تحویل قابل اعتماد برق تبدیل به یک ستون فقرات حیاتی برای اقتصادهای مدرن شده است، به ویژه در مناطقی که تراکم جمعیت و فعالیت صنعتی به طور استثنایی تقاضای بالا را افزایش می دهد، زیرا شبکه ها با فشار فزاینده ای از پروفایل های بار متغیر، زیرساخت های پیری و ادغام منابع انرژی تجدید پذیر، حفظ ثبات ولتاژ هرگز چالش برانگیزتر نبوده است.این مطالعه بررسی می کند که چگونه تکنولوژی ثابت پایدار Synchronous Compensator (COM) راه حل قوی برای افزایش سطح تقاضا در مناطق واقعی و بهره برداری از ثبات در زمینه های واقعی شبکه های عملیاتی را فراهم می کند.

تکنولوژی STATCOM چیست؟

یک Compensator ثابت (STATCOM) یک دستگاه الکتریکی قدرت است که سریع و دقیق قدرت واکنش پذیر و مقررات ولتاژ را فراهم می کند، متعلق به خانواده سیستم های انتقال AC انعطاف پذیر (FACTS) است که برای افزایش کنترل و افزایش توانایی انتقال برق از شبکه های انتقال مکانیکی، برخلاف بانک های سوئیچ مکانیکی یا، راکتورهای COM از ولتاژ (SC) استفاده می کند و یا تقریباً به جذب برق واکنش پذیر (SC) یا به طور مستقیم.

اصل عملیاتی

هسته یک STAT یک مبدل منبع ولتاژ است که یک ولتاژ سینوسی را در فرکانس بنیادی تولید می کند.با اتصال این مبدل به سیستم قدرت از طریق یک ترانسفورماتور یا راکتور جفت کننده، STATCOM می تواند دامنه و فاز ولتاژ خروجی آن را نسبت به ولتاژ سیستم، هنگامی که ولتاژ COM بالاتر از ولتاژ سیستم است، قدرت واکنشی از جریان های STAT است (در حالت اتصال دهنده قدرت، هنگامی که انتقال دهنده قدرت است).

مقایسه با راه حل های سنتی

جبران قدرت واکنش سنتی به بانک های خازن و راکتورهای گریز بستگی دارد که در مراحل گسسته تغییر می کنند.عملیات مکانیکی آنها تاخیرها را معرفی می کند و نمی تواند به نوسانات ولتاژ سریع پاسخ دهد.در مقابل، STATCOM می تواند از خازن کامل به خروجی کامل در یک چرخه (معمولا 16-20 میلی ثانیه) انتقال یابد.این سرعت آن را برای کاهش ولتاژ، در مقایسه با عملکرد سریع تر، و کاهش می دهد.

انواع پیکربندی های STATCOM

تاسیسات STATCOM مدرن در پیکربندی بر اساس رتبه بندی و برنامه متفاوت است. متداول ترین توپولوژی شامل:

  • [MMC] Multi-level Converter (MMC) STAT : صدها زیرمجموعه برای سنتز ولتاژ خروجی نزدیک به تخمدان، به حداقل رساندن فیلترهای هارمونیک ایده آل برای برنامه های انتقال ولتاژ بالا ولتاژ (115 765 kW استفاده می کند.
  • سطح دو یا سه سطح برق منبع مبدل (VSC): طراحی ساده تر، اغلب برای انتقال سطح توزیع یا ولتاژ پایین (تا 138 کیلو) استفاده می شود.
  • [Distribment] STATCOM : یک نوع کوچکتر در زیر ایستگاه های توزیع برای کاهش شاتر و بهبود کیفیت قدرت برای بارهای صنعتی.

چالش های ثبات شبکه در مناطق با تقاضای بالا

مناطق با تقاضای بالا - به طور معمول مراکز شهری یا راهروهای صنعتی - چالش های ثبات منحصر به فرد را تجربه می کنند که روش های جبران خسارت متعارف برای رسیدگی به تراکم بار می تواند بیش از 5000 مگاوات در هر مایل مربع، با تغییرات سریع ساعت به همراه تهویه مطبوع، حمل و نقل و فرآیندهای تولید.

