چهارچوب تکنولوژی جبران برق راکتیو، استراتژی‌های بهینه‌سازی آن و اهمیت آن

1 مروری بر فناوری جبران بار غیرفعال
1.1 نقش فناوری جبران بار غیرفعال

فناوری جبران بار غیرفعال یکی از تکنیک‌های پرکاربرد در سیستم‌های برق و شبکه‌های الکتریکی است. این فناوری عمدتاً برای بهبود ضریب قدرت، کاهش تلفات خط، افزایش کیفیت برق، و افزایش ظرفیت و ثبات انتقال شبکه استفاده می‌شود. این امر مطمئن می‌کند که تجهیزات برق در محیطی پایدار و قابل اعتماد عمل می‌کنند و همچنین توانایی شبکه برای انتقال برق فعال را افزایش می‌دهد.

1.2 محدودیت‌های فناوری جبران بار غیرفعال

با وجود کاربرد گسترده، فناوری جبران بار غیرفعال برای تمام سناریوهای کاربردی مناسب نیست. به عنوان مثال، در سیستم‌هایی با بار متغیر، سرعت تغییر وضعیت دستگاه‌های جبرانی ممکن است نتواند با تغییرات سریع بار همزمان شود. این می‌تواند منجر به واکنش ناکافی شود و در نتیجه نوسانات ولتاژ ناپایدار در شبکه ایجاد می‌شود.

در برخی موارد، تجهیزات جبران بار غیرفعال ممکن است جریان‌های هارمونیک و ولتاژ هارمونیک تولید کنند که می‌تواند تأثیر منفی بر سیستم برق کلی و تجهیزات متصل شده داشته باشد. بنابراین، مشکلات هارمونیک باید در طراحی و اجرای طرح‌های جبرانی به طور کامل در نظر گرفته شوند و تدابیر مناسب کنترل اتخاذ شود.

2 استراتژی‌های بهینه‌سازی جبران بار غیرفعال

فناوری جبران بار غیرفعال مبتنی بر خازنهای برقی که در این مقاله پیشنهاد شده است، در یک سیستم جبرانی کامل اجرا می‌شود. این سیستم عمدتاً شامل سه مؤلفه است: کنترلر اصلی S751e-JP، برد کنترل S751e-VAR (واحد اجرایی تغییر وضعیت خازنهای برقی)، و خازنهای برقی. در این میان، کنترلر اصلی S751e-JP و برد کنترل S751e-VAR به صورت ماستر-اسلاو عمل می‌کنند.

در حالت عادی، برد کنترل S751e-VAR دستورات را از کنترلر اصلی S751e-JP دریافت می‌کند و متناسب با آن تغییر وضعیت خازنهای برقی گروه‌بندی شده را کنترل می‌کند. کنترلر اصلی S751e-JP مسئول جمع‌آوری و تحلیل داده‌های عملیاتی زنده از سیستم برق است. با استفاده از نرم‌افزار و الگوریتم‌های داخلی، مقدار لازم جبران بار غیرفعال را محاسبه می‌کند و این اطلاعات را به سیگنال‌هایی تبدیل می‌کند که با برد کنترل S751e-VAR سازگار هستند. پس از دریافت دستور، برد کنترل عملیات تغییر وضعیت را مطابق منطق پیش‌فرض اجرا می‌کند که این امر موجب جبران دقیق بار غیرفعال سیستم برق می‌شود.

2.1 طراحی و پیکربندی تجهیزات جبران بار غیرفعال
2.1.1 ظرفیت جبران خازنهای برقی

روش محاسبه ساده‌شده برای برآورد ظرفیت جبران خازنهای برقی معمولاً استفاده می‌شود. اما این روش در کاربردهای عملی محدودیت‌هایی دارد. بنابراین، این مقاله از یک الگوریتم دقیق‌تر و جامع‌تر برای تعیین میزان لازم جبران استفاده می‌کند. ابتدا ضریب قدرت اولیه (cosφ) سیستم بدون جبران تعیین می‌شود.

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

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

که در آن:
W_m مصرف میانگین ماهانه انرژی فعال سیستم برق است؛
W_rm مصرف میانگین ماهانه انرژی غیرفعال سیستم برق است.

بر اساس ضریب قدرت هدف ذکر شده، ظرفیت واقعی جبران خازن برقی می‌تواند با استفاده از فرمول زیر تعیین شود:

2.1.2 روش‌های اتصال خازنهای برقی

در حالت کار عادی سیستم برق، خازنهای برقی معمولاً از دو روش اتصال پایه استفاده می‌کنند: اتصال دلتا (Δ) و اتصال Y (وای). علاوه بر این، بر اساس موقعیت دستگاه‌های تغییر وضعیت در مدار، می‌توان آنها را به دو گروه اتصال داخلی و خارجی تقسیم کرد.

اتصال دلتا امکان جبران سریع و همزمان سه‌فاز را فراهم می‌کند که به کاهش مدت نامتوازنی خط و بهبود کارایی جبران کمک می‌کند. اما این روش عموماً تنها برای سیستم‌هایی با بار سه‌فاز نسبتاً متعادل مناسب است و نمی‌تواند جبران دقیق شبکه را فراهم کند.

