تولید برق در نیروگاه برق و توزیع آن

نیروگاه برق امروزه از ضروریات زندگی مدرن می باشد. تولید برق از اواخر صده ۱۸۰۰ میلادی که از آب یک دریاچه برای تولید برق دینام های زیمنس استفاده می شد وجود داشته است. با اختراع برق منبع تغذیه برای چیز هایی مثل روشنایی، گرمایش، آب داغ، آسانسور و همچنین تجهیزات صرفه جویی در کار و ساختمان های کشاورزی فراهم شد.

نیروگاه برق یک کارخانه صنعتی برای تولید نیروی برق است. هر نیروگاه برق می تواند شامل ژنراتورهای متعدد برای تبدیل قدرت مکانیکی به نیروی برق باشد. سطح مهندسی مورد نیاز مستلزم ملاحظات زیادی قبل از پیاده سازی است. برخی از مشکلات طراحی الکتریکی نیروگاه برق که امروزه تاسیسات مختلف با آن مواجه هستند چیست؟ و برخی از راهکارهای مشترک که به حل این مسائل کمک می کنند چه هستند؟

تاسیسات تولید نیرو در نیروگاه برق

تا چند سال پیش هدف اصلی سیستم های الکتریکی تضمین عملکرد بدون وقفه سیستم های روشنایی، پردازش و زیست محیطی یک تاسیسات بود. این مدل بسیار ساده در اوایل قرن بیستم که مصرف انرژی در درجه اول از بار های خطی بود شکل گرفت. در سال های اخیر بار های غیرخطی مانند موتورهای سرعت متغیر، کنترلر های منطقی قابل برنامه ریزی و دیگر تجهیزات الکتریکی به شکل معمول در آمده اند.
در مقایسه با بار های خطی، بار های غیرخطی نسبت به اضافه ولتاژ، کمبود ولتاژ و سایر اختلالاتی که همیشه بر روی خط تولید برق وجود داشته اند حساس هستند. چنین اختلالات روتینی ممکن است باعث بروز مشکلات زیادی شود، از عملکرد ضعیف تجهیزات گرفته تا خاموشی پرهزینه سیستم و آسیب به تجهیزات. علاوه بر این، وسایل غیر خطی خود می توانند باعث ایجاد اختلال در برق شوند که می تواند باعث بروز مشکلاتی در بخش های دیگر تاسیسات کارخانه شود و ممکن است به سیستم توزیع نیز بازگردند.
افزایش اتکا بر بار های غیرخطی، اهداف جدیدی را به طراحی سیستم الکتریکی اضافه کرده است. با این که تامین تضمینی برق همچنان مهم است، مسائل مربوط به قابلیت اطمینان و کیفیت برق اهمیت یافته اند و الزامات ظرفیت افزایش یافته است. به علاوه، این نیاز همچنان مصرف و هزینه انرژی را رقابتی نگه می دارد. در مواجهه با این چالش ها، مهندسین برق باید ریسک تجربه، قابلیت اطمینان و مشکلات کیفیت توان را بررسی کرده و تاثیر اقتصادی مشکلات را ارزیابی کنند و یک برنامه مدیریت ریسک هزینه – اثر پیاده سازی کنند.

منبع تغذیه قابل اطمینان

منبع تغذیه قابل اطمینان منبعی است که برای پشتیبانی بار یک تاسیسات در سطح کیفیت خواسته شده ، و در زمان کمبود برق یا سایر شرایط اضطراری برای تضمین ایمنی پرسنل و حفاظت از فرآیندهای حیاتی و تجهیزات، تامین برق می کند.
طراحی الکتریکی نیروگاه برقی که الزامات بار مورد نیاز تاسیسات را پیش بینی کند به ندرت به ایده آل نزدیک است. برای مهندسین هر نیروگاه لازم است که پروفایل بار برای تاسیسات خود ایجاد کنند. این پروفایل به تیم مدیریت در درک میزان مصرف برق تاسیسات و تغییر آن در زمان های مختلف کمک می کند. یک روش برای تشخیص الگوی بار الکتریکی، انجام تجزیه و تحلیل از طریق نمودار تقاضا است. همچنین می توان از سیستم های اندازه گیری برای انتقال داده های مربوط به زمان اوج مصرف استفاده کرد. استفاده از ابزار مناسب برای نظارت مستمر بر سیستم های الکتریکی و اطلاع رسانی به اپراتور ها از عملکرد و کارایی آن ها ضروری است.

کیفیت برق تولیدی نیروگاه برق

از نظر کیفیت برق، سرویس برق رسانی مرسوم ۱۰۰ درصد قابل اعتماد نیست. برای برخی مشتریان مصرفی سرویس برق که مایل به پرداخت هزینه بیشتر هستند، کیفیت برق می تواند به قابلیت اطمینان ۱۰۰ درصد نزدیک شود. حتی در این سطح بالاتر قابلیت اطمینان، ممکن است برای برخی از کاربران لازم باشد یک سیستم مطلوب سازی برق خانگی داشته باشند.
با وجود استفاده از روش های تشخیص و پیشگیری توسط مهندسین کارخانه، قطعی های غیرمنتظره و دیگر خرابی ها ممکن است رخ دهند. در چنین شرایطی، یک سیستم الکتریکی به خوبی مدیریت شده، قدرت اضطراری را حداقل به اندازه ای که اجازه خاموشی تجهیزات را بدهد تامین می کند.
برق پشتیبان ممکن است توسط ژنراتورهای کمکی یا یک دستگاه به نام منبع تغذیه ی وقفه ناپذیر (UPS) تامین شود. در تعداد رو به افزایشی از نیروگاه ها ممکن است از نظر اقتصادی امکان تامین برق در سایت از طریق یک سیستم تولید همزمان وجود داشته باشد. سیستم های تولید همزمان از سوخت های زائد یا خریداری شده استفاده می کنند تا برق تولید کنند و حرارت هدر رفته را بازیابی کنند.

ریشه مشکلات کیفیت برق تولید شده

حتی با وجود این که نیروگاه های امروزی از سخت افزار و نرم افزار پیشرفته در ایستگاه های فرعی و سیستم های توزیع خود استفاده می کنند، اختلالات برق ممکن است رخ دهد. این اختلالات می توانند نتیجه موارد زیر باشند:
• خطا های انتقال
• خطا های سوییچ در سیستم توزیع
• تاثیر صاعقه و رعد و برق
• عملکرد همزمان تجهیزات
در بسیاری از موارد، اختلالات می تواند از مشکلات سیم کشی و اتصالات زمینی در خود نیروگاه نشات گرفته باشد. اختلالات رایج می تواند شامل قطعی، کمبود ولتاژ، ولتاژ اضافی، ضربه پالسی، جهش ها، یا نویز باشد. طول مدت این اختلالات می تواند چندین ساعت باشد، یا فقط چند میکرو ثانیه طول بکشد و برای مهندسان کارخانه غیر قابل تشخیص باشد.

تاثیر صاعقه بر کیفیت برق

اختلالات کوتاه مدت تاثیر کمی بر تجهیزات الکتریکی قدیمی تر مثل موتورها، سیم پیچ های استوانه ای، و کنترل های الکترومکانیکی دارد. با این حال، تجهیزات الکترونیکی حالت جامد در معرض طیف وسیعی از اختلالات هستند. این آسیب پذیری ناشی از شیوه ای است که دستگاه الکترونیکی، برق جریان متناوب (AC) را مصرف می کند. وسایل الکترونیکی که قادر به تبدیل برق جریان متناوب AC به برق جریان مستقیم DC نیستند، می توانند مشکلاتی از قبیل موارد زیر داشته باشند:

• وقفه دستگاه
• خطای داده
• فقدان حافظه
• و حتی خاموشی

در بدترین حالت، برخی از وسایل می توانند دچار خسارت شوند.

 اصلاح مشکلات کیفیت خروجی نیروگاه برق

انواع مختلفی از راه کار ها برای محافظت از تجهیزات حالت جامد حساس به برق در برابر اختلالات وجود دارد؛ اغلب آن ها ساده و ارزان هستند. علاوه بر این، از طریق ملایم سازی شکل موج سینوسی توسط مطلوب سازی منبع برق می توان از اختلالات به طور کلی جلوگیری کرد. از آنجا که تجهیزات مطلوب سازی برق هزینه بر است، تنها برای کاربرد هایی مناسب است که به بالاترین کیفیت برق نیاز دارند.

• سیم کشی و اتصال زمین

حدود ۸۰ درصد مشکلات کیفیت برق در تاسیسات صنعتی و تجاری از مشکلات مربوط به اتصال زمین نامناسب، سیم کشی نامناسب، اتصالات شل، و تجمع گرد و غبار و کثیفی حاصل از روش های نامناسب نگهداری وتعمیرات نشات می گیرد. یک اتصال زمین خوب و با مقاومت کم از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است، به خصوص از آنجا که سیستم های حالت جامد به اتصال زمین به عنوان یک مرجع برای عملکرد و برای پراکنده کردن برق سرگردان نیاز دارند که اگر بر روی مدار باقی بماند، می تواند باعث آسیب شود. این یک روش پیشگیرانه کم هزینه برای مشکلات کیفیت برق است.

• مدارهای اختصاصی

بیشتر اختلالات برق در شکل نویز در خود نیروگاه تولید می شوند. در نتیجه، یک روش موثر حفاظت از تجهیزات مهم یا بسیار حساس، قرار دادن تجهیزات در مدار اختصاصی خود برای محافظت از آن ها در برابر آشفتگی های برق ناشی از تجهیزات مجاور است.

• سرکوب گر ضربه پالسی

سرکوب گر ضربه پالسی دامنه ضربه های ولتاژ را به سطوح ایمن کاهش می دهد و می تواند بسیاری از تغییرات ناگهانی در ولتاژ را حذف کند. آن ها ساده ترین و ارزان ترین تجهیزات محافظ هستند؛ با این حال، قابلیت آن ها بستگی به کیفیت سرکوب گر خریداری شده دارد.

• ترانسفورمر مجزا ساز

ترانسفورمرهای مجزا ساز نویز الکتریکی و اعوجاج ناشی از دیگر تجهیزات در محل و یا برق ورودی را فیلتر می کنند. با این حال، آن ها نمی توانند در برابر انواع دیگر اختلالات مانند ضربه های پالسی و نوسان های شدید محافظتی ارائه کنند.

• تنظیم کنندگان ولتاژ

تنظیم کنندگان ولتاژ با محافظت در برابر نوسانات از طریق ابزارهای مکانیکی یا الکتریکی یک ولتاژ ثابت را حفظ می کنند. این گزینه گران تر از موارد قبل است، اما در نقطه میانی طیف هزینه برای دستگاه های بهبود برق است.

• منبع تغذیه ی وقفه ناپذیر

یک UPS در برابر وقفه های کوتاه مدت برق و اختلالات خارجی محافظت می کند. سیستم های UPS معمولا شامل یکسوساز / شارژر، یک بانک باتری، یک اینورتر استاتیک و یک سوییچ فرعی اتوماتیک یا دستی می باشند. این مورد در برابر همه مشکلات کیفیت برق از جمله قطعی موقت حفاظت ارائه می دهد. حفاظت در برابر قطعی های دراز مدت بسته به اندازه بانک باتری است. UPS در برابر برق گذرا، نوسانات و یا سایر موارد غیر عادی محافظتی ارائه نمی کند.

 شبیه سازی و مدل سازی سیستم های قدرت

نرم افزارهای مدل سازی و شبیه سازی ارزش زیادی برای طراحان سیستم های قدرت دارند. مهندسین باید از این نرم افزارها برای تجزیه و تحلیل و آزمایش طرح هایشان قبل از اجرای واقعی استفاده کنند. این نرم افزار ها برای تجزیه و تحلیل های گوناگونی استفاده می شوند، مانند تحلیل های هزینه – سود، تحلیل امکان سنجی، هماهنگی حفاظت و غیره قبل از استقرار سیستم. مهندسان برق از نرم افزارهای استاندارد صنعتی برای آزمایش طرح های پیشنهادی خود استفاده می کنند.

برنامه تحلیل گر گذرای الکتریکی (ETAP)

ETAP یک نرم افزار مهندسی تحلیلی است که توسط شرکت Operation Technology Inc ساخته شده است. این نرم افزار در آنالیز، شبیه سازی، نظارت، کنترل، بهینه سازی، و اتوماسیون سیستم های قدرت الکتریکی تخصص دارد. نرم افزار ETAP مجموعه جامع و یکپارچه ای از راه کار های صنعتی سیستم های قدرت است که از مدل سازی تا بهره برداری را در بر می گیرد.

مروری بر ویژگی های ETAP در تحلیل نیروگاه برق

نرم افزار ETAP یک رابط خوب برای انجام تحلیل های دقیق بر روی سیستم های قدرت الکتریکی ارایه می دهد و یکی از بهترین نرم افزارهای تجزیه و تحلیل گذرای الکتریکی است. ادغام آن با مایکروسافت اکسل نیز یکی از ویژگی های شگفت انگیز آن است.
نرم افزار ETAP یک محیط کاربر پسند با استفاده آسان را ارائه می کند، به علاوه یک دفترچه راهنمای جامع کاربر که او را در حل هر گونه مشکلی که در طول شبیه سازی با آن مواجه می شود یاری می کند. واسط کاربری اصلی ETAP در شکل زیر نشان داده شده است.

نرم افزار ETAP به طور هوشمندانه به نوارهای ابزار مختلف با توجه به کارکرد آن ها تقسیم شده است. کاربر در حالی که یک نمودار خطی از یک مدل سیستم قدرت ایجاد می کند به راحتی می تواند به هر نوار ابزار دسترسی داشته باشد. علاوه بر نوارهای ابزار، گزینه های مختلفی برای انجام تحلیل بر روی مدل سیستم از طریق بررسی موردی، پیکربندی، و ویرایش نوارهای ابزار وجود دارد. هر یک از آن ها در این آموزش توضیح داده می شود.
نوار ابزار حالت (Mode)
نوار ابزار حالت در بالای واسط گرافیکی و زیر منوی فایل قرار دارد. حالت های آنالیز مختلف را می توان از طریق این نوار ابزار با توجه به الزامات پروژه انتخاب کرد. در ETAP 16، یک مجموعه کامل از تحلیل ها از طریق نوار ابزار حالت ارایه شده است که در فهرست زیر به آن ها اشاره شده است:

شکل 1: نوار ابزار های حالت ETAP برای تحلیل های مختلف سیستم های قدرت:

۱۳ حالت بررسی در ETAP وجود دارند که در شکل 1 نشان داده شده است. هر یک از آن ها به طور خلاصه به ترتیب از چپ به راست توصیف می شود:

۱. جریان بار: برای انجام جریان بار (یا جریان توان) در سیستم قدرت به صورت مدل تشکیل شده از یک نمودار خطی استفاده می شود.
۲. جریان بار نامتعادل
۳. تحلیل اتصال کوتاه ANSI
۴. تحلیل استارت موتور
۵. تحلیل هارمونیک
۶. تحلیل گذرا
۷. هماهنگ سازی حفاظت ستاره ای
۸. جریان بار بهینه
۹. تحلیل قابلیت اطمینان
۱۰. جایابی بهینه خازن
۱۱. جریان بار DC
۱۲. آنالیز اتصال کوتاه DC
۱۳. تحلیل سایز باتری

نوار ابزار تحلیل

زمانی که یک حالت تحلیل ویژه از نوار ابزار حالت انتخاب شود، گزینه های مختلف تحلیل از طریق نوار ابزار تحلیل در دسترس خواهند بود. قالب نوار ابزار تحلیل در حالت جریان بار در اینجا نشان داده شده است.

نوار ابزار تحلیل برای حالت جریان بار

همان طور که به وضوح در نوار ابزار بالا به تصویر کشیده شده است، زمانی که حالت جریان بار انتخاب شود، ما می توانیم هر کدام از گزینه های نوار ابزار تحلیل آن را برای اجرای محاسبات جریان بار، نمایش نتایج و تغییرات، تولید و صادر کردن گزارش و حتی جمع آوری داده های زنده از یک سیستم قدرت واقعی انتخاب کنیم.