بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه با توجه به نیاز روزافزون به انرژی الکتریکی و بالا بودن هزینههای انتقال و توزیع، بهرهگیری از ژنراتورهای خصوصی - میکروتوربینها - به سرعت روبه افزایش است. مهمترین مزیت میکروتوربینهای استفاده شده به عنوان منبع انرژی پراکنده، تولید برق در محل مصرف - بار - و یا در نزدیکی آن میباشد که باعث کاهش هزینه برق برای مصرفکنندگان میشود. در این مقاله شبیهسازی و کنترل میکروتوربین گازی برای بررسی عملکرد پیرویبار به عنوان منابع انرژی پراکنده - DER - ارائه شده است. زمانی که بار مورد تقاضا تغییر کند، سرعت چرخش توربین نیز بواسطه آن دچار تغییر میشود. برای ثابت نگه داشتن سرعت در 1 pu، سیستم کنترل سرعت با ژنراتور سنکرون میکروتوربین ترکیب شدهاست. شبیهسازی با نرمافزار MATLAB، در حالت جزیرهای و متصل به شبکه برای بررسی رفتار سیستم در هنگام تغذیه بار مورد تقاضا، انجام شده است.
کلمات کلیدی: جزیرهایشدن، میکرو توربین، ژنراتور سنکرون، رکوپراتور، منابع انرژی پراکنده، کنترل سرعت.
.1 مقدمه
عبارت تولید پراکنده - DG - به هر نوع فنآوری تولید توانالکتریکی با ابعاد کوچک که در محل مصرف و یا در نزدیکی آن انرژی لازم تامین میشود، اطلاق می گردد. تولیدات پراکنده - DG - از انرژیهای برگشت پذیر استفاده می کنند و خروجی آنها از نوع AC و یا DC می باشد که در نهایت برای اتصال به شبکه به AC تبدیل می شود. برخی از انواع DG عبارتند از توربینژنراتورهای کوچک، سیستمهای فتوولتائیک، میکروتوربینها، سلولهای سوختی، توربینهای-گازی و توربینهای بادی می باشند.[3] بالا رفتن هزینههای انتقال و توزیع، به مولدهای تولید پراکنده این امکان را می دهد که برق تولیدی خود را به قیمتی ارزانتر در اختیار مصرف کنندگان قرار دهد. علاوه بر این، تولید پراکنده - DG - امکان استفاده از منابع پاک را برای تولید برق می دهد.[1]
مهمترین کاربرد تولید پراکنده - DG - تولید برق ضروری مصرف کنندگان خاص مانند بیمارستان ها، آزمایشگاه ها و حتی هتل ها می باشد.که برای آنها مسائل اقتصادی در مقابل مسائلی چون عدم قطعی برق در درجه دوم قرار دارد. منابع انرژی پراکنده در نزدیکی بار قرار دارند. دلیل آن این است که با قرار دادن این منابع در نزدیکی بار، هزینههای انتقال و توزیع و مشکلات انتقال کاهش می یابد. برخی از محاسن استفاده از تولیدات پراکنده در شبکه عبارتند از: بهبود قابلیت اطمینان سیستم، کاهش تلفات، کاهش هزینههای پیک زدایی شبکه، بهبود کیفیت توان. اما، استفاده از تولیدات پراکنده در شبکه معایبی نیز خواهد داشت.
که عبارتند از: تداخل در سیستمهای حفاظتی، مشکلات کنترل ولتاژ، کاهش کیفیت توان، پدیده جزیرهای شدن تولیدات پراکنده.[2] استفاده از انرژیهای تجدید پذیر و انرژیهای حرارتی تلف شده در کاربردهای ترکیبی برق و حرارت - CHP - در منابع انرژی پراکنده، باعث کاهش تولید گازهای گلخانه ای می شود.[4]میکروتوربینها مولدهای کوچک برق هستند که سوخت گازی یا مایع میسوزانند و یک ژنراتور الکتریکی را با سرعت بالا به چرخش در میآورند. دامنه تولید توان توسط میکروتوربینهای موجود و در حال توسعه ، از 30 تا 500 کیلووات می باشد در حالیکه توان تولیدی توربینهای گازی متداول از 500 کیلووات تا 350 مگاوات می باشد.
میکروتوربینها در سرعتهای بالا عمل میکنند و همانند توربینهای گازی می توانند به تنهای و یا در سیکلهای ترکیب - CHP - در تولید قدرت به کار روند.میکروتوربینها، با سوختهای گوناگونی مانند گاز طبیعی، گاز ترش - دارای گوگرد بالا - و سوختهای مایع همچون بنزین ، نفت و گازوییل کار میکنند. در بسیاری از نمونههای میکروتوربین، یک توربین سرعت بالا 000 r.p.m - ، - 100 و یک ژنراتور سرعت بالا را به راه میاندازد که تولید جریان DC میکند و میتوان آن را با یک اینورتر به جریان AC با فرکانس 50 یا 60 هرتز تبدیل نمود .[3]برخی از کاربردهای میکروتوربین عبارتاند از :[3]
· پیک سایی و تأمین توان بار پایه
·تولید همزمان برق و حرارت
· تولید برق پشتیبانی و اضطراری
· شبکه های کوچک
نسل فعلی میکرو توربین ها دارای مشخصات زیر هستند :[4]
·در مقایسه با سایر منابع توزیع شده ، اندازه نسبتا کوچکی دارند.
·راندمان بالا، راندمان تبدیل سوخت به برق 25 الی 30 درصد میباشد. اگر تلفات جبران شود، راندمان به بیشتر از 80 درصد میرسد.
