۲-۶- آزادسازی ظرفیت و تصحیح ضریب توان
سیستم برق رسانی ماه تابستان به طور معمول ضریب توان ۸/. را دارا می­باشد. بنابراین اکثر بارهای متصل به شبکه توزیع مطابق شکل (۲-۳) جریان پس فاز نسبت به ولتاژ شبکه دارا می­باشند.

شکل ۲-۳ : نمودار فازوری و مثلث توان بار توزیع نمونه
اگر مولفه­های اکتیو و راکتیو جریان I را در ولتاژ دو سر بار VR ضرب کنیم رابطه حاصل را می­توان روی مثلثی به نام مثلث توان مطابق شکل (۲-۳) نمایش داد. مثلث توان رابطه موجود مابین کیلووات، کیلووار و کیلوولت آمپر را نشان می­دهد. با افزودن خازن می­توان مولفه راکتیو Q توان ظاهری بار S را کم یا حذف کرد.
شکل ۲-۴ : چگونگی افزایش توان ظاهری و توان راکتیو برحسب ضریب توان بار در ضمن ثابت نگهداشتن توان اکتیو
شکل­های (۲-۴) و (۲-۵) افزایش مولفه­های توان راکتیو را به ازای هر ۱۰% تغییر ضریب توان نشان می­دهد. حتی ضریب توان ۸/۰ آنقدر بزرگ است که باعث افزایش ۲۵% توان ظاهری (کیلوولت آمپر) خط خواهد شد. در این ضریب توان ۷۵ کیلووار ظرفیت خازنی برای حذف ۷۵ کیلووار مولفه راکتیو لازم است.
شکل ۲-۵ : نمایش تغییر توانهای اکتیو و راکتیو بر حسب ضریب توان بار در ضمن ثابت نگه داشتن توان ظاهری
چنانچه پیشتر گفتیم توان راکتیو در یک نیروگاه و انتقال آن به بارهایی که در فواصل دور قرار گرفته­اند از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست، اما می­توان به سهولت با نصب خازن در مراکز بار به این هدف دست یافت. شکل (۲-۶) تصحیح ضریب توان یک سیستم معین را نشان می­دهد مطابق این شکل خازنها توان راکتیو پیش فازی را از منبع می­کشند، یعنی توان راکتیو پس فازی را تحویل بار می­ دهند.
شکل ۲-۶ : نمایش تصحیح ضریب توان
فرض می­کنیم یک بار با توان اکتیو P، توان راکتیو Q و توان ظاهری S در ضریب توان پس فاز تغذیه می­ کند. هنگامی که خازن Qc را در مکان مطلوب نصب می­کنیم ضریب توان Cosθ۱ به Cosθ۲ بهبود می­یابد. که در آن طبق رابطه (۲-۱۴) خواهیم داشت:
(۲-۱۴)
بنابراین مطابق شکل (۲-۶) توان ظاهری و توان راکتیو (با تامین توان راکتیو، Qc) بترتیب از S1 به S2 و از Q1 به Q2 کاهش می­یابد. بدیهی است که کاهش جریان راکتیو باعث کاهش کل جریان می­ شود و در نتیجه تلفات توان را پایین می ­آورد لذا تصحیح ضریب توان، با کاهش ظرفیت کیلوولت آمپری و کاهش تلفات در تجهیزات بین نیروگاهها و نقطه اتصال خازن شامل خطوط انتقال و توزیع و ترانسفورماتورهای پست است، باعث صرفه­جویی در هزینه­ های سرمایه ­گذاری و سوخت می­ شود. ضریب اقتصادی توان، ضریب توانی است که در آن منافع اقتصادی حاصل از نصب خازنهای موازی، درست با هزینه نصب و بهره ­برداری خازنها برابر شود. در گذشته، ضریب توان اقتصادی حدود ۹۵% بود اما امروزه هزینه­ های زیاد نیروگاه­ها و سوخت، ضریب توان اقتصادی را به سمت ۱ سوق داده است. ولی هر چه ضریب قدرت به عدد یک نزدیکتر شود تاثیر خازنها در بهبود ضریب توان، کاهش کیلوولت آمپر انتقالی، افزایش ظرفیت­ها و کاهش تلفات مسی خط با کاهش جریان خط به شدت کاهش می­یابد. بنابراین، هزینه نصب خازنهای لازم برای رساندن به عدد ۱ هرچه به یک نزدیک تر شویم، زیادتر است.
