بخشی از مقاله
چکیده:
سلولهای خورشیدی یکی از منابع مورد استفاده در تولید پراکنده میباشند و اینورترها، توان خروجی از این منابع را به شبکههای استاندارد 50HZ یا 60HZ تبدیل میکنند. برخی از اینورترها به گونهای طراحی و ساخته میشوند که باید از زمین ایزوله باشند، لذا از آنجایی که در نیروگاههای خورشیدی فتوولتائیک، بیشتر اینورترهای مورد استفاده، از نوع سه فاز زمین نشده میباشند، امکان تشخیص خطای تکفاز به زمین به دلیل عدم وجود مسیری برای برگشت جریان خطای ایجاد شده، وجود ندارد. در این حالت به منظور حفاظت در برابر خطای تک فاز به زمین در نیروگاههای خورشیدی فتوولتائیک مبتنی بر اینورترهای بدون زمین در حالت متصل به شبکه توزیع، استفاده از ترانسفورماتور زمین ضروری میباشد.
از ترانسفورماتور زمین، به منظور حفاظت الکتریکی موثر شبکههای قدرت، ایجاد نقطه نوترال مصنوعی، ثابت نگه داشتن ولتاژ نقطه نوترال و محدود کردن جریان اتصال کوتاه تک فاز، استفاده میشود. در خصوص نحوه عملکرد حفاظت و شبیهسازی ترانسفورماتور زمین در ریزشبکه-ها اطلاعات کمتری وجود دارد و استفاده از آن برای تشخیص خطاهای تکفاز به زمین، به درستی صورت نمیپذیرد. لذا هدف؛ شناخت صحیح از عملکرد و سایز کردن درست ترانسفورماتور زمین و ارائه یک نمونه شبیهسازی سیستم قدرت با نرم افزار PSCAD در ریزشبکهها در زمان وقوع خطای تکفاز به زمین میباشد.
واژههای کلیدی: سلول خورشیدی، ریزشبکه، اینورتر سه فاز، شبکه قدرت، خطای تک فاز، زمین موثر، ترانسفورماتور زمین
1 مقدمه
تولید پراکنده، منابع تولید انرژی الکتریکی در سطح توزیع می باشند و ظرفیت توان تولیدی کمتر از 50MW دارند. اتصال آنها به شبکه های توزیع در ولتاژهای230/450V تا 145KV صورت می پذیرد. ریزشبکه ها، شبکه هایی با مقیاس کوچک در سطح ولتاژ توزیع فشار ضعیف و متوسط می باشند که علاوه بر حفاظت های رایج درآنها، بایستی حفاظت موثر در برابر خطای تک فاز به زمین که سهم عمده خطاها در شبکه را دارد، مدنظر قرار گیرد. در شبکه ها و سیستمهای سه فاز زمین نشده، خطای تک فاز به زمین، قابل تشخیص نمی باشد و عدم آشکار سازی و حفاظت از این نوع خطا با توجه به وقوع اضافه ولتاژ در فازهای سالم، می تواند باعث آسیب در تجهیزهای شبکه های قدرت گردد.
زمین مناسب و حفاظت در برابر اضافه ولتاژ، برای حفاظت تجهیزات نیروگاه های خورشیدی، ارزشمند است. وقتی نیروگاه های خورشیدی فتوولتائیک به فیدر شبکه توزیع متصلمی شود؛ در طرح نیروگاه باید استاندارد IEEE1547 و موارد ذکر شده در آن مد نظر قرار گیرد. استفاده از اینورترهایی که زمین دارند؛ ضروری می باشد. اینورترهای متصل به شبکه قدرت، باید مجهز به سیستم حفاظت خطای زمین به منظور اطمینان از سازگاری با طرح زمین موثر، باشند که در این حالت عمل حفاظت در برابر خطای تک فاز، توسط خود اینورتر صورت می گیرد. وجود نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه و وقوع خطای تک فاز در خروجی اینورترهایی که زمین ندارند، یکی از معضلاتی است که پیش روی طراحان سیستم قدرت قرار دارد.
بیشتر اینورترهای مورد استفاده در نیروگاههای خورشیدی فتوولتائیک از نوع سه فاز زمین نشده می باشند و چون اینورترها معمولا یک مدار باز توالی صفر دارند، امکان تشخیص خطای تک فاز به زمین امکان پذیر نمی باشد، لذا استفاده از ترانسفورماتور زمین به منظور ایجاد یک منبع برای جریان توالی صفر در شبکه توزیع، که سلول های خورشیدی نیروگاه های خورشیدی فتوولتائیک به آن متصل هستند؛ ضروری می باشد. در این مقاله شبیه سازی ترانسفورماتور زمین در یک ریزشبکه که شامل شبکه توزیع متصل به سلول های خورشیدی می باشد، توسط نرم افزارPSCAD همراه با ارائه خروجی ها و آنالیز خطا انجام شده و نکته های لازم استخراج گردیده است.
