کیفیت توان

اهمیت کیفیت توان چیست؟

این مقاله اهمیت اندازه‌گیری کیفیت توان را در زیرساخت‌های الکتریکی امروزی مورد بحث قرار می‌دهد و زمینه‌های کاربردی برای نظارت کیفیت توان را بررسی می‌کند. این استاندارد IEC برای کیفیت توان و پارامترهای آن را پوشش می دهد. در نهایت، تفاوت های کلیدی بین مترهای کیفیت توان کلاس A و کلاس S را خلاصه می کند. مقاله بعدی راه‌حل‌های پیشنهادی در مورد «نحوه طراحی یک متر کیفیت برق مطابق با استانداردها» را نشان می‌دهد.

اندازه گیری کیفیت توان در زیرساخت های برق امروزی

تغییر حالت های تولید برق و دینامیک مصرف توجه ها به کیفیت توان را افزایش داده است. رشد بی‌سابقه منابع تجدیدپذیر در سطوح مختلف ولتاژ، میزان مسائل مربوط به کیفیت توان را افزایش داده است. الگوهای مصرف نیز تغییرات گسترده ای را به دلیل بارهای ناهمگام اضافه شده در چندین نقطه ورودی شبکه و سطوح ولتاژ دیده اند.

شارژرهای وسایل نقلیه الکتریکی می توانند به صدها کیلووات و تعداد زیادی مرکز داده و تجهیزات مرتبط با آنها مانند گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع نیاز داشته باشند. کوره‌های قوس الکتریکی که توسط درایوهای فرکانس متغیر، ترانسفورماتورهای سوئیچینگ و غیره کار می‌کنند، نه تنها هارمونیک‌های ناخواسته زیادی را به شبکه اضافه می‌کنند، بلکه مسئول کاهش ولتاژ، تورم، برون‌آوت گذرا و سوسو زدن نیز هستند.

کیفیت توان در فضای شهری به کیفیت ولتاژ تحویلی به مصرف کننده اشاره دارد. مجموعه ای از مقررات تجویز شده برای بزرگی، فاز و فرکانس این کیفیت خدمات را تعیین می کند. با این حال، طبق تعریف، هم ولتاژ و هم جریان را نشان می دهد. در حالی که ولتاژ به راحتی توسط طرف تولید کنترل می شود، جریان تا حد زیادی توسط مصرف کننده کنترل می شود. مفهوم و مفاهیم مسائل کیفیت توان بسته به کاربران نهایی نسبتاً گسترده است.

تاثیر اقتصادی کیفیت توان بد در چند سال اخیر به طور گسترده مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. اثرات آن در حدود میلیاردها دلار در سراسر جهان تخمین زده می شود. همه این مطالعات نتیجه می گیرند که نظارت بر کیفیت قدرت تأثیر مستقیمی بر نتایج اقتصادی بسیاری از بخش های تجاری دارد. حتی با وجود اینکه واضح است که کیفیت توان بد چقدر بر اقتصاد کسب و کار تأثیر منفی می گذارد، نظارت کارآمد و مؤثر بر آن در مقیاس کار آسانی نیست. نظارت بر کیفیت توان در یک مرکز شامل داشتن پرسنل آموزش دیده و تجهیزات گران قیمت است که در چندین نقطه در امتداد سیستم الکتریکی برای مدت زمان طولانی یا نامحدود نصب شده اند.

حوزه های کاربردی نظارت بر کیفیت توان

نظارت بر کیفیت برق اغلب به عنوان یک استراتژی صرفه جویی در هزینه برای برخی از بخش های تجاری و یک فعالیت حیاتی برای برخی دیگر دیده می شود. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، مسائل مربوط به کیفیت برق می تواند در طیف گسترده ای از زیرساخت های الکتریکی ایجاد شود. همانطور که بعداً بحث خواهیم کرد، نظارت بر کیفیت برق در بخش های تجاری مانند تولید و توزیع برق، شارژ وسایل نقلیه، کارخانه ها و داده ها به طور فزاینده ای حیاتی می شود.

