کاربرد تنظیمکنندههای ولتاژ خودکار خطوط تغذیه SVR در شبکههای توزیع روستایی
۱. مقدمه
در سالهای اخیر، با توسعه پایدار و سریع اقتصاد ملی، تقاضای برق به طور قابل توجهی افزایش یافته است. در شبکههای برق روستایی، افزایش مداوم بار، همراه با توزیع غیرمنطقی منابع برق محلی و محدودیت قابلیت تنظیم ولتاژ در شبکه اصلی، منجر به وجود تعداد قابل توجهی خطوط فیدر ۱۰ کیلوولتی بلند شده است—به خصوص در مناطق کوهستانی دوردست یا مناطق با ساختار شبکه ضعیف—که شعاع تأمین آنها از استانداردهای ملی فراتر رفته است. بنابراین، کیفیت ولتاژ در انتهای این خطوط ۱۰ کیلوولتی دشوار قابل تضمین است، عامل توان نمیتواند نیازهای مورد نظر را برآورده کند و تلفات خط بالا میماند.
به دلیل محدودیتهایی مانند محدودیت بودجه ساخت شبکه و در نظر گرفتن بازده سرمایهگذاری، حل تمام مشکلات کیفیت ولتاژ پایین در خطوط توزیع ۱۰ کیلوولتی فقط با استفاده از نصب تعداد زیادی از زیرمراکز توزیع ولتاژ بالا یا تمدید بیش از حد شبکه عملی نیست. تنظیمکننده ولتاژ خودکار ۱۰ کیلوولتی که در ادامه معرفی میشود، یک راهحل فنی قابل اجرا برای حل مشکلات کیفیت ولتاژ ضعیف در خطوط توزیع با شعاع تأمین طولانی ارائه میدهد.
۲. اصول کار تنظیمکننده ولتاژ
تنظیمکننده ولتاژ خودکار SVR (Step Voltage Regulator) شامل مدار اصلی و کنترلکننده تنظیم ولتاژ است. مدار اصلی شامل یک خودسازنده سهفازی و یک تنظیمکننده تپی سهفازی تحت بار (OLTC) است، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است.
سیستم پیچیده تنظیمکننده شامل پیچیده موازی، پیچیده سری و پیچیده ولتاژ کنترل است:
پیچیده سری یک پیچه چند تپی است که بین ورودی و خروجی از طریق تماسهای مختلف تنظیمکننده تپی متصل میشود؛ این پیچه به طور مستقیم ولتاژ خروجی را تنظیم میکند.
پیچیده موازی به عنوان پیچیده مشترک خودسازنده عمل میکند و میدان مغناطیسی لازم برای انتقال انرژی را تولید میکند.
پیچیده ولتاژ کنترل، که بر روی پیچیده موازی پیچیده شده است، به عنوان ثانویه پیچیده موازی برای تامین انرژی عملیاتی برای کنترلکننده و موتور، همچنین ارائه سیگنالهای ولتاژ برای اندازهگیری خروجی عمل میکند.
اصول کار به شرح زیر است: با متصل کردن تپهای پیچیده سری به موقعیتهای مختلف تنظیمکننده تپی تحت بار، نسبت دورهای بین پیچیدههای ورودی و خروجی از طریق کنترل شدن تغییر تپی، تغییر میکند و بنابراین ولتاژ خروجی تنظیم میشود. بر اساس نیازهای کاربردی، تنظیمکنندههای تپی تحت بار معمولاً با ۷ یا ۹ تپی کنفیگوره میشوند، که به کاربران اجازه میدهد کنفیگوراسیون مناسب را بر اساس نیازهای واقعی تنظیم ولتاژ انتخاب کنند.
