بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله ضمن بررسی نقش هامورنیکی بر سیستم های قدرت به تاثیر آن درجایابی بهینه خازنگذاری با استفاده از الگوریتم ذرات پرداخته میشود هدف از بهینه سازی یافتن بهترین جواب قابل قبول، با توجه به محدودیت ها و نیازهای مسئله است. انتخاب تابع هدف مناسب یکی از مهمترین گام های بهینه سازی است. در حقیقت هدف از بهینه سازی تعیین متغیرهای به گونهای است که تابع هدف کمینه یا بیشینه شود.. استفاده از خازن برای جبران راکتیو و کاهش تلفات بسیار معمول است. جریان های هارمونیک ناشی از بارهای غیر خطی در سیستم توزیع باعث نامطلوب شدن ولتاژ و جریان می شود که با قرار گرفتن بانک های خازنی در محل مناسب رزونانس رخ نخواهد داد. در این تحقیق ضمن تشریح الگوریتم گسسته بهینه سازی اجتماع ذرات برای جایابی بهینه همزمان تولید پراکنده و خازن در سیستم های توزیع برای بهبود پروفیل ولتاژ و کاهش هارمونیک ها استفاده شده است. محدودیت ها شامل حدود ولتاژ، THD ولتاژ، تعداد و اندازه خازن می باشند
کلمات کلیدی: رزونانس- هامورنیک -اعوجاج- الگوریتم ذرات-جایابی بهینه- DG
-1 مقدمه
یکی از مسائل و مشکلات کیفیت توان در سیستمهای توزیع و انتقال، مسئله هارمونیک ها می باشد. اعوجاجهای هارمونیکی باعث ایجاد عدم عملکرد مناسب تجهیزات و نیز کاهش عمر و پایین آمدن راندمان دستگاهها اشاره نمود. شرکتهای برق باید محدودیتهایی را ارائه نمایند تا از آسیب دیدگی تجهیزات مشترکین، اعم از مشترکین خانگی و صنعتی جلوگیری شود. اعوجاج هارمونیکی در شبکه های قدرت ناشی از عناصر غیرخطی است. عنصر غیرخطی عنصری است که جریان آن متناسب با ولتاژ اعمالی نمی باشد. افزاش چنددرصدی ولتاژ ممکن است باعث شود که جریان دو برابر شده و نیز شکل موج جریان فرم دیگری به خود بگیرد. این حالت، مورد ساده ای از تولید اعوجاج در سیستم قدرت میباشد.
چندین معیار عددی برای نشان دادن مقادیر هارمونیکی یک موج وجود دارد. از معروف ترین آنها می توان به اعوجاج هارمونیکی کل - THD - که برای ولتاژ و جریان قابل محاسبه استاشاره نمود. اعوجاج هارمونیکی کل از رابطه زیر محاسبه می شود:
که در آن Mh مقدار موثر مولفه هارمونیک h ام می باشد. اعوجاج هارمونیکی کل معیار اندازه گیری مقدار موثر مولفه هارمونیکی یک موج اعوجاجی است.همانطور که می دانیم مقدار موثر کل یک موج - RMS - برابر با جمع مولفه های آن نمی باشد بلکه از مجذور جمع مربعات تک تک مولفههای آن موج بدست می آید. اعوجاج هارمونیکی کل را میتوان توسط رابطه زیر به مقدار موثر شکل موج ارتباط داد.
اعوجاج هارمونیکی کل کمیتی مفید برای بسیاری از کاربردها می باشد و لیکن محدودیت های آن را نیز باید مورد لحاظ قرار داد. این کمیت می تواند ایده خوبی از حرارت اضافی ایجاد شده در یک بار مقاومتی هنگامیکه ولتاژ اعوجاجی به آن اعمال شده است ارائه دهد. همچنین می تواند نشانه ای برای تلفات اضافی ناشی از جریان عبوری از یک هادی نیز باشد. ولی این کمیت نشانه خوبی از تنش ولتاژی بر خازن نیست زیرا این تنش با مقدار پیک شکل موج ولتاژ در ارتباط میباشد -1-1از عوامل تولید هارمونیک میتوان به موارد زیر اشاره کرد:-1 تولید موج غیر سینوسی توسط ماشینهای سنکرون ناشی از وجود شیارها و عدم توزیع یکنواخت سیم پیچیهای استاتور -2 عدم یکنواختی در رلوکتانس ماشینهای سنکرون -3 توزیع غیرسینوسی فوران مغناطیسی در ماشینهای سنکرون -4 جریان مغناطیسی ترانسفورماتورها -5 بارهای غیرخطی مانند دستگاههای جوشکاری -6 کورههای قوس الکتریکی و القایی
اثر اعوجاج هارمونیکی برروی عملکرد تجهیزات و سیستم قدرت -1شکست عایقی بانکهای خازنی و افزایش جریان و توان و اندازهگیری تلفات اضافی اهمی و نیز تلفات اضافی راکتیو بانکهای خازنی-2 تداخل با سیستمهای ریپل کنترل و تداخل در وظیفه کنترل از راه دور سیستم های کلیدزنی در هسته و ایجاد حرارت زیاد در ماشینهای الکتریکی-3شکست عایقی کابلها- 4 تداخل با سیستمهای مخابراتی و -5 plc ایجاد خطا در دستگاههای اندازه گیری-6ایجاد نوسانات مکانیکی-7 عدم عملکرد مناسب سیستمهای کنترل -8عملکرد نامناسب و پاسخ اشتباه رله ها-9 عملکرد نامناسب در مدارات آتش سیستم های الکترونیک قدرت بخصوص مدارات آتشی که براساس تشخیص نقطه صفر ولتاژ عمل میکنند.
-2امپدانس سیستم
در فرکانس مولفه اصلی، سیستمهای قدرت اصولاً به صورت اندوکتیو هستند و امپدانس معادل آن را گاهی اوقات راکتانس اتصال کوتاه می نامند. یکی از کمیتهایی که در تحلیل هارمونیکی سیستم های قدرت مکررا استفاده می شود امپدانس اتصال کوتاه تا نقطه ای از شبکه که در آن خازن نصب شده است می باشد. اگر مقدار امپدانس اتصال کوتاه در دسترس نباشد می توان آنرا از مطالعات اتصال کوتاه شبکه بدست آورد. مقدار این امپدانس از مگاولت آمپر اتصال کوتاه یا جریان اتصال کوتاه به صورت زیر بدست میآید:
Xsc راکتانس اتصال کوتاه، KV ولتاژ فاز به فاز برحسب کیلوولت، MVAsc مگاولت آمپر اتصال کوتاه سه فاز و Isc جریان اتصال کوتاه برحسب کیلوآمپر می باشند. راکتانس بصورت خطی با فرکانس تغییر می کند. راکتانس مرتبه hام را می توان از راکتانس فرکانس اصلی X1 بصورت زیر بدست آورد.برای خطوط و کابلها بعلت اثر پوستی مقاومت بصورت تقریبی با مربع فرکانس تغییر می کند. ترانسفورماتورهای کوچک در فرکانس اصلی دارای نسبت X/R بین 1 تا 2 می باشند. در حالیکه در ترانسفورماتورهای برزگ استفاده شده در پست ها این نسبت 20 تا 30 می باشد. در ولتاژهای پایین وجه غالب راکتانس سیستم، ناشی از امپدانس ترانسفورماتورها می باشد و بنابراین Xsc را می توان همان راکتانس ترانسفورماتورها در نظر گرفت.
-1-2امپدانس خازن خازنهای موازی که برای تصحیح ضریب قدرت مورداستفاده قرار
میگیرند، در فرکانسهای مختلف، امپدانس سیستم را شدیدا تحت تأثیر قرار می دهند. خازنها خود عامل تولید هارمونیک نیستند ولی اعوجاج هارمونیکی گاهی اوقات به دلیل حضور خازن تشدید می گردد. در حالیکه راکتانس اندوکتیو با افزایش فرکانس و متناسب با آن افزایش می یابد، راکتانس خازنXC متناسب با فرکانس کاهش مییابد. - 5که در آن C ظرفیت خازن به فاراد و f فرکانس است.
-3 تشدید موازی
مدارهای شامل خازن و اندوکتانس دارای یک یا تعداد بیشتری فرکانس طبیعی می باشند. وقتی که یکی از این فرکانسها برابر با فرکانس سیستم قدرت گردد پدیده تشدید به وجود می آید و جریان و ولتاژ در آن فرکانس مقدار بالایی را به خود خواهد گرفت. این پدیده در حقیقت ریشه تمامی مسائل و مشکلات ناشی از اعوجاج هارمونیکی در سیستمهای قدرت میباشد. شرایط تشدید همیشه مایه نگرانی نیست. میرایی ایجاد شده توسط مقاومت اغلب باعث کاهش ولتاژ و جریان در حالت تشدید در سیستم می گردد. مشخصه امپدانس مدار تشدید موازی را برای مقادیر مختلف بار مقاومتی که به صورت موازی با خازن قرار گرفته است
-5شناسایی محل منابع هارمونیکی در فیدرهای توزیع شعاعی و در کارخانجات صنعتی، تمایل اصلی هارمونیک های تولیدشده، جریان یافتن از محل تولید خود - بارهای هارمونیک زا - به طرف منبع تغذیه سیستم قدرت می باشدامپدانس. سیستم معمولاً کمترین امپدانسی است که جریان های هارمونیکی در مقابل خود می بینند و بنابراین قسمت اعظم جریان به طرف منبع تغذیه سیستم جاری می شود. از این مطلب می توان استفاده کرد تا محل منابع تولید هارمونیک را شناسایی نمود.
