تدبیر انرژی سپهر | مطالعات تخصصی سیستم‌های قدرت

شبیه‌سازی پارامترهای کیفیت توان؛ پیش از آنکه مشکل، هزینه شود

مدل‌سازی دقیق شبکه برق صنعتی و تجاری برای تحلیل هارمونیک، فلیکر، افت ولتاژ، نامتعادلی و حالت‌های گذرا؛ مطابق استانداردهای IEEE و IEC، با خروجی عملی برای طراحی فیلتر، جبران‌سازی توان راکتیو و انطباق با الزامات شرکت برق.

مقدمه

شبیه‌سازی کیفیت توان چیست و چرا اهمیت دارد؟

کیفیت توان (Power Quality) به میزان انطباق ولتاژ و جریان شبکه با شکل موج سینوسی ایده‌آل، دامنه نامی و فرکانس ثابت گفته می‌شود. با گسترش بارهای غیرخطی مانند درایوهای فرکانس متغیر (VFD)، یکسوکننده‌ها، کوره‌های القایی و قوس الکتریکی، شارژرهای خودروی برقی، تجهیزات ماینینگ و اینورترهای خورشیدی، اعوجاج هارمونیکی و نوسانات ولتاژ به یکی از پرهزینه‌ترین مشکلات پنهان صنایع تبدیل شده است.

شبیه‌سازی پارامترهای کیفیت توان یعنی ساخت مدل دیجیتال دقیق از شبکه برق (ترانسفورماتورها، کابل‌ها، بارها، خازن‌ها و منابع تولید) و بررسی رفتار آن در سناریوهای مختلف بهره‌برداری؛ پیش از خرید تجهیزات، توسعه خط تولید یا اتصال به شبکه سراسری. نتیجه، تصمیم‌گیری مهندسی مبتنی بر عدد است، نه حدس و آزمون و خطا.

یکی از مهمترین چالش‌های پیش روی صنایع، مسئله کیفیت توان الکتریکی می‌باشد. در صورتیکه مسائل مربوط به کیفیت توان الکتریکی جدی گرفته نشود، می‌تواند خسارات جبران‌ناپذیری را به صنایع تحمیل نماید.

پیشرفت تجهیزات الکترونیک قدرت و گسترش روزافزون و نقش کلیدی آنها در فرآیندهای تولیدی کارخانه‌ها، اعوجاج هارمونیکی در سطح شبکه برق را در پی خواهد داشت. این در حالی است که هارمونیک‌ها مهمترین دغدغه کیفیت توان مرتبط با صنایع هستند.

اعوجاج ولتاژ و پدیده تشدید، مسئله‌ای بسیار جدی به علت وجود افزایش هارمونیک در شبکه برق کارخانه‌ها می‌باشد. صنایع در حال توسعه سریع، بیش از دیگران، نیازمند بررسی مسائل مرتبط با کیفیت توان می‌باشند.

به طور کلی انجام مطالعات مرتبط با کیفیت توان مخصوصاً مطالعات هارمونیکی در صنایع موجود در کشور ما به ندرت انجام پذیرفته است. در این راستا اندازه‌گیری‌های میدانی با تکرار زیاد جهت ارزیابی دقیق شبکه برق این صنایع، انجام پذیرفته است. پس از ارزیابی و کشف مشکلات شبکه از لحاظ پارامترهای کیفیت توان، مدلسازی‌های دقیق توسط نرم‌افزار انجام می‌گیرد.

جهت اطمینان از صحت شبیه‌سازی انجام شده، اندازه‌گیری‌های میدانی با نتایج حاصل از شبیه‌سازی با یکدیگر مقایسه می‌شوند. مشکلات عمده از لحاظ کیفیت توان در سطح شبکه برق در صنایع مختلف مشاهده شده و به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته و راهکارهای عملی جهت اصلاح آنها ارائه گردیده و کارآمدی روش‌های پیشنهادی از نقطه نظر فنی و اقتصادی با انتخاب سناریوهای مختلف و شبیه‌سازی آنها مورد ارزیابی قرار گرفته است.

دامنه خدمات

پارامترهای کیفیت توان که شبیه‌سازی می‌کنیم

هر پدیده کیفیت توان علت، اثر و راهکار متفاوتی دارد. در مطالعات ما، شاخص‌های زیر به‌صورت کمّی محاسبه و با حدود مجاز استاندارد مقایسه می‌شوند.

