مطالعه موردی برای دستیابی به انطباق با کدهای کیفیت توان شبکه

مقدمه

این مقاله به عواقب عملی انطباق با کدهای کیفیت توان (PQ) در نیروگاه‌های تجدیدپذیر فتوولتاییک (PV) دسته C می‌پردازد. موفقیت در کاهش هارمونیک‌ها از طریق نصب فیلترهای هارمونیک اکتیو (AHF) در سطح ولتاژ پایین (۴۰۰ ولت) و با اتصال به نقاط مشترک اتصال (PCC) در سطوح ولتاژ متوسط انجام شده است.

مقررات و استانداردها

معرفی و اتصال نیروگاه‌های تجدیدپذیر مقیاس Utility به شبکه توزیع ملی در آفریقای جنوبی مستلزم رعایت یک سری الزامات فنی، مقررات و استانداردها بود که شامل همه ذی‌نفعان مرتبط می‌شود. این الزامات ترکیبی از مشخصات و کدهای NRS محلی و همچنین دستور العمل‌های نهاد تنظیم‌کننده انرژی ملی آفریقای جنوبی (NERSA) و استانداردها و بهترین شیوه‌های بین‌المللی مانند IEC و Cigre را تشکیل می‌دهند. این اسناد راهنماهایی برای الزامات PQ در سطح PCC (مانند میزان هارمونیک، محتوای پلک و عدم تعادل ولتاژ) و همچنین الزامات دقیق برای اندازه‌گیری PQ و تجهیزات ضبط آن فراهم می‌آورند.

عملیات نیروگاه‌های تجدیدپذیر جدید هر یک با مجموعه‌ای از مشخصات کیفیت تأمین (QoS) منحصر به فرد صادر می‌شود که بخشی از توافقنامه خاص اتصال توزیع و استفاده از سیستم (DCUOSA) است. این مشخصات برای حداکثر مشارکت RPP در اختلالات زمینه‌ای شبکه تعیین شده و برای RPP و PCC مربوطه خاص خواهد بود. (این مقدار با توجه به اسکن امپدانس شبکه، سطوح ولتاژ اتوبوس و اطلاعات دیگر تعیین می‌شود.) اثبات انطباق با QoS بر عهده RPP است و تنها پس از اتمام ساخت نیروگاه، RPP حق انتقال مداوم به شبکه ملی را خواهد داشت.

چالش‌ها برای نیروگاه‌های مورد مطالعه

در این مطالعه موردی، دو نیروگاه PV واقع در آفریقای جنوبی به‌منظور انطباق با کد کیفیت تأمین قراردادی مورد بررسی قرار گرفتند. هر دو نیروگاه به‌عنوان دسته C طبقه‌بندی شدند و بنابراین ملزم به انجام تأییدیه‌های عملکرد کامل QoS بودند. چندین چالش فنی در این زمینه وجود داشت که به شرح زیر است:

اتصال مشترک PCC در سطح MV

اتصال ورودی این دو نیروگاه به شبکه در سطوح MV (۱۱ kV و ۲۲ kV به ترتیب) ویژگی‌ای بود که به ندرت در آنها پیاده‌سازی شده است. بوس‌گذاری در هر دو مورد همچنین با سایر کاربران/مشتریان در سطح MV مشترک است. به همین دلیل، اندازه‌گیری‌ها در PCC (نقطه ارزیابی قراردادی) شامل مشارکت ناخواسته PQ از این کاربران خارجی بود. این مشارکت معمولاً با هیچ عنصر اضافی امپدانس (مانند ترانسفورماتور MV/HV) کاهش نمی‌یابد، همان‌طور که در مورد RPPها که PCC در سطح HV (۱۳۲ kV) قرار دارد، مشاهده می‌شود. نمودار توزیع تک‌خطی مرحله‌ای نمایندگی در شکل ۱ ارائه شده است.

شکل ۱. نمودار توزیع کلی از نیروگاه‌های مرجع PV

بنابراین، مطالعات مربوط به انطباق با کد شبکه نیازمند یک رویکرد متفاوت در ضبط PQ تنها از نیروگاه PV نسبت به تمامی کاربران مشترک PCC بود؛ این بدین معناست که باید اثبات شود که تنها PV در شبکه مشارکت دارد یا در غیر این صورت باید تخفیف مناسبی برای تجزیه و تحلیل مشارکت تمام اتصالات در PCC فراهم شود.

