جبران سازی توان راکتیو

آموزش‌ها
آپدیت شده در : 01/ 09/ 1402
نویسنده : مهندس سیاه تیری
4 دیدگاه

چرا جبران سازی توان راکتیو اهمیت دارد؟ پاسخ این سوال در نوع کاربران مصرفی نهفته است، امروزه اکثر مشترکین منابع برقی، مصرف کنندگان توان راکتیو می باشند. همین دلیل ساده سبب شده نیروگاه ها با مشکلات عدیده ای دست و پنجه نرم کنند، مسلما راه حل نهایی؛ جبران درخواست های غیرضروری (راکتیو) برای کاهش هزینه ها، افزایش توان قابل انتقال، کاهش تلفات و البته پایدارتر نمودن خطوط انتقال می باشد.

اگر تصور می کنید جبران توان راکتیو در خطوط انتقال تنها با چند بانک خازنی امکان پذیر است سخت در اشتباه هستید!

جبران توان راکتیو به آن سادگی که در مقطع کارشناسی به شما آموزش داده می شود نیست، چرا که معادلات مطرح شده در این مقطع در حالت عملیاتی و در بهترین شرایط ممکن تنها در 10% امکان رخداد دارند!، علت در فهم توان راکتیو می باشد، چرا که اصولا ما تنها توان راکتیو و اکتیو نداریم.

در شبکه قدرت و به صورت کلی خطوط برق AC شاهد توان های؛ راکتیو، اکتیو و توان ناشناخته ای به نام توان غیر راکتیو می باشیم.

آیا واقعا تعریف قابل قبولی برای توان راکتیو در دسترس است؟

خیر!، این موضوع به قدری پیچیده و در حال تکامل است که همچنان یکی از مباحث داغ مقاله نویسی توسط اساتید برجسته دنیا می باشد.

در سطوح تخصصی و حرفه ای توان راکتیو را چگونه جبران می کنند؟

برای جبران سازی دقیق توان راکتیو کارشناسان از ادوات فکتس (FACTS) استفاده می کنند که امروز برای شما به صورت مفصل و البته کاملا تخصصی به بررسی این موضوع خواهیم پرداخت.

پس از بررسی کامل روش های جبران سازی توان راکتیو، با استفاده از نرم افزار دیگسایلنت نحوه مکان یابی بهینه خازن برای جبران توان راکتیو به همراه تاریخچه تحقیقاتی در مقالات چاپ شده را شرح خواهیم داد.

آنچه که در این نوشتار خواهید خواند؛

جبران سازی موازی
تنظیم ولتاژ در نقطه میانی برای تقطیع خط
پشتیبانی ولتاژ در انتهای خط برای جلوگیری از ناپایداری ولتاژ
اصلاح پایداری حالت گذرا
خلاصه الزامات جبران ساز
روش‌های تولید توان رآكتیو قابل كنترل
مولد توان رآكتیو از نوع خازن ثابت و رآكتور كنترل شده با تریستور
مولدهای توان رآكتیو نوع كنورتر سوئیچ شونده
مولدهای توان رآكتیو مختلط: كلید زنی كنورتر با TSC و TCR
جبران سازهای استاتیكی توان رآكتیو: SVC و STATCOM
جبران سازی توان راکتیو در دیگسایلنت
سوالات متداول جبرانسازی توان راکتیو
منابع

جبران سازی موازی

همواره بدیهی بوده كه با جبران سازی موازی مناسب توان رآكتیو، توان قابل انتقال در حالت ماندگار می‌تواند افزایش یافته و پروفیل ولتاژ در طول خط، كنترل شود. منظور از این جبران سازی، تغییر مشخصه‌های الكتریكی خط انتقال است، تا انطباق بیشتری با تقاضای غالب بار پیدا كند. به این ترتیب، رآكتورهای ثابت با سوئیچ‌های مكانیكی به صورت موازی به كار می‌روند تا اضافه ولتاژها را تحت شرایط «بار سبك» به حداقل برسانند و یا خازن های ثابت با استفاده از سوئیچ‌های مكانیكی به صورت موازی مورد استفاده قرار می گیرند تا تحت شرایط «بار سنگین»، سطح ولتاژ را حفظ نمایند.

در ابتدا، ملاحظات اساسی برای افزایش توان قابل انتقال، با بهره‌گیری از جبران ساز موازی رآكتوری ایده‌آل مرور خواهد شد، تا شالوده‌ای برای جبران سازی مبتنی بر الكترونیك قدرت، و روش‌های كنترلی برای دستیابی به اهداف مشخص جبران سازی، به دست آید. دقت داشته باشید که هدف نهایی از كاربرد جبران سازی موازی توان رآكتیو در یك سیستم انتقال، افزایش توان انتقالی است. البته ممكن است كه بهبود مشخصه‌های انتقال در حالت ماندگار به همراه پایداری سیستم مورد نظر باشد. به این ترتیب جبران سازی توان رآكتیو برای تنظیم ولتاژ در نقطه وسط (یا برخی نقاط میانی) مورد استفاده قرار می‌گیرد تا خط انتقال تقطیع شود و در انتهای خط (شعاعی)، از ناپایداری ولتاژ جلوگیری به عمل آید؛ به علاوه، جبران سازی توان رآكتیو برای كنترل دینامیكی ولتاژ، افزایش پایداری در حالت گذرا و میرایی نوسانات توان را در پی خواهد داشت.

هدف نهایی از كاربرد جبران سازی موازی توان رآكتیو در یك سیستم انتقال، افزایش توان انتقالی است.

تنظیم ولتاژ در نقطه میانی برای تقطیع خط

یك مدل ساده انتقال دو ماشینه (دوشینه) را كه در آن یك جبران ساز توان رآكتیو ایده‌آل به صورت موازی در نقطه وسط خط متصل شده، مطابق شكل 2-1- (الف) در نظر بگیرید. به منظور سادگی، خط با اندوكتانس سری نمایش داده شده است. جبران ساز با یك منبع ولتاژ سینوسی (با فركانس مؤلفه اصلی) نشان داده شده كه با ولتاژ نقطه میانی $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image001.png$ هم فاز بوده و دامنه ولتاژ آن مشابه ولتاژهای طرف تولید كننده و مصرف كننده است ( $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image002.png$ ). جبران ساز نقطه میانی، در واقع خط انتقال را به دو قطعه مستقل تقسیم می كند: قطعه اول با امپدانس $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image003.png$ توان را از طرف تولید كننده به نقطه میانی انتقال می‌دهد. و قطعه دوم باز هم با امپدانس $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image003.png$ توان را از نقطه میانی به طرف مصرف كننده می برد.

رابطه بین ولتاژهای $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image004.png$ و (نیز $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image005.png$ )، و جریان قطعات I_mr , I_sm به صورت دیاگرام فازوری در شكل 2-1 نشان داده شده ست. توجه كنید كه جبران ساز توان رآكتیو نقطه میانی، در این فرآیند تنها به مبادله توان رآكتیو با خط انتقال می‌پردازد.

شكل 2-1: (الف)سیستم دو ماشینه با یك جبران ساز رآكتیو نقطه میانی. (ب)دیاگرام فازوری مربوطه. (ج)مشخصه انتقال توان در برابر زاویه كه تغییرات توان حقیقی p_p و توان رآكتیو خروجی جبران ساز Q_P را با زاویه $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image007.png$ نشان می‌دهد.