هارمونیک ولتاژ و جریان

محاسبه THD، TDD و هارمونیک‌های منفرد تا مرتبه ۵۰ در نقطه اتصال مشترک (PCC)، تحلیل پخش هارمونیکی و تعیین منبع اصلی آلودگی.

THDv · THDi · TDD

تشدید هارمونیکی (Resonance)

اسکن فرکانسی امپدانس شبکه برای شناسایی تشدید موازی و سری بین بانک خازنی و اندوکتانس ترانسفورماتور؛ عامل اصلی ترکیدن خازن‌ها.

Frequency Scan · Z(f)

افت و بیشبود ولتاژ

شبیه‌سازی Sag و Swell ناشی از راه‌اندازی موتورهای بزرگ، اتصال کوتاه و کلیدزنی بار، و بررسی حساسیت تجهیزات با منحنی‌های ITIC و SEMI F47.

Voltage Sag / Swell

فلیکر (سوسو زدن)

ارزیابی شاخص‌های شدت فلیکر کوتاه‌مدت و بلندمدت ناشی از کوره قوس الکتریکی، دستگاه‌های جوش و بارهای نوسانی، مطابق IEC ۶۱۰۰۰-۴-۱۵.

Pst · Plt

نامتعادلی ولتاژ و جریان

محاسبه ضریب نامتعادلی مؤلفه منفی (VUF) و بررسی اثر بارهای تک‌فاز و دوفاز بر گرمایش و کاهش عمر موتورهای القایی.

VUF · Negative Sequence

ضریب توان و توان راکتیو

تحلیل پخش بار، محاسبه ظرفیت بهینه جبران‌ساز، جلوگیری از جریمه راکتیو و آزادسازی ظرفیت ترانسفورماتور و کابل‌ها.

PF · kvar · Load Flow

حالت‌های گذرا (Transients)

شبیه‌سازی اضافه‌ولتاژهای ناشی از کلیدزنی خازن، برق‌دار کردن ترانسفورماتور (جریان هجومی) و صاعقه در حوزه زمان (EMT).

Switching · Inrush · EMT

انحراف فرکانس و میان‌هارمونیک

بررسی میان‌هارمونیک‌ها و ناچینگ ولتاژ در شبکه‌های دارای مبدل‌های تریستوری، سیکلوکانورترها و منابع تجدیدپذیر.

Interharmonics · Notching
ارزش افزوده

چرا شبیه‌سازی، پیش از هر اقدام اصلاحی؟

نصب فیلتر یا بانک خازنی بدون مطالعه دقیق، نه‌تنها ممکن است مشکل را حل نکند، بلکه با ایجاد تشدید هارمونیکی آن را تشدید کند. شبیه‌سازی به شما اجازه می‌دهد پیش از سرمایه‌گذاری، نتیجه هر گزینه را ببینید.

بدون مطالعه و شبیه‌سازی

با شبیه‌سازی کیفیت توان

روش اجرا

مراحل انجام مطالعه و شبیه‌سازی کیفیت توان

روند کاری ما ترکیبی از اندازه‌گیری میدانی و مدل‌سازی نرم‌افزاری است تا نتایج شبیه‌سازی با واقعیت شبکه شما تطابق داشته باشد.

۰۱

بازدید و جمع‌آوری اطلاعات

دریافت دیاگرام تک‌خطی، مشخصات ترانسفورماتورها، کابل‌ها، بارها، درایوها و بانک‌های خازنی موجود.

۰۲

اندازه‌گیری میدانی

ثبت پارامترها با آنالایزر کیفیت توان کلاس A مطابق IEC ۶۱۰۰۰-۴-۳۰ در نقاط کلیدی، معمولاً در بازه یک هفته‌ای.

۰۳

مدل‌سازی شبکه

ساخت مدل دقیق در نرم‌افزار تخصصی، شامل طیف هارمونیکی بارهای غیرخطی و امپدانس شبکه بالادست.

۰۴

اعتبارسنجی مدل

مقایسه خروجی شبیه‌سازی با داده‌های اندازه‌گیری و تنظیم مدل تا رسیدن به تطابق قابل قبول.

۰۵

تحلیل سناریوها

بررسی حالت‌های بهره‌برداری عادی، بار حداکثر و حداقل، توسعه آتی و شرایط اضطراری.

