تحلیل کیفیت توان هارمونیک تولید شده توسط ایستگاه‌های فرعی گرایش

چکیده. هارمونیک‌های ولتاژ و جریان تأثیرات منفی قابل توجهی بر اجزای یک سیستم قدرت دارند. هارمونیک‌های جریان می‌توانند بار اضافی بر ترانسفورماتورهای قدرت وارد کرده و منجر به آسیب‌دیدگی آن‌ها شوند. از سوی دیگر، هارمونیک‌های ولتاژ ممکن است به بانک‌های خازنی که برای جبران توان غیرفعال استفاده می‌شوند، آسیب برسانند. دستگاه‌های مختلفی به تولید هر دو نوع اعوجاج ولتاژ و جریان کمک می‌کنند، که شامل یکسوکننده‌های فرعی می‌شوند. این مقاله به ارائه نتایج تحقیقی پرداخته که به بررسی تأثیر این یکسوکننده‌ها بر شبکه تأمین برق می‌پردازد. همچنین، نتایج تحقیق رایانه‌ای با یافته‌های مطالعه تجربی مقایسه شده‌اند.

کلیدواژه‌ها: هارمونیک، مدل‌سازی سیستم‌های قدرت، کیفیت توان، تأمین برق گرایش الکتریکی.

مقدمه

فرم‌های موج ولتاژ و جریان در یک شبکه قدرت گاهی اوقات به طرز قابل توجهی از الگوی سینوسی انحراف پیدا می‌کنند. این اعوجاج‌های جریان معمولاً ناشی از غیرخطی بودن بارها هستند. در عین حال، اعوجاجات در فرم‌های موج ولتاژ به دلیل عبور جریان‌های معوج از شبکه تأمین، فرآیندهای سوئیچینگ و پدیده‌های رزونانس به وجود می‌آیند. افزایش محتوای هارمونیک‌های بالاتر در ولتاژ به این واقعیت بستگی دارد که بارهای “معوج” (غیرخطی) معمولاً با ولتاژهای از پیش معوج تأمین می‌شوند. این وضعیت همچنین موجب اعوجاج اضافی (ثانویه) در فرم‌های موج جریان و در نهایت بر ولتاژهای شبکه تأمین تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، عدم تقارن در ولتاژ تأمین نیز به محتوای هارمونیک‌ها دامن می‌زند.

فرم‌های موج معوج ولتاژ و جریان می‌توانند از طریق سری فوریه توصیف شوند:

.

که در آن:

T – دوره زمانی تابع f(t)،

تحلیل دقیق کیفیت توان در یک شبکه توزیع عمدتاً تحت تأثیر بارهای پرتوان، مانند کوره‌های قوس الکتریکی یا دستگاه‌های الکترونیک قدرت قرار می‌گیرد. گروه دوم شامل به عنوان مثال، یکسوکننده‌های فرعی است.

تعداد قابل توجهی از هارمونیک‌ها در ولتاژ تأمین ممکن است به آسیب به بانک‌های خازنی منجر شود که برای جبران توان غیرفعال استفاده می‌شوند. در گزارش‌هایی که از چندین ایستگاه فرعی ۱۱۰ کیلوولت/۱۵ کیلوولت منتشر شده است، آسیب به این بانک‌ها که شبکه‌های ولتاژ میانی را در منطقه پامورسکی (استان) در لهستان تأمین می‌کنند، به تفصیل بیان شده است. این گزارش‌ها و نیاز به تعیین سطح اعوجاج ولتاژ در باس‌های ایستگاه‌های قدرت، به ویژه در مورد بارهای مزاحم (به عنوان مثال، ایستگاه‌های فرعی گرایش) و سایر مصرف‌کنندگان، به مبنای مدل‌سازی شبکه تأمین و اندازه‌گیری‌ها که در این مقاله شرح داده خواهد شد، تبدیل شده است. کیفیت نامناسب توان به دلیل عملکرد ایستگاه‌های فرعی گرایش برای سیستم‌های مختلف قدرت نیز مورد بررسی قرار گرفته است.