در سیستمی كه فرض شده است (بدون تلفات)، توان آكتیو در هر یك از پایانه‌های خط (طرف تولید كننده، نقطه میانی، و طرف مصرف كننده)، برابر است و به سادگی از دیاگرام فازوری شكل 2-1 با روابط زیر استنتاج می‌شود:

C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image008.png

توان انتقالی عبارت است از:

C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image009.png

یا

C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image010.png

و به همین شكل:

C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image011.png

رابطه بین توان حقیقی p، توان رآكتیو Q، و زاویه S، در حالت جبران سازی موازی ایده‌آل در شكل 2-1- ج ترسیم شده است. می‌توان مشاهده كرد كه جبران سازی موازی در نقطه میانی، می‌تواند به میزان قابل توجهی توان انتقالی را افزایش دهد (مقدار حداكثر را دو برابر كند) البته باید تقاضای توان رآكتیو از جبران ساز نقطه میانی (و همچنین در مولدهای طرفین انتهایی) به سرعت اضافه شود.

هم چنین آشكار است كه در سیستم تك خطی شكل 2-1 نقطه میانی خط انتقال بهترین مكان برای جبران ساز است. علت آن است كه كاهش ولتاژ در طول خط جبران نشده، در نقطه میانی بیشترین مقدار را دارد. هم چنین، جبران سازی در نقطه میانی، خط انتقالی را به دو بخش مساوی تقسیم می‌كند كه برای هر یك از آن‌ها حداكثر توان قابل انتقالی برابر است. در قطعات نامساوی، به وضوح توان قابل انتقال قطعه طولانی‌تر، تعیین كننده كل توان قابل انتقالی است.

مفهوم چند قطعه كردن خط می‌تواند به استفاده از چندین جبران ساز، كه در فواصل قطعات مساوی خط انتقال قرار گرفته‌اند، مانند چهار قطعه‌ای كه در شكل 2-2 نشان داده شده‌اند، توسعه یابد. از نظر تئوری، توان قابل انتقال با هر بار دو برابر كردن قطعات در یك خط انتقال، دو برابر می‌شود. به علاوه، با افزایش تعداد قطعات، تغییر ولتاژ در طول خط به سرعت كاهش یافته و به حالت ایده‌آل پروفیل ولتاژ ثابت نزدیك می‌شود.

شكل 2-2: سیستم دو ماشینه با جبران سازهای رآكتیو ایده‌آل و دیاگرام فازوری مربوطه كه از طریق تقطیع خط، پروفیل ولتاژ خط را به صورت ثابت حفظ می‌كنند.

بایستی توجه كرد كه چنین جبران سازی توزیع شده‌ای به پاسخ لحظه‌ای و قابلیت تولید و جذب توان رآكتیو نامحدود در جبران سازهای موازی مورد استفاده بستگی دارد؛ به طوری كه این جبران سازی ها می‌بایست با فاز غالب ولتاژ قطعات، سنكرون بوده و دامنه از پیش تعریف شده ولتاژ انتقال را مستقل از تغییرات بار حفظ نمایند.

چنین سیستمی، به هر حال پیچیدگی و هزینه‌ای بیشتر از آن دارد كه عملی باشد؛ بخصوص اگر الزامات پایداری و قابلیت اعتماد تحت شرایط اضطراری نیز مد نظر قرار گیرند. در هر صورت، علمی بودن تقطیع محدود خط، با استفاده از جبران سازی‌های استاتیكی توان رآكتیو با كنترل تریستوری، توسط خط اصلی 735 كیلو ولتی به طول 600 كیلومتر در شبكه قدرت هیدرولیک (مرجع 1) كه به منظور انتقال توان تا 12000 مگاوات از مجتمع برق آب جیمزبی (مرجع 2) به شهر مونترال و شركت‌های هم جوار در آمریكا، ساخته شده، نشان داده شده است. مهم‌تر از آن، مزیت‌های پشتیبانی ولتاژ در سیستم انتقال، با استفاده از جبران سازی موازی كنترل شده در نقاط استراتژیك سیستم انتقال با وجود تاسیسات متعددی در جهان به نمایش درآمده است.

برای یك خط شعاعی، انتهای خط، كه بیشترین تغییرات ولتاژ در آن‌جا اتفاق می‌افتد، بهترین محل برای جبران ساز است.

پشتیبانی ولتاژ در انتهای خط برای جلوگیری از ناپایداری ولتاژ

پشتیبانی ولتاژ در نقط میانی در یك سیستم انتقال قدرت دو ماشینه كه در بالا شرح داده شد، به راحتی می‌تواند به موارد خاص خط انتقال شعاعی نیز توسعه یابد. در واقع، اگر یك بار غیر فعال كه توان P را در ولتاژ V مصرف می‌كند، به نقطه میانی در طرف مصرف كننده ( كه شامل ژنراتور سمت مصرف كننده، و خط رابط $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image013.png$ است) متصل شود، ژنراتور طرف تولید كننده با امپدانس $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image013.png$ و بار، مجموعاً نمایش دهنده یك سیستم ساده شعاعی خواهد بود. روشن است كه بدون جبران سازی، ولتاژ در نقطه میانی (كه حال طرف مصرف كننده است) با مقدار بار (و ضریب قدرت بالا) تغییر خواهد كرد.

یك سیستم شعاعی ساده، بار رآكتانس خط تغذیه كننده X و امپدانس بار ‌Z، به همراه نمودار V_r (ولتاژ نرمال شده) در برابر p (توان) كه در ضریب قدرت‌های متفاوت از 8/0 تا 9/0 متقدم، ترسیم شده ـ در شكل 2-3 الف نشان داده شده است. نقطه دماغه هر منحنی كه در هر یك از ضریب قدرت‌ها نشان داده شده، نمایان‌گر ناپایداری ولتاژ سیستم در شرایط سیستم مربوطه است. باید توجه شود كه حد ناپایداری ولتاژ با بارهای القایی كاهش یافته و با بارهای خازنی افزایش می‌یابد.

مشخصه‌های ذاتی مدار در ساختار ساده شعاعی و منحنی‌های V_r در مقابل p، كه در شكل نشان داده شده‌اند، به روشنی گویای آن است كه جبران سازی رآكتیو موازی می‌تواند به صورتی مؤثر حد پایداری ولتاژ را با تأمین بار رآكتیو و تنظیم ولتاژ انتهایی ( $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image014.png$ )، افزایش دهد. این مطلب در شكل 2-3 ب نشان داده شده است. واضح است كه برای یك خط شعاعی، انتهای خط، كه بیشترین تغییرات ولتاژ در آن‌جا اتفاق می‌افتد، بهترین محل برای جبران ساز است (به یادآورید كه در مقابل، نقطه میانی مؤثرترین مكان برای خطی است كه شینه‌های دو سیستم ac را به هم متصل می كند.)

شكل 2-3: (الف)تغییرات حد پایداری ولتاژ در یك خط شعاعی با بار و ضریب بار. (ب)گسترش این حد توسط جبران ساز رآكتیو موازی.

جبران سازی موازی توان رآكتیو اغلب در كاربردهای علمی برای تنظیم ولتاژ در یك شینه مورد نظر مقابل تغییرات بار به كار می‌رود، یا برای پشیتبانی ولتاژ بار در هنگامی كه، به دلیل مسائل تولید یا خروجی خط، ظرفیت سیستم طرف تولید كننده دچار اختلاف شود، مورد استفاده قرار می‌گیرد. مثالی كه اغلب پیش می‌آید، هنگامی است كه یك منطقه بزرگ بار، توسط خطوط مستقل از دو یا چند نیروگاه تغذیه می‌شود. (این وضع اغلب زمانی به وجود می‌آید كه تولید توان محلی كفایت رشد بار منطقه را نمی‌كند و توان اضافی از طریق یك خط انتقال مجزا به منطقه وارد می‌شود.) از دست رفتن یكی از منابع توان می‌تواند نیاز بار را در بقیه سیستم به سرعت افزایش دهد و باعث كاهش جدی ولتاژ گردد كه نهایتاً می‌تواند به سقوط ولتاژ منجر شود.

نقطه میانی مؤثرترین مكان برای خطی است كه شینه‌های دو سیستم ac را به هم متصل می كند.

اصلاح پایداری حالت گذرا

جبران سازی موازی توان رآكتیو می‌تواند به میزان قابل ملاحظه‌ای حداكثر توان انتقالی را افزایش دهد. به این ترتیب، منطقی است كه انتظار داشته باشیم با كنترل كننده‌های مناسب و سریع، جبران سازی موازی قادر به تغییر سیلان توان در سیستم، هم زمان و پس از اعوجاج‌های دینامیكی باشد، به گونه‌ای كه حد پایداری گذرا افزایش یافته و میرا سازی نوسان توان به صورت مؤثری فراهم شود.

مؤثر بودن بالقوه جبران سازی موازی (و نیز سایر تكنیك‌های كنترل سیلان و جبران سازی) بر بهبود پایداری گذرا، به طور متدوال با «معیارهای سطح معادل» قابل ارزیابی است. منحنی «معیار سطح معادل» با كمك سیستم ساده دو ماشینه (طرف مصرف كننده یك شینه بی نهایت است)، و دو خط كه در شكل 2-4- الف نشان داده شده و منحنی‌های مربوط به p در مقابل $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image015.png$ كه در شكل 2-4- ب نشان داده شده‌اند، توضیح داده می‌شود.

شكل 2-4: نمایش معیار سطح معادل برای پایداری گذرا در یك سیستم قدرت دو ماشینه و دو خطه.

فرض كنید كه سیستم كامل، با منحنی‌های p در برابر $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image015.png$ ی «a» مشخص شده، و با زاویه $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image016.png$ در حال انتقال توان p₁ در زمانی است كه خطایی در قسمت «1» خط بروز می‌كند. در مدت خطا مشخصه سیستم با منحنی «b» نمایش داده می‌شود، و به این ترتیب در طول این مدت، مقدار توان انتقال یافته به میزان قابل توجهی كاهش می‌یابد؛ در صورتی كه توان مكانیكی ورودی به ژنراتور طرف تولید كننده، عملاً در مقدار P₁ ثابت می‌ماند.

در نتیجه ژنراتور شتاب می‌گیرد و زاویه انتقال از $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image018.png$ به $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image019.png$ افزایش می‌یابد كه در این جا كلیدهای حفاظت كننده، قطعه «1» خط را كه دچار خطا شده قطع می‌كنند و ژنراتور طرف تولید كننده، انرژی شتاب دهنده را كه با سطح «A₂ » نمایش داده شده، جذب می‌كند. پس از بر طرف شدن خطا، در حالی كه قطعه «1» خطا در مدار نیست، سیستم كاهش یافته، با منحنی «C» توان انتقال یافته از توان مكانیكی ورودی P₁ تجاوز می‌كند و ژنراتور طرف تولید كننده شروع به كاهش شتاب می‌كند؛ در این حال زاویه $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image015.png$ به دلیل انرژی جنبشی ذخیره شده در ماشین افزایش بیشتری می‌یابد. با رسیدن به حداكثر زاویه $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image015.png$ ، انرژی كاهنده شتاب كه با سطح «A₁ » نشان داده شده با انرژی شتاب دهنده كه با سطح «A₁» نمایش داده شده برابر می‌شود. حد پایداری حالت گذرا در $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image020.png$ فرا می‌رسد، كه پس از آن انرژی كاهنده شتاب با انرژی شتاب دهنده برابر نخواهد شد و حالت هم زمانی (سنكرون) بین طرف تولید كننده و طرف مصرف كننده قابل بازگشت نخواهد بود. سطحی كه با «A_morgin» نشان داده شده و بین زاویای $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image021.png$ و $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image015.png$ قرار گرفته، نشان دهنده حاشیه پایداری گذاری سیستم است.

از بحث كلی بالا معلوم می‌شود كه پایداری گذرا، در یك سیستم انتقال تعریف شده كه دارای زمان بر طرف كردن خطای معین است، با مشخصه P در برابر $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image015.png$ سیستم در حالت پس از بروز خطا تعیین می‌شود. از آن‌جا كه جبران سازی موازی با كنترل مناسب، می‌تواند پیشتیبانی ولتاژ مناسبی ایجاد كند، قادر است تا قابلیت انتقال سیستم را بعد از وقوع خطا افزایش داده و به این ترتیب پایداری گذرا را بیشتر كند.

خلاصه الزامات جبران ساز

الزامات كاركردی جبران ساز موازی توان رآكتیو را كه برای افزایش انتقال توان، اصلاح ولتاژ، و پایداری حالت گذرا و میرایی نوسانات توان به كار می‌رود، می توان به صورت زیر خلاصه كرد:

جبران ساز بایستی تحت همه شرایط كاركردی، شامل اختلالات اساسی، در حال عملكرد هم زمان (سنكرون) با سیستم ac در شینه جبران سازی شده، باقی بماند.

جبران ساز بایستی قادر به تنظیم ولتاژ شینه به منظور پشتیانی ولتاژ و بهبود پایداری حالت گذرا باشد، یا آن را به عنوان یك اولویت پایه‌ای بر اساس نیاز سیستم در هنگامی میرایی نوسان توان و افزایش پایداری حالت گذرا، كنترل نماید.

در خط انتقال كه دو سیستم را به هم متصل می كند، بهترین مكان برای جبران ساز توان رآكتیو در نقطه وسط است، در حالی كه برای یك تغذیه كننده شعاعی بار، بهترین مكان در انتهای طرف بار است.

روش‌های تولید توان رآكتیو قابل كنترل

بر حسب تعریف، خازن‌ها تولید كننده و رآكتورها (القاگرها) جذب كننده توان رآكتیو هستند، هر گاه كه به یك منبع توان ac متصل شوند. از روزهای آغازین انتقال توان ‌ac، این عناصر را با كلیدهای مكانیكی برای كنترل (كلان) تولید و جذب توان رآكتیو به كار گرفته‌اند. تولید یا جذب توان رآكتیو به صورت مداوم برای جبران سازی دینامیكی سیستم، ابتدا توسط ماشین‌های گردان سنكرون زیر تحریك یا فوق تحریك، و بعدها توسط رآكتورهای اشباع شونده به همراه خازن های ثابت انجام می‌شد.