.2 زمین در ریزشبکه ها
شبکه های ولتاژ متوسطMV به طور معمول از نوع زمین شده موثر می باشند؛ که در آن از ترانسفورماتورهای MV/LV با اتصال ستاره زمین شده در سمت MV و مثلث در سمتLV استفاده می شود. در این شبکه ها نسبت راکتانس مولفه صفر به راکتانس مولفه مثبت کمتر از سه می باشد - . - X1X0 ≤ 3 در ترانسفورماتورهای با اتصال ستاره- ستاره به دلیل عدم وجود منبع جریان، مسیری برای عبور جریان مولفه صفر وجود ندارد. در این نوع از اتصال، شرایط زمین بر اساس نوع اتصال در سمت منبع تولید پراکنده تعیین می شود. ترانسفورماتورهای با اتصال مثلث-مثلث و یا مثلث- ستاره هرگز قادر به ایجاد منبع زمین در ریزشبکه نمی باشند.
در این نوع اتصال ها می بایست از یک ترانسفورماتور زمین جهت محدود کردن اضافه ولتاژها استفاده نمود و یا برقگیرهایی با ظرفیت%80 نامی را، جایگزین برقگیرهایی با ظرفیت کامل نمود. در ترانسفورماتورهای با اتصال ستاره- ستاره، بسته به نوع زمین شدن ریزشبکه، جریان خطای فاز به زمین می تواند بین 15 تا 20 برابر جریان بار کامل ترانسفورماتور باشد. برای ترانسفورماتورهای با اتصال ستاره- مثلث این جریان خطا بسیار کمتر خواهد بود، چرا که توسط مقاومت نوترال منابع، میزان این جریان محدود می شود. چنانچه نوترال منابع ریزشبکه در سطحLV به طور موثر زمین شوند، جریان خطا در ترانسفورماتور با اتصال ستاره- مثلث توسط امپدانس خود منبع محدود می گردد.
اندازه جریان خطا در ترانسفورماتورهای مثلث- مثلث و ستاره - مثلث - اتصال مثلث در سمت منبع - یکسان نبوده و همچنین اندازه جریان خطا برای ترانسفورماتورهای ستاره- مثلث - ستاره در سمت منبع - و ستاره- ستاره نیز با یکدیگر برابر می باشند. انتخاب سیستم اتصال به زمین در هر ریزشبکه، می بایست با نوع اتصال ترانسفورماتور توزیع آن متناسب باشد. چنانچه از ترانسفورماتورهای ستاره زمین شده- مثلث استفاده شود، زمین موثر ریزشبکه، حتی پس از جزیره ای شدن باقی خواهد ماند. اما چنانچه از ترانسفورماتورهای با اتصال ستاره زمین شده - ستاره زمین شده استفاده گردد، سیستم اتصال به زمین در آن، تحت تاثیر سیستم اتصال به زمین منابع ریزشبکه - با فرض اینکه منابع، فاقد واسطه های الکترونیک قدرت باشد - خواهد بود.[1]
.3 اینورتر نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک
ظرفیت سیستم های فتوولتاییک متصل به شبکه توزیعمعمولاً در مقایسه با نیروگاه های بزرگ سنتی، بسیار کمتر است و تأثیری بر روی ولتاژ شبکه ندارد، لذا این نوع سیستم ها در حالت منبع جریانی مورد بهره برداری قرار می گیرند و وظیفه تنظیم ولتاژ را ندارند.با افزایش نیروگاه های برق خورشیدی فتوولتائیک در شبکه های برق، به این نوع نیروگاه ها، همانند دیگر نیروگاه های تولید برق نگاه می شود. تاثیر این نوع نیروگاه ها بر روی شبکه های توزیع، متفاوت تر از سایر روش های تولید برق است. ژنراتورهای تولید برق رایج، به صورت منبع ولتاژ در نظر گرفته می شوند؛ که ولتاژ AC ثابت در آن ها توسط سیستم تحریک کنترل می شود.