بر اساس بررسی‌های صورت گرفته در ادبیات، نیاز به طراحی مدل‌های رایانه‌ای برای ایستگاه‌های فرعی گرایش به منظور ارزیابی تأثیرات آن‌ها بر شبکه تأمین وجود دارد، به ویژه از جنبه اعوجاج فرم‌های موج جریان و ولتاژ. در این تحقیق، مدل‌های رایانه‌ای از چهار ایستگاه فرعی نمونه طراحی و تأثیر آن‌ها بر شبکه تأمین از طریق شبیه‌سازی تحلیل شده است. برای این منظور، از نرم‌افزار DIgSILENT PowerFactory® در آزمایش‌های شبیه‌سازی استفاده شد. سپس ولتاژها و جریان‌ها در این چهار تأسیسات نمونه اندازه‌گیری شدند و نتایج به دست آمده با شبیه‌سازی هارمونیک‌ها مقایسه گردید. این مقایسه امکان ارزیابی دقت مدل رایانه‌ای را فراهم کرد.

ویژگی‌های ایستگاه‌های فرعی گرایش

در لهستان، بیش از ۱۱,۰۰۰ کیلومتر خطوط راه‌آهن برقی با ولتاژ DC ۳ کیلوولت وجود دارد. شبکه گرایش از طریق حدود ۴۵۰ ایستگاه فرعی تهیه می‌شود که به واحدهای یکسوکننده ۶ پالس و ۱۲ پالس مجهز هستند. بیشتر این ایستگاه‌ها از شبکه‌های ولتاژ میانی (معمولاً ۱۵ کیلوولت) برق می‌گیرند، در حالی که تنها تأسیسات جدیدتر از شبکه‌های ۱۱۰ کیلوولت تأمین می‌شوند.

ایستگاه‌های فرعی گرایش به عنوان یکی از بارهای بزرگ معتبر نزد اپراتور سیستم‌های قدرت محسوب می‌شوند. این ایستگاه‌ها توان‌های اسمی قابل توجهی دارند و به عنوان بارهای مزاحم شناخته می‌شوند که جریان بار آن‌ها دچار تغییرات دینامیکی جدی می‌باشد.

ساختار سیستم‌های تأمین الکتریکی گرایش در یک مدل دیاگرامی به خوبی نشان داده شده است که در شکل ۱ ارائه شده است.

شکل ۱. دیاگرام سیستم تأمین گرایش

در میان هارمونیک‌هایی که توسط یکسوکننده‌ها به شبکه تأمین وارد می‌شوند، بالاترین مقادیر ناشی از آنچه به عنوان هارمونیک‌های خاص شناخته می‌شوند است که ترتیب آن‌ها با وابستگی زیر مشخص می‌شود:

.

که در آن: m – یک عدد صحیح، یعنی m = ۱,۲,۳,…، و p – ضریب نوسان (تعداد پالس‌ها در طی یک دوره زمانی ولتاژ متناوب).

مدل

مدل طراحی شده (شکل ۲) با در نظر گرفتن توان کوتاه‌مدت در سمت ۱۱۰ کیلوولت در ایستگاه، ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت/۱۵ کیلوولت نصب شده در آن، و خط قدرت ۱۵ کیلوولت، به تحلیل پرداخته است. این مدل ایستگاه‌های فرعی شامل یک ترانسفورماتور یکسو کننده، یک یکسو کننده و دستگاه‌های صاف‌کننده ولتاژ (فیلترها) می‌شود. در این تسهیلات که مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته‌اند، یک واحد کششی بار الکتریکی را تشکیل می‌دهد، و از منظر شبکه تأمین، خود ایستگاه به‌عنوان چنین باری محسوب می‌شود.

شکل ۲. ساختار مدل کامپیوتری شبکه مورد تجزیه و تحلیل: I – نقطه اندازه‌گیری جریان، V – نقطه اندازه‌گیری ولتاژ

نرم‌افزار DIgSILENT PowerFactory® دارای ساختارهای مدل از پیش‌ساخته است که می‌توان بر اساس آن‌ها مدل‌های مخصوص خود را برای اجزای شبکه قدرت ایجاد نمود. برای نمایش “تسهیلات خود”، کافی است داده‌های مربوطه را به این مدل‌ها وارد کنید. این روش در طراحی اجزای مدل ارائه شده، شامل مدل‌های ترانسفورماتورهای سیستم قدرت و ترانسفورماتورهای کششی، خط‌های تأمین قدرت، و یکسو کننده‌های کششی استفاده شده است. انتخاب ساختارهای مدل از پیش‌ساخته به دلیل تطابق آن‌ها با نیازهای پژوهش، ضرورت طراحی مدل‌های جدید از ابتدا را از بین برد.