۰۶

طراحی راهکار و ارائه گزارش

پیشنهاد و شبیه‌سازی مجدد راهکار اصلاحی، به همراه گزارش فنی کامل، نمودارها و برآورد اقتصادی.

مرجع ارزیابی

استانداردهای کیفیت توان و حدود مجاز

نتایج شبیه‌سازی زمانی معنا پیدا می‌کنند که با یک مرجع معتبر سنجیده شوند. مهم‌ترین استانداردهایی که در مطالعات کیفیت توان به آن‌ها استناد می‌شود:

استانداردموضوعکاربرد در مطالعه
IEEE 519حدود هارمونیک ولتاژ و جریان در PCCمعیار اصلی پذیرش هارمونیک برای مصرف‌کنندگان صنعتی
IEC 61000-3-6ارزیابی انتشار هارمونیک در شبکه‌های فشار متوسط و قویتخصیص سهم آلودگی به مصرف‌کنندگان
IEC 61000-3-7ارزیابی انتشار فلیکرمطالعات کوره قوس و بارهای نوسانی
IEC 61000-4-30روش‌های اندازه‌گیری کیفیت تواناندازه‌گیری کلاس A برای اعتبارسنجی مدل
EN 50160مشخصات ولتاژ تحویلی شبکه عمومیارزیابی کیفیت ولتاژ دریافتی از شبکه
IEEE 1159پایش و طبقه‌بندی پدیده‌های کیفیت توانتعریف و دسته‌بندی Sag، Swell و گذراها

حدود اعوجاج هارمونیکی ولتاژ بر اساس IEEE ۵۱۹

ولتاژ نقطه اتصال (PCC)حداکثر هر هارمونیک منفردحداکثر THD ولتاژ
تا ۱ کیلوولت۵٪۸٪
بیش از ۱ تا ۶۹ کیلوولت۳٪۵٪
بیش از ۶۹ تا ۱۶۱ کیلوولت۱٫۵٪۲٫۵٪
بیش از ۱۶۱ کیلوولت۱٪۱٫۵٪

حدود هارمونیک جریان (TDD) در IEEE ۵۱۹ به نسبت جریان اتصال کوتاه به جریان بار (Isc/IL) وابسته است و برای هر پروژه به‌طور جداگانه تعیین می‌شود.

ابزار کار

نرم‌افزارهای تخصصی شبیه‌سازی سیستم قدرت

انتخاب ابزار به نوع پدیده بستگی دارد: تحلیل‌های حالت ماندگار مانند پخش هارمونیکی در حوزه فرکانس، و پدیده‌های سریع مانند کلیدزنی در حوزه زمان انجام می‌شوند.

ETAP

پخش بار، پخش هارمونیکی، اسکن فرکانسی و طراحی فیلتر

DIgSILENT PowerFactory

مطالعات شبکه، فلیکر و اتصال نیروگاه‌های تجدیدپذیر

PSCAD / EMTDC

شبیه‌سازی گذرای الکترومغناطیسی و مبدل‌های الکترونیک قدرت

MATLAB / Simulink

مدل‌سازی کنترل‌کننده‌ها، فیلتر اکتیو و STATCOM

EMTP

اضافه‌ولتاژهای کلیدزنی، صاعقه و جریان هجومی

آنالایزر کلاس A

اندازه‌گیری میدانی برای اعتبارسنجی مدل شبیه‌سازی

از تحلیل تا اجرا

راهکارهای اصلاحی که شبیه‌سازی و طراحی می‌کنیم

خروجی شبیه‌سازی، انتخاب آگاهانه میان راهکارهای زیر است. هر گزینه پیش از پیشنهاد نهایی در مدل اعمال و اثر آن سنجیده می‌شود. برای اجرای این راهکارها به صفحه خدمات بهبود کیفیت توان مراجعه کنید.

فیلتر هارمونیک پسیو

فیلترهای تیون‌شده و میراکننده برای حذف هارمونیک‌های غالب با هزینه اقتصادی و جبران هم‌زمان توان راکتیو.

فیلتر هارمونیک اکتیو (AHF)

حذف پویای طیف گسترده هارمونیک‌ها در بارهای متغیر، بدون ریسک تشدید با شبکه.

بانک خازنی دیتیون

اصلاح ضریب توان همراه با راکتور سری برای جابه‌جایی فرکانس تشدید به خارج از محدوده هارمونیک‌های غالب.

SVC و STATCOM

جبران‌سازی سریع توان راکتیو برای کاهش فلیکر و پایدارسازی ولتاژ در کوره قوس و بارهای ضربه‌ای.

DVR و UPS صنعتی

محافظت از بارهای حساس در برابر افت و قطعی‌های کوتاه‌مدت ولتاژ.

اصلاح ساختار شبکه

تغییر گروه‌برداری ترانسفورماتور، یکسوکننده‌های ۱۲ و ۱۸ پالس و تفکیک بارهای حساس.

حوزه‌های کاربرد

صنایعی که بیشترین نیاز را به مطالعه کیفیت توان دارند

هر جا بار غیرخطی سنگین یا تجهیزات حساس وجود دارد، شبیه‌سازی کیفیت توان یک ضرورت است، نه یک گزینه.

خروجی پروژه

در پایان مطالعه چه چیزی تحویل می‌گیرید؟

گزارش نهایی به‌گونه‌ای تهیه می‌شود که هم برای مدیران فنی قابل اجرا باشد و هم برای ارائه به شرکت توزیع یا برق منطقه‌ای قابل استناد.

پرسش و پاسخ

پرسش‌های متداول درباره شبیه‌سازی کیفیت توان

اندازه‌گیری وضعیت فعلی شبکه را ثبت می‌کند، اما شبیه‌سازی امکان بررسی سناریوهایی را می‌دهد که هنوز رخ نداده‌اند؛ مانند اضافه شدن بار جدید یا نصب فیلتر. بهترین نتیجه از ترکیب این دو به دست می‌آید: اندازه‌گیری برای اعتبارسنجی مدل و شبیه‌سازی برای پیش‌بینی و طراحی.

دیاگرام تک‌خطی شبکه، مشخصات پلاک ترانسفورماتورها، طول و سطح مقطع کابل‌ها، فهرست درایوها و بارهای غیرخطی، مشخصات بانک‌های خازنی و سطح اتصال کوتاه شبکه بالادست. در صورت نبود برخی اطلاعات، طی بازدید میدانی تکمیل می‌شود.

به اندازه و پیچیدگی شبکه بستگی دارد. برای یک واحد صنعتی متوسط، اندازه‌گیری حدود یک هفته و مدل‌سازی، تحلیل و تهیه گزارش معمولاً چند هفته زمان می‌برد. زمان‌بندی دقیق پس از بررسی اولیه اعلام می‌شود.

بله. خازن همراه با اندوکتانس ترانسفورماتور یک مدار تشدید می‌سازد. اگر فرکانس تشدید نزدیک یکی از هارمونیک‌های غالب (مثلاً پنجم یا هفتم) باشد، ولتاژ و جریان هارمونیکی به‌شدت تقویت می‌شود و ممکن است به ترکیدن خازن و قطع فیوزها منجر شود. اسکن فرکانسی در شبیه‌سازی این خطر را پیش از نصب آشکار می‌کند.

THD نسبت هارمونیک‌ها به مؤلفه اصلی جریان لحظه‌ای است و در بارهای سبک ممکن است عددی بزرگ اما بی‌خطر نشان دهد. TDD همان هارمونیک‌ها را نسبت به جریان بار حداکثر طراحی می‌سنجد و به همین دلیل معیار مورد استفاده IEEE ۵۱۹ برای حدود جریان است.

بله. تعداد زیاد منابع تغذیه سوئیچینگ، هارمونیک جریان قابل توجهی تولید می‌کند که می‌تواند باعث گرمایش ترانسفورماتور، افت راندمان و اختلال در تجهیزات مجاور شود. شبیه‌سازی پیش از توسعه ظرفیت، از خرابی‌های پرهزینه جلوگیری می‌کند.

گزارش بر پایه استانداردهای بین‌المللی مرجع تهیه می‌شود و شامل مقایسه نتایج با حدود مجاز در نقطه اتصال است؛ بنابراین می‌تواند به‌عنوان مستند فنی در فرآیند اخذ مجوز اتصال یا رفع جرائم ارائه شود.

شبکه برق شما را پیش از وقوع مشکل تحلیل کنیم

اطلاعات اولیه پروژه را با کارشناسان تدبیر انرژی سپهر در میان بگذارید تا پس از بررسی، دامنه مطالعه، زمان‌بندی و برآورد هزینه به شما اعلام شود.