بخشی از مقاله
چکیده
در اثر بروز خطا در شبکه، ولتاژ پایانه ژنراتورالقایی مزارع بادی افت کرده که این خود میدان مغناطیسی فاصله هوایی را کاهش میدهد و به سرعت ژنراتور را به ناپایداری ولتاژ سوق میدهد، برای جلوگیری از ناپایداری، واحد بادی را سریعا از مدار خارج میکنند. از اینرو یکی از مهم ترین چالشهای بهره برداری از نیروگاههای بادی، خطرپذیری خروج نیروگاه در اثر بروز افت ولتاژ شدید در شبکه میباشد.
در این مقاله ساختار جدید دینامیکی ولتاژ - DVR - برای تداوم اتصال مزارع بادی در شرایط افت ولتاژ در هنگام بروز خطا ارائه شده است. در ساختار ارائهشده از منبع ذخیرهساز انرژی به عنوان تامینکننده انرژی مورد نیاز برای بازیاب دینامیکی ولتاژ استفاده شدهاست.
بازیاب دینامیکی ولتاژ با تزریق ولتاژ معادل افت ولتاژ توسط ترانسهای سری توانایی جبران افت ولتاژ ناشی از خطاها دارد و میتواند فاز و دامنه را جبران نماید. توانایی این جبران کننده - DVR - به حداکثر ولتاژ تزریقی توسط آن و مقدار انرژی که میتوان در مدت زمان کمبود ولتاژ به سیستم دهد بستگی دارد. ساختار ارائه شده برای DVR توانایی جبران سازی هرگونه کمبود یا بیشبود ولتاژ و خطاهای متقارن و نامتقارن را دارد. ساختار ارائهشده با استفاده از نرم افزارMATLAB/SIMULINK شبیه سازی شده و کارایی آن مورد بررسی قرار گرفته است.
-1مقدمه
استفاده از سوختهای فسیلی برای تولید برق اثرات منفی زیست محیطی زیادی را به همراه دارد بنابراین امروزه استفاده از انرژیهای پاک مانند انرژی باد برای تولید برق به شدت در حال افزایش است. این مسئله توسط آمارهای سال 2015 کاملا نشان داده شده است. نمودار انرژی باد تا سال 2015 در شکل 1 نشان داده شده است. در این شکل با توجه به روند رو به رشد انرژی باد از سال 2005 تا سال 2015 میتوان به اهمیت موضوع پیبرد که پایداری در مزارع بادی باید از اهمیت بسیار بالایی برخوردار باشد
شکل :1 روند رشد نیروگاههای بادی در ده سال اخیر
امروزه به دلیل قابلیت اطمینان بالاتر و هزینه تعمیر و نگهداری کمتر و نصب آسانتر از ژنراتورهای القایی در توربین های بادی استفاده میشود
از آنجا که ژنراتور واحد بادی، ژنراتور القایی و فاقد تحریک مستقل است، در اثر بروز اتصال کوتاه در شبکه و ایجاد فروافتادگی ولتاژ، ولتاژ پایانه ژنراتور افت کرده و به سرعت ژنراتور را به ناپایداری ولتاژ سوق میدهد. بنابراین لازم است به منظور جلوگیری از این ناپایداری، واحد بادی سریعاً از مدار خارج شود. از اینرو یکی از مهمترین چالش-های بهره برداری از نیروگاههای بادی، خطرپذیری خروج نیروگاه در اثر بروز افت ولتاژ شدید در شبکه می باشد.
به منظور تداوم اتصال مزارع بادی به شبکه حتی در شرایط خطا و جلوگیری کمبود ولتاژٌ - sag - و مشکلات کیفیت توان در یک شبکه قدرت با توجه به وجود بارهای حساس به نوسانات ولتاژ در سیستمهای توزیع، ارائه راه حلی به منظور جبران تاثیر مخرب اختلالات ذکر شده بر روی مصرف کنندگان سیستم ضروری میباشد. کمبود ولتاژ - sag - طبق استاندارد IEEE-1159-1995 به صورت » کاهش ناگهانی مقدار مؤثر ولتاژ به میزان 01 درصد تا 01 درصد در فرکانس نامی و در مدت زمان بین 1/5سیکل تا 0دقیقه « تعریف می شود.
پدیده کمبود ولتاژ معمولا در اثر راه اندازی موتورهای بزرگ و برقدار کردن بارهای بزرگی که جریان راه اندازی بالایی دارند و جریان هجومی ترانسفورماتورها و همچنین بروز انواع اتصال کوتاه در سیستم توزیع رخ میدهد. با توجه به توسعهی کاربرد توربینهای بادی تدوین استانداردها و نظام نامههای لازم برای مدیریت نحوه اتصال، بهرهبرداری و حفاظت سیستمهای قدرت الکتریکی اهمیت مییابد. در بسیاری از کشورها نظام نامههایی که بر نحوه رفتار توربین بادی متصل به شبکه نظارت میکنند، تدوین شده است، که تمامی آنها، شامل قابلیت عبور از ولتاژ پایینٍ - LVRT - ، کنترل ولتاژ، کنترل فرکانس و الزامات حفاظتی میباشند.
با معرفی نظام نامه در سال 2005 بهرهبرداری از توربینهای بادی ملزم به LVRT برای دستیابی به پایداری سرعت روتور، برطبق نمایه ولتاژ خاصی شدهاند، که نمونهای از آن در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل :1 نمونه ای از الزام LVRT برای توربین های بادی
درصورتی که ولتاژ تحویل داده شده LVRT بر طبق الزام به توربین بادی از طرف شبکه، در محدوده بالایی نمایه ولتاژ باشد، توربین بادی باید بدون قطعی و به صورت پایدار به کار خود ادامه دهد و درصورتی که این نمایه ولتاژ از طرف شبکه رعایت نشود، توربین بادی میتواند خود را از شبکه جدا کند تا دچار ناپایداری نگردد.
LVRT غالب توربینهای سرعت ثابت توانایی برآورد الزام را نداشته و در شرایط اضطراری یا خطا به علت شتاب گرفتن بیش از حد روتور که ناشی از کاهش گشتاور مقاوم الکترومغناطیسی است، دچار ناپایداری میشوند.[5] یکی از بهترین روشهای موجود برای جبران سازی ولتاژ و بهبود قابلیت عبور از ولتاژ پایین، استفاده از بازیاب دینامیکی ولتاژ - DVR - می باشد. DVR یک تجهیز حالت جامد متصل شده بصورت سری است که اولین بار در سال 1996 مورد استفاده قرار گرفته است و جهت تنظیم ولتاژ طرف بار، ولتاژی به سیستم تزریق میکند و معمولا در شبکه توزیع بین منبع و فیدر بار بحرانی نصب می شود. استفاده از DVR در مزارع بادی با تزریق ولتاژ سری میتواند ولتاژ استاتور را ثابت نگه دارد و مانع از جذب توان راکتیو از شبکه و کاهش ولتاژ و افزایش قابلیت اطمینان از دست نرفتن بار شود.
DVR یکی از ادواتی هست که در شبکه برق به صورت اتصال سری مورد استفاده قرار میگیرد. در این سیستم DVR با تزریق ولتاژ سه فاز به هنگام بروز اغتشاش، به ثابت نگهدشتن دامنه ولتاژ، فاز و فرکانس سیستم کمک میکند. اساس عملکرد DVR، تزریق ولتاژ مورد نیاز به نقطهای از سیستم که لازم است تغییرات ولتاژ خاصی داشته باشد، میباشد. DVR دارای دو مد کاری است: مد آماده به کار1 و مد جبران ساز.2 در حالت دوم DVR به محض بروز اغتشاش به تزریق ولتاژ به محل مورد نظر میپردازد
استفاده ازDVR در مزارع بادی مانع از وارد شدن استرس مکانیکی به شفت و گیربکس خواهد شد بنابراین عمر مفید توربین بادی افزایش مییابد. در این صورت قابلیت اطمینان خراب نشدن توربین بادی بیشتر میشود.[9] DVR میتواند کمبود ولتاژ را در سیستم سریعا کاهش دهد و ولتاژ بار را به مقدار پیش از وقوع خطا برگرداند. DVR موثرترین راه برای غلبه بر این مشکل شناخته شده است. مزیت اصلی DVR این است که بار را به شبکه متصل نگه می دارد و با ولتاژ ثابت کیفیت بالا پیوستگی تولید را حفظ میکند. به عبارت دیگر بازیاب دینامیکی ولتاژ - DVR - میتواند بهترین راه حل اقتصادی و فنی در مقابل رفع کمبود ولتاژ باشد.
-2ساختار بازیابی دینامیکی ولتاژ
DVR تجهیزی است که برای محافظت بار و جلوگیری از رسیدن اغتشاشات موجود در طرف منبع به بارهای حساس استفاده میشود و محل نصب آن عمدتا در سر باسی است که بارهای حساس به آن متصل هستند.