وسیله نقلیه کششی بار ایستگاه است. پس از بررسی ساختارهای واحدهای کششی وسایل نقلیه، این نتیجه حاصل شد که مدلسازی دقیق آن‌ها ضرورتی ندارد. بر اساس اطلاعات گردآوری شده، فرض شده است که تأثیر آن‌ها بر سطح هارمونیک‌های ولتاژ در شبکه تأمین نیرو اندک خواهد بود. بنابراین، وسیله نقلیه به ساده‌ترین شکل ممکن، به عنوان یک بار امپدانسی مدلسازی گردید.

فیلترها، یک چوک، و یک سیستم حفاظت در برابر اضافه ولتاژ در خروجی یکسو کننده نیز در مدل ایستگاه کششی گنجانده شده است. تسهیلات با استفاده از اجزای RLC مدلسازی شدند، زیرا این اجزاء بر فرآیندهای ترکیبی در یکسو کننده تأثیر می‌گذارند و حذف آن‌ها می‌تواند بر شکل موج جریان تأمین کننده ایستگاه تأثیرگذار باشد.

برای مدلسازی یک یکسو کننده کششی ۶ پالس، از مدلی که در نرم‌افزار شبیه‌سازی فراهم شده است، استفاده گردید. این مدل به تفصیل در [۱۲] توصیف شده است. دیودها در مدل به‌عنوان کلیدهای ایده ال نمایش داده شده‌اند که مقاومت‌های رو به جلو و معکوس آن‌ها مشخص گردیده است. این کلیدها توسط یک سیستم حفاظت از اضافه ولتاژ RC مورد پشتیبانی قرار گرفته‌اند. پارامترهای مورد نیاز برای مدل بر اساس [۶] تعیین شد. همچنین، یک یکسو کننده ۱۲ پالس نیز با استفاده از دو یکسو کننده ۶ پالس که به صورت سری به هم متصل شده‌اند، مدلسازی گردید. نوع اتصال و پارامترها طبق داده‌های موجود در [۹] تنظیم شده است.

ترانسفورماتورها نیز بر اساس مدل‌های تعبیه شده در DIgSILENT طراحی و مدلسازی شدند؛ تنها نیاز است مشخصات ترانسفورماتور را به این مدل‌ها وارد کنید. توصیف دقیق یک ترانسفورماتور دو استوانه‌ای در [۱۳] و یک ترانسفورماتور سه استوانه‌ای در [۱۴] ارائه شده است. نحوه وارد کردن داده‌ها در شکل ۳ ترسیم شده است.

شکل ۳. وارد کردن پارامترهای ترانسفورماتور مدل‌شده

مدل خط قدرت مورد استفاده در آزمایش‌ها نیز براساس مدل تعبیه شده در نرم‌افزار شبیه‌سازی طراحی شده است. خط قدرت به عنوان یک شبکه π چهارترمینه مدلسازی گردیده است و پارامترهای آن بر اساس داده‌های سیستم‌های تأمین برق ایستگاه تعیین شده است. مدل خط قدرت به تفصیل در [۱۵] توصیف شده است.

سیستم قدرت به عنوان یک منبع ایده ال از ولتاژ و امپدانسی که بر اساس مقدار شناخته شده توان کوتاه‌مدت تعیین گردیده است، منعکس می‌شود.

نتایج آزمون

در گام نخست تحقیق، مدل‌های سیستم‌های تأمین برق ایستگاه‌ها با استفاده از اطلاعات موجود طراحی و شبیه‌سازی‌ها انجام شد. سپس، اندازه‌گیری‌هایی به عمل آمد که بر اساس نتایج آن‌ها مدل تسهیلات تأیید گردید. آخرین مرحله مقایسه محتوای هارمونیک از شبیه‌سازی‌ها و اندازه‌گیری‌ها بود. این فرآیند پایه‌ای برای ارزیابی نتایج شبیه‌سازی و صحت مدل کامپیوتری به شمار می‌آید.

A. الزامات کیفیت توان

در یک شبکه قدرت با ولتاژ بالای ۱ کیلوولت، پارامترهای کلیدی کیفیت توان که به‌عنوان استاندارد پذیرفته شده‌اند، شامل فرکانس و ولتاژ [۱۶] هستند. از نظر تأثیر بارهای مزاحم بر شبکه تأمین، محتوای هارمونیک‌های بالاتر در ولتاژ به‌عنوان مهم‌ترین پارامتر کیفیت توان شناخته می‌شود. الزامات کیفیت ولتاژ تأمین در شبکه ولتاژ متوسط در توصیه‌نامه‌های [۱۶، ۱۷] به تفصیل توضیح داده شده، که در جدول ۱ نیز لیست شده‌اند.