·برتری زیست محیطی ، انتشار اکسیدهای نیتروژن - NOx - برای ماشینهای گاز طبیعی در محدودهای بهره-برداری عملی ، کمتر از 7 به یک میلیون می باشد.
· طول عمر بالا
· اقتصادی، هزینه های سیستم پایین تر از 500 دلار در هر KW می باشد.
·انعطاف پذیری سوخت، قادر به استفاده از سوخت های جایگزین یا اختیاری از جمله گاز طبیعی، گازوئیل، اتانول، گاز دفن زباله و سایر زیست توده ناشی شده از مایعات و گازها می باشد.
اساسا میکروتوربین در دو مدل تکمحوره و دومحوره وجود دارد. مدل تکمحوره معمولاً با سرعت 000،60 دور در دقیقه و بالاتر کار میکند و دارای کمپرسور و توربین نصب شده بر روی محورش به عنوان ماشین سنکرون الکتریکی، میباشد و توان الکتریکی با فرکانس بالا و متغیر تولید میکند. مدل دومحوره از یک توربین قدرت با سرعت 000 r.p.m،3 و یک ژنراتور متداول متصل شده از طریق یک گیربکس به آن ، تشکیل شده است.[4] [3]مرجع [5] توسعه یک میکروتوربین جریان خطی تک مرحلهای را برای تولید برق بیان میکند. Nichols, D.K و همکارانش در مورد تکنولوژی ، امکاناتش و نتایج تست مناسب میکروتوربین بحث میکندGuda, S .R .[6]
توسعه یک مدل میکروتوربین وعملکردش را با یک ژنراتور سنکرون آهنربای دائم شرح داده استSuter, M .[7] یک فیلتر فعال را برای میکروتوربین ارائه داده است.[8] مرجع [9] کنترل تطبیقی سلول سوختی و میکروتوربین را به خوبی شرح داده است. Gaokar, D.N و همکارانش پیشرفت یک مدل میکروتوربین را برای مطالعه جنبههای مختلف عملیاتیش را شرح می دهدHo, J.C. .[10] و همکارانش عملکرد سیستم میکروتوربین را برای کاربرد تولید همزمان بررسی کردهاند.[11] مرجع [12] یک سیستم کنترل برای تولید پراکنده بر اساس کنترل PI پیشنهاد میدهد و همچنین شبیه سازیهای کنترل را مورد بررسی قرار میهد.[4] مسائل مختلفی به عملکرد و یک پارچگی میکروتوربین در سیستم توزیع ارتباط دارد. مخصوصا، مشخصات پخش بار اهمیت زیادی دارد.[4]
.2 مدل میکروتوربین استفاده شده
طراحی میکروتوربین از بخش های زیر تشکیل شده:[14] [13]
- 1 توربین: دو نوع از توربین وجود دارد ، توربین های تکمحوره با سرعت بالا و توربین های دومحوره که از نوع توربین های گازی کوچک هستند.
- 2 مولد - دستگاه تولید برق متناوب - : در طراحی تکحوره، متناوب ساز به طور مستقیم به توربین متصل است و روتور بصورت دو یا چهار قطب دائم و استاتور بصورت سیم پیچ مسی متداول طراحی شده است. در طراحی دومحوره، ماشینالقائی و یا ماشین سنکرون متداول از طریق گیربکس به توربین قدرت متصل است.
- 3 الکترونیک قدرت: در طراحی تکمحوره، مولد یک سیگنال سه فاز فرکانس بالا در محدوده 1500 تا 4000 هرتز تولید می کند. ولتاژ فرکانس بالا ابتدا یکسو می شود سپس به ولتاژ50 یا60 هرتز تبدیل می شود. در طراحی دومحوره، به اینورتر های قدرت نیاز نمی باشد.
- 4 رکوپراتور - : - Recuperator یک مبدل حرارتی است که حرارت را از گازهای گرم تولیدشده در محفظه انتقال به هوای سرد منتقل میکند. رکوپراتور مقدار سوخت مورد نیاز، برای بالا بردن دمای هوا خروجی - که مورد نیاز توربین است - را کاهش می دهد - 5 کنترل و ارتباطات: سیستم های کنترل و ارتباطات عبارتند از :نظارت و کنترل کامل توربین، اینورتر قدرت و راهاندازی
الکترونیک و ابزار دقیق، مطلوب سازی سیگنال، ثبت داده ها ، تشخیص ها، و کنترل ارتباطات کاربردر این مقاله ، تمایلی به بررسی حالت گذرا سریع سیستم که ممکن است اتفاق بیفتد ،وجود ندارد. بلکه عملکرد کند دینامیکی سیستم را مورد بررسی قرار می دهیم ، مدل میکرو توربین بر اساس مفروضات زیر در نظر گرفته شده است :
- 1 رکوپراتور در این مدل اساسا به منظور بالا بردن بهره وری سیستم گنجانده نشده است.
- 2 کنترل دما و کنترل شتاب هیچ تاثیری بر شرایط عملکرد عادی سیستم ندارد. بنابراین، می توان آنها را از مدل توربین حذف کرد.
- 3 میکرو توربین از هیچ گاورنری استفاده نمی کند، بنابراین، مدل گاورنر در مدل میکرو توربین گنجانده نشده است[13] .[14]
برای تجزیه و تحلیل پخشبار بلوک دیاگرام سادهای برای میکروتوربین پیشنهاد می شود، که در شکل 1 نشان داده شده است.