شرکت های برق، انتقال و توزیع برق

شرکت‌های برق با سیستم‌های توزیعی که شامل ایستگاه‌های تولید می‌شود، به مصرف‌کنندگان خدمات می‌دهند، که پست‌های برقی هستند که برق را از طریق خطوط انتقال تامین می‌کنند. ولتاژ تامین شده از طریق این خطوط انتقال توسط ترانسفورماتورهای پست به سطوح پایین تر کاهش می یابد که هارمونیک ها یا بین هارمونیک های خاصی را به سیستم تزریق می کنند. جریان های هارمونیک در سیستم های توزیع می تواند باعث اعوجاج هارمونیک، ضریب توان کم و تلفات اضافی و همچنین گرمای بیش از حد در تجهیزات الکتریکی شود که منجر به کاهش طول عمر تجهیزات و افزایش هزینه های خنک کننده می شود.

بارهای تک فاز غیرخطی ارائه شده توسط این ترانسفورماتورهای پست، شکل موج جریان را تغییر می دهند. عدم تعادل بارهای غیرخطی منجر به تلفات اضافی در ترانسفورماتورهای قدرت، بار اضافی خنثی ها، عملکرد غیرمنتظره قطع کننده های مدار کم توان و اندازه گیری نادرست برق مصرفی می شود. شکل 3 اثر این بارهای خطی را نشان می دهد.

تولید الکتریسیته توسط سیستم های خورشیدی بادی و فتوولتائیک (PV) تزریق شده به شبکه باعث ایجاد چندین مشکل کیفیت برق نیز می شود. در سمت تولید باد، تناوب باد هارمونیک‌ها و تغییرات ولتاژ کوتاه مدت ایجاد می‌کند. اینورترها در سیستم‌های خورشیدی PV نویز ایجاد می‌کنند که می‌تواند نویزهای گذرا ولتاژ، هارمونیک‌های مخدوش و نویز فرکانس رادیویی را به دلیل سوئیچینگ سرعت بالا که معمولاً برای افزایش ولتاژ استفاده می‌شود ایجاد کند. بهره وری انرژی برداشت شده است.

کارخانه ها

طبق گزارش موسسه تحقیقات انرژی الکتریکی (EPRI) مشکلات کیفیت برق ناشی از تغییرات منبع تغذیه و اختلالات ولتاژ، تقریباً 119 میلیارد دلار (ایالات متحده) در سال برای تأسیسات صنعتی در ایالات متحده هزینه دارد. طبق گزارش موسسه مس اروپا، 160 میلیارد دلار (ایالات متحده) زیان مالی در سال ناشی از مسائل مختلف PQ است.

کاهش کیفیت توان معمولاً در اثر بارهای متناوب و تغییرات بار ناشی از کوره های قوس الکتریکی و موتورهای صنعتی ایجاد می شود. چنین اختلالاتی باعث افزایش نوسانات، شیب ها، اعوجاج هارمونیک، وقفه ها، سوسو زدن و ولتاژهای سیگنال می شود. حتی بهتر است، آن را در سطح بار داشته باشید. با ورود فن آوری های جدید Industry 4.0، نظارت بر کیفیت توان در بار می تواند توسط مترهای پانل صنعتی یا زیرمترها مورد بررسی قرار گیرد تا دید جامعی از کیفیت توان تحویلی به هر بار داشته باشد.

مراکز داده

در حال حاضر، بیشتر فعالیت‌های تجاری برای ارائه ایمیل، ذخیره‌سازی داده‌ها، خدمات ابری و غیره به یک روش به مراکز داده وابسته است. تعالی نظارت PQ به مدیران کمک می کند تا از قطعی های پرهزینه جلوگیری کنند و به مدیریت تعمیر و نگهداری یا جایگزینی تجهیزات به دلیل مشکلات مربوط به واحدهای منبع تغذیه (PSU) کمک می کند. ادغام سیستم‌های منبع تغذیه بدون وقفه (UPS) در واحدهای توزیع برق رک (PDUs) دلیل دیگری برای اضافه کردن نظارت PQ به رک‌های فناوری اطلاعات در مرکز داده است. این ادغام می‌تواند دید مشکلات برق را در سطح سوکت برق فراهم کند.

بر اساس گزارشی که توسط Emerson Network Power ارائه شده است، خرابی سیستم UPS، از جمله UPS و باتری ها، علت اصلی قطعی های برنامه ریزی نشده مراکز داده است. برق تمیز و بدون وقفه این سیستم‌ها بیشتر مشکلات برق را از سمت ابزارها جدا می‌کنند و کاهش می‌دهند، اما در برابر مشکلات ایجاد شده توسط PSU خود تجهیزات فناوری اطلاعات محافظت نمی‌کنند. PSU تجهیزات فناوری اطلاعات بارهای غیرخطی هستند که می توانند اعوجاج هارمونیک را علاوه بر سایر مشکلات ناشی از تجهیزات مانند مواردی که می توانند منجر به سیستم های خنک کننده با چگالی بالا با فن های کنترل شده با فرکانس متغیر شوند، ایجاد کنند. جدای از این مسائل، PSU ها همچنین با تداخل هایی مواجه می شوند که به اشکال مختلف مانند گذرا و نوسانات ولتاژ، تورم ولتاژ، افتادگی و جهش، عدم تعادل یا نوسانات، تغییرات فرکانس و اتصال به زمین ضعیف وجود دارد.

استانداردهای کیفیت توان

استانداردهای کیفیت توان، محدودیت‌های قابل اندازه‌گیری را برای مقادیر الکتریسیته مشخص می‌کنند که تا چه حد می‌توانند از مقدار مشخص شده اسمی انحراف داشته باشند. استانداردهای مختلفی برای اجزای مختلف سیستم برق اعمال می شود. به طور خاص، کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی (IEC) روش های اندازه گیری و تفسیر نتایج پارامترهای PQ سیستم های قدرت جریان متناوب (AC) را در استاندارد IEC 61000-4-30 تعریف می کند. پارامترهای PQ برای فرکانس های اساسی 50 هرتز و 60 هرتز اعلام شده است. این استاندارد همچنین دو کلاس را برای دستگاه های اندازه گیری ایجاد می کند:

کلاس A و کلاس S

کلاس A بالاترین سطح دقت و دقت را برای اندازه گیری پارامترهای PQ تعریف می کند و برای ابزارهایی استفاده می شود که به اندازه گیری های بسیار دقیق برای مسائل قراردادی و حل اختلاف نیاز دارند. همچنین برای دستگاه هایی که نیاز به تأیید انطباق با استاندارد دارند، قابل استفاده است.
کلاس S برای ارزیابی کیفیت توان، کاربردهای تحلیل آماری، و تشخیص مشکلات کیفیت توان با عدم قطعیت کم استفاده می شود. ابزار این کلاس می تواند زیرمجموعه محدودی از پارامترهای تعریف شده توسط استاندارد را گزارش کند. اندازه‌گیری‌های انجام‌شده با ابزارهای کلاس S را می‌توان در چندین سایت در یک شبکه، در مکان‌های کامل یا حتی روی تکه‌های تجهیزات انجام داد.

توجه به این نکته مهم است که استاندارد روش های اندازه گیری را تعریف می کند، راهنمای تفسیر نتایج را ایجاد می کند و عملکرد متر کیفیت توان را مشخص می کند. دستورالعملی در مورد طراحی خود ساز ارائه نمی دهد.

استاندارد IEC 61000-4-30 پارامترهای کیفیت توان زیر را برای دستگاه های اندازه گیری کلاس A و کلاس S تعریف می کند.

فرکانس برق
مقدار ولتاژ و جریان منبع تغذیه
سوسو زدن
ولتاژ تغذیه کاهش می یابد و متورم می شود
وقفه های ولتاژ
عدم تعادل ولتاژ تغذیه
هارمونیک های ولتاژ و جریان و بین هارمونیک
تغییر سریع ولتاژ
کم انحرافی و انحراف بیش از حد
ولتاژ سیگنال شبکه در ولتاژ منبع تغذیه

نتیجه

مشکلات کیفیت برق در کل زیرساخت برق وجود دارد. داشتن تجهیزاتی که این مسائل PQ را نظارت می کند به بهبود عملکرد، کیفیت خدمات و طول عمر تجهیزات کمک می کند و در عین حال ضررهای اقتصادی را کاهش می دهد. در مقاله بعدی «نحوه طراحی یک متر کیفیت برق مطابق با استانداردها»، ما یک راه حل یکپارچه و یک پلت فرم آماده برای استفاده را معرفی خواهیم کرد که می تواند به طور قابل توجهی توسعه را تسریع کند و هزینه های توسعه محصولات نظارت PQ را کاهش دهد.