شماره	سطح مجاز هارمونیک‌ها در ولتاژ در پایانه‌های تأمین (به درصد ولتاژ نامی)

هیچ الزامات خاصی در رابطه با اختلال در جریان‌های بار برای بارهای متصل به‌طور مستقیم به شبکه تعریف نشده است. البته، چنین الزامات برای بارها در شبکه ولتاژ پایین تنظیم گردیده‌اند.

B. جریان‌های ایستگاه

برای تأیید مدل‌های طراحی شده برای سیستم‌های تأمین برق ایستگاه‌های کششی، مقایسه‌ای بین اشکال موج جریان و محتوای هارمونیک‌های بالاتر آن‌ها که از طریق اندازه‌گیری‌ها و شبیه‌سازی‌ها به‌دست آمده، انجام شد. ارزیابی اعوجاج جریان (از منظر کیفیت توان) به دلیل عدم وجود الزامات رسمی در این زمینه، صورت نگرفت.

جریان‌های بار و هارمونیک‌های بالاتر در ایستگاه‌های فرعی

شکل‌های زیر، فرم‌های موج جریان انتخابی و محتوای هارمونیک‌های بالاتر در جریان ایستگاه‌های فرعی تحلیل شده را به تصویر می‌کشند. این نتایج مربوط به بالاترین بار هر ایستگاه فرعی هستند که در حین اندازه‌گیری‌ها ثبت شده‌اند.

ایستگاه فرعی I

شکل ۴، فرم‌های موج جریان‌های بار را برای ایستگاه فرعی I ارائه می‌دهد، در حالی که شکل ۵ محتوای هارمونیک‌های بالاتر را نمایش می‌دهد. همچنین، شکل‌های ۶ و ۷ محتوای هارمونیک‌های بالاتر در جریان‌های بار ایستگاه‌های فرعی II و III را تحلیل می‌کنند. شکل ۸، فرم‌های موج جریان‌ها و شکل ۹، محتوای هارمونیک‌های بالاتر محاسبه شده برای ایستگاه فرعی IV را نمایش می‌دهد.

شکل ۴. فرم‌های موج جریان‌های بار ایستگاه فرعی I: الف) اندازه‌گیری شده، ب) شبیه‌سازی شده؛ (قرمز) – فاز L1، (سبز) – فاز L2، (آبی) – فاز L3

شکل ۵. محتوای هارمونیک‌های فرد بالاتر در جریان بار ایستگاه فرعی I: (رنگ بنفش) – اندازه‌گیری شده، (رنگ آلو) – شبیه‌سازی شده

شکل ۶. محتوای هارمونیک‌های فرد بالاتر در جریان بار ایستگاه فرعی II: (رنگ بنفش) – اندازه‌گیری شده، (رنگ آلو) – شبیه‌سازی شده

شکل ۷. محتوای هارمونیک‌های فرد بالاتر در جریان بار ایستگاه فرعی III: (رنگ بنفش) – اندازه‌گیری شده، (رنگ آلو) – شبیه‌سازی شده

تحلیل‌ها نشان می‌دهند که بیشترین انطباق بین مدل کامپیوتری و داده‌های اندازه‌گیری مربوط به ایستگاه‌های فرعی I و II حاصل شده است. در مقابل، اختلافات بیشتری در ایستگاه‌های فرعی III و IV مشاهده گردید که دو دلیل ممکن برای این موضوع وجود دارد.

1. دلیل اول: ممکن است سیستم‌های تأمین توان تحلیل شده به‌طور کامل منعکس نشده باشند. متأسفانه، تمام جزئیات مربوط به سیستم‌های مدل‌سازی شده به‌دست نیامد (اطلاعات مرتبط با خط تأمین ۱۵ کیلوولت و تجهیزات ایستگاه فرعی ناقص بود). این نقص اطلاعاتی مربوط به سیستم‌های تأمین ایستگاه‌های فرعی III و IV بود.
2. دلیل دوم: ممکن است تحریفات ولتاژ تأمین در سیستم واقعی وجود داشته باشد. ایستگاه‌های فرعی تحلیل شده همچنین بارهای دیگری را از همان باس‌های ۱۵ کیلوولت، به‌عنوان ایستگاه‌های فرعی کششی تأمین کرده‌اند. بدین ترتیب، فرم‌های موج ولتاژ در نقطه اندازه‌گیری تحت تأثیر بارهای دیگر نیز قرار گرفتند. این واقعیت که یک ایستگاه فرعی کششی با ولتاژ تحریف شده تأمین می‌شود، منجر به تحریفات اضافی (ثانویه) جریان در یک یکسوکننده کششی خواهد شد. در نتیجه، مقادیر هارمونیک‌های جریانی که برای یکسوکننده مشخصه دارند ممکن است تغییر کند؛ علاوه بر این، هارمونیک‌های دیگری که غیر مشخصه باشند نیز ممکن است پدیدار شوند.

ایستگاه فرعی IV

شکل ۸، فرم‌های موج جریان‌های بار ایستگاه فرعی IV را نمایش می‌دهد: الف) اندازه‌گیری شده، ب) شبیه‌سازی شده؛ (قرمز) – فاز L1، (سبز) – فاز L2، (آبی) – فاز L3

شکل ۹. محتوای هارمونیک‌های فرد بالاتر در جریان بار ایستگاه فرعی IV: (رنگ بنفش) – اندازه‌گیری شده، (رنگ آلو) – شبیه‌سازی شده

این تحلیل‌ها امکان بررسی دقت مدل‌های طراحی شده در نمایش جریان‌های بار ایستگاه‌های فرعی کششی را فراهم می‌نماید.

ولتاژ تأمین

بالاترین سطح تحریف ولتاژ در باس‌های ۱۵ کیلوولت ایستگاه فرعی قدرت، زمانی انتظار می‌رود که مقدار جریان بار ایستگاه فرعی کششی در بالاترین سطح خود باشد. تحلیل‌ها بار نامی یکسوکننده کششی و بار اضافی مجاز کوتاه‌مدت (۱۵۰٪ بار نامی برای حداکثر ۲ دقیقه) را بررسی کرده‌اند.

فرض بر این است که بارهای دیگر در شبکه ۱۵ کیلوولت که از باس‌های ایستگاه فرعی قدرت تأمین می‌شوند، برق معادل ۱۰٪ از توان نامی ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت/۱۵ کیلوولت مصرف می‌کنند. نتایج محتوای هارمونیک‌های بالاتر در ولتاژهای باس‌های ایستگاه فرعی قدرت ۱۵ کیلوولت در شکل‌های ۱۰ تا ۱۳ نمایش داده می‌شود.

شکل ۱۰. محتوای هارمونیک‌های فرد بالاتر در ولتاژ بر روی باس‌های ۱۵ کیلوولت ایستگاه فرعی قدرت تأمین‌کننده ایستگاه فرعی کششی I: (رنگ بنفش) – بار نامی، (رنگ آلو) – اضافی مجاز کوتاه‌مدت

شکل ۱۱. محتوای هارمونیک‌های فرد بالاتر در ولتاژ بر روی باس‌های ۱۵ کیلوولت ایستگاه فرعی قدرت تأمین‌کننده ایستگاه فرعی کششی II: (رنگ بنفش) – بار نامی، (رنگ آلو) – اضافی مجاز کوتاه‌مدت

شکل ۱۲. محتوای هارمونیک‌های فرد بالاتر در ولتاژ بر روی باس‌های ۱۵ کیلوولت ایستگاه فرعی قدرت تأمین‌کننده ایستگاه فرعی کششی III: (رنگ بنفش) – بار نامی، (رنگ آلو) – اضافی مجاز کوتاه‌مدت

شبیه‌سازی‌ها نشان نمی‌دهند که ایستگاه‌های فرعی فعال در سیستم‌های تحلیل شده، به افزایش سطوح مجاز THD (تحریف هارمونیک کل) در ولتاژ باس‌های ایستگاه‌های فرعی قدرت کمک کنند. با این حال، این شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که در ایستگاه فرعی I، در حالی که در سطح اضافه بار مجاز قرار دارد، هارمونیک ۱۹ ممکن است به بالاتر از مقدار مجاز افزایش یابد. همچنین، در سیستم تأمین ایستگاه فرعی IV، ممکن است سطح مجاز هارمونیک ۱۳ نیز برای یک دوره خاصی تجاوز شود. برای دیگر هارمونیک‌ها، سطوح مجاز در هیچ‌یک از سیستم‌های تحلیل شده فراتر نرفتند.