۲-۷- کاهش تلفات و تلفات پیک شبکه توزیع
با تامین توان راکتیو در محل مصرف مشترکین، جریان عبوری از خط کاهش یافته لذا تلفات خط کاهش می­یابد. حال با در نظر گرفتن هر کیلووات ساعت تولید انرژی، سود ناشی از کاهش تلفات انرژی در اثر خازن گذاری مشخص می­ شود. کاهش تلفات در زمان پیک شبکه منفعت خوبی به همراه دارد. با کاهش تلفات در پیک نیروگاهها از حدود نامی خود فاصله می­گیرند در نتیجه نیاز به تولید کمتر می­ شود ضمن اینکه با افزایش مشترکین جدید احداث نیروگاههای جدید به تعویق افتاده و در هزینه احداث نیروگاه جدید نیز صرفه جویی می­ شود. انرژی صرفه­جویی شده بر اثر خازن گذاری طبق رابطه (۲-۱۵) تعریف می­ شود:
(۲-۱۵)
که در آن انرژی صرفه­جویی شده سالیانه با نماد ACEΔ، توان راکتیو سه فاز ناشی از بکارگیری خازنها تصحیح ضریب توان Qc3φ (KVAR)، کل مقاومت خط تا مرکز بار (Ω)، بار سه فاز اولیه بدون تصحیح (KVA)، ولتاژ خط VLL بر حسب کیلوولت، بنابراین منافع سالانه ناشی از انرژی صرفه­جویی شده را می­توان طبق رابطه (۲-۱۵) محاسبه کرد. که هزینه انرژی بر حسب (کیلووات ساعت/واحد پول)، منافع سالانه ناشی از انرژی صرفه جویی شده Ec بر حسب (سال/واحد پول).
(۲-۱۵)
۲-۸- بهبود پروفیل ولتاژ
درآمد شرکتهای برق رسانی به علت افزایش ولتاژ ناشی از خازن گذاری در سیستم که موجب افزایش مصرف انرژی می­ شود، بالا می­رود. این امر به ویژه برای مصرف کننده­ های خانگی درست است. افزایش مصرف انرژی به ماهیت وسایل بکارگرفته بستگی دارد. مثلا مصرف انرژی لامپها با مربع ولتاژ افزایش می­یابد. بنابراین منافع حاصل از درآمد ناشی از کیلووات ساعت افزوده مصرف انرژی را می­توان طبق رابطه (۲-۱۶) محاسبه نمود. که درآمد سالانه افزوده ناشی از افزایش کیلووات ساعت مصرف انرژی CBECΔ بر حسب (سال/واحد پول)، افزایش مصرف انرژی BECΔ بر حسب درصد (%). کیلووات ساعت مصرف انرژی اولیه یا مبنا BEC بر حسب (KWh/year)، هزینه انرژی Ec بر حسب (کیلووات ساعت/واحد پول) می­باشد.
(۲-۱۶)
از جمله مزایای دیگر خازن گذاری در شبکه توزیع و فوق توزیع می­توان به آزادسازی ظرفیت فیدرها و تجهیزات وابسته به آن، تعویق یا حذف هزینه­ های سرمایه ­گذاری ناشی از بهبود و یا توسعه سیستم و آزادسازی ظرفیت پست توزیع نام برد. علاوه بر این خازن گذاری سبب آزادسازی ظرفیت تولید و انتقال در شبکه قدرت نیز می­گردد. بنابراین خازنها به کمینه کردن هزینه­ های بهره ­برداری کمک می­ کنند و برق­رسانی به مصرف­ کنندگان جدید را با کمترین سرمایه ­گذاری در سیستم ممکن می­سازد. امروزه شرکت­های برق­رسانی آمریکا به ازای هر KW2 ظرفیت تولید نصب شده KVAR1 خازنهای قدرت نصب کرده ­اند تا از منافع اقتصادی آن بهره­مند شوند.
۲-۹- بهای خازن
انتخاب هزینه­ های بهینه مربوط به خازن گذاری تنها از طریق آنالیز سود/هزینه در سیستم قدرت حاصل می­ شود. معمولا هزینه­هایی همچون هزینه اولیه خرید خازن که به صورت واحد پول بر کیلووار، هزینه پرسنلی نصب خازن و هزینه تعمیر و نگهداری خازن که به صورت یک هزینه ثابت به ازاء هر بانک خازنی است، در محاسبات لحاظ می­گردد. البته با توجه به تکنولوژی­های مختلفی که برای ساخت خازن وجود دارد هر کارخانه مشخصات و هزینه­ های مربوط به خازن تولیدی خود را در اختیار مصرف ­کننده قرار می­دهد.
فصل سوم
خازن گذاری در شبکه توزیع
۳-۱- مقدمه
در این فصل از پروژه ابتدا انواع روش های خازن گذاری در شبکه توزیع دو حوزه تحلیلی شامل برنامه­ ریزی عددی، دینامیکی، اعداد صحیح و همچنین هوشمند شامل روش آبکاری فولاد، جستجوی جدولی، الگوریتم ژنتیک، سیستمهای خبره و عصبی، قوانین فازی به طور اجمالی ارائه می­ شود. سپس به پیشینه تحقیقات انجام شده در حوزه جایابی بهینه خازن و کنترل توان راکتیو در شبکه توزیع با هدف کاهش تلفات و بهبود پروفیل ولتاژ به روش های هوشمند اشاره شده است.
۳-۲- انواع روش های خازن گذاری در شبکه توزیع
خازن گذاری در شبکه توزیع به دو شیوه تحلیلی و ابتکاری انجام می­ شود که در ادامه به انواع روش های بکار گرفته شده در مطالعات اخیر اشاره خواهد شد.
۳-۲-۱- روش های تحلیلی
روش های تحلیلی از ابتدایی­ترین روش های مورد استفاده در خازن گذاری بوده ­اند، به بیان ساده در این روش بعد از تعریف یک تابع هدف خطی، نقطه بهینه تابع هدف با مشتق­گیری محاسبه می­گردد. روش های تحلیلی بیشتر در زمانی مورد استفاده قرار می­گرفت که واحدهای محاسبات و منطق و کامپیوترهای با سرعت بالا دسترس­پذیر نبودند یکی از قوانین ساده و معروف جایابی خازن که از روش های تحلیلی حاصل شده است، قانون ۳/۲ می­باشد. در این روش می­توان فیدری بدون شاخه­ های جانبی و بار یکنواخت را که ولتاژ در تمام نقاط آن یکسان است مطابق شکل (۳-۱) در نظر گرفت و با حداقل کردن تلفات و مکان، مقدار خازن را در زمانیکه هدف استقرار تعداد مشخصی خازن در فیدر باشد مطابق روابط (۳-۱) و (۳-۲) تعیین کرد.
شکل ۳-۱: نصب تعداد مشخص خازن در فیدر با بار یکنواخت
که n تعداد خازن و Xi مکان iامین بانک خازنی است، بدین ترتیب مکان بهینه اولین خازن به فاصله ۳/۲ طول فیدر از ابتدای فیدر و مقدار بهینه خازن ۳/۲ میزان توان راکتیو کل فیدر است. در این روش فرضیاتی همچون یکنواختی بار فیدر و متقارن بودن بار لحاظ گردیده است که در هر شبکه توزیع واقعیت ندارد. همچنین محاسبات فوق تنها با هدف کاهش تلفات در یک سطح بار در نظر گرفته شده که به دور از واقعیت است و بار در پریودهای مختلف متفاوت می­باشد.
(۳-۱)
(۳-۲)
در مقالات [ - ] جایابی خازن با بهره گرفتن از روش های تحلیلی انجام شده است در این مقالات روشی برای تخمین سطح مقطع معادل فیدر درحالتی که فیدر از هادیهای مختلف تشکیل شده باشد، ارائه شده است. علاوه بر این جهت محاسبه تلفات برای کلیه سطوح بار با توجه به ضریب بار فیدر ضریبی برای محاسبه تلفات ارائه گردیده است. در [ - ]با در نظر گرفتن تابع هدف به صورت کاهش تلفات پیک، دو مسئله جایابی خازن و جایابی تنظیم کننده­ های ولتاژ بررسی شده است. در مقالات فوق عموما شبکه متعادل در نظر گرفته شده و عملکرد خازن­های قابل کلیدزنی به صورت اتصال یا عدم اتصال به شبکه می­باشد همچنین تابع هدف تلفات تنها با توجه به جریان راکتیو محاسبه گردیده است.
۳-۲-۱-۱- روش های مبتنی بر برنامه­ ریزی عددی
با پیشرفت فناوری و در دسترس قرار گرفتن منابع محاسباتی قوی، در حل مسائل جایابی خازن روش های تحلیلی جای خود را به روش های عددی عموما روش های مبتنی بر تکرار جهت دستیابی به مقدار حداکثر یا حداقل تابع هدف دادند که با بکارگیری این روشها امکان تعریف توابع مصرف به صورت پیچیده­تر فرآهم شده به طوری که نکات واقعی یک شبکه توزیع لحاظ گردد و شرایط حاکم بر مسئله به طور کامل تری بیان شود. روش های مبتنی بر برنامه­ ریزی عددی را می­توان تحت عناوین برنامه­ ریزی خطی، برنامه­ ریزی اعداد صحیح و برنامه­ ریزی دینامیکی تقسیم ­بندی کرد.
۳-۲-۱-۲- برنامه­ ریزی خطی
برنامه­ ریزی خطی یکی از روش های ریاضی است که جهت بیشینه و کمینه کردن یک تابع هدف، با توجه به محدودیت­ها و شرایط، بکارگرفته می­ شود، تفاوت اصلی برنامه­ ریزی خطی با دیگر روش های ریاضی در این است که اهداف و شرایط مسئله به صورت خطی بیان می­شوند، به بیان ساده ساختار اصلی یک مسئله برنامه­ ریزی خطی با رابطه (۳-۳) و (۳-۴) بیان می­ شود.
(۳-۳)
با هدف اینکه محدودیت های زیر ارضاء شوند:
(۳-۴)
همان­طور که مشخص است کلیه روابط فوق به صورت خطی بیان شده ­اند، روش حل مسئله جایابی و تعیین اندازه ظرفیت مورد نیاز خازنی در [] به صورت برنامه­ ریزی خطی است. در این مقاله با تقریب تلفات در یک شبکه توزیع مسئله به صورت خطی بیان شده و با بهره گرفتن از برنامه ریزی خطی مکان و مقدار بهینه خازن تعیین گردیده است. البته در این مقاله نگاه عمیقی به شرایط و حالتهای ممکن در شبکه توزیع وجود نداشته و تنها بهینه­سازی برای دو شین انجام شده است. باید مد نظر داشت که در نظر گرفتن تغییرات خطی متغیرها از جمله فرضیاتی است که حل مسئله جایابی و اندازه­یابی خازن را به شکل حل مسئله با فرضیات غیر واقعی نشان می­دهد.
۳-۲-۱-۳- برنامه­ ریزی اعداد صحیح
به این روش، بیشتر مسائلی ارجاع داده می­شوند که تمام و یا قسمتی از متغیرها دارای مقادیر صحیح باشند. از آنجایی که تعداد بانک­های خازنی و مکان استقرار خازنها را می­توان به صورت اعداد صحیح بیان کرد. روش برنامه­ ریزی اعداد صحیح جهت حل مسائل خازن گذاری قابل استفاده خواهد بود در [] با ارائه یک پخش بار سریع جایابی و مقداریابی خازن در شبکه توزیع با این روش انجام شده است.
۳-۲-۱-۴- برنامه­ ریزی دینامیکی
یکی دیگر از روش های ریاضی است که در مسائل بهینه­سازی استفاده می­ شود. اصول اولیه این روش بر پایه جداسازی مسئله به تعدادی زیر مسئله است. بعد جداسازی مسئله به زیر مسئله­ها، هر زیر مسئله در حالتهای ممکن بررسی شده و بهینه می­گردد. سپس با توجه به مقادیر بهینه هر زیر مسئله نقطه بهینه برای کل مسئله بدست می ­آید. از مشکلات این روش مدل سازی و تقسیم مسئله به چند زیر مسئله می­باشد. در [] با تقسیم ­بندی تابع هدف به قسمتهای کاهش تلفات انرژی، کاهش پیک و آزادسازی ظرفیت حالتهای بهینه برای هر یک بدست آمده و در نهایت پاسخ بهینه کل تابع هدف مشخص گردیده است.
۳-۲-۲- روش­های ابتکاری
معمولا روش های عددی دارای پیچیدگی زیاد می­باشند و در مواردی نیز اطلاعات کافی در مورد اصل مسئله به روش های عددی وجود ندارد. در این حالات برای رسیدن به یک جواب معقول در مورد مکان و مقدار بهینه خازنها در شبکه توزیع، از روش های ابتکاری استفاده می­ شود. این روشها مبتنی بر قواعد شهودی و تجربی هستند و فضای جستجو کمتری را نسبت به روش های بهینه­سازی دیگر در نظر می­گیرند. در عین حال باید توجه کرد که با بکارگیری این روش معمولا به نقطه بهینه اصلی در مقایسه با روش های عددی نمی­ توان رسید. در [] از روش ابتکاری در حل مسئله خازن گذاری استفاده گردیده است. در این مقاله ابتدا فیدری که دارای بیشترین توان تلفاتی است انتخاب شده و سپس از بین گره­هایی که بار آنها از فیدر انتخاب شده می­گذرد، گره­ای که بار آن بیشترین تاثیر را در تلفات فیدر دارد به عنوان نقطه کاندید خازن گذاری معرفی می­ شود. اکثر روش های جایابی خازن مبتنی بر روش های تجربی دارای الگوریتم توضیح داده شده هستند. در [] با ارائه الگوریتم ابتکاری، مسئله جایابی خازن در شرایطی که بار تغییر می­ کند بررسی شده است. بدین صورت که ابتدا مصرف کلاسهای مختلف بار برای اوقات مختلف مانند فصول مختلف، روزهای کاری هفته و روزهای تعطیل دسته­بندی شده و با توجه به نمونه­برداری­هایی که از بار منطقه تحت مطالعه انجام شده برای هر یک از موقعیت­های زمانی یک ضریب تعریف شده است که توسط این ضریب میزان وزن کاهش انرژی در دوره­ های مختلف سال مشخص می­گردد. در تحقیق [] ابتدا گره­های حساس شبکه، با همان روش تجربی بدست آمده و سپس مقدار بهینه خازنها با هدف حداقل کردن تلفات به صورت تحلیلی محاسبه شده ­اند. در [] نیز از روش ابتکاری برای تعیین مکان خازن و مقدار آن استفاده شده است. منتهی بیشتر بحث این مقاله در مورد ارائه یک دستگاه اندازه ­گیری توان و ارائه روشی برای تخمین توان مشترکین است.
۳-۲-۲-۱- روش آبکاری فولاد