از اویل دهه 1970، تریستورهای خط ـ جابه‌جایی پر قدرت به همراه خازن‌ها و رآكتورها در پیكربندی‌های مختلف مدار به كار گرفته شدند تا خروجی رآكتیو متغیر را تولید نمایند. این ادوات در واقع امپدانس موازی متغیری را با كلید زنی هم زمان خازن‌های موازی و یا رآكتورها به شبكه یا به بیرون شبكه، ایجاد می‌نمایند. با استفاده مناسب از كنترل كلید زنی‌ها، خروجی‌ توان رآكتیو می‌تواند به صورت مستمر، از خروجی حداكثر خازنی تا حداكثر القایی در یك ولتاژ معین شینه، كنترل شود. در این اواخر تریستورهای دارای قطع دریچه و دیگر نیمه هادی‌های قدرت برای تولید و جذب توان رآكتیو، بدون استفاده از خازن‌های ac یا رآكتورها، مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این ادوات به صورت جبران سازهای (خازن‌های) هم زمان عمل می‌كنند، كه در آن‌ها مقدار ولتاژ تولید شده در داخل مدار برای كنترل توان رآكتیو خروجی، كنترل می‌شود. همه مدارهای مختلف نیمه هادی قدرت، كه كنترل داخلی، آن‌ها را قادر به تولید توان رآكتیو خروجی متناسب با یك ورودی مرجع می كند، جملگی در تعریف مشترك IEEE و CIGRE، مولد استاتیكی توان رآكتیو (SVG) نامیده می‌شوند. به این ترتیب یك جبران ساز استاتیكی توان رآكتیو (SVG)، در تعریف مشترك CIGRE- IEEE، یك مولد استاتیكی توان رآكتیو (SVG) است كه خروجی آن به گونه‌ای تغییر می‌كند كه پارامترهای مشخصی از سیستم قدرت الكتریكی (مثل ولتاژ، فركانس) را حفظ كرده یا كنترل كند. اگر به صورت یك «جعبه سیاه» به موضوع نگاه كنیم، مولد استاتیكی توان رآكتیو یك دستگاه عمل كننده خودكفا است كه جریان رآكتیو قابل كنترل را از یك منبع توان متناوب می‌كشد. ورودی كنترل كننده به مولد توان رآكتیو می‌تواند به دلخواه (و در محدوده عملكرد دستگاه) جریان رآكتیو، امپدانس یا سیگنال‌های مرجع توانی باشد كه مولد توان رآكتیو (SVG) باید در خروجی خود ایجاد نماید. به این ترتیب، مولد توان رآكتیو را می‌توان به عنوان یك تقویت كننده توان دید كه عیناً سیگنال مرجع در سطح توان مطلوب، باز تولید می‌نماید. استفاده كارآمد از مولد توان رآكتیو به روشنی با سیگنال مرجعی كه در اختیار آن قرار می‌گیرد تعریف می‌شود. در نتیجه، بر اساس تعریف IEEE-CIGRE، یك مولد استاتیكی توان رآكتیو، هنگامی كه مجهز به كنترل‌های خارجی (یا سیستمی) ای باشد كه مرجع مورد نیاز برای ورودی آن را از متقضیات كاركردی و متغیرهای غالب سیستم قدرت استخراج می‌نمایند، تبدیل به یك جبران ساز توان رآكتیو می‌شود تا جبران سازی مورد نظر در خط انتقال به انجام رسد.

مولدهای مدرن استاتیكی توان رآكتیو بر مدارهای كلید زنی نیمه هادی توان زیاد، مبتنی هستند. این مدارهای كلید زنی ذاتاً برخی از مشخصه‌های كاركردی مهم، مثل ولتاژ اعمال شده در برابر توان رآكتیو خروجی قابل حصول، تولید هارمونیك، تلفات در برابر توان رآكتیو خروجی، و زمان پاسخ قابل دسترسی را به عنوان محدودیت‌های عملكرد قابل وصول مولد توان رآكتیو، تعیین می‌كنند، و مستقل از كنترل‌های خارجی مورد استفاده در نهایت همان‌هان را در جبران ساز استاتیكی توان رآكتیو هم تعیین می‌نمایند.

مولدهای استاتیكی توان رآكتیو با امپدانس متغیر

نحوه كار و مشخصه‌های عملكرد مولدهای توان رآكتیو نوع امپدانسی توسط اجزاء متشكله اصلی آن‌ها كه با تریستور كنترل می‌شوند، تعیین می‌شوند؛ مثل رآكتور كنترل شده با تریستور و خازن سوئیچ شونده با تریستور.

رآكتور كنترل شده با تریستور و سوئیچ شده با تریستور (TSR,TCR)

یك رآكتور ابتدایی تك فاز كه با تریستور كنترل شده (TCR) در شكل 2-5- الف نشان داده شده است. این دستگاه شامل یك رآكتور ثابت (معمولاً با هسته هوایی) با اندوكتانس L و یك والو تریستور دو طرفه SW(یا كلید) است. تریستورهای بزرگی كه در حال حاضر در دسترس هستند، می‌توانند ولتاژهای 4000 تا 9000 ولت را مسدود سازند و جریان‌های 3000 تا 6000 آمپر را هدایت نمایند. بنابراین، در یك والو كارآمد، تریستورهای زیادی( نوعاً 10 تا 20 دستگاه) به صورت سری متصل می‌شوند تا در یك توان معین تأمین كننده سطح ولتاژ مورد نیاز برای مسدود سازی باشند. یك والو تریستوری می‌تواند با اعمال هم زمان یك پالس دریچه به همه تریستورهایی كه هم پلاریته هستند، به وضعیت هدایت برود. والو بلافاصله بعد از اینكه جریان ac به صفر می‌رسد به صورت خودكار مسدود می‌شود، حتی اگر سیگنال دریچه مجدداً اعمال شود.

شكل 2-5: (الف)رآكتور ابتدایی كنترل شده با تریستور. (ب)كنترل تاخیر زاویه آتش. (ج)شكل موج‌های عملكرد.

جریان در رآكتور می تواند از حداكثر (والو تریستوری بسته) تا صفر (والو تریستوری باز) با روش كنترل تأخیر در زاویه آتش، كنترل شود و بدین معنی كه بسته شدن والو تریستوری نسبت به پیك ولتاژ اعمال شده در هر نیم سیكل، تأخیر داشته، و به این ترتیب طول دوره‌های هدایت جریان، كنترل می‌شوند. این روش كنترل جریان، به صورت مجزا برای نیم سیكل های مثبت و منفی جریان در شكل 2-5- ب نشان داده شده است، كه در آن ولتاژ اعمال شده v و جریان رآكتور $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image024.png$ در زاویه تأخیر صفر (كلید كاملاً بسته) و در یك زاویه تأخیر اختیاری $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image025.png$ ، نشان داده شده‌اند. هنگامی كه $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image026.png$ والو sw در قله ولتاژ اعمال شده بسته می‌شود و روشن است كه جریان حاصله در رآكتور همان جریانی خواهد یود كه در حالت ماندگار و با یك كلید همیشه بسته، حاصل می‌شود. هنگامی كه دریچه‌ای شدن والو به اندازه زاویه $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image027.png$ نسبت به قله ولتاژ به تأخیر انداخته شود، جریان داخل رآكتور می‌تواند با $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image028.png$ به صورت زیر بیان شود:

A)
$C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image029.png$

از آن جا كه والو تریستوری بر حسب تعریف، با رسیدن جریان به صفر باز می‌شود، رابطه (a) برای دوره زمانی $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image030.png$ صحیح است. روشن است كه برای دوره‌های زمانی نیم سیكل مثبت بعدی، همان رابطه معتبر است. برای دورهای نیم سیكل منفی بعدی، علامت جمله‌های رابطه (a) مثیت می‌شوند.