شکل ۱۳. محتوای هارمونیک‌های فرد بالاتر در ولتاژ بر روی باس‌های ۱۵ کیلوولت ایستگاه فرعی قدرت تأمین‌کننده ایستگاه فرعی کششی IV: (رنگ بنفش) – بار نامی، (رنگ آلو) – اضافی مجاز کوتاه‌مدت

آخرین بخش از تحلیل، مقایسه تحریفات ولتاژ بر روی باس‌های ۱۵ کیلوولت ایستگاه فرعی قدرت است که از طریق مدل‌سازی و اندازه‌گیری‌ها برای مقادیر مشابه جریان‌های ایستگاه فرعی کششی انجام شده است. نتایج در بالاترین مقادیر جریان بار ثبت شده ایستگاه‌های فرعی کششی به‌دست آمده‌اند، زیرا هرچه مقدار جریان بار بیشتر باشد، سطح تحریف ولتاژ که می‌توان انتظار داشت در باس‌های ایستگاه فرعی قدرت نیز بیشتر خواهد بود. مثال‌هایی از فرم‌های موج ولتاژ انتخابی به دست آمده از طریق اندازه‌گیری و شبیه‌سازی در شکل ۱۴ ارائه شده است. همچنین، شکل‌های ۱۵، ۱۶، ۱۷ و ۱۸ سطوح هارمونیک در ولتاژهای باس‌های ۱۵ کیلوولت ایستگاه فرعی قدرت در سیستم‌های تأمین برق ایستگاه‌های فرعی کششی تحلیل شده را به تصویر می‌کشند.

شکل ۱۴. فرم‌های موج ولتاژ بر روی باس‌های ۱۵ کیلوولت ایستگاه فرعی قدرت تأمین‌کننده ایستگاه فرعی کششی II: الف) اندازه‌گیری شده، ب) شبیه‌سازی شده، (قرمز) – فاز L1، (سبز) – فاز L2، (آبی) – فاز L3

نتایج شبیه‌سازی و اندازه‌گیری

در شکل‌های (شکل ۱۵ تا ۱۸)، کاهش انحرافات در شکل‌موج‌های به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی نمایش داده شده است. این مسئله به‌خوبی قابل توجیه است. در یک سیستم واقعی، بارهای متعددی در شبکه فعال هستند که برخی از آن‌ها می‌توانند انحرافات ولتاژ ایجاد کنند، در حالی که شبیه‌سازی‌ها عمدتاً بر روی عملکرد یک یکسوکننده کششی تمرکز کرده‌اند. بارهای دیگر موجود در شبکه ۱۵ کیلوولت از طریق یک بار تجمعی به‌عنوان مجموعه‌ای از مؤلفه‌های RLC تجزیه و تحلیل شده‌اند که قدرت و ضریب قدرت آن‌ها بر اساس داده‌های جمع‌آوری‌شده در طول اندازه‌گیری بار ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت/۱۵ کیلوولت مشخص گردیده است.

تریم‌های هارمونیک

در بسیاری از موارد، هارمونیک‌های دیگری نیز در باس‌های ایستگاه فرعی قدرت اندازه‌گیری شده‌اند که در کنار هارمونیک‌های خاص عملکرد یکسوکننده‌های کششی وجود دارند. این هارمونیک‌ها ناشی از عملکرد بارهای دیگر موجود در شبکه و همچنین تأثیر اجزای خود شبکه (همچون ترانسفورماتورها) هستند.

شکل ۱۵. محتوای هارمونیک‌های فردی بالاتر در ولتاژ بر روی باس‌های ۱۵ کیلوولت ایستگاه فرعی قدرت تأمین‌کننده ایستگاه فرعی کششی I: (رنگ بنفش) – اندازه‌گیری شده، (رنگ آلوئی) – شبیه‌سازی شده

شکل ۱۶. محتوای هارمونیک‌های فردی بالاتر در ولتاژ بر روی باس‌های ۱۵ کیلوولت ایستگاه فرعی قدرت تأمین‌کننده ایستگاه فرعی کششی II: (رنگ بنفش) – اندازه‌گیری شده، (رنگ آلوئی) – شبیه‌سازی شده

