بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مهمترین جنبههای نیروگاه بادی، ارزیابی جریان اتصال کوتاه در شرایط خطاهای مختلف است. این بحث، یکی از مباحث چالش برانگیز مهندسان حفاظت و رله است. احاطه بر این مطالب میتواند به تنظیم صحیح رلهها و جلوگیری از گسترش بی برقی هنگام وقوع خطا، کمک شایانی بکند. در این مقاله، به بررسی جریان اتصال کوتاه در ژنراتورهای القایی متصل به توربین بادی میپردازیم. ژنراتورهای القایی رتور قفسی و رتور سیمپیچی مورد بررسی قرار میگیرند. با وقوع انواع خطای اتصال کوتاه اعم از تک فاز به زمین، دو فاز به یکدیگر، دو فاز به زمین و ... در پایانه ژنراتور، نمونه برداری از جریان خطا آغاز می-شود. تمامی شبیهسازیها با استفاده از نرمافزار PSCAD/EMTDC انجام شده است.
-1 مقدمه
در دهههای اخیر، نگرانیهای زیست محیطی به طور چشمگیری افزایش یافت. آلودگی هوا ناشی از سوخت-های فسیلی و پیدایش پدیده گرمایش جهانی، همگان را برای یافتن جایگزینی برای سوختهای فسیلی ترغیب کرد. علاوه بر آن، فناپذیری سوختهای فسیلی باعث شتاب گرفتن موج جایگزینی شد. انرژیهای تجدیدپذیر با سرعت مطلوبی خود را به عنوان مهمترین جایگزین سوختهای فسیلی مطرح کردند. دلایل عمده انتخاب انرژی-های تجدیدپذیر، پاک و رایگان بودن منبع تامین آنها است .[1]
با ورود انرژیهای تجدیدپذیر مباحث جدیدی همچون ریزشبکه و تولید پراکنده در مهندسی برق به وجود آمد. ریزشبکه یک سیستم توزیع کوچک و مستقل است که میتواند خود را کنترل، حفاظت و مدیریت کند. ریزشبکه نه تنها باعث بهره برداری از مزایای استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر در حفاظت از محیط زیست و حفظ منابع انرژی میشود، بلکه عدم قطعیت و نوسانات انرژیهای تجدیدپذیر را با کاهش تاثیر بر سیستم توزیع کنترل میکند .[2]
پیرامون تولید پراکنده و جایگزینی نیروگاههای کوچک نزدیک بار به جای نیروگاههای بزرگ نیز تحقیقات زیادی انجام شده است. در [3]، ورود تولید پراکنده به سیستم توزیع را باعث پیچیده شدن فرآیند حفاظت، کنترل و تعمیرات شبکه میداند. در [4]، تاثیر تولید پراکنده بر ادوات حفاظت بررسی شده و روش جدیدی برای بازگردانی هماهنگی رلهها با الگوریتم ژنتیک پیشنهاد شده است. در برخی مراجع هم تلاش شده است با محدود کردن جریان خطا هماهنگی رلهها و سایر ادوات حفاظتی در حضور تولید پراکنده مجددا حاصل شود .[5]
در میان انواع انرژیهای تجدیدپذیر، باد از جایگاه خاصی در میان منابع تولید پراکنده برخوردار است. در حال حاضر، میزان تولید انرژی الکتریسیته از باد بیش از سایر انرژیهای تجدیدپذیر است. بنابراین، ضروری است نیروگاههای بادی و اجزای آن بهتر شناخته شوند تا بر چالشهای موجود در راه بهرهبرداری از این انرژی غلبه شود .[1] تحقیقات بسیاری بر روی نیروگاههای بادی انجام شده است. در [6]، عوامل جذابیت انرژی بادی بررسی شده است. در این تحقیق بر کاهش هزینههای انرژی بادی جهت تداوم استفاده از آن تاکید شده است. برای کاهش هزینهها، توان خروجی نیروگاه بادی بهینهسازی میشود. یکی از راههای بهینهسازی، عملکرد توربینها در نقطه کاری بهینه است. در مزارع بادی با توربینهای مختلف باید نقطه کاری بهینه هر توربین مشخص شود .[6]