نوسانات ولتاژ و توازن قدرت واکنشی

تغییرات ناگهانی در بار باعث کاهش ولتاژ مربوطه یا تورم می شود، به عنوان مثال، یک استارت آپ بزرگ موتور یا قوس کوره می تواند ولتاژ را 5 تا 15٪ برای چندین چرخه کاهش دهد، بدون جبران سریع، این نوسانات از طریق شبکه پخش می شود، به طور بالقوه تجهیزات حساس را جابجا می کند یا باعث می شود بانک های سنتی ضعیف به طور گسترده 1 -3 ثانیه طول می کشد، که به مراتب سریع تر به دستگیری ترانس مستقیم است.

تجهیزات استرس و کاهش عمر

گشت و گذار ولتاژ تکراری سرعت پیری ترانسفورماتورها، شکستن مدار و عایق کابل را تسریع می کند.چرخش حرارتی از تغییرات فعلی نیز عمر تجهیزات را کوتاه می کند.یک ابزار در یک منطقه با تقاضای بالا گزارش داد که شکست های ترانسفورماتور 50٪ بیشتر در مناطق با انحراف بیش از ±5% است. STAT حفظ ولتاژ در باند های تنگ (± 1 -2%)، به طور قابل توجهی کاهش استرس مکانیکی و حرارتی.

ادغام منابع انرژی تجدید پذیر

مناطق با تقاضای بالا به طور فزاینده ای میزبان نسل خورشیدی و بادی توزیع شده اند.این منابع درونگرا فاقد توانایی قدرت غیرشکار و واکنشی دستگاه های همگام هستند، هنگامی که پوشش ابری بر فراز یک مزرعه بزرگ خورشیدی عبور می کند، خروجی می تواند 80٪ در دقیقه کاهش یابد، و باعث فروپاشی ولتاژ در صورت جبران نمی شود. STAT می تواند قدرت واکنشی برای پشتیبانی از ولتاژ در طول چنین شیب، که باعث نفوذ بیشتر تجدید پذیر است.

مطالعه موردی پیاده سازی: ارتقاء شبکه متروپولیتن

مطالعه موردی زیر یک نصب 100 MVAR STATCOM را در یک ایستگاه زیرک 230 کیلو وات که در منطقه شهری 8 میلیون نفر خدمت می کند بررسی می کند. منطقه به طور متوسط 40 رویداد ضد زنگ ولتاژ در ماه در طول ساعات اوج تابستان تجربه کرد و منجر به شکایت مشتری و آسیب تجهیزات شد. مهندسین انتخاب یک COM در 100 MMC-AR خازن / خازن، که در یک ساختمان جمع آوری شده بود.

انتخاب سایت و ادغام

این ایستگاه به دلیل نزدیکی آن به بارهای صنعتی بزرگ (کارخانه فولاد، مونتاژ خودرو) و یک ادغام عمده فیدر مسکونی انتخاب شد:

  • نصب یک خلیج جدید 230 kW و ترانسفورماتور جفت (230 kW / 48 kW)
  • اتصال STATCOM به پیچ و خم سوم یک خودکارسازی موجود.
  • ارتقاء سیستم حفاظت و کنترل برای اجازه دادن به ارتباطات زمان واقعی با سیستم مدیریت انرژی (EMS)
  • پیاده سازی سیستم های خنک کننده اضافی برای برق الکترونیک.

کل نصب 14 ماه طول کشید و حداقل قطع برق مورد نیاز برای اتصال نهایی بود.