نسبت دورهای بین پیچیدههای اولیه و ثانویه تنظیمکننده با یک ترانسفورماتور معمولی سازگار است، یعنی:
۳. مثال کاربردی
۳.۱ شرایط فعلی خط
خط توزیع ۱۰ کیلوولتی معینی دارای طول فیدر اصلی ۱۵.۱۳۸ کیلومتر است که با دو نوع هادی LGJ-۷۰ میلیمتر مربع و LGJ-۵۰ میلیمتر مربع ساخته شده است. ظرفیت کل ترانسفورماتورهای توزیع در امتداد خط ۷۲۶۰ کیلوواط است. در ساعات بار پیک، ولتاژ در سمت ۲۲۰ ولت ترانسفورماتورهای توزیع در بخشهای میانی تا انتهایی خط به کمتر از ۱۷۵ ولت میرسد.
هادی LGJ-۷۰ دارای مقاومت ۰.۴۵۸ اهم/کیلومتر و واکنش ۰.۳۶۳ اهم/کیلومتر است. بنابراین، مقاومت کل و واکنش از زیرمرکز تا ستون شماره ۹۷ در فیدر اصلی به صورت زیر است:
R = ۰.۴۵۸ × ۶.۴۳۷ = ۲.۹۵ اهم
X = ۰.۳۶۳ × ۶.۴۳۷ = ۲.۳۴ اهم
با توجه به ظرفیت ترانسفورماتورهای توزیع و عامل بار در امتداد خط، سقوط ولتاژ از زیرمرکز تا ستون شماره ۹۷ در فیدر اصلی محاسبه میشود
نمادهای استفاده شده به شرح زیر تعریف شدهاند:
Δu — سقوط ولتاژ در طول خط (واحد: کیلوولت)
R — مقاومت خط (واحد: اهم)
X — واکنش خط (واحد: اهم)
r — مقاومت در واحد طول (واحد: اهم/کیلومتر)
x — واکنش در واحد طول (واحد: اهم/کیلومتر)
P — توان فعال در خط (واحد: کیلووات)
Q — توان راکتیو در خط (واحد: کیلووار)
بنابراین، ولتاژ در ستون شماره ۹۷ در فیدر اصلی فقط:
۱۰.۴ کیلوولت − ۰.۷۷ کیلوولت = ۹.۶۳ کیلوولت است.
به طور مشابه، ولتاژ در ستون شماره ۱۷۸ میتواند به ۸.۴۲ کیلوولت محاسبه شود و ولتاژ در انتهای خط ۸.۳۹ کیلوولت است.
۳.۲ راهحلهای پیشنهادی
برای تضمین کیفیت ولتاژ، روشهای اصلی تنظیم ولتاژ در شبکههای توزیع متوسط و کم ولتاژ شامل:
ساخت یک زیرایستگاه جدید ۳۵ کیلوولت برای کوتاه کردن شعاع تأمین ۱۰ کیلوولت.
جایگزینی هادیها با مساحت مقطع بزرگتر برای کاهش بار خط.
نصب جبرانساز قدرت واکنشی مبتنی بر خط—با این حال، این روش برای خطوط طولانی با بار سنگین کمتر موثر است.
نصب تنظیمکننده ولتاژ خودکار فیدر SVR که ارائهدهنده اتوماسیون بالا، عملکرد تنظیم ولتاژ عالی و نصب انعطافپذیر است.
در زیر، سه راهحل جایگزین برای بهبود کیفیت ولتاژ پایان خط در فیدر ۱۰ کیلوولت "Fakuai" مقایسه شدهاند.
۳.۲.۱ ساخت زیرایستگاه جدید ۳۵ کیلوولت
نتیجه مورد انتظار: یک زیرایستگاه جدید به طور قابل توجهی شعاع تأمین را کوتاه میکند، ولتاژ پایان خط را افزایش میدهد و کیفیت کلی برق را بهبود میبخشد. با وجود اینکه این راهحل بسیار موثر است، نیاز به سرمایهگذاری قابل توجهی دارد.
۳.۲.۲ بهروزرسانی فیدر اصلی ۱۰ کیلوولت
تغییر پارامترهای خط اساساً شامل افزایش مساحت مقطع هادی است. برای مناطق کمجمعیتی با خطوط هادی کوچک، تلفات مقاومتی غالب کاهش ولتاژ کلی هستند؛ بنابراین، کاهش مقاومت هادی بهبود قابل توجهی در ولتاژ ایجاد میکند. با این بهروزرسانی، ولتاژ پایان خط میتواند از ۸.۳۹ کیلوولت به ۹.۵ کیلوولت افزایش یابد.
۳.۲.۳ نصب تنظیمکننده ولتاژ خودکار فیدر SVR
یک تنظیمکننده ولتاژ خودکار ۱۰ کیلوولت برای حل مشکلات ولتاژ پایین در پایین ستون شماره ۱۶۱ نصب میشود.
نتیجه مورد انتظار: ولتاژ پایان خط میتواند از ۸.۳۹ کیلوولت به ۱۰.۳ کیلوولت افزایش یابد.
تجزیه و تحلیل مقایسهای نشان میدهد که گزینه ۳ اقتصادیترین و عملیترین است.
سیستم تنظیم ولتاژ خودکار فیدر SVR با تنظیم نسبت دورانی یک خودتغییردهنده سهفاز، ولتاژ خروجی را ثابت میکند و مزایای کلیدی زیر را ارائه میدهد:
تنظیم ولتاژ خودکار و تحت بار.
استفاده از یک خودتغییردهنده سهفاز متصل به ستاره—حجم کوچک و ظرفیت بالا (≤۲۰۰۰ کیلوآمپر) که برای نصب بین ستونها مناسب است.
محدوده تنظیم معمولی: −۱۰٪ تا +۲۰٪، کافی برای تامین نیازهای ولتاژ.
بر اساس محاسبات نظری، پیشنهاد میشود یک تنظیمکننده ولتاژ خودکار SVR-5000/10-7 (0 تا +20%) روی فیدر اصلی نصب شود. پس از نصب، ولتاژ در ستون شماره ۱۴۱ میتواند به:
U₁₆₁ = U × (10/8) = ۱۰.۵ کیلوولت
که در آن:
U₁₆₁ = ولتاژ در نقطه نصب تنظیمکننده پس از عملیات
۱۰/۸ = حداکثر نسبت دورانی یک تنظیمکننده با محدوده تنظیم ۰ تا +۲۰٪
عملیات میدانی تأیید کرده است که سیستم SVR به طور موثق تغییرات ولتاژ ورودی را ردیابی میکند و ولتاژ خروجی را ثابت نگه میدارد و مؤثریت آن در کاهش ولتاژ پایین تأیید شده است.
۳.۲.۴ تجزیه و تحلیل مزایا
در مقایسه با ساخت یک زیرایستگاه جدید یا جایگزینی هادیها، استفاده از تنظیمکننده ولتاژ SVR به طور قابل توجهی هزینه سرمایه را کاهش میدهد. این راهحل نه تنها ولتاژ خط را به استانداردهای ملی میرساند و مزایای اجتماعی قوی ایجاد میکند، بلکه تحت شرایط بار ثابت، با افزایش ولتاژ، جریان خط را کاهش میدهد و بدین ترتیب تلفات خط را کاهش میدهد و صرفهجویی انرژی را انجام میدهد. این امر کارایی اقتصادی شرکت توزیع را افزایش میدهد.
۴. نتیجهگیری
برای شبکههای توزیع روستایی در مناطقی با رشد بار آینده محدود—به ویژه آنهایی که منابع توان نزدیک ندارند، شعاع تأمین طولانی، تلفات خط بالا، بار سنگین و عدم برنامهریزی برای ساخت زیرایستگاههای ۳۵ کیلوولت در آینده نزدیک—استفاده از تنظیمکنندههای ولتاژ خودکار فیدر SVR یک جایگزینی جذاب ارائه میدهد. این راهحل امکان تأخیر یا حذف ساخت زیرایستگاه ۳۵ کیلوولت را فراهم میکند و به طور موثر مشکل ولتاژ پایین و کاهش تلفات انرژی را حل میکند. با توجه به اینکه هزینه سرمایهگذاری آن کمتر از یک دهم ساخت یک زیرایستگاه ۳۵ کیلوولت جدید است، راهحل SVR مزایای اجتماعی و اقتصادی قابل توجهی ارائه میدهد و به طور قاطع توصیه میشود برای استفاده گسترده در شبکههای برق روستایی.