یکی از مهمترین جنبههای نیروگاه بادی، بررسی میزان سطح جریان اتصال کوتاه است. بر خلاف ژنراتورهای سنکرون، محاسبه جریان اتصال کوتاه در ژنراتورهای القایی دشوار است. در ژنراتورهای سنکرون، شار مغناطیس کننده توسط جریان میدان کنترل میشود بنابراین، نیروی محرکهی الکترومغناطیسیِ پدیدآورنده جریان خطا، در هنگام وقوع آن در دسترس است. در ژنراتورهای القایی شار مغناطیس کننده در حین خطا کاهش مییابد و جریان خطا برای مدت طولانی برقرار نخواهد بود .[7-8]
ساختار مقاله به شرح زیر است: در قسمت 2 ساختمان داخلی ژنراتور القایی رتور قفسی و رتور سیم پیچی شرح داده میشود. در قسمت 3 ساختمان داخلی و برخی کنترل کنندههای موجود در نیروگاه بادی ذکر می-شوند. در قسمت 4 وقوع اتصال کوتاه در ژنراتورهای القایی متصل به توربین بادی شبیهسازی میشود. در قسمت 5 نیز نتیجهگیریهای لازم از شبیهسازیها و سایر قسمتهای مقاله گرفته میشود.
-2 ساختمان داخلی ژنراتورهای القایی
2-1 ژنراتور القایی رتور قفسی
زمانی که در ماشینهای القایی سرعت رتور بیش از سرعت سنکرون باشد، ماشین القایی در حالت ژنراتوری قرار میگیرد. به نسبت اختلاف سرعت سنکرون و سرعت کاری بر سرعت سنکرون، لغزش ماشین القایی می-گویند. لغزش در ژنراتورهای القایی عددی منفی است و معمولا مقدار آن بین 0 تا -10 درصد است. گشتاور ژنراتور القایی به صورت خطی با سرعت افزایش مییابد. یک نمودار معمول از قدرت خروجی بر حسب لغزش در شکل 1 ملاحظه میشود. در شکل 1 لغزش نامی ژنراتور القایی برابر -0.5 درصد است. به طور ذاتی، ماشین القایی در هر دو حالت ژنراتوری و موتوری توان راکتیو مصرف میکند. توان راکتیو با افزایش توان خروجی، افزایش مییابد.
ارتباط بین توان حقیقی و لغزش در ژنراتور القایی رتور قفسی
در شکل 2 نیز شمای فنی ژنراتور قفس سنجابی متصل به شبکه در یک نیروگاه بادی ملاحظه میشود. بانک خازنی برای جبران توان راکتیو مصرف شده توسط ژنراتور القایی نصب میشود. در شکل 2، جعبه دنده سرعت میان ژنراتور القایی و توربین بادی را تنظیم میکند و باعث افزایش سرعت محور ژنراتور میشود .[9]
شمای فنی ژنراتور قفس سنجابی متصل به شبکه در یک نیروگاه بادی
2-2 ژنراتور القایی رتور سیمپیچی با مقاومت متغیر رتور
در ژنراتور القایی رتور سیمپیچی، در اکثر اوقات از مقاومتهای متغیر بر روی رتور استفاده میکنند. برای تغییر مقدار مقاومت از کنترل کنندههای متفاوتی با سرعت پاسخ دینامیکی بالا استفاده میشود. با تغییر مقاومت رتور، منحنی گشتاور سرعت در نقطه کاری دلخواه تنظیم میشود. سیمپیچی سه فاز رتور به ادوات الکترونیک قدرت نیز متصل است. در شکل 3، شمای فنی ژنراتور القایی رتور سیمپیچی متصل به شبکه در نیروگاه بادی ملاحظه میشود.