شکل ۱۷. محتوای هارمونیک‌های فردی بالاتر در ولتاژ بر روی باس‌های ۱۵ کیلوولت ایستگاه فرعی قدرت تأمین‌کننده ایستگاه فرعی کششی III: (رنگ بنفش) – اندازه‌گیری شده، (رنگ آلوئی) – شبیه‌سازی شده

تعیین تأثیر ایستگاه فرعی کششی بر سطح کلی هارمونیک‌ها در ایستگاه فرعی قدرت بر اساس شبیه‌سازی‌ها و اندازه‌گیری‌های انجام‌شده تا حدودی چالش‌برانگیز است. در بعضی موارد مشاهده شده که هارمونیک‌های خاص به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی‌ها، نسبت به مقادیر حاصل از اندازه‌گیری‌ها بالاتر هستند. یکی از دلایل این اختلاف می‌تواند این باشد که در یک سیستم واقعی، امکان کاهش اثر فرکانس‌های بالاتر بیشتر است تا در یک مدل. عامل دیگری که ممکن است تأثیرگذار باشد، این است که در یک شبکه، جریان‌ها به‌طور هندسی جمع می‌شوند. به همین ترتیب، هارمونیک‌های خاص ممکن است در یک سیستم واقعی نه‌تنها کاهش یابند، بلکه تأثیر یک تأسیسات واحد در شبیه‌سازی‌ها نیز کمتر به نظر برسد.

شکل ۱۸. محتوای هارمونیک‌های فردی بالاتر در ولتاژ بر روی باس‌های ۱۵ کیلوولت ایستگاه فرعی قدرت تأمین‌کننده ایستگاه فرعی کششی IV: (رنگ بنفش) – اندازه‌گیری شده، (رنگ آلوئی) – شبیه‌سازی شده

با این حال، سهم ایستگاه‌های فرعی کششی در سطح کلی انحراف، حداقل در مورد هارمونیک‌های خاص، باید به عنوان موضوعی قابل توجه قلمداد گردد.

نه اندازه‌گیری‌ها و نه شبیه‌سازی‌های مرتبط، هیچ‌گونه مقادیری غیرمجاز برای هارمونیک‌های بالاتر در ولتاژ گزارش نکردند و هیچ هارمونیک فردی یا زوجی که در این مقاله بررسی نشده باشد، مشاهده نشد.

نتیجه‌گیری

مدل‌سازی عملکرد یک ایستگاه فرعی کششی به‌عنوان بار تحریف‌کننده (هارمونیک‌ها) می‌تواند نمایی دقیق از یک تأسیسات واقعی ایجاد کند. نمایندگی یک تأسیسات در یک مدل، به‌وسیله شکل‌موج جریان بار و هارمونیک‌های موجود در آن ارزیابی می‌شود؛ به این معنا که هرچه داده‌های سیستم دقیق‌تر باشند، انطباق نتایج بیشتر خواهد بود.

متأسفانه، این موضوع به‌طور مستقیم به ارزیابی هارمونیک‌ها در ولتاژ تأمین‌شده بر روی باس‌های ۱۵ کیلوولت یک ایستگاه فرعی برق ارتباط ندارد، زیرا نتایج وابسته به تعامل تمامی بارهای متصل به چنین ایستگاهی و تأثیر کل شبکه است. یک سختی اضافه این است که هارمونیک‌های موجود در جریان بار به‌صورت جبری جمع نمی‌شوند. در موارد محدود، نتیجه ممکن است به افزایش قابل توجهی در مقدار برخی هارمونیک‌ها در ولتاژ منجر شود یا بالعکس، کاهش قابل توجهی را نسبت به آنچه که از تحلیل یک بار منفرد حاصل می‌شود، نشان دهد.

نتایج شبیه‌سازی می‌توانند اطلاعات مفیدی درباره تأثیر یک بار خاص (در اینجا: یک ایستگاه فرعی کششی) بر کیفیت توان در نقطه اتصال ارائه کنند. اگر تأثیر قابل‌توجهی شناسایی شود، می‌توان تلاش‌هایی برای قانع کردن مالک تأسیسات انجام داد تا مثلاً فیلترهای هارمونیک خاصی را برای حذف آن‌ها از جریان بار به کار گیرد. این نتایج می‌توانند هنگام ارزیابی تأثیر نوسازی یک ایستگاه فرعی کششی بر کیفیت توان، بسیار کارآمد باشند و همچنین به ارزیابی تأثیر یک ایستگاه فرعی کششی جدید که هنوز تنها در مرحله برنامه‌ریزی است، بر شبکه تأمین برق کمک کنند.