تغییرات مداوم در طیف هارمونیک

ضبط‌های PQ طولانی‌مدت از نیروگاه‌های PV در حین عملیات عادی نشان‌دهنده محتوای هارمونیک بالایی در فرکانس‌های متغیر بود. به عنوان مثال، محتوای هارمونیک در اوایل صبح و شب‌ها (دوره‌های راه‌اندازی و خاموش کردن) به‌طور قابل توجهی متفاوت از ضبط‌های هارمونیک در دوره‌های عملکرد کامل (در وسط روز) بود. این پدیده تحت تأثیر عملکرد و تنظیمات کنترل اینورترهای رشته PV قرار دارد. به‌علاوه، تأثیرات ناشی از فعالیت‌های ابری باعث ایجاد مجموعه‌ای جدید از محتوای هارمونیک خاص گردید. این موضوع در شکل ۲ نشان داده شده، جایی که سمت چپ نمودار نمایانگر یک روز با پوشش ابر متغیر و سمت راست نماینده یک روز آفتابی معمولی است. جریان هارمونیک برای ردیف‌های ۱۷، ۱۹، ۲۳ و ۲۵ که نیاز به کاهش دارند، نشان داده شده است. این تغییرات در ویژگی‌های محتوای هارمونیک توجه ویژه‌ای به فناوری‌های جایگزین مناسب برای تخفیف مؤثر لازم دارد.

شکل ۲. رفتار جریان هارمونیک در مقایسه یک روز با فعالیت ابری و شرایط آسمان صاف

راه‌حل تخفیف

در میان گزینه‌های جایگزین برای کاهش هارمونیک‌ها در این نیروگاه‌های مرجع PV، فناوری فیلتر هارمونیک اکتیو (AHF) به عنوان راه‌حلی کارا انتخاب شد. این فناوری بر اساس اندازه‌گیری بلادرنگ محتوای هارمونیک و تولید و تزریق سریع (در عرض ۱ میلی‌ثانیه) جریان هارمونیک جبرانی کار می‌کند. یک مثال از شکل موج تزریق شده در شکل ۳ قابل مشاهده است؛ در این سایت‌های مرجع، سیگنال جبرانی در یک نقطه تزریق معمول برای کل نیروگاه در سطح ۴۰۰ ولت پیاده‌سازی شده است، به‌طوری که تنها نیاز به نصب یک ترانسفورماتور با اندازه مناسب وجود داشت، همان‌طوری که در شکل ۴ نشان داده شده است. طراحی ویژه فیلتر اکتیو باید با دقت انجام شود تا از تأثیر منفی امپدانس ترانسفورماتور بر عملکرد جبرانی اطمینان حاصل شود.

شکل ۳. اصل عملکرد فیلترهای هارمونیک اکتیو

شکل ۴. نصب معمول فیلترهای هارمونیک اکتیو ولتاژ پایین

شکل ۵. یکپارچگی شبکه راه‌حل AHF

فیلترهای اکتیو نصب شده از توپولوژی سه‌سطحی برخوردار بودند که در شکل ۶ قابل مشاهده است؛ این توپولوژی دقت بیشتری در اندازه‌گیری و جبران هارمونیک‌ها فراهم می‌آورد. ظرفیت بالاتر به نوبه خود امکان جبران ردیف‌های هارمونیک بسیار بیشتری را میسر می‌کند. علاوه بر این، توپولوژی سه‌سطحی با تلفات کمتر و فشار کمتری بر خازن DC-link همراه است. این عوامل همگی به جبران هارمونیک‌های مورد نیاز نیروگاه‌های مرجع کمک کرده است.

