ساختار صنعت برق و سیستم های قدرت امروزی

ساختار صنعت برق

ساختار صنعت برق

 بخش عمده تولید برق در ایالات متحده توسط شرکت‌های یکپارچه‌شده متعلق به سرمایه گذاران (IOU) تولید‌می‌شود. بخش کوچکی از تولید متعلق به دولت مرکزی‌است مانند، TVA و BPA

در حال حاضر، سیستم برق ایالات متحده با دو نوع مقررات و آئین نامه جداگانه اداره‌می‌شود. یکی از آنها انجمن تنظیم انرژی دولت مرکزی (FERC)‌است که قیمت عمده فروشی برق، مناسبات و شرایط خدمات را تنظیم می‌کند، دیگری انجمن تضمین وثیقه و مبادله (SEC)‌است که ساختار تجارت صنعت برق را کنترل می‌نماید

سیستم انتقال شرکت‌های برق در ایالات متحده و کانادا به یکدیگر وصل‌شده و شبکه قدرت بزرگی را بوجود آورده‌است که سیستم قدرت بهم پیوسته آمریکای شمالی نامیده‌می‌شود.

و در ادامه

این شبکه قدرت به چندین تسهیلات اشتراکی قدرت تقسیم شده‌است. این تسهیلات اشتراکی قدرت شامل چندین شرکت مجاور و همسایه‌است که با همکاری یکدیگر موجب برنامه‌ریزی تولید به صورت اقتصادی می‌گردند.

یک سازمان که به صورت خصوصی اداره و شورای قابلیت اعتماد برق آمریکای شمالی (NERC) نامیده‌می‌شود

مسؤلیت حفظ استانداردها و قابلیت اعتماد سیستم را به عهده دارد. این شورا (NERC) با همکاری و تعاون هر یک از تولید‌کنندگان و توزیع‌کنندگان برق و برای تضمین قابلیت اعتماد سیستم کار‌می‌کند

و خدمات خود را با همکاری FERC و دیگر سازمان‌ها مانند انستیتو برق ادیسون (EEI) هماهنگ می‌نماید. در حال حاضر، NERC چهار برق منطقه‌ای مجزا و مشخص دارد.

این مناطق عبارتند از: شورای قابلیت اعتماد برق تگزاس (ERCOT)، شورای همکاری ایالت غربی (WSCC)، شبکه بهم پیوسته شرقی که شامل تمامی ایالتهای آمریکا و استان‌های کانادا واقع در شرق کوههای راکی (بجز تگزاس)‌است، و هیدرو – کبک که با شمال شرق خط ارتباطی dc دارد. این مناطق که از لحاظ الکتریکی مجزا هستند با یکدیگر تبادل قدرت دارند اما به صورت الکتریکی با هم سنکرون (همگام) نیستند.

صنعت برق در ایالات متحده

صنعت برق در ایالات متحده از زمان آزاد‌شدن مقررات در مخابرات، گاز و صنایع دیگر، دچار تغییرات اساسی شده‌است.

تجارت تولید برق سریعا به بازار وابسته می‌شود. این تغییری اساسی و مهم در صنعتی‌است که تا دهه قبل ویژگی آن انحصارات یکپارچه و بزرگ بوده‌است.

پیاده‌سازی دسترسی اسان به انتقال، منجر به بازارهای عمده و خرده فروشی گردیده‌است، در آینده، احتمال‌دارد شرکت های برق به بخش‌های تولید، انتقال و خرده فروشی تقسیم شوند.

امکان‌دارد که شرکت تولید‌کننده برق به جای توزیع‌کنندگان محلی مستقیما به مصرف‌کنندگان برق بفروشند. این امر می تواند موجب حذف انحصاری که در حال حاضر در اختیار توزیع کنندگان برق است‌گردد

توزیع‌کنندگان به جای خرده فروشی برق می‌توانند خدمات خود را به عنوان توزیع‌کننده برق ارائه‌نمایند. احتمالا ساختار خرده‌فروشی توزیع قدرت شبیه ساختار جاری صنعت مخابرات و تلفن خواهد‌شد.

در ادامه

مصرف کنندگان این انتخاب را خواهند‌داشت که از کدام یک از ژنراتورها برق خریداری نمایند. در صورتی که کل صنعت انرژی الکتریکی به صورت آزاد در آید آنگاه مصرف‌کنندگان نهایی می‌توانند

از میان کلیه ژنراتورهای سرتاسر کشور یکی را انتخاب نمایند. دلال‌ها و بازاریاب‌های انرژی الکتریکی نقش مهمی را در این صنعت جدید و رقابتی ایفا خواهند نمود. در حال حاضر، توانائی خرده فروشی برق به مصرف‌کننده نهائی وجود دارد

ولی این برنامه آزمایشی تنها در تعداد محدودی از ایالات‌ها اجرا می‌شود

برای ایجاد محیط رقابتی در بازار برق تلاش‌های زیادی صورت‌گرفته تا افزایش بازده بیشتر‌شود بنابراین، صنعت برق با مشکلات جدیدی روبرو‌شده

که یکی از با الویت‌ترین آنها قابلیت اعتماد، یعنی تغذیه مستمر و بدون وقفه به کلیه مصرف‌کنندگان برق است، تغییر ساختار و آزاد ساری شرکت‌های برق همراه با پیشرفتهای اخیر در فن‌آوری موجب جلب بدون مقدمه و ایجاد فرصت‌هایی برای پژوهش در زمینه سیستم‌های قدرت گردیده و فرصت‌های جدیدی را برای مهندسان جوان سیستم‌های قدرت ایجاد کرده‌است

 سیستم قدرت پیشرفته

• تولید
• انتقال و فوق توزیع
• توزیع
• بار

تولید

ژنراتورها (Alternators)

یکی از عناصر اصلی عرضه سیستم‌ها قدرت ژنراتور سه فار AC‌است که ژنراتور سنکرون یا مولد جریان متناوب نامیده‌می‌شود. ژنراتورهای سنکرون دارای دو میدان گردان سنکرون هستند.

یک میدان توسط نیروی چرخشی روتور در سرعت سنکرون و با جریان تحریک dc تولید و میدان دیگر در سیم‌پیچ‌های استاتور و به  وسیله جریان‌های آرمیچر سه فاز تولید می‌گردد. جریان dc برای سیم‌پیچ های روتور از طریق سیستم تحریک فراهم‌می‌شود.

در واحدهای قدیمی، تحریک شامل ژنراتورهای dc بود که روی همان محور ژنراتورAC نصب‌شده و تحریک را از طریق حلقه‌های لغزشی (Slip rings) تامین می‌کردند. سیستم‌های امروزی از یکسو‌ساز‌های گردان که سیستم‌های تحریک بدون جاروبک نامیده‌می‌شوند استفاده‌می‌کند. سیستم تحریک ژنراتور ولتاژ ژنراتور را در حد معینی حفظ کرده و توان راکتیو آن را کنترل می‌کند. به علت فقدان کموتاتور، ژنراتور‌های ac می‌توانند قدرت زیادی با ولتاژ بالا، مثلا ۳۰kV تولید‌کند. در یک نیروگاه، ظرفیت ژنراتورها می‌تواند از ۵۰MW تا ۱۵۰۰MW متغیر‌باشد.

منبع توان مکانیکی که معمولا محرک اولیه نامیده‌می‌شود، می‌تواند توربین‌های آبی در زیر ریزش آب، توربین‌های بخار که انرژی آنها از سوخت‌هایی مانند زغال سنگ، گاز و مواد هسته‌ای تامین می‌گردد، توربین‌های گازی، یا گاهی اوقات موتورهای احتراقی درون سوز با سوخت نفتی باشد. ظرفیت تخمینی تولید نصب‌شده در ایالات متحده در سال ۱۹۹۸ در جدول ۱-۱ ارائه‌شده‌است

توربین‌های بخار

این توربین‌های بخار در سرعت‌های نسبتا بالای ۳۶۰۰ یا ۱۸۰۰ دور در دقیقه(Rounds per minutes) (rpm) کار می‌کنند ژنراتورهایی که به این توربین‌ها وصل می‌شوند دارای روتور استوانه‌ای با دو قطب برای سرعت 3600rpm  و چهار قطب برای سرعت rpm ۱۸۰۰ هستند. توربین‌های آبی، به ویژه آنهایی که در فشار پائیین کار می‌کنند، دارای سرعت کمی هستند. ژنراتور آنها معمولا دارای رتور قطب برجسته با چندین قطب می‌باشد. در یک نیروگاه برای تامین قدرت مورد نیاز چندین ژنراتور به طور موازی به شبکه قدرت متصل هستند. آنها به یک نقطه مشترک که شین (BUS)نامیده‌می‌شود وصل می‌گردند.

در حال حاضر، كل ظرفیت تولید برق در حدود ۷۶۰۰۰۰MW است. با فرض اینکه جمعیت ایالات متحده ۲۷۰ میلیون نفر باشد، خواهیم‌داشت:

برای درک اهیمت این عدد، فرض کنید متوسط قدرت یک نفر تقریبا ۵۰W باشد. بنابراین قدرت ۲۸۱۵۹ معادل‌است با

مصرف سالانه انرژی (kWh) در ایالت متحده در حدوداست. دارائی سرمایه گذاری‌شده در شرکت‌های متعلق به سرمایه گذاران (IOU) در حدود ۲۰۰ میلیارد دلار‌است و آنها تقریبا نیم میلیون نفر را استخدام کرده‌اند.

ترانسفورماتورها

 عنصر اصلی دیگر سیستم قدرت ترانسفورماتور است. این وسیله قدرت را با بازده بسیار بالا از یک سطح ولتاژ به سطح ولتاژ دیگری انتقال می‌دهد. قدرت انتقالی به ثانویه تقریبا همان قدرت اولیه‌است، به جز تلفات ترانسفورماتور و حاصلضرب VI در سمت ثانویه که تقریبا همان مقدار سمت اولیه‌است. بنابراین، با استفاده از یک ترانسفورماتور افزاینده با نسبت دور a  ، جریان ثانویه به نسبت به1/a کاهش خواهد یافت. این عمل موجب کاهش تلفات در خط انتقال می گردد و انتقال قدرت را در فواصل طولانی میسر می‌سازد

نیازمندی‌های عایقی و دیگر مشکلات عملی طراحی، ولتاژ تولید را به مقادیر پائین مثلا 30KV محدود می‌سازد. بنابراین، ترانسفورماتورهای افزاینده برای انتقال قدرت استفاده‌می‌شوند. در سمت دریافت (انتهای )خطوط انتقال، ترانسفورماتورهای کاهنده جهت کاهش ولتاژ به مقادیر مناسب برای توزیع و مصرف بکار می‌روند.

در یک سیستم پیشرفته برق، امکان دارد قدرت چهار یا پنج مرتبه میان ژنراتور و مصرف‌کننده نهانی دچار این تغییرات گردد.

جدول ۱-۱ ظرفیت نصب‌شده تولید

انتقال و فوق توزیع

 هدف شبکه انتقال هوایی اینست که انرژی الکتریکی را از واحدهای تولید در نواحی مختلف به سیستم توزیع که در نهایت بار را تامین می‌نماید انتقال دهد. خطوط انتقال(Transmission) ، شرکت‌های برق مجاور را نیز به یکدیگر متصل‌می‌کنند که این اتصال نه تنها موجب توزیع اقتصادی قدرت در نواحی طی شرایط عادی‌می‌شود بلکه در شرایط اضطراری، انتقال قدرت میان نواحی را نیز میسر می‌سازد

استاندارد ولتاژ انتقال در ایالات متحده توسط انستیتو استاندارد ملی آمریکا (American national standard institue)(ANSI) مشخص می‌گردد. خطوط انتقال که با ولتاژی بیش از ۶۰kV کار می‌کنند

به صورت زیر استاندارد شده‌اند ولتاژ خط به خط

1. ۶۹ کیلو ولت
2. ۱۱۵ کیلو ولت
3. ۱۳۸ کیلو ولت
4. ۱۶۱ کیلو ولت
5. ۲۳۰ کیلو ولت
6. ۳۴۵ کیلو ولت
7. ۵۰۰ کیلو ولت
8. ۷۶۵ کیلو ولت

معمولا ولتاژهای انتقال بیش از ۲۳۰kV به عنوان ولتاژ فوق فشار قوی (EHV) شناخته‌می‌شوند.

شکل ۱-۱ طرح کلی سیستم انتقال و توزیع را نشان‌می‌دهد، خطوط انتقال فشار قوی به پستها منتهی می‌گردند که پست‌های فشار قوی، پست‌های دریافت یا پست‌های اولیه نامیده‌میشوند. وظیفه بعضی از پست‌ها کلیدزنی برای ورود و خروج مدارها‌است که پست های کلیدزنی نامیده‌می‌شوند. در پست‌های اولیه، ولتاژ به مقدار مناسب‌تری برای بخش بعدی انتقال قدرت به بار کاهش می‌یابد. ممکن‌است بار مصرف‌کنندگان صنعتی بسیار بزرگ از طریق سیستم انتقال تامین شود.

بخشی از سیستم انتقال که پست‌های فشار قوی را از طریق ترانسفورماتورهای کاهنده به پست‌های توزیع وصل می‌کند شبکه فوق توزیع(Sub-transmission) نامیده‌می‌شود. مرز مشخص و واضحی برای جداسازی سطوح ولتاژ انتقال و فوق توزیع وجود ندارد. برای مثال، سطح ولتاژ فوق توزیع در محدوده ۶۹kV الی ۱۳۸kV قرار دارد. بار بعضی از مصرف‌کنندگان بزرگ از طریق سیستم فوق توزیع تأمین می‌گردد. برای حفظ ولتاژ خط انتقال معمولا بانک‌های خازنی و راکتوری در پست‌ها نصب می‌گردند.

توزیع

 سیستم توزیع(Distribution) بخشی از سیستم قدرت‌است که پست‌های توزیع را به تجهیزات برق در محل مصرف‌کننده متصل می‌کند. معمولا خطوط توزیع اولیه در محدوده ۴kV تا 34.5 kV بوده و بار را در مناطق جغرافیایی کاملا تعریف‌شده تامین‌می‌کنند. برخی از مصرف کنندگان صنعتی مستقیما از طریق تغذیه کننده‌های  (Feeders)(فیدرهای) اولیه تأمین می‌شوند.

شبکه توزیع ثانویه ولتاژ را برای مصرف‌کنندگان تجاری و خانگی کاهش می‌دهد. خطوط و کابل‌هایی که کمتر از چند صد فوت طول دارند قدرت را به هر یک از مصرف‌کنندگان تحویل می‌دهند. ولتاژهای سیستم توزیع ثانویه که اکثر مصرف‌کنندگان را تغذیه‌می‌کنند عبارتند از: ۲۴۰/۱۲۰V یکفاز با سه سیم؛ ۲۰۸ / ۱۲۰V سه فاز ستاره با چهار سیم؛ V۴۸۰ / ۲۷۷ سه فاز ستاره با چهار سیم، قدرت مورد نیاز مصارف مسکونی بوسیله ترانسفورماتور کاهنده ۲۰۸/120 V  با استفاده از خط سه فاز از طریق تغذیه‌کننده اولیه تأمین می‌گردد.

سیستم‌های توزیع به صورت هوایی و زمینی هستند. رشد سیستم توزیع زیرزمینی بسیار سریع بوده‌است و حدود ۷۰٪ ساخت و سازهای جدید خانگی از طریق شبکه زیرزمینی تأمین می‌شوند.

بار

بارهای سیستم‌های قدرت به صنعتی، تجاری و خانگی تقسیم‌بندی می‌شوندو بارهای صنعتی بسیار بزرگ از طریق سیستم انتقال و بارهای صنعتی بزرگ مستقیما از طریق شبکه فوق توزیع تامین می‌گردند و بارهای صنعتی کوچک به شبکه توزیع اولیه وصل می‌شوند. بارهای صنعتی بارهایی مرکب هستند و موتورهای القائی قسمت اعظم این بارها را تشکیل می‌دهند. این بارهای مرکب تابع ولتاز و فرکانس بوده و بخش اصلی بار سیستم را تشکیل می‌دهند. بخش بزرگی از بارهای تجاری و خانگی شامل روشنائی، گرمایش و سرمایش‌است. این بارها مستقل از فرکانس بوده و توان راکتیو ناچیزی مصرف می‌کنند

توان حقیقی بارها بر حسب کیلووات یا مگاوات بیان می گردد. اندازه بار در طی روز متغیر‌بوده و قدرت باید مطابق تقاضای مصرف‌کننده تامین شود

منحنی بار روزانه یک شرکت برق ترکیب تقاضاهایی‌است که گروه‌های مختلف مصرف‌کنندگان نیاز دارند، بیشترین مقدار بار در طی یک دوره ۲۴ ساعته را اوج(Peak) با حداکثر تقاضا(Maximum demand) می نامند. برای تامين اوج بار که فقط در طی چند ساعت رخ می دهد ژنراتورهای کوچکتری راه‌اندازی می‌شوند. برای ارزیابی سود‌مندی نیروگاه، ضریب بار تعریف(Load Factor) می‌گردد. نسبت بار متوسط در طی یک دوره زمانی مشخص به اوج بار را که در همان دوره زمانی رخ می‌دهد ضریب بار می‌گویند. ضرایب بار را می‌توان برای یک روز، یک ماه با یک سال تعیین نمود. از آنجانی که یک سال نشان‌دهنده یک چرخه زمانی کامل‌است ضریب بار سالانه مفید‌ترین شکل ضریب بار‌است.

ضریب بار روزانه

عبارتست از

اگر صورت و مخرج رابطه (۱-۱) را در یک دوره ۲۴ ساعته ضرب کنیم، خواهیم داشت

ضریب بار سالانه برابر‌است با

معمولا تنوعی در اوج بار مربوط به دسته‌های مختلف بارها وجود دارد که ضریب بار کل سیستم را بهبود می‌بخشد. برای اینکه نیروگاهی به طور اقتصادی کار کند باید دارای ضریب بار سیستم زیادی باشد. در حال حاضر صرایب بار سیستم در محدوده ۵۵ تا ۷۰ درصد قرار دارند

شرکت‌های برق از چند ضریب دیگر نیز استفاده‌می‌کنند. ضریب استفاده نسبت حداکثر تقاضا به ظرفیت نصب شده‌است و ضریب نیروگاه نسبت تولید سالانه انرژی به ظرفیت نیروگاه*8760 ساعت‌است این ضرایب نشان‌دهنده چگونگی بهره برداری و بکارگیری ظرفیت سیستم هستند

مرجع:

بررسی سیستم‌های قدرت تالیف هادی سعادت ترجمه احد کاظمی- شهرام جدید- حیدر علی شایانفر (خرید و مطالعه این کتاب بسیار مفید پیشنهاد می‌گردد)