کاربرد تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خودکار دوطرفه در شبکه‌های توزیع کوهستانی

1. مروری بر کلیات

شبکه‌های توزیع در مناطق کوهستانی با تعداد زیادی از نیروگاه‌های هیدروئیک کوچک مجهز شده‌اند، بیشتر آنها نیروگاه‌های روانابی بدون قابلیت تنظیم هستند. این نیروگاه‌ها به خط مشابه با بارهای الکتریکی متصل می‌شوند که بر عملیات شبکه الکتریکی تأثیرات منفی خاصی دارد. مشکل برجسته‌ترین آنها مسئله کیفیت ولتاژ است. در فصل مرطوب، نیروگاه‌های هیدروئیک کوچک انرژی تولید می‌کنند و به شبکه منتقل می‌شود و عدم توازن قدرت محلی منجر به افزایش ولتاژ خط می‌شود.

در فصل خشک، به دلیل طول خط بلند، قطر سیم کوچک و بار پایین، ولتاژ در نقطه‌ی پایانی خط بسیار پایین است. چون تولید و تأمین برق در یک خط انجام می‌شود، جهت جریان در خط متغیر است که منجر به ناپایداری بالای ولتاژ می‌شود. نصب تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خودکار دوطرفه در خطوط توزیع طولانی می‌تواند مسئله کیفیت ولتاژ را حل کند. با تمرکز بر مشکلات کیفیت ولتاژ در خطوط توزیع کوهستانی با نیروگاه‌های هیدروئیک کوچک، این مقاله خط بیبی از یکی از اداره‌های تأمین برق را به عنوان مثال می‌گیرد و راه‌حل جدیدی از تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خودکار دوطرفه پیشنهاد می‌کند.

1.1 اطلاعات پایه خط 10kV بیبی

به عنوان نماینده‌ی معمولی خطوط شبکه توزیع در مناطق کوهستانی، اطلاعات پایه خط 10kV بیبی در جدول 1 زیر نشان داده شده است.

آمار نشان می‌دهد که در سال ۲۰۱۲، نرخ مؤهل بودن ولتاژ برای ۳۹ ترانسفورماتور توزیع در منطقه تامین برق، حداکثر ۹۹.۸٪ و حداقل آن ۵۴.۴٪ بوده است. فقط ۶ ترانسفورماتور توزیع به استانداردهای نرخ مؤهل بودن ولتاژ پاسخ داده‌اند که این مقدار معادل ۱۵.۳٪ از کل ترانسفورماتورهاست. بالاترین مقدار ثبت شده برای ولتاژ ۳۳۷ وولت بوده که ۴۳٪ بیشتر از حد مجاز است. مشکلات ولتاژ بسیار برجسته است و خرابی متعددی از دستگاه‌های الکتریکی کاربران و شکایات زیادی درباره ولتاژ وجود دارد.

۱.۲ تحلیل انحرافات ولتاژ

دلایل اصلی منجر به مشکل کیفیت ولتاژ خط بیبی عبارتند از:

(۱) تضاد بارز بین فصول مرطوب و خشک. روش عملیاتی واحد‌های هیدروی جریان آزاد با جریان آب در ارتباط تنگاتنگ است. از آنجا که ظرفیت نصبی ایستگاه‌های هیدروی کوچک بسیار بیشتر از ظرفیت بار محلی است، طی فصل مرطوب مقدار زیادی از انرژی برق اضافی به شبکه منتقل می‌شود. در فصل خشک، بار تأمین برق محلی عموماً به تغذیه شبکه وابسته است که منجر به تغییرات قابل توجه در روش عملیاتی بین فصول مرطوب و خشک می‌شود و این موضوع به طور جدی کیفیت برق را تحت تأثیر قرار می‌دهد و باعث می‌شود که سطح ولتاژ منطقه به سطح مؤهل رسیدن دشوار شود.

(۲) فقدان برنامه‌ریزی و نظارت موثر بر ایستگاه‌های هیدروی کوچک. به دلیل ظرفیت واحد کم، تعداد زیاد، پخش گسترده، مالکیت‌های مختلف و تأثیر فصلی قابل توجه بر عملیات ایستگاه‌های هیدروی کوچک، دستیابی به نظارت و کنترل یکپارچه دشوار است. بنابراین، تعدیلات محلی برای مناطق ترانسفورماتوری خاص تأثیر چندانی در بهبود کیفیت ولتاژ ندارد.

(۳) دشواری در عملیات و تنظیم ترانسفورماتورها. جهت جریان برق در خط به طور مکرر تغییر می‌کند. در فصل مرطوب، برق تولید شده به شبکه منتقل می‌شود و ترانسفورماتورهای توزیع با تنظیم تراشه‌های ولتاژ کاهشی برای جلوگیری از سوختن دستگاه‌های الکتریکی کاربران به دلیل سطح بالای ولتاژ عمل می‌کنند. در فصل خشک، برق از شبکه جذب می‌شود و ترانسفورماتورهای توزیع با تنظیم تراشه‌های ولتاژ افزایشی برای اطمینان از استفاده عادی از ولتاژ در سطح کاربر بدون اینکه خیلی کم باشد، عمل می‌کنند. بنابراین، نیاز به عملیات کاهش و افزایش ولتاژ ترانسفورماتورها به طور مکرر تغییر می‌کند و تنظیمات عملیاتی در هماهنگی با تغییرات جریان برق دشوار می‌شود.

(۴) ترانسفورماتور اصلی تامین برق سطح بالاتر از نوع بدون بار با تعداد کم تراشه و محدوده تنظیم محدود است.

۲. کاربرد ترانسفورماتورهای تنظیم ولتاژ دوطرفه

۲.۱ انتخاب راه‌حل‌ها

با مطالعه ویژگی‌های عملیاتی شبکه‌های توزیع کوهستانی با تعداد زیادی از ایستگاه‌های هیدروی کوچک و تحلیل قابلیت استفاده از روش‌های تنظیم ولتاژ موجود، این مقاله یک راه‌حل تنظیم ولتاژ خودکار دوطرفه با قابلیت عملیاتی قوی و عملکرد خوب را انتخاب کرده است.

۲.۲ اصل و اثرات ترانسفورماتورهای تنظیم ولتاژ دوطرفه

۲.۲.۱ اصل کار تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار خط دوطرفه

تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار خط دوطرفه عمدتاً شامل چهار بخش است: تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار سه‌فاز، تغییردهنده تاپ در حالت باردار سه‌فاز، کنترل‌کننده و ماژول شناسایی جریان قدرت. ماژول شناسایی جریان قدرت جهت جریان را تشخیص می‌دهد تا جهت جریان قدرت خط را شناسایی نماید و این سیگنال را به کنترل‌کننده ارسال می‌کند. کنترل‌کننده بر اساس سیگنال‌های ولتاژ و جریان تصمیم می‌گیرد که آیا باید ولتاژ را افزایش یا کاهش دهد، سپس عملکرد موتور داخل تغییردهنده تاپ در حالت باردار را کنترل می‌کند تا تغییردهنده تاپ تاپ‌ها را تغییر دهد. این امر باعث تغییر نسبت دورهای ترانسفورماتور می‌شود تا تنظیم ولتاژ خودکار در حالت باردار انجام شود. تغییردهنده تاپ در حالت باردار نسبت دورهای ترانسفورماتور را تنظیم می‌کند تا ولتاژ خروجی آن را تغییر دهد.

۲.۲.۲ تحلیل اثرات نظری

فصل خشک:تغییرات ولتاژ خط قبل و بعد از نصب BSVR در شکل ۱ نشان داده شده است.

در طول فصل خشک، پس از نصب تنظیم‌کننده ولتاژ دوطرفه BSVR، ولتاژ در انتهای خط اصلی و روی هر خط فرعی افزایش می‌یابد. این مشکل ولتاژ غیرمعمول خط را حل می‌کند و کیفیت مصرف برق کاربران روی خط در فصل خشک را تضمین می‌کند.

فصل مرطوب:ولتاژ در نقاط مختلف خط قبل و بعد از نصب BSVR در طول فصل مرطوب در شکل ۲ نشان داده شده است.

در طول فصل مرطوب، نصب تنظیم‌کننده ولتاژ دوطرفه BSVR ولتاژ در انتهای خط اصلی و روی هر خط فرعی را بهبود می‌بخشد. این کار نه تنها انتقال برق طبیعی از نیروگاه‌های هیدرویی کوچک به شبکه را تضمین می‌کند بلکه کیفیت مصرف برق کاربران در بخش‌های میانی و پشتی خط را نیز تضمین می‌کند.

۲.۳ اثرات کاربردی

با توجه به شرایط واقعی خط، تنظیم‌کننده ولتاژ دوطرفه با ظرفیت ۳۰۰۰kVA در ستون ۶۳ خط اصلی نصب شده است. با در نظر گرفتن شرایط واقعی هر دو فصل خشک و مرطوب، محدوده تنظیم تنظیم‌کننده -۱۵٪ تا +۱۵٪ انتخاب شده است.

کیفیت ولتاژ این خط به طور قابل توجهی بهبود یافته است. این کار نه تنها ولتاژ آستانه برای انتقال برق از نیروگاه‌های هیدرویی کوچک به شبکه اصلی را کاهش می‌دهد (بنابراین نیروگاه‌های هیدرویی نیازی به افزایش بیش از حد ولتاژ ندارند) بلکه ولتاژ بخش اولیه خط را از طریق تنظیم‌کننده افزایش می‌دهد. این امر تضمین می‌کند که نیروگاه‌های هیدرویی بتوانند برق را به شبکه ارسال کنند و همچنین نرخ صحت ولتاژ برای مشتریان خط را افزایش می‌دهد و عملکرد ایمن و پایدار شبکه برق را تضمین می‌کند.

۳. نتیجه‌گیری

هنگامی که دستگاه تنظیم ولتاژ خودکار دوطرفه به خطوط تأمین شده توسط نیروگاه‌های هیدرویی کوچک اعمال می‌شود، هم محاسبات نظری و هم کاربردهای عملی نشان می‌دهند که نصب تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار خط دوطرفه می‌تواند کیفیت ولتاژ را به طور قابل توجهی بهبود بخشد و به طور جامع تعارض تنظیم ولتاژ بین فصول خشک و مرطوب را حل کند.