در مقابل نیروگاه های خورشیدی فتوولتائیک مبتنی بر اینورتر متصل به شبکه، به صورت یک منبع جریان مدل می شود و ولتاژ ترمینال آن وابسته به فیدر شبکه است.[2] اینورترها، توان خروجی از منابع را به شبکه های استاندارد 50HZ یا 60HZ تبدیل می کنند. بسیاری از ژنراتورهای کوچک، با شبکه از طریق اینورتر ارتباط برقرار می کنند. اکثر آرایش های اینورترهای سه فاز، مطابق شکل - 1 - زمین نشده می باشند. اغلب آرایش های اینورترهای زمین نشده، از طریق یک ترانسفورماتور زمین با شبکه ارتباط دارند. برخی آرایش اینورترها، همانند شکل - 2 - زمین شده اند. برخی اینورترها باید از زمین ایزوله باشند و به گونه ای طراحی نشده اند تا با یک سیم پیچی ستاره زمین شده در سمت مبدل ترانسفورماتور عمل نمایند.[3]
بیشتر اینورترهای مورد استفاده در نیروگاه های خورشیدی فتوولتائیک؛ زمین ندارند و حفاظت در برابر خطای تک فاز به زمین که سهم عمده خطاها در شبکه را دارد؛ بایستی مدنظر قرار گیرد. در این موارد برای تشخیص خطاهای تک فاز به زمین، بایستی از ترانسفورماتور زمین استفاده کرد. با توجه به نگرانی های مربوط به اضافه ولتاژ در اثر خطای تک فاز به زمین به علت افزایش تعداد نیروگاه های خورشیدی فتوولتائیک متصل به شبکه توزیع در آمریکای شمالی، نیاز است که این نوع نیروگاه ها قبل از وصل به شبکه، اجازه اتصال را از مراجع ذیصلاح دریافت کنند.[5]
.4 ترانسفورماتور زمین
به این نوع ترانسفورماتور، ترانسفورماتور نول ساز و یا جبران ساز نول نیز اطلاق می شود. از ترانسفورماتور زمین در پست های فشار قوی، به منظور حفاظت الکتریکی موثر سیستم های قدرت، ثابت نگه داشتن ولتاژ نقطه صفر مصنوعی و محدود کردن جریان اتصال کوتاه تک فاز و ایجاد نقطه نوترال مصنوعی در سمت ثانویه ترانسفورماتورهای قدرت که به صورت مثلث می باشد، استفاده می شود.[6] آرایش اکثر ترانسفورماتورهای قدرت فوق توزیع که در پست های63/20KV مورد استفاده قرار می گیرند؛ YNd11 می باشد که اولیه آن ها به صورت ستاره زمین شده و ثانویه آن ها به صورت مثلث می باشد.
جریان خطای تک فاز، صرفا در شبکه ای که دارای اتصال ستاره زمین شده باشد وجود دارد. یک راه حل مناسب برای جلوگیری از تغییر ساختار در ترانسفورماتورهای مثلث- مثلث و ستاره- مثلث استفاده از ترانسفورماتور زمین می باشد. نصب یک ترانسفورماتور زمین موجب انتخاب یک مقدار X0 بهینه مستقل از امپدانس ترانسفورماتور اصلی می گردد.[1] ترانسفورماتور زمین یک منبع برای جریان توالی صفر فراهم می کند و نبایستی در طول عملکرد خط قطع شود. اگر ترانسفورماتور زمین از مدار خارج باشد و یا قطع شود، خطاهای فاز به زمین باعث افزایش ولتاژ فاز به نوترال در فازهای سالم خواهد شد و عدم تعادل بار - بارهای نامتعادل - نیز ممکن است باعث جابحایی نوترال و اضافه ولتاژ گردد.[3]
در حالت کارکرد عادی و متقارن سیستم، در صورتی که ترانسفورماتور زمین دارای کاربرد مصرف داخلی نباشد؛ به دلیل بالا بودن امپدانس ترانسفورماتور زمین، جریانی از ترانسفورماتور زمین عبور نمی کند[4] و فقط جریان ناچیزی در حد جریان مغناطیس کنندگی از آن عبور می کند.[7] با حضور ترانسفورماتور زمین و با وقوع خطای تک فاز به زمین در سیستم های سه فاز سه سیمه، جریان در نوترال ترانسفورماتور زمین آشکار شده و ترانسفورماتور جریان در نوترال،آن را تشخیص و در نهایت رله مربوطه فرمان قطع به بریکر مربوط به قسمت خطای ایجاد شده را ارسال و قسمت آسیب دیده از سیستم و شبکه جدا می گردد. ترانسفورماتور زمین از آن جا که برای ایجاد منبع زمین بکار می رود؛ باید همزمان با منبع سه فاز شبکه وارد مدار شود[4]و .[3] پس طرح حفاظت در برابر خطای تک فاز به زمین و قطع سریع منطقی سیستم خطا دیده، توسط ترانسفورماتور زمین انجام می شود.[7]