در رابطه (a) جمله $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image031.png$ به سادگی یك ثابت وابسته به $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image025.png$ است كه به ازاء آن جریان سینوسی حاصله، همان گونه كه در شكل 2-5 (ب) نشان داده شده، در $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image032.png$ یك جریان متعادل، در مقدار مثبت آن دارای انتقال به سمت پایین، و در مقدار منفی دارای انتقال به سمت بالا است. از آن جا كه در لحظه صفر شدن جریان (كه در رآكتور فاقد تلفات، بر روی محور زمانی، قرینه لحظه وصل نسبت به پیك جریان است) والو به صورت خودكار قطع می‌شود، در واقع این فرآیند دوره هدایت (با زوایه) والو تریستوری را كنترل می‌كند. یعنی این كه، زاویه تأخیر $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image025.png$ زاویه هدایت غالب $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image033.png$ $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image034.png$ را تعریف می‌كند. به این ترتیب، هم چنان كه زاویه تأخیر $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image025.png$ افزایش می‌یابد، افزایش پیامد ناشی از آن منجر به كاهش زاویه هدایت $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image035.png$
والو و كاهش بعدی جریان رآكتور می شود [مرجع 3]. در حداكثر تأخیر $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image036.png$ ، تفاوت نیز به حداكثر خود v/wt می‌رسد، كه در آن هم زاویه هدایت و هم جریان رآكتور صفر می‌شوند.

مشخص است كه مقدار جریان در رآكتور می تواند به صورت پیوسته، با استفاده از روش كنترل زاویه تأخیر از حداكثر ( $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image037.png$ ) تا صفر ( $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image036.png$ ) تغییر داده شود؛ همان گونه كه در شكل 2-5 ـ (ج) نشان داده شده، و در آن، جریان رآكتور $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image024.png$ به همراه مؤلفه اصلی آن $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image038.png$ در زاویه‌های تأخیر $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image025.png$ مختلفی نشان داده شده است.

یك والو تریستوری می‌تواند با اعمال هم زمان یك پالس دریچه به همه تریستورهایی كه هم پلاریته هستند، به وضعیت هدایت برود.

مولد توان رآكتیو از نوع خازن ثابت و رآكتور كنترل شده با تریستور

شكل 2-6: مولد استاتیكی توان رآكتیو از نوع ابتدایی FC-TCR و مشخصه تقاضای توان رآكتیو آن در برابر توان رآكتیو خروجی

یكی از آرایش‌های اصلی مولد توان رآكتیو با استفاده از یك خازن ثابت (دائم متصل) و یك رآكتور كنترل شده با تریستور (FC-TCR) به صورت كاركردی در شكل 2-6 (الف) نشان داده شده است. جریان در رآكتور با روشی كه قبلاً به عنوان كنترل تأخیر زاویه آتش مورد بحث قرار گرفت تغییر می كند. خازن ثابت در عمل معمولاً به صورت كامل یا به صورت محدود، با یك مدار فیلتر كه امپدانس خازنی مورد نیاز را در فركانسی مؤلفه اصلی دارا می‌باشد، جایگزین می‌شود، تا توان رآكتیو مورد نیاز را تولید كند؛ اما این فیلتر در فركانس‌های انتخاب شده امپدانس كم ایجاد می‌كند تا هارمونیك‌های عمده تولید شده توسط TCR را شنت نماید.

مولد توان رآكتیو از نوع خازن ثابت و رآكتیور كنترل شده با تریستور را می‌توان به طور اصولی شامل یك رآكتور متغیر (كنترل شده با زاویه تأخیر $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image040.png$ ) و یك خازن ثابت در نظر گرفت، كه دارای مشخصه كلی تقاضای توان رآكتیو در برابر خروجی توان رآكتیو مطابق شكل 2-6 ـ (ب) می‌باشد. همانطور كه دیده می‌شود، تولید توان رآكتیو خازنی ثابت (Qc) مربوط به خازن ثابت، در مقابله با توان رآكتیو جذب شده متغیر ( $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image041.png$ ) مربوط به رآكتور كنترل شده با تریستور، قرار می‌گیرد، تا منجر به توان رآكتیو خروجی كلی (Q) شود. در حداكثر توان رآكتیو خازنی خروجی، رآكتور كنترل شده با تریستور، قرار می‌گیرد، تا منجر به توان رآكتیو خروجی كلی (Q) شود. در حداكثر توان رآكتیو خازنی خروجی، رآكتور كنترل شده با تریستور قطع است ( $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image042.png$ ). برای كاهش خروجی خازنی، جریان رآكتور با كاهش زاویه تأخیر $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image043.png$ افزایش می‌یابد. در توان رآكتیو خروجی صفر، جریان‌های خازنی و القایی برابر شده و به این ترتیب توان‌های رآكتیو خازنی و القایی حذف می‌شوند. با كاهش بیشتر در زاویه $C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image044.png$ (با فرض اینكه اندازه نامی رآكتور بزرگتر از خازن است)، جریان القایی بزرگتر از جریان خازنی می‌شود، و نتیجه یك خروجی خالص القایی توان رآكتیو است. در زاویه تأخیر صفر، رآكتور كنترل شده با تریستور جریان را در دوره 180 درجه كامل هدایت می‌كند، و منجر به حداكثر توان رآكتیو خروجی القایی می‌شود كه برابر است با اختلاف میان توان‌های رآكتیو تولید شده توسط خازن و جذب شده توسط رآكتور دارای هدایت كامل.

مولد توان رآكتیو كنترل شده با تریستور، خازن سوئیچ شده با تریستور.

جبران ساز نوع خازن سوئیچ شده با تریستور، رآكتور كنترل شده با تریستور (tsc-tcr)، در ابتدا برای جبران سازی دینامیكی سیستم‌های انتقال قدرت با قصد به حداقل رساندن تلفات حالت «آماده به كار» و تأمین انعطاف‌پذیری عملیاتی بیشتر، ساخته شد.

یك آرایش ابتدایی TSC-TCR تك فاز در شكل 2-7- الف نشان داده شده است.

شكل 2-7: مولد استاتیكی توان رآكتیو از نوع TSC-TCR (ابتدایی) و مشخصه تقاضای توان رآكتیو آن در برابر توان رآكتیو خروجی.

این آرایش برای یك محدوده خروجی خازنی داده شده، این آرایش شامل n شاخه TSC و یك TCR است. تعداد شاخه‌ها (n) با ملاحظات عملی كه شامل: سطوح ولتاژ عملیاتی، حداكثر توان رآكتیو خروجی، جریان نامی والوهای تریستوری، شكل شینه بندی و هزینه‌های نصب، و غیره است، تعیین می‌شود. البته محدوده القایی هم می‌تواند تا هر مقدار نامی حداكثر، با استفاده از شاخه‌های tcr اضافی، توسعه یابد.

