بخشی از مقاله
چکیده:
کمبود توان راکتیو در شبکه های قدرت سبب ایجاد افت ولتاژ و نوسانات ولتاژ می شود و در نهایت پایداری نیروگاه بادی دچار اختلال خواهد شد. توانایی نیروگاه بادی جهت باقی ماندن در شبکه در هنگام بروز خطا برای اجتناب کردن از اتصال مجدد و جهت جلوگیری از اختلالات پی در پی که موجب فقدان تولید میشود، ما را برآن داشته است به منظور جبران افت ولتاژ و بهبