بخشی از مقاله

چکیده

طی سالهاي گذشته مزارع بادي نقش مهمی در تأمین انرژي شبکههاي برق ایفا کردهاند. به منظور حفظ پایداري شبکههاي برق تحلیل عملکرد اجزاي آن همچون مزارع بادي از اهمیت بسیاري برخوردار میباشد. در این مقاله، تشدید زیرسنکرون در یک مزرعه بادي مبتنی بر ژنراتور القایی تک قفسه متصل به خط انتقال با جبرانسازي سري تحلیل شده است. این تحلیل با استفاده از روش اسکن فرکانسی صورت گرفته و نتایج بدست آمده با دیگر روشهاي تحلیل همچون روش تحلیل مقادیر ویژه و شبیهسازي گذراي الکترومغناطیسی مقایسه شده است. شبیهسازي سیستم در نرمافزار PSCAD/EMTDC صورت گرفته است. نتایج این تحلیل حاکی از آن است که مزارع بادي مبتنی بر ژنراتور القایی تک قفسه متصل به خط انتقال جبران شده با خازن سري در محدودهاي از سطوح جبرانسازي حساس به تشدید زیرسنکرون بوده و لذا تحلیل این پدیده بسیار مهم و ضروري است.

واژههاي کلیدي: مزرعه بادي، ژنراتور القایی تک قفسه، تشدید زیرسنکرون، اثر ژنراتور القایی، اسکن فرکانسی.

-1 مقدمه

در سراسر جهان ظرفیت نصب شده نیروگاههاي بادي به سرعت در حال افزایش میباشد. پیشرفت فناوري، بهبود طراحی و کاهش هزینهها یک نقش مؤثر در افزایش سطح نفوذ نیروگاه¬هاي بادي در سیستم قدرت را داشته است. تعداد زیادي از کشورها هدف خود را مبنی بر تولید 20 درصد از انرژي خود توسط منابع انرژي تجدید پذیر تا سال 2020 میلادي قرار داده¬اند که انرژي باد به عنوان عامل اول توسعه مد نظر میباشد. همچنین مزارع بادي نقش مهمی در تأمین انرژي شبکههاي هوشمند ایفا کردهاند. به منظور حفظ پایداري شبکههاي هوشمند تحلیل عملکرد اجزاي آن همچون مزارع بادي از اهمیت بسیاري برخوردار میباشد .[1-2]

حضور مزارع بادي بزرگ در شبکههاي توزیع و انتقال با چندین چالش جدي روبرو میباشد که یکی از این چالشها ارتقاي اساسی تأسیسات شبکه انتقال شامل ساخت خطوط جدید براي عبور توان عظیم نیروگاههاي بادي بزرگ میباشد. یکی از روشهاي مؤثر افزایش توان اکتیو عبوري با خطوط انتقال موجود، جبرانسازي سري میباشد [2-.7] از این رو، به طور محسوسی مورد توجه نیروگاههاي بادي قرار گرفته است. خازن سري، علت ایجاد تشدید زیرسنکرون در سیستم قدرت شناخته شده است .[5-10] همچنین حضور خازنهاي سري در خط، امکان تشدید زیرسنکرون در توربین بادي مبتنی بر ژنراتور القایی را به دنبال دارد .[10-12]

تشدید زیرسنکرون داراي دو جنبهي مهم تحریک خودي مربوط به اثر ژنراتور القایی و تقویت گشتاور میباشد .[13-16] به طور کلی از روشهاي اسکن فرکانسی، تحلیل مقادیر ویژه و شبیهسازي گذراي الکترومغناطیسی براي مطالعه تشدید زیرسنکرون استفاده میشود .[12-25] در [6] از روشهاي تحلیل مقادیر ویژه و شبیهسازي براي مطالعه تشدید زیرسنکرون در مزرعه بادي مبتنی بر ژنراتور القایی تک قفسه استفاده کرده است. همچنین در[7] و [20-25] از روشهاي تحلیل مقادیر ویژه و شبیهسازي براي مطالعه تشدید زیرسنکرون در مزارع بادي استفاده شده است. در [17-19] از روش اسکن فرکانسی براي تحلیل تشدید زیرسنکرون استفاده شده است. با توجه به مقالات ارائه شده نتایج حاکی از آن است که تداخل پیچشی در سطوح جبرانسازي مختلف و ظرفیتهاي مختلف مزرعه بادي اتفاق نمیافتد اما اثر ژنراتور القایی در مزارع بادي در سطوح جبرانسازي بالا مشاهده میشود .[12-25]

در این مقاله از روش اسکن فرکانسی براي مطالعه تشدید زیرسنکرون در مزارع بادي مبتنی بر ژنراتور القایی تک قفسه استفاده شده و نتایج بدست آمده با سایر روشها نظیر تحلیل مقادیر ویژه و شبیهسازي گذراي الکترومغناطیسی مقایسه گردیده است. در این مقاله سطح جبرانسازي سري بحرانی براي ظرفیتهاي مختلف مزرعه باد از روشهاي تحلیل مقادیر ویژه و اسکن فرکانسی مطالعه و مورد مقایسه قرار گرفتهاند. در قسمت 2 مقاله، سیستم مورد مطالعه توصیف شده است. در قسمت 3، جنبههاي مختلف تشدید زیرسنکرون معرفی میگردد. در قسمت 4، روشهاي استفاده شده براي تحلیل تشدید زیرسنکرون شرح داده میشوند. در قسمت 5، نتایج اسکن فرکانسی و مقایسه آن با نتایج سایر روشها ارائه میگردد. در قسمت 6، نتیجهگیري حاصل از مقاله ارائه خواهد شد.

-2 توصیف سیستم

سیستم مورد مطالعه در شکل 1 نشان داده شده است. در سیستم مورد مطالعهیک مزرعه بادي مبتنی بر ژنراتور القایی تک قفسه به یک خط انتقال جبران شده سري متصل شده است. به منظور مدلسازي، سیستم مورد مطالعه به دو زیر سیستم تقسیم میگردد: الف - مزرعه بادي و ب - خط انتقال. خود مزرعه بادي به دو زیر سیستم، سیستم پیچشی مکانیکی و ژنراتور القایی تقسیم میگردد. مدلسازي کامل زیر سیستمها در [6]، [7]، ارائه شده است. اطلاعات قسمتهاي مختلف سیستم نمونه در پیوست آمده است.

-3 تشدید زیرسنکرون

بنا بر تعریف استاندارد IEEE، تشدید زیرسنکرون پدیدهاي دینامیکی است که تحت آن شرایط، شبکه الکتریکی مقدار زیادي انرژي با واحد توربین- ژنراتور در یک یا چند فرکانس پایینتر از فرکانس سنکرون مبادله میکند. این تعریف شامل تمام شرایط سیستم میشود که فرصت تبادل انرژي در فرکانسهاي زیرسنکرون را به وجود میآورد. عمدهترین شرایطی که سبب وقوع تشدید زیرسنکرون میشوند، عبارتاند از اثر خود تحریکی ناشی از اثر ژنراتور القایی، تداخل پیچشی و تقویت گشتاور گذرا. پدیده تشدید زیر سنکرون بطور عمده در سیستمهاي انتقال جبران شده با خازن سري رخ میدهد؛ که عملاً جبرانسازي باعث ایجاد جریانهایی پایینتر از فرکانس سنکرون با فرکانس طبیعی خط - fer - میشود که در رابطهي 1 نشان داده شده است. با توجه به رابطهي 1 از آنجایی که Xc - راکتانس خازن سري - از XN - راکتانس خط - کوچکتر میباشد بنابراین fer - فرکانس طبیعی خط - از f0 - فرکانس نامی سیستم - کوچکتر میباشد. به همین دلیل است که آن را فرکانس زیرسنکرون مینامند. جریان ایجاد شده با فرکانس fr - فرکانس مکمل - در روتور ناشی از همین جریانهاي زیرسنکرون میباشند. fr در رابطهي 2 آورده شده است.

-1-3 اثر ژنراتور القایی

اگر به هر دلیلی یکی از نوسانات پیچشی روتور تحریک شود، شفت توربین-ژنراتور علاوه بر چرخش با سرعت نامی خود یک حرکت پیچشی نیز خواهد داشت. در چنین شرایطی علاوه بر فرکانس نامی ماشین، فرکانس دیگري نیز در جریان ژنراتور وجود خواهد داشت که به دلیل تفاوت با فرکانس نامی، اثر ژنراتور القایی پدید میآید. اثر ژنراتور القایی پدیدهاي کاملاً الکتریکی بوده و در صورتی سیستم ناپایدار میشود که اندازه مقاومت - منفی - ژنراتور، از مقاومت - مثبت - شبکه بیشتر شود.طبق رابطهي 3 با توجه به اینکه fer از fm کوچکتر است پس مقدار لغزش - Sssr - منفی خواهد بود. با منفی بودن مقدار لغزش، مقاومت مشاهده شده از ترمینال ژنراتور براي جریانهاي زیرسنکرون منفی خواهد بود. حال اگر اندازه این مقاومت از مجموع مقاومتهاي شبکه بیشتر باشد، مقاومت مجموع سیستم منفی خواهد شد که باعث رشد جریانات استاتور میگردد. این پدیده را اثر ژنراتور القایی مینامند.

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید