌های تجهیزات را انجام دهند تا نقاط ضعف احتمالی را شناسایی کرده و به موقع تقویت کنند.

سیستم‌های جبران برق راکتیو معمولاً با عملکردهای محافظی مانند محافظ بیش از جریان، بیش از ولتاژ و کمتر از ولتاژ مجهز می‌شوند. برای اطمینان از پاسخ صحیح این محافظ‌ها به نقص‌ها، آزمون منظم عملکرد عملیاتی آن‌ها ضروری است. علاوه بر این، محافظ بیش از جریان و دما باید پیاده‌سازی شود تا ناهماهنگی‌ها را به طور سریع شناسایی کرده و از تشدید نقص‌ها جلوگیری کند.