بخشی از مقاله
چکیده
راه آهن برقی دارای مزایای سرعت بالا ، تحمل بار زیاد ، راندمان انرژی و اقتصادی مناسب می باشد . با این حال ، دسترسی آن به شبکه موجب بروز مشکلات کیفیت توان مانند هارمونیک ، عدم تقارن و توان راکتیو می شود که در نقطه مقابل عملکرد ایمن و اقتصادی سیستم قدرت می باشد . این مقاله با هدف ارائه مرجعی برای ارزیابی کیفیت توان راه آهن الکتریکی ارائه و مسائل مربوط به کیفیت توان و روش های بهبود مورد بحث قرار گرفته و ملاحضات لازم در انتخاب روش های بهبود کیفیت توان ارائه می شوند .
. 1 مقدمه
در سال های اخیر به دلیل سرعت بالا ، راندمان انرژی بالا ، آلودگی کمتر هوا و مزایای اقتصادی شاهد توسعه سریع راه آهن الکتریکی هستیم . با این حال دسترسی شبکه راه آهن الکتریکی به شبکه قدرت بالادست مسائل مربوط به کیفیت توان را افزایش می دهد ،که این مساله مورد توجه محققان قرار گرفته است . [25] کیفیت توان به طیف وسیعی از مشکلات مانند انحراف ولتاژ ، عدم تعادل ولتاژ و جریان ، هارمونیک ها ، توان راکتیو ، ضعیف شدن ولتاژ و غیره اشاره می کند. از جمله مهم ترین مشکلات کیفیت توان ناشی از راه آهن برقی ، عدم تعادل ولتاژ ، هارمونیک و توان راکتیو می باشد
این مشکلات بر روی هر بخش سیستم قدرت تاثیر می گذارند . [20,28,29] به منظور بهبود کیفیت توان و به حداقل رساندن آسیب ها در سیستم قدرت ، محققان توجه خود را به روش های بهبود کیفیت توان اختصاص داده اند
در این مقاله مسائل مربوط به کیفیت توان به ویژه هارمونیک ها و عدم تعادل سه فاز و روش های بهبود ، شرح داده شده و سپس تاثیرات این مشکلات بر سیستم قدرت شرح داده می شود . همچنین روش های بهبودی که هنوز در مرحله تحقیق به سر می برند ، به طور دقیق مورد بررسی قرار گرفته اند .
. 2 مسائل کیفیت توان
بار کششی به عنوان یک بار تکفاز غیر خطی با قدرت بالا موجب ایجاد هارمونیک ها و جریان های توالی منفی در سیستم قدرت می شود که موجب کاهش کیفیت توان و به نوبه خود تاثیر بر عملکرد لوکوموتیو خواهد شد . مهمترین مسائل مربوط به کیفیت توان در راه آهن الکتریکی در ادامه مورد بررسی قرار می گیرند .
الف – هارمونیک ها
به طور کلی دو نوع لوکوموتیو الکتریکی AC-DC و لوکوموتیو الکتریکی AC-DC-AC وجود دارد . با توجه به ساختار متفاوت مدار اصلی ، دو نوع لوکوموتیو الکتریکی دارای تفاوت هایی در ویژگی های هارمونیکی هستند . به مدت طولانی لوکوموتیو AC-DC به طور گسترده در صنعت حمل و نقل استفاده شده است . به دلیل استفاده از تجهیزات الکترونیک قدرت ، لوکوموتیو های الکتریکی AC-DC جریان های هارمونیکی به سیستم قدرت تزریق می کنند .
در [32] ، نسبت هارمونیکی مدل های یک نوع خاص لوکوموتیو موسوم به SS مورد تجزیه تحلیل قرار گرفته است . این محتوای هارمونیکی به طور خلاصه در جدول 1 ارائه شده است . از جدول 1 مشاهده می شود که مشخصه های هارمونیکی انواع مختلف لوکوموتیو الکتریکی AC-DC رفتار هارمونیکی مرتبه بالای مشابه داشته و عمدتا مقدار زیادی هارمونیک های مرتبه سوم ، پنجم و هفتم تولید می کنند .
جدول – 1 مولفه های هارمونیکی لوکوموتیو های نوع SS
در لوکوموتیو های الکتریکی AC-DC-AC استفاده از مبدل های AC-DC-AC موجب وقوع مشخصه های هارمونیکی متفاوت نسبت به لوکوموتیوهای الکتریکی AC-DC می شود . به دلیل دستگاه های یکسوساز متفاوت ، مشخصه های هارمونیکی انواع گوناگون لوکوموتیو های AC-DC-AC ممکن است اندکی متفاوت باشند و عموما مقدار زیادی هارمونیک های مرتبه سوم ، پنجم و هفتم تولید می کنند .
به طور کلی محتوای هارمونیکی لوکوموتیو الکتریکی AC-DC-AC پایین تر از لوکوموتیو الکتریکی AC-DC است و در نتیجه میزان اعوجاج بسیار کاهش می یابد . با این حال ، لوکوموتیو های AC-DC-AC هارمونیک های مرتبه بالاتر را با طیف گسترده ای تولید می کنند که عمدتا در حدی است که حتی فرکانس سوئیچینگ در آن قرار دارد
یک روش مرسوم برای کاهش هارمونیک ، استفاده از فیلترهای پسیو - غیرفعال - می باشد . فیلترهای پسیو می توانند جریان های هارمونیکی و توان راکتیو را به طور همزمان جبران کنند . با این حال ، تنها می توانند هارمونیک های با مرتبه مشخص را فیلتر کنند . فیلتر های توان اکتیو - APF - یکی از موثر ترین روش ها برای حذف هارمونیک می باشند که با توجه به هزینه های بالا ، کاربرد آنها محدود شده است . به منظور استفاده بهینه از فیلترهای پسیو و اکتیو برخی ترکیب ها که نه تنها هزینه را کاهش می دهند بلکه عملکرد بهتر را نیز در حذف هارمونیک فراهم می کنند ، معرفی شده اند
ب – عدم تعادل سیستم عدم تعادل سیستم یکی از مهمترین مسائل مربوط به کیفیت توان است که توسط راه آهن الکتریکی ایجاد می شود . از آنجا که لوکوموتیو الکتریکی یک بار تکفاز است ، یک جریان مولفه منفی بزرگ به شبکه تزریق کرده و بر سیستم قدرت تاثیر می گذارد .بنابراین جریان توالی منفی باید جبران شود .
یکی از روش های مناسب برای جبرانسازی جریان توالی منفی روش شیفت فاز می باشد که نمونه ای از آن در [19] مورد بررسی قرار گرفته است . و اتصالات پست آن در شکل 1 نمایش داده شده است . روش شیفت فاز به هیچگونه تجهیزات اضافی نیاز ندارد و تنها بایستی تنظیم اتصالات توالی فاز ترانسفورماتور کششی به درستی انجام شود . با این حال تغییر فاز منجر به ایجاد بخش خنثی در طول خط آهن شده که مانع سرعت بالای لوکوموتیو الکتریکی و قابلیت اطمینان منبع تغذیه می شود .
سیستم تغذیه کششی و سیستم قدرت توسط ترانسفورماتور کششی به هم متصل شده اند . بنابراین ، اتصال ترانسفورماتور کششی موجب تزریق جریان مولفه منفی می شود . استفاده از ترانسفورماتورهای متعادل کننده هنگامی که بارهای دو بازو برابر باشند موجب کاهش اثر جریان های توالی منفی می شود . [25] از اینرو می توان گفت کارایی جبرانسازی توالی منفی ترانسفورماتور متعادل کننده به شرایط بار بستگی دارد .
شکل – 1 دیاگرام اتصالات پست کششی
به منظور کاهش جریان های توالی منفی معمولا از SVC، RPC و غیره استفاده می شود . [24,37] با این حال ، به دلیل هزینه های بالا ، به طور گسترده در راه آهن الکتریکی مورد استفاده قرار نگرفته است . با توسعه الکترونیک قدرت ، سیستم های همگام می تواند به طور موثری جریان های توالی منفی را از هارمونیک ها و توان راکتیو جدا کنند
ج – عدم تعادل سیستم
اکثر لوکوموتیو های AC-DC از یکسوساز ها استفاده می کنند . اعوجاج شکل موج جریان در سمت AC و اثر همپوشانی زاویه کموتاسیون موجب کاهش ضریب قدرت می شود . ضریب قدرت به طور کلی در حدود0.8~0.85 می باشد . علاوه براین به دلیل امپدانس شبکه کششی ، ضریب توان در حدود 0.01~0.05 در سمت ولتاژ پایین پست کششی و در حدود 0.05 در سمت ولتاژ بالا ، کاهش می یابد
ضریب قدرت کم باعث کاهش بهره برداری از ظرفیت نامی تجهیزات ، افزایش تلفات توان و افزایش افت ولتاژ در خطوط انتقال می شود . با بکارگیری لوکوموتیو های الکتریکی AC-DC-AC ضریب قدرت نسبت به لوکوموتیو های الکتریکی AC-DC بسیار بهبود یافته است