عملكرد مولد توان رآكتیو TSC-TCR نشان داده شده در شكل 2-7-الف را می‌توان به صورت زیر شرح داد:

كل محدوده خروجی خازنی به n دوره تقسیم شده است. در اولین دوره، خروجی مولد توان رآكتیو در محدوده صفر تا Q_Cmax/n قابل كنترل است، كه Q_Cmax عبارت است از كل توان نامی كه به وسیله همه شاخه‌های tsc ایجاد می‌شود. در این فاصله، یك بانك خازنی به داخل مدار سوئیچ می‌شود (مثلاً با آتش كردن والو تریستوری sw) و به طور همزمان جریان داخل tcr با تأخیر زاویه آتش منتسب تنظیم می‌شود، به صورتی كه جمع خروجی توان رآكتیو TSC (منفی) و TCR (مثبت) برابر خروجی خازنی مورد نیاز شود.

در دومین، سومین، … و nامین فاصله، توان خروجی در محدوده‌های Q_Cmax/n تا Q_Cmax/n2، Q_Cmax/n تا Q_Cmax/n3،… و Q_Cmax/n (n-1) تا Q_Cmax می‌تواند با سوئیچ كردن دومین، سومین، … و nامین بانك خازنی به داخل مدار و استفاده از TCR برای جذب توان رآكتیو خازنی اضافی، كنترل شود.

با داشتن توانایی كلید زنی بانك‌های خازنی به داخل و خارج مدار ظرف یك سیكل ولتاژ ac، حداكثر توان رآكتیو خازنی اضافی در كل محدوده خروجی می‌تواند به توان تولید شده توسط یك بانك خازنی محدود شود، و به این ترتیب از نظر تئوری، tcr بایستی دارای همان توان رآكتیو نامی tsc باشد. اما، برای حصول اطمینان از این كه شرایط كلید زنی در نقاط انتهایی فاصله‌ها مبهم نباشد، توان رآكتیو نامی tcr در عمل بایستی مقدار بزرگتر از tsc باشد تا هم پوشانی (هیسترزیس) كافی بین سطوح توان رآكتیو در «كلید زنی به داخل» و «كلید زنی به خارج مدار»، وجود داشته باشد.

مشخصه توان رآكتیو مورد نیاز در مقابل توان رآكتیو خروجی، برای مولد توان رآكتیو نوع TSC-TCR در شكل 2-7- (ب) نشان داده شده است. همانطور كه مشاهده می‌شود، توان رآكتیو خروجی خازنی Qc، به صورتی پله‌ای توسط TSC ها تغییر داده شده تا توان رآكتیو مورد نیاز، با یك مقدار خالص توان رآكتیو خازنی اضافی تقریب زده شود، و خروجی نسبتاً كوچك توان رآكتیو القایی TCR یعنی، Q_L استفاده شده تا توان‌های رآكتیو خازنی اضافی حذف گردند.

مولدهای توان رآكتیو نوع كنورتر سوئیچ شونده

مولدهای استاتیكی توان رآكتیو كه در بخش قبل مورد بحث قرار گرفتند، توان رآكتیو كنترل را با كلید زدن هماهنگ بانك‌های خازنی و رآكتور به داخل یا خارج مدار تولید یا جذب می‌كنند. هدف از این رویكرد تولید یك امپدانس موازی رآكتیو متغییر است كه می‌تواند، به منظور بر آورده كردن شرایط جبران سازی شبكه انتقال، (به صورت پیوسته یا پله‌ای) تنظیم شود. امكان تولید توان رآكتیو قابل كنترل به صورت مستقیم، بدون استفاده از خازن‌های ac یا رآكتور، و با كلید زنی متعدد كنورترهای (Converter) قدرت را آقای «گایوگی» در سال 1976 آشكار نمود. این كنورترهای (dc به ac یا ac به ac) به عنوان منابع ولتاژ و جریان عمل می‌كنند و اساساً توان رآكتیو را بدون اجزاء ذخیره ساز انرژی رآكتیو و با چرخاندن جریان متناوب در میان فازهای سیستم ac، تولید می‌كنند. از لحاظ عملكردی، و از نقطه نظر تولید توان رآكتیو، عملكرد آن‌ها مشابه یك ماشین سنكرون ایده‌آل است كه توان رآكتیو خروجی آن با كنترل تحریك تغییر می‌كند. آن‌ها مانند ماشینی كه با توان حقیقی نیز با سیستم ac مبادله كنند. به دلیل این تشابهات با یك مولد گردان سنكرون، آن‌ها را اصلاحاً مولدهای استاتیك سنكرون (SSG) می نامند. هنگامی كه یك SSG بدون منبع انرژی، و با كنترل‌های مناسب برای عمل كردن به عنوان یك جبران ساز رآكتیو موازی بسته شده، كار می‌كند، مانند مشابه آنالوگ‌اش كه جبران ساز سنكرون گردان (كندوانسور) نام دارد، اصلاحاً به آن جبران ساز سنكرون استاتیكی (كندانسور) یا STATCON (STATCOM) می گویند.

توان رآكتیو قابل كنترل می‌تواند به وسیله تمام انواع كنورترهای سوئیچ شونده dc به ac یا ac به ac تولید شود. نوع اول عموماً كنورتر dc به ac یا فقط كنورتر نامیده می‌شود، در حالی كه نوع دوم را «تغییر دهنده فركانس» یا «سیكلوكنورتر» می نامند. عملكرد عادی كنورترها تغییر توان dc به ac است و كار تغییر دهنده‌های فركانس، تغییر توان ac از یك فركانس به توان ac با فركانس دیگر است. یك كنورتر قدرت از هر یك از این دو نوع، شامل آرایه‌ای از كلیدهای حالت جامد است كه ترمینال‌های ورودی را به ترمینال‌های خروجی متصل می‌كند. در نتیجه یك كنورتر قدرت سوئیچ شونده، هیچ نوع ذخیره انرژی داخلی ندارد و به این ترتیب توان ورودی ـ لحظه‌ای باید برابر توان خروجی لحظه‌ای باشد. هم چنین، پایانه‌های ورودی و خروجی باید مكمل یكدیگر باشند، یعنی این كه، اگر ورودی منتهی به یك منبع ولتاژ است (كه می تواند یك منبع ولتاژ فعال مثل یك باطری، یا غیر فعال مثل یك خازن باشد) آن گاه خروجی بایستی منتهی به یك منبع جریان باشد (كه در عمل همیشه به معنی یك منبع ولتاژ با یك منبع امپدانس القایی با یك امپدانس القایی غیر فعال است) و بر عكس. در حالت كنورترهای dc به ac، پایانه‌های dc معمولاً به عنوان «ورودی» در نظر گرفته می‌شوند و بنابراین كنورترهای منبع ولتاژی یا منبع جریانی بر حسب این‌كه با یك منبع ولتاژ (خازن) یا با یك منبع جریان (القاگر) موازی شده باشند از یكدیگر تمیز داده می‌شوند.

كنورترهایی كه در حال حاضر در كنترل كننده‌های FACTS به كار می‌روند، نوع منبع ولتاژی هستند، اما ممكن است كه نوع منبع جریانی نیز در آینده مورد استفاده قرار گیرد. دلایل عمده برای ترجیح كنورترهای منبع ولتاژی عبارت‌اند از: (1) كنورترهای منبع جریانی نیاز به نیمه هادی‌های قدرت با قابلیت مسدود سازی دو جانبه ولتاژ، دارند. نیمه هادی‌های توان زیاد در دسترس كه دارای قابلیت قطع دریچه هستند (GTO‌ها و IGBT‌ها) یا اصلاً نمی توانند ولتاژ معكوس را مسدود كنند یا می‌توانند این كار را فقط با تأثیر مخرب بر پارامترهای مهم دیگر (مثل افزایش تلفات هدایت) انجام دهند. (2) در عمل منتهی كردن ترمینال‌های dc كنورتر به یك منبع جریان تژاز نوع رآكتور شارژ شده با جریان، بسیار پر تلفات تر از اتصال انتهایی توسط منبع ولتاژ از نوع خازن شارژ شده با ولتاژ است. (3) كنورتر منبع جریانی نیاز به پایانه‌ای از نوع منبع ولتاژ در ترمینال‌های ac دارد، كه معمولاً به صورت یك فیلتر خازنی است. كنورتر منبع ولتاژی نیاز به پایانه‌ای از نوع منبع جریان در ترمینال‌های ac دارد، كه به صورت طبیعی با اندوكتانس نشتی ترانسفورماتور كوپل كننده تعیین می‌شود. (4) اتصال و انتهایی با منبع ولتاژ (یعنی یك خازن dc بزرگ) قابلیت ایجاد یك حفاظت خودكار برای نیمه هادی‌های قدرت، در برابر وضعیت‌‌های گذرای خط انتقال را دارد. كنورترهای منبع جریانی ممكن است نیاز به حفاظت‌های اضافی، در برابر اضافه ولتاژها یا مقادیر ولتاژ نامی بالاتر، برای نیمه هادی‌ها داشته باشند. به هر حال، كنورترهای منبع جریانی یك مزیت عمده بر همتای منبع ولتاژی خود دارند و آن ایمنی تقریباً كامل آن‌ها در برابر اتصال كوتاه ترمینال‌ها است، كه به دلیل محدودیت ذاتی جریان خروجی آن‌ها ـ كه توسط منبع جریان تأمین می‌شود ـ می‌باشد.

شكل 2-8: تولید توان رآكتیو به وسیله یك جبران ساز سنكرون گردان (كندانسور).

اصول اولیه عملكرد، اصل اولیه تولید توان رآكتیو توسط یك كنورتر منبع ولتاژی، مشابه یك ماشین سنكرون گردان از نوع متداول است كه به صورت شماتیك در شكل 8-2 نشان داده شده است. برای سیلان توان رآكتیو به صورت خالص، نیروهای برق رانی القا شده سه فاز (EMFها)، e_c,e_b,e_a در ماشین گردان سنكرون با ولتاژهای V_b,V_aV_C هم فاز هستند [مرجع 4]. جریان رآكتیو I كه به وسیله جبران ساز سنكرون كشیده می‌شود، با مقدار ولتاژ V، ولتاژ داخلی E، و كل رآكتانس مدار X (رآكتانس ماشین سنكرون، به علاوه رآكتانس نشتی ترانسفورماتور به علاوه رآكتانس اتصال كوتاه سیستم) تعیین می‌شود:

$C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image047.png$
(12- 5)

توان رآكتیو متناظر Q كه مبادله می‌شود با رابطه زیر بیان شود:

C:\Users\EhsanP\Desktop\للل_files\image048.png

(13-5)

با كنترل كردن تحریك ماشین، و به این ترتیب كنترل دامنه ولتاژ داخلی آن E كه متناسب با دامنه ولتاژ سیستم V است، سیلان توان رآكتیو می‌تواند كنترل شود. افزایش E به مقدارای بیش از V (یعنی عملكرد فوق تحریك) منجر به جریانی دارای تقدم فاز می‌شود؛ یعنی اینكه، ماشین به عنوان یك خازن توسط سیستم ac «دیده» می‌شود. كاهش e به مقداری كمتر از v (یعنی عملكرد زیر تحریك) جریانی‌ با تأخیر فاز ایجاد می‌كند؛ بدین معنی كه، ماشین به عنوان یك رآكتور (القاگر) توسط سیستم ac «دیده» می‌شود. البته، تحت هر یك از دو شرایط عملكرد، مقدار كمی از توان حقیقی از سیستم ac به ماشین سیلان می‌یابد تا تلفات مكانیكی و الكتریكی آن را تأمین كند.

کنورترهای (dc به ac یا ac به ac) به عنوان منابع ولتاژ و جریان عمل می‌كنند و اساساً توان رآكتیو را بدون اجزاء ذخیره ساز انرژی رآكتیو و با چرخاندن جریان متناوب در میان فازهای سیستم ac، تولید می‌كنند.

مولدهای توان رآكتیو مختلط: كلید زنی كنورتر با TSC و TCR

مولد توان رآكتیو مبتنی بر كنورتر می‌تواند به یك مقدار حداكثر توان رآكتیو جذب یا تولید كند؛ به عبارت دیگر این مولد دارای محدوده مشابه كنترل، برای خروجی توان رآكتیو خازنی و القایی است. به هر حال در كاربردهای زیادی ممكن است محدوده متفاوت تولید و جذب توان رآكتیو خواسته شود. این امر به سادگی به وسیله تركیب كنورتر با خازن‌های ثابت و یا سوئیچ شونده با تریستور، و یا رآكتورها قابل حصول است.

تركیب یك مولد توان رآكتیو مبتنی بر كنورتر با یك خازن ثابت در شكل 2-9 (الف) نشان داده شده است. این آرایش می‌تواند با جابه‌جایی محدوده عملكرد به منطقه خازنی، همانگونه كه با مشخصه V-1 مربوطه در شكل 2-9 (ب) نشان داده شده، بیش از مقدار نامی كنورتر توان رآكتیو تولید كند.

در حالی كه، خازن‌های ثابت یا رآكتورها محدوده عملیاتی مولد توان رآكتیو را بیشتر به طرف منطقه خازنی یا القایی جابه‌جا می‌كنند، بدون آنكه تغییری در مقدار مگاوار قابل كنترل پدید آورند، خازن‌ها و رآكتورهای سوئیچ شونده با تریستور در واقع كل محدوده كنترلی خروجی توان رآكتیو را افزایش می‌دهند. توان رآكتیو مبتنی بر كنورتر كه با یك TSC و یك TCR تركیب شده، به همراه مشخصه V-1 مربوطه در شكل 2-10 (الف) و (ب) نشان داده شده است.

شكل 2-9: (الف)مولد توان رآكتیو نوع تركیبی، خازن ثابت و مبتنی بر كنورتر، (ب)و محدوده V-1عملكرد.

توجه كنید كه افزودن ادمیتانس‌های رآكتیو ثابت یا سوئیچ شونده به مولد توان رآكتیو مبتنی بر كنورتر به طرز نامطلوبی مشخصه V-1 را تغییر می‌دهد؛ چون جریان خروجی تابعی از ولتاژ اعمال شده می‌شود. تغییر در مشخصه V-1 به روشنی بستگی به مقدار نامی مگاولت آمپر كنورتر متناسب با كل محدوده كنترل شده مگاوار، دارد.

جدا از جابه‌جایی با گسترش محدوده توان رآكتیو كنترل شده، آرایش مولد توان رآكتیو مختلط كه از یك كنورتر به همراه خازن ثابت و یا كنترل شده با تریستور و بانك‌های رآكتور استفاده می‌كند ـ می‌تواند به منظور تأمین یك مشخصه بهینه تلفات در مقابل رآكتیو خروجی، برای كاربرد خاصی به كار رود.

طرح عمومی مولد توان رآكتیو مختلط، با استفاده از یك كنورتر سوئیچ شونده با TCR‌ها یا TSC‌ها، و احتمالاً خازن‌های ثابت یا با سوئیچ مكانیكی، امكان مفیدی را برای طراح به وجود می‌آورد تا جبران ساز را از نظر محدوده تعریف شده توان رآكتیو، مشخصه تلفات در برابر رآكتیوخروجی، نحوه عملكرد و هزینه، بهینه كند.

كنورترهای منبع جریانی یك مزیت عمده بر همتای منبع ولتاژی خود دارند و آن ایمنی تقریباً كامل آن‌ها در برابر اتصال كوتاه ترمینال‌ها است.

جبران سازهای استاتیكی توان رآكتیو: SVC و STATCOM

جبران ساز استاتیكی توان رآكتیو (SVC) و جبران ساز استاتیكی سنكرون (STATCOM) مولدهای استاتیكی توان رآكتیو هستند، كه در آن‌ها خروجی به صورتی تغییر كرده است كه پارامترهای مشخصی در سیستم‌های قدرت الكتریكی، حفظ یا كنترل گردد. در بخش‌های قبلی بحث شد كه یك مولد استاتیكی توان رآكتیو ممكن است از نوع امپدانس رآكتیو كنترل شده ـ با بهره‌گیری از رآكتورها و خازن‌های كنترل و سوئیچ شده با تریستور ـ یا از نوع منبع ولتاژی ـ با استفاده از كنورتر قدرت قابل سوئیچ شدن ـ یا از نوع مختلط ـ كه تركیبی از این اجزاء را استفاده می‌كند ـ باشد. اگر چه اصول عملكرد این مولدهای توان رآكتیو بسیار متفاوت هستند و مشخصه

شكل 2-10: (الف)مولدتوان رآكتیو تركیبی TCS-TCR و مبتنی بر كنورتر. (ب) محدوده V-1 عملكرد.

V-1 و تلفات در برابر توان رآكتیو خروجی آن‌ها و هم چنین سرعت پاسخ و عرض باند فركانس قابل حصول آن‌ها كاملاً اختلاف دارند، همه آن‌ها می‌توانند به طور كلی جبران سازی رآكتیو شنت قابل كنترل را، با قابلیت‌های عملیاتی مشابه، در محدوده كاری خطی خود به نمایش گذارند. معنی این امر آن است كه ساختار اساسی كنترل بیرونی كه كاركرد عملیاتی جبران ساز را تعریف می كند، و در نتیجه ورودی‌های مرجع را برای مولد توان رآكتیو به دست می‌دهد، اساساً مستقل از نوع مولد توان رآكتیو مورد استفاده، یكسان است. (توجه كنید كه مولد توان رآكتیو مبتنی بر كنورتر می تواند به ذخیره ساز انرژی مناسب مجهز شود تا جبران سازی آكتیو و رآكتیو را ایجاد نماید؛ كه در این صورت كنترل جبران ساز بایستی با حلقه‌های اضافی كنترل، جهت مدیریت تبادل توان حقیقی بین سیستم AC و كنورتر، تكمیل شود).

جبران سازی توان راکتیو در دیگسایلنت

در این بخش می‌خواهیم برای یک بار هم که شده برای شما توان راکتیو را به‌صورت کامل توضیح دهیم و نشان دهیم چرا مطالبی که در مقطع کارشناسی به شما آموخته شده است عملا کاربردی نیست.

در این آموزش در ابتدا توضیحات بنیادی و متفاوتی از توان راکتیو را خواهید شنید و پس از آن به سراغ نرم افزار دیگسایلنت رفته و تاثیر قرارگیری خازن بروی شبکه بدون انجام محاسبات لازم بررسی می‌شود و درنهایت نحوه جایابی مناسب خازن برای جبران توان راکتیو آموزش داده خواهد شد.

دانلود فیلم آموزش مکان یابی بهینه خازن به‌همراه جبرانسازی توان راکتیو در دیگسایلنت – Full HD | با حجم 128 مگابايت

آنچه که در این ویدیو خواهید دید:

علت مشخص نبودن دقیق Q، مروری بر تعریف اصولی، تعریف بودانو، Fryze، شپرزکی خانی، می نیمم سازی، Akagi، تعمیم یافته، تئوری pqr، شبکه 55 باسه، روش CPC چیست، اهداف جایابی بهینه خازن (Optimal Capacitor Placement)، تنظیمات OPC، انواع متود جایابی خازن، تابع هزینه، تعریف بانک های خازنی، نرخ جریمه چیست، تحلیل نتایج، افزودن بی دلیل خازن و تاثیر آن.

سوالات متداول جبرانسازی توان راکتیو

توان اکتیو چیست؟

توانی که به صورت واقعی برای کارهای مفید در مدارات AC یا DC مورد استفاده یا مصرف قرار می‌گیرد، توان اکتیو نامیده می‌شود. این توان، توان درست، حقیقی، مفید یا توان وات کامل نیز نامیده و با P نشان داده می‌شود و واحد آن وات (W)، کیلووات (kW) و مگاوات (MW) می‌باشد.

توان راکتیو چیست؟

پاسخ به این سوال به صورت کامل مشخص نیست!، مقالات در زمینه توضیح توان راکتیو همچنان در حال تکامل هستند، تااینجا می دانیم که توانی که بین منبع و بار در مدار حرکت می‌کند و بازمی‌گردد توان راکتیو نامیده می‌شود. این توان، توان غیرمفید (در عمل مفید بوده و سبب پایداری سیستم می گردد) و با Q نشان داده می‌شود و بر حسب وار (ولت آمپر راکتیو)، کیلووار (kVAR) و مگاوار (MVAR) بیان می‌گردد.

توان ظاهری چیست؟

در یک مدار AC، ضرب ولتاژ و جریان برحسب ولت-آمپر (VA) به‌عنوان «توان ظاهری» (Apparent power) شناخته شده و با نماد S نشان داده می‌شود.

تفاوت توان اکتیو و راکتیو چیست؟

تفاوت اصلی بین توان اکتیو و راکتیو در این است که توان اکتیو در واقع توان حقیقی یا واقعی است که در مدار مورد استفاده قرار می‌گیرد در حالی که توان راکتیو بین بار و منبع رفت و برگشت می‌کند.

ضریب توان (pf) چیست؟

ضریب توان در یک سیستم الکتریکی AC اصطلاحی است که به نسبت توان واقعی به توان ظاهری گفته می شود و مقداری بین ۰ تا ۱ دارد.

جدیدترین متد در جبران سازی توان راکتیو چیست؟

برای جبران سازی دقیق توان راکتیو و مدیرت تقاضای شبکه عناصر الکترونیک قدرت مانند ادوات فکتس (FACTS) مورد استفاده قرار می گیرند.