سیستم کنترل طراحی سیستم

سیستم کنترل STATCOM از یک چارچوب مرجع محور D-q برای تنظیم مستقل قدرت فعال و واکنشی استفاده می کند.یک حلقه تنظیم کننده ولتاژ شاخص تنظیم را تنظیم می کند تا ولتاژ اتوبوس زیر ایستگاه را در یک نقطه تعیین کننده (معمولا 1.0 pu) حفظ کند.یک کنترل کننده اضافی برای مقابله با نوسانات قدرت. سیستم می تواند بین کنترل ولتاژ، var Control، و حالت های کنترل برق بر شرایط شبکه تغییر دهد.

نتایج عملیاتی

داده های جمع آوری شده در 18 ماه اول عملیات، پیشرفت های قابل توجهی را نشان داد:

  • ثبات در برابر 35 درصد بهبود یافته است: تعداد ساکسیرهای ولتاژ زیر 0.9 pu از 40 در ماه به 4 در ماه کاهش یافته است.
  • قطع برق توسط 42٪ کاهش یافته است [FLT 1 ]: حوادث بار پاره پاره پاره پاره پاره پاره شده از 12 در سال به 7 کاهش یافته و هیچ گونه قطع برق رخ نداده است.
  • طول عمر طولانی [FLT 1]: تبدیل شدن به عملیات تغییر در ضربه 60٪ کاهش یافته است، و کارخانه فولاد گزارش کاهش 25٪ در شکست های پیچ و خم موتور.
  • قابلیت قدرت فعال : STAT به 98% از همه وقایع در یک چرخه پاسخ داد، به طور موثر کاهش بیش فعالی در طول حملات رعد و برق.

تجزیه و تحلیل اقتصادی نشان داد که دوره بازپرداخت 3.5 سال از کاهش نگهداری، اجتناب از هزینه های قطع برق و بهبود کیفیت قدرت برای مشتریان صنعتی.

مقایسه با جایگزین SVC

در طول فاز برنامه ریزی، یک Reactor 100 MVAR (TSR) و خازن (TSC) بر اساس SVC در نظر گرفته شد. SVC دارای هزینه سرمایه پایین تر (حدود 20٪ کمتر) اما تنها می تواند 50٪ از قدرت واکنش پذیر خود را در چرخه 1 ارائه دهد؛ چرخه های باقی مانده 2 -3 مورد نیاز است. عملکرد برتر و منطقه کمتر از زمین، در نهایت تصمیم گیری فضای کمتر.

مفاهیم گسترده تر برای Grid Modernization

تکنولوژی STATCOM محدود به مناطق شهری با تقاضای بالا نیست.

  • ادغام مزرعه ؛ پارک های بادی دریایی از STATCOM های بزرگ برای انطباق با الزامات کد شبکه برای قدرت واکنشی و رانندگی خطا استفاده می کنند.
  • ] انتقال از راه دور : در سیستم های AC ضعیف، مانند کسانی که اتصال هیدرو از راه دور به مراکز بار، STATCOM بهبود ثبات و ظرفیت انتقال قدرت.
  • کیفیت انرژی صنعتی ؛ کارخانه های فولاد، کوره های قوس و عملیات معدن استفاده از DSTATCOM برای جبران شاتر و هارمونیک.

طبق گفته ی یک انجمن انرژی و انرژی ، انتظار می رود ظرفیت STATCOM جهانی تا سال 2027 بیش از 50 GVAR باشد که توسط ادغام تجدید پذیر و ابتکارات سخت شبکه ای هدایت می شود.

نتیجه گیری

ادغام تکنولوژی STATCOM یک راه حل ثابت و مقیاس پذیر برای چالش های ثبات شبکه با مناطق با تقاضای بالا ارائه می دهد، با ارائه جبران برق واکنشی زیرcycle، COMSTAT نه تنها مقررات ولتاژ را بهبود می بخشد، بلکه باعث کاهش استرس تجهیزات، کاهش فرکانس قطع برق می شود و امکان نفوذ تجدید پذیر می کند.این مطالعه نشان می دهد که حتی یک نصب و نصب MVAR می تواند بهبود قابل اندازه گیری در بهبود پایدار و صرفه جویی در منابع انتقال برق را ادامه دهد.