-6کنترل توان راکتیو کنترل توان راکتیو، پخش بهینه توان راکتیو تولیدی و مصرفیشبکه به ترتیب در بین عناصر تولید کننده و مصرف کننده می باشد تا ضمن تامین شرایط بهره برداری شبکه، بیشترین صرفهجویی اقتصادی را نتیجه دهد. تحقیقات بسیاری در حل مسئله کنترل توان راکتیو صورت پذیرفته است. برخی از مقالات مانند [1] آن را به صورت بخشی از مسئله OPF مورد بررسی قرار داده اند و برخی با تعریف مستقل مسئله به صورت زیر، اقدام به حل مستقیم مسئله با استفاده از روشهای هوشمند نمودهاند:[3-2]مسئله پخش توان راکتیو RPD عبارت است از تخصیص بهینه تولید توان راکتیو به گونه ای که تلفات حقیقی حداقل شده و ولتاژها در محدوده مجاز قرار گیرند، در حالی که تعدادی از قیود برابری و نابرابری بهره برداری شامل معادلات پخش بار، حدود بالا و پایین توان راکتیو خروجی ژنراتورها، خروجی توان راکتیو بانکهای خازنی و تپ ترانسفورماتورها، تامین گردد.
-1-6 کنترل ولتاژ و کنترل توان راکتیو
در یک شبکه توزیع، ولتاژ دو سر تجهیزات باید در محدوده مجازی حد ولتاژ نامی قرار گیرد و در حالت ایدهال با تغییر بار از بیباری تا بار کامل باید این شرط برقرار باشد. از آنجایی که رابطه نزدیکی میان توان راکتیو عبوری و ولتاژ وجود دارد، می توان کنترل توان راکتیو را یک کنترل V Q نیز در نظر گرفت. البته باید توجه شود که نحوه پخش توان اکتیو نیزمی تواند روی مدارهای زیر بار شدید، مشکلات ولتاژی ایجاد نماید. برای ایجاد کنترل V Q ممکن است لازم باشد منابع توان راکتیو پیش فاز یا پس فاز به شبکه اضافه شود. این منابع ممکن است پسیو یا دینامیک باشند. راکتورها و خازنهای موازی عناصر پسیو هستند.
-2-6 راهکارهای جبرانسازی توان راکتیو اگر بخواهیم توان راکتیو کمتری در خطوط جریان داشته باشدباید به طریقی توان راکتیو مورد نیاز باس ها را در محل باسها تأمین نمود که به آن جبرانسازی توان راکتیو گفته می شود. توجه کنید که در صورت جبرانسازی توان راکتیو به جهت قرار گرفتن ولتاژها در یک محدوده مجاز، پایداری سیستم نیز به طور همزمان بهبود می یابد و حداکثر توان قابل انتقال افزایش خواهد یافت. انواع روشهای جبرانسازی توان راکتیو عبارتند از:-1 جبرانسازی امپدانس ضربه : Z 0 اگر بار خط انتقال به میزان بار امپدانس ضربه یا V 2 Z 0 انتخاب شود، یک پروفیل مسطح ولتاژ خواهیم داشت. -2جبرانسازی طول خط: از آنجایی کهLCمی باشد، می توان اندوکتانس را با اضافه کردن خازن سری کاهش داد و لذارا کم کرد.
در اینصورت اختلاف فاز بین ولتاژهای طرف فرستنده و گیرنده نیز کاهش می یابد. ولی بعلت کاهش اندوکتانس سری ظرفیت انتقالی خط افزایش یافته و حاشیه پایداری بیشتر خواهد شد. -3جبرانسازی با تقسیم خط به چند بخش: این نوع جبران سازی با اتصال جبرانسازهای ولتاژ ثابت در طول خط ایجاد می شود. این جبرانسازها از نوع اکتیو هستند و شامل خازن های قابل وصل و قطع تریستور - TSC - ، راکتورهای قابل کنترل با تریستور - TCR - و کندانسورهای سنکرون میباشند.
-7جایابی بهینه خازنها در شبکه
یافتن محل بهینه خازن ها در یک شبکه توزیع، پروسه پیچیدهای میباشد. دو معیار اصلی برای تصمیمگیری، پروفایل ولتاژ و تلفات سیستم می باشند. برای تصحیح پروفایل ولتاژ لازم است خازن ها در مسیرهای انتهایی فیدرها قرار داده شوند، در حالی که برای کاهش تلفات، خازن ها را باید در حوالی مراکز بار قرار داد. برای تضمین بهترین حالت می توان یک استراتژی اتوماتیک را با استفاده از وسایل اندازهگیری هوشمند در محل مشترکین، ارائه نمود. این وسایل اندازهگیری، ولتاژ در محل مشترک را
