بخشی از مقاله
چکیده:
تأمین برق مورد نیاز واحدهای صنعتی، تجاری و مسکونی مستلزم هماهنگی دقیق میان زیرساختهای تولید، انتقال و توزیع است چرا که هرگونه اختلال در هریک از این بخشها میتواند منجر به بروز مشکلات خدمات رسانی شود. نوسان تولید پدیدهای نسبتاً حل شده در نیروگاههای سنتی نظیر حرارتی، آبی و هستهای است اما این موضوع در نیروگاههای مشمول انرژیهای تجدیدپذیر نظیر بادی همچنان لاینحل است. در کشورهای پیشرو در انرژی بادی، قوانین بسیار سختگیرانهای برای تولید کنندگان وضع شده است تا نسبت به بهبود تجهیزات کنترلی خود و کاهش بازه نوسان تولید مبادرت بورزند.
هدف اصلی همه این تلاشها و قوانین، نزدیک کردن هر چه بیشتر نیروگاههای بادی به قوانین حاکم بر نیروگاههای سنتی حرارتی و هستهای است. در این پژوهش سعی شده است با استفاده از قوانین موجود در کشورهای پیشرو جهان در انرژی بادی، نسبت به شبیهسازی یک مدل کنترلی در نحوه اتصال پایدار، توان خروجی یک مزرعه بادی به شبکه سراسری و وضعیت توانهای اکتیو و راکتیو آن مورد بررسی قرار گیرد. مبنای کار بر شبیه سازی یک مزرعه بادی مقیاس کوچک، خطوط انتقال قدرت و یک کنترلر با استفاده از نرم افزار دیگسایلنت گذاشته شده است.
-1مقدمه
رشد روزافزون نیاز به توان الکتریکی که پیشنیاز و بستر پیشرفت و رشد شاخصهای اقتصادی است موجب شده است تا دولتها در جایجای جهان تمامی عزم خود را به ایجاد منابع نیروگاهی جدید، متعدد و متنوع جزم کنند . بر همگان آشکار است که رشد صنعت و ایجاد کارخانجات تولیدی، ساخت آسمان خراشهای مسکونی و تجاری، توسعه حمل و نقل درون شهری و بین شهری، بهبود شبکههای ارتباطی و مخابراتی و... همه و همه در گروی وجود خطوط انتقال نیرو و تأمین توان مورد نیاز مصرف کنندههای خرد و کلان میباشد.
از این رو حجم عظیمی از سرمایه گذاریها بر روی پژوهش، بررسی، برنامهریزی و نیل به یافتن راهکارهای عملی، سریع و کابردی برای برخورد با این موج از نیاز به انرژی شده است. اما این موضوع موجب تهدید هر چه بیشتر زمین و محیط زیست آن شده است چرا که منابع فسیلی همچون نفت، گاز و ذغال سنگ همچنان بر جایگاه اول تأمین کننده انرژی مورد نیاز نیروگاههای جهان تکیه زدهاند.
از سوی دیگر، افزایش قیمت جهانی سوخت ناشی از تحولات سیاسی، کاهش ضریب امنیت انرژی ذخایر نفت و گاز، لزوم حفظ منابع تجدید ناپذیر برای نسلهای آینده و همچنین امکان استفاده بهینه از نفت و گاز در صنایع با ارزش افزوده بالا نظیر پالایشگاه و پتروشیمی موجب شده است
متخصصان عرصه نیروگاهی جهان در کنار یافتن و توسعه منابع نیروی الکتریکی جدید مانند منابع تجدیدپذیر خورشیدی، بادی، زمین گرمایی، زیست توده، پیل سوختی، امواج دریا و...، بهبود بازده نیروگاههای قدیمی و اصلاح شبکههای محلی، منطقهای و ملی انتقال نیرو و بالاخره اصلاح الگوی مصرف را پیشنهاد میکنند. طی دو دهه گذشته نیروی الکتریکی بادی با توجه به آمار افزایش نرخ بهرهبرداری از باد و افزایش ابعادی توربینها و پرههای آنها به سرعت در حال تغییر و تکامل بوده است
طی چند سال اخیر، سازندگان توربینهای بادی جدا از تمرکز بر روی افزایش ابعادی و قابلیت بهرهبرداری توان بادی، نظر خود را به زمینههایی نظیر بهبود ضریب اطمینان تولید نیرو، انطباق با الزامات شبکه و افزایش انطباق توربینها با محیطهای مختلف آب و هوایی ساحلی و فراساحلی کردهاند. بر اساس آمار جهانی انرژی، هر ساله به حجم برق تولیدی از منابع تجدیدپذیر و به طور خاص خورشیدی و بادی افزوده میشود، به گونهای که درصد مشارکت بخش بادی در تأمین توان مورد نیاز جهانی در سال 2010 میلادی به عدد 5/2 درصد از کل توان تولیدی رسیده و به نرخ افزایشی سالانه 25 درصدی همچنان در حال رشد است.
تعدادی از انواع توربینهای بادی توانستهاند از آزمونهای ضریب اطمینان، سربلند بیرون بیایند و لذا مورد توجه قرار خواهند گرفت. در حال حاضر توربینهای بادی دور ثابت و نیمه متغیر کمتر با اقبال تجاری مواجهاند در حالیکه توربینهای بادی با سرعت متغیر علی رغم گرانی، پاسخگویی به مراتب بهتری به نیازهای شبکه از نقطه نظر پایداری بیشتر، فشار مکانیکی کمتر بر قطعات و سازه و در نهایت بازده بیشتر دارند. از دیدگاه برنامه ریزی و طراحی یک مزرعه بادی، راهکارهای متنوعی برای حل مشکل انتخاب نوع توربین بادی وجود دارد. اساس این راهکارها بر این اصل استوار است که مزرعه شامل توربینهای بادی با ژنراتور قفس سنجابی منجر به کارکرد فقط در حالت سرعت ثابت و با ژنراتور القایی دوگانه منجر به کارکرد با قابلیت سرعت متغیر میشود.
امروزه تمایل رو به رشدی برای تأسیس مزارع بادی با مقیاس چند صد مگاواتی وجود دارد در حالیکه خروجی این مزارع به خطوط انتقال ولتاژ بالا و بسیار بالا تزریق میشود. تزریق هرچه بیشتر توان تولیدی به شبکه برق یکی از اهداف اصلی تولیدکنندگان نیروگاههای بادی است. میزان پایداری شبکه به میزان زیادی وابسته به چگونگی عملکرد این مزارع بادی متصل به خطوط انتقال است. کنترل توان اکتیو و راکتیو، قابلیت غلبه بر نقصان ظرفیت ذخیرهسازی و حفظ ولتاژ در طی زمان بروز انواع خطاها و مواردی از این دست از جمله پیش نیازهایی هستند که امروزه مزارع بادی میبایست برای اتصال ورود به شبکه انتقال رعایت کنند . هدف این مقاله بررسی پیش نیازهای همین اتصال و همچنین بررسی مفهوم شبیهسازی پویا و تحلیل سیستمهای نوین تولید برق بادی است
در این مقاله، در بخش اول مقدمهای از مزرعه بادی بیان گردید. در بخش دوم مدل توربین بادی مطرح میگردد. در بخش سوم طراحی و ساختار کنترلی آن مورد بررسی قرار می گیرد. در بخش چهارم به عملکرد مزرعه بادی پرداخته شده است و در بخش پنجم نتیجهگیری مباحث مطرح شده مورد بررسی قرار می گیرد.
-2مدل شبکه قدرت مزرعه بادی و اجزای آن
تحلیل و بررسی یک مدل قدرت عظیم، به طور جدی وابسته به ارایه یک مدل دقیق شامل تجهیزات موجود در آن است. بنابراین این بخش به توصیف مدلهای مور نیاز جهت بررسی و تحلیل پایداری یک شبکه عظیم متصل به سیستم انتقال قدرت شبکه اصلی میپردازد. این سیستم که در شکل - 1 - نشان داده شده است متشکل از اجزای برقی و مکانیکی است که میبایست مدلسازی گردند: ژنراتورهای توربین بادی، کنترلر الکترونیکی سیستم انتقال قدرت ،خطوط انتقال قدرت ولتاژ بالای جریان مستقیم، ترانسفورماتورها، کنترلرهای جریان ، فیلترهای جریان متناوب و سایر تجهیزات برقی و مکانیکی. حضور تجهیزات مکانیکی در مدل مورد نظر به دلیل تأثیر مستقیم آنها بر عملکرد مزرعه بادی و خروجی آن ضروری است. هر مزرعه بادی متشکل از دهها صدها و یا حتی هزاران توربین مکانیکی بادی است که برای دستیابی به یک تحلیل صحیح نیاز به تلاشی عظیم برای مدلسازی همه آنهاست.
در عمل و به دلیل محدودیتهای زمانی و تکنیکی امکان انجام این کار وجود ندارد و لذا نیاز به انجام پارهای سادهسازی هاست؛ بدین منظور دو راهکار پیش روی ماست:
1. استفاده از مدل تجمیعی که در آن توربین باد به همراه کلیه متعلقات الکتریکی جهت اتصال به نقطهای مشترک در شبکه مزرعه بادی، ترانس مشترک، خازن و... به صورت یک واحد مدلسازی میشوند.
2. استفاده از مدلی غیرتجمیعی که در آن کلیه اجزای توربین بادی نه در مقیاس واقعی بلکه در مقیاس کاهش یافته مدلسازی میشوند. مطابق بررسیهای صورت گفته پیشین مشخص گردیده است که مدل دوم برای یک ارزیابی کلی از پایداری شبکه منطقیتر است.
شکل :1 طرح سیستم قدرت مزرعه بادی مورد نظر [5]
-1-2مدل توربین باد
بلوک دیاگرام یک توربین بادی و تبادل سیگنال میان اجزای آن در شکل - - 2 نمایش داده شده است. برای مدل توربین از مدل تهیه و استفاده شده در مرجع [7] که آن نیز برآمده از مراجع [5] و [8] است بهره گرفته شده است. ترجیح پژوهش حاضر بر استفاده از مدل سرعت متغیر و گام متغیر برای توربین باد مورد نظر است.
ضمن استفاده از اطلاعات هواشناسی - نظیر پروفیل سرعت و جهت باد - فرضی، مدل مولد سریهای زمانی سرعت وابسته به مدل توربین انتخابی است . این مدل توربین متأثر از مشخصههایی نظیر شعاع پره، موقعیت روتور و بالاخره عوامل محیطی نظیر: شدت آشفتگی جریان باد، پستی و بلندی زمین اطراف مزرعه بادی و ... است. اهمیت بلوک دیاگرام فوق در مدلسازی واقعی از نوسانات توان تولیدی ناشی از تغییرات در سرعت باد است. در این رابطه اثر کاهنده توربین باد بر توان تولیدی نیز مورد بررسی قرار خواهند گرفت
شکل :2 بلوک دیاگرام سیستم یک توربین بادی [7]
مدل آیرودینامیکی، انرژی باد را به یک گشتاور مکانیکی با سرعت پایین در روتور تبدیل میکند که نهایتاً به پیشرانه مکانیکی منتقل میشود.