اتصال Y امکان جبران مستقل و دقیق هر فاز خازن برقی را فراهم می‌کند. اما 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 خازن را بر اساس شرایط بار فعلی تنظیم می‌کند.

2.1.3 پیکربندی گروه‌بندی خازنهای برقی

پیکربندی گروه‌بندی خازنهای برقی معمولاً شامل طرح‌های ظرفیت مساوی و نامساوی است.

در گروه‌بندی ظرفیت مساوی، کل خازنهای برقی به گروه‌هایی با ظرفیت یکسان تقسیم می‌شود و تعداد گروه‌ها بر اساس ظرفیت کل مورد نیاز تعیین می‌شود. این روش مونتاژ ساده و منطق کنترل تغییر وضعیت ساده‌تری دارد. اما به دلیل تعداد کمتر گروه‌ها و ظرفیت بزرگتر هر گروه، مراحل جبران خشن‌تر می‌شوند و جبران دقیق را دشوار می‌کنند. تغییر وضعیت مکرر ممکن است منجر به سایش سریع‌تر تجهیزات و افزایش هزینه‌های نگهداری شود.

در گروه‌بندی ظرفیت نامساوی، ظرفیت خازنهای برقی بر اساس یک نسبت پیش‌تعیین شده (مثلاً 1∶2∶4∶8) توزیع می‌شود. این رویکرد دقت و انعطاف‌پذیری بالاتری در جبران فراهم می‌کند و تنظیم دقیق توان غیرفعال را ممکن می‌سازد. اما طراحی و منطق کنترل سیستم پیچیده‌تر است و قابلیت مقیاس‌پذیری آن محدود می‌شود. علاوه بر این، خازنهای با ظرفیت کمتر ممکن است عملیات تغییر وضعیت بیش از حد داشته باشند که تأثیر منفی بر قابلیت اطمینان بلندمدت دارد.

بعد از ارزیابی جامع، این مقاله از روش گروه‌بندی ظرفیت مساوی استفاده می‌کند. اما ظرفیت گروه جبران مشترک کمی بزرگتر از گروه جبران جداگانه فاز است. این پیکربندی عملیات تغییر وضعیت متناوب را بهتر پشتیبانی می‌کند، دقت و سرعت جبران را افزایش می‌دهد و پیچیدگی کنترل را کاهش می‌دهد. همچنین دوره جبران را کوتاه‌تر می‌کند و کارایی کلی را افزایش می‌دهد.

2.2 بهینه‌سازی استراتژی جبران بار غیرفعال

یک استراتژی جبران بار غیرفعال خوب تضمین می‌کند که جبران موثر در شرایط مختلف عملیاتی انجام شود. در حالت کار عادی سیستم، حالت زنده جبران می‌تواند بر اساس پارامترهایی مانند توان فعال و غیرفعال به مناطقی مانند منطقه تغییر وضعیت، منطقه پایدار و منطقه خارج شدن تقسیم شود.

بهینه‌سازی استراتژی جبران جنبه مهمی از طراحی سیستم است که مستقیماً بر عملکرد جبران تأثیر می‌گذارد. استراتژی‌های کنترل تک‌پارامتری سنتی فقط بر یک متغیر تمرکز دارند و برای مدیریت شرایط پیچیده یا دینامیکی کافی نیستند. این امر معمولاً منجر به جبران بیش از حد یا تغییر وضعیت مکرر می‌شود و هزینه‌های عملیاتی و نگهداری را افزایش می‌دهد.

بنابراین، این مقاله از یک استراتژی کنترل ترکیبی چندپارامتری استفاده می‌کند. یک پارامتر به عنوان معیار تصمیم‌گیری اصلی و چند پارامتر دیگر به عنوان عوامل کمکی استفاده می‌شوند. سیستم چندین پارامتر را به طور همزمان ارزیابی می‌کند، محاسبات جامع انجام می‌دهد تا نیاز به تغییر وضعیت را تعیین کند و عملیات تغییر وضعیت را متناسب با آن اجرا می‌کند، که این امر دقت و پایداری کنترل را افزایش می‌دهد.

2.3 عملیات و نگهداری تجهیزات جبرانی

برای افزایش پایداری و مقاومت در برابر تداخلات تجهیزات جبرانی، باید یک سیستم محافظت نرم‌افزاری داخلی پیاده‌سازی شود. این امر مطمئن می‌کند که دستگاه در شرایط ناهماهنگ مختلف به طور عادی یا با ایمنی خارج شود، که این امر عملکرد قابل اعتماد و ایمنی را افزایش می‌دهد.

علاوه بر این، تکنسین‌های حرفه‌ای باید به طور منظم نصب، راه‌اندازی و بازرسی انجام دهند تا خطرات احتمالی موجود در تجهیزات را شناسایی کرده و تقویت‌های لازم را به طور زمان‌بندی انجام دهند.

سیستم‌های جبران بار غیرفعال معمولاً با قابلیت‌های محافظتی مانند محافظت از جریان بیش از حد، ولتاژ بیش از حد و کمتر از حد مجهز می‌شوند. برای تضمین اینکه این محافظت‌ها به درستی به خطاها پاسخ می‌دهند، تست منظم عملکرد آنها ضروری است. علاوه بر این، باید محافظت از جریان و دما پیاده‌سازی شود تا به طور سریع خطاها را شناسایی کرده و از افزایش خطا جلوگیری کند.