طراحی فیلتر

معمولاً برای سازندگان اصلی تجهیزات (OEMs)، تامین فیلترهای هارمونیک فعال (AHFs) در اندازه‌های مشخصی مانند ۵۰ آمپر یا ۱۰۰ آمپر امری مرسوم است. در مواردی که نیاز به سطوح بالاتری از جبران وجود دارد، می‌توان چندین واحد را به‌صورت موازی پیکربندی کرد. در این حالت، تمامی واحدها به تمامی فرکانس‌های هارمونیک مزاحم هدف‌گذاری می‌کنند. همچنین ممکن است هر واحد AHF تنها به ترتیب خاصی از هارمونیک‌های مزاحم خاص هدایت شود. در عمل، مزایای این ترکیبات در ایجاد توازن میان افزونگی و کاهش پهنای باند، از جمله عوامل کلیدی در پیکربندی نهایی کنترل فیلتر به حساب می‌آید. دانش عمیق از ویژگی‌های شبکه، که تنها از طریق ضبط‌های واقعی و بلندمدت به دست می‌آید، در این تصمیمات نقش مؤثری ایفا می‌کند. این دانش همچنین امکان بهینه‌سازی جبران را فراهم می‌آورد به شکلی که فقط در سطوحی که در محدوده مجاز ایمنی اکثر شرایط قرار دارد، انجام شود (بدین معنا که معمولاً نیاز نیست تمام محتوای هارمونیکی حذف گردد).

پارامترهای طراحی ترانسفورماتور

توجه به این موضوع حائز اهمیت است که الزامات کاری ترانسفورماتور برای موارد فوق باید به‌گونه‌ای باشد که بتوانند به نحو احسن جریان هارمونیک را منتقل کنند. در مقایسه با یک ترانسفورماتور توزیع معمولی که عمدتاً برای کار در فرکانس ۵۰ هرتز طراحی شده است، این کاربرد نیاز به ترانسفورماتور با درجه K مناسب (ترجیحاً) و همچنین سایر روش‌های خاصی دارد که اجازه می‌دهند حرارت ناشی از توزیع جریان، اثر پوست را در هادی‌های درونی ترانسفورماتور ایجاد کند.

الزامات CT های جمع آوری

با توجه به مطالب مطرح‌شده، انتخاب صحیح CT ها (به ویژه CT های جمع آوری) برای عملکرد موثر AHFs ضروری است. بهینه‌سازی پاسخ فرکانسی، بار، نسبت‌های انتقال و اندازه‌های فیزیکی همگی باید به دقت مورد ارزیابی قرار گیرند.

شرایط محیطی

از منظر زیست‌محیطی، دماهای موجود در سایت‌های مرجع به چالشی برای عملکرد قابل‌اعتماد تجهیزات الکترونیکی تبدیل شده است. دماهای ثبت‌شده در طول دوره‌های طولانی به‌طور مداوم در بازه ۴۰-۴۵ درجه سانتی‌گراد قرار دارند. این موضوع نیازهای خاصی را برای مکانیزم‌های محافظت از اجزای الکترونیکی، از جمله طراحی خنک‌کنندگی و مدیریت جریان حرارت در محفظه‌های تجهیزات به وجود می‌آورد.

مشاهدات فراتر از الزامات مقررات کد شبکه

ضبط‌های وسیع انجام‌شده در سایر نیروگاه‌های مرجع، شامل داده‌هایی درباره ترتیب‌های هارمونیک فراتر از الزامات استانداردی، تنها تا ترتیب ۵۰ ام هارمونیک بود. (ثبت‌های واقعی تا ترتیب هارمونیک ۵۱۲ انجام گرفته است.) به‌عنوان مثال، شکل ۹ بینش‌های قابل‌توجهی از محتوای هارمونیک بین ترتیب‌های ۶۰ و ۷۰ ارائه می‌دهد. این شکل، ضبط ولتاژ (به درصد) در باس PCC و ضبط جریان (به آمپر) از خط تغذیه‌ای که نیروگاه فتوولتائیک به باس PCC متصل می‌شود را نشان می‌دهد. فقدان همبستگی قوی بین محتوای ولتاژ و جریان در بالای ۵۰ ام نشان‌دهنده این است که این محتوا ممکن است مرتبط با زمینه (یعنی متصل به شبکه) یا غیر مرتبط با نیروگاه فتوولتائیک باشد. (این ضبط خاص طی یک دوره حدود یک ساعت تحت شرایط عملیاتی پایدار نیروگاه فتوولتائیک انجام شد.)