منابع

1. Yu-quan L., Guo-pei W., Huang-sheng H., Li W., Research for the effects of high-speed electrified railway traction load on power quality, 4th Int. Conf. on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT), 2011
2. Župan A., Tomasov i ć Tekl i ć A., Fi l i pov i ć-Grč i ć B., Modeling of 25 kV electric railway system for power quality studies, EuroCon, 1-4 July 2013, Zagreb, Croatia
3. Djeghader Y., Zellouma L., Labar H., Toufout i R., Chel l i Z., Study and filtering of harmonics in a DC electrified railway system, 7th International Conference on Modelling, Identification and Control (ICMIC), Sousse, Tunisia – December 18-20, 2015
4. Pawelek R., Analysis of current and voltage higher harmonics measurements performed in selected traction substation, Przeglad Elektrotechniczny, 90 (2014), nr 7, 234-238
5. Report RAILWAY BUSINESS FORUM, Electrical power railway, Warsaw, February 2011
6. Technical documentation of PK-17/3,3 rectifier, Elta, Lodz 1971
7. Catalogue SWW 1113: Transformers and special reactors, Edition III, WEMA, Warsaw 1975
8. Catalogue Power transformers, EV Zychlinskie Transformatory, 2006
9. Technical documentation of PD-12/3,3 rectifier, Elta, Lodz 1988
10. Technical documentation of TMOOS3AA-4400/15N transformer, Elta, Lodz 1987
11. Catalogue SWW 1113-2: Oil-filled power transformers and autotransformers, WEMA, Warsaw 1975
12. DIgSILENT Technical Documentation, 6-Pulse Bridge, 2006
13. DIgSILENT Technical Documentation, Two-Winding Transformer (3-Phase), 2007
14. DIgSILENT Technical Documentation, Three-Winding Transformer, 2007

[۱۵] مستندات فنی DIgSILENT، مدل‌های خطوط هوایی، سال ۲۰۰۷

[۱۶] دستورالعمل عملیات و نگهداری شبکه توزیع، شرکت سهامی ENERGA-OPERATOR، سال ۲۰۱۶

[۱۷] استاندارد EN ۵۰۱۶۰: مشخصات ولتاژ سیستم‌های توزیع عمومی، سال ۲۰۱۰

نویسندگان: دکتر مهندس رابرت کواک، ایمیل: robert.kowalak@pg.gda.pl؛ دکتر habil. مهندس استانیسلاو چاپ، ایمیل: stanislaw.czapp@pg.gda.pl؛ دکتر مهندس کژیشتوف دوبژینسکی، ایمیل: krzysztof.dobrzynski@pg.gda.pl؛ دکتر مهندس یاچک کلوچنیک، ایمیل: jacek.klucznik@pg.gda.pl؛ پروفسور دکتر habil. مهندس زیگموند لوبوشنی، ایمیل: zbigniew.lubosny@pg.gda.pl؛ دانشگاه فناوری گدانسک، دانشکده مهندسی برق و کنترل، خیابان گابریلا نارتویچزا ۱۱/۱۲، ۸۰-۲۳۳ گدانسک، لهستان.

شناسه منبع و ناشر: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷، جلد ۹۳ شماره ۶/۲۰۱۷. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۱۷.۰۶.۰۴

این مقاله توسط PQBlog منتشر شده است.

نویسنده: مهندس برق

برای مشاهده پست‌های بیشتر، لطفاً اینجا را کلیک کنید.

پرسش‌های متداول

هارمونیک‌های ولتاژ و جریان چه تاثیری بر کیفیت توان دارند؟

هارمونیک‌ها می‌توانند باعث بارگذاری بیش از حد و آسیب به تجهیزات الکتریکی شوند.

دلیل ایجاد هارمونیک در شبکه‌های قدرت چیست؟

هارمونیک‌ها معمولاً از بارهای غیرخطی و فرآیندهای سوئیچینگ ایجاد می‌شوند.

چگونه می‌توان اعوجاج ولتاژ را کاهش داد؟

استفاده از فیلترهای هارمونیک می‌تواند به کاهش اعوجاج ولتاژ کمک کند.

منبع: powerquality.blog