خلاصه

این مقاله مختصری از چالش‌هایی را که ممکن است در فرآیند دستیابی به انطباق کیفیت خدمات (QoS) برای اتصال به کد شبکه در نیروگاه‌های تجدیدپذیر اندازه Utility در آفریقای جنوبی تجربه شود، ارائه می‌دهد. استفاده از فیلترهای هارمونیک فعال (AHF) به‌عنوان یک راه‌حل مؤثر برای کاهش مناسب نوسانات متغیر دائمی ترتیب‌های هارمونیک مزاحم تا (دست‌کم) ترتیب ۳۵ ام هارمونیک به‌خوبی ثابت شده است. علاوه بر این، تأکید می‌کند که محتوای هارمونیک فراتر از ترتیب ۵۰ ام (یعنی فراتر از محدوده قوانین مقرراتی کنونی) به‌طور فزاینده‌ای در شبکه ملی آفریقای جنوبی محسوس است؛ شاید تبعات آینده آن هنوز به‌طور کامل درک نشده باشد.

مراجع

[۱] کد اتصال شبکه برای نیروگاه‌های برق تجدیدپذیر (RPPs) متصل به سیستم انتقال برق (TS) یا سیستم توزیع (DS) در آفریقای جنوبی، نسخه ۲.۹، ژوئیه ۲۰۱۶.

جزئیات تماس: Dirk van der Bank, dirk@adaee.co.za/ Kyle Lass, kjlass@rwww.co.za

منتشر شده: Energize, ژوئیه ۲۰۱۸

مهندسان و متخصصان

پروژه‌های کیفیت توان معمولاً نیاز به یک تیم چندتخصصی دارند. حضور مهندسان با تخصص‌های مختلف می‌تواند تأثیر بسزایی در موفقیت پروژه داشته باشد.

نقش‌های کلیدی در پروژه‌های کیفیت توان

• مهندس برق: مسئول طراحی و اجرای سیستم‌های الکتریکی.
• تحلیلگر داده: وظیفه تحلیل نتایج حاصل از اندازه‌گیری‌های کیفیت توان را بر عهده دارد.
• مدیر پروژه: نظارت بر کلیه مراحل پروژه و اطمینان از انطباق با زمانبندی و بودجه.
• متخصص فیلترهای هارمونیک: تحلیل نیازهای فیلترینگ و انتخاب فیلترهای مناسب.

طراحی آزمون‌های ارزیابی کیفیت توان

مراحل طراحی آزمون‌های ارزیابی کیفیت توان شامل موارد زیر است:

1. تعیین اهداف و مقاصد آزمون.
2. انتخاب ابزار و تجهیزات مناسب.
3. شناسایی مکان‌های اندازه‌گیری.
4. برنامه‌ریزی و زمان‌بندی آزمون‌ها.

اقدامات پایانی و نتیجه‌گیری

پس از اتمام مراحل پروژه، مهم است که مستندات کامل و دقیقی از تمامی فعالیت‌ها و نتایج به‌دست آمده تهیه شود. این مستندات می‌تواند برای پروژه‌های آینده و تحلیل‌های بعدی بسیار مفید باشد.

در نهایت، انطباق با کدهای کیفیت توان اثر معناداری بر بهبود کیفیت برق مصرفی داشته و به رضایت مشتریان و کاهش هزینه‌ها منجر خواهد شد.

برای اطلاعات بیشتر و مشاوره می‌توانید با ما در شرکت تدبیر انرژی سپهر تماس بگیرید.

پرسش‌های متداول

چگونه می‌توان کیفیت توان را اندازه‌گیری کرد؟

کیفیت توان می‌تواند با استفاده از آنالایزرهای کیفیت توان در نقاط مختلف شبکه اندازه‌گیری شود.

فیلتر هارمونیک چیست و چگونه کار می‌کند؟

فیلتر هارمونیک یک دستگاه است که برای حذف یا کاهش هارمونیک‌های ناخواسته و بهبود کیفیت توان به کار می‌رود.

چرا انطباق با کدهای کیفیت توان مهم است؟

انطباق با کدهای کیفیت توان برای جلوگیری از آسیب به تجهیزات و بهبود عملکرد شبکه الکتریکی حیاتی است.

چالش‌های اصلی در مدیریت کیفیت توان کدامند؟

چالش‌های اصلی شامل هارمونیک‌ها، عدم تعادل ولتاژ و نوسانات پلک هستند.

منبع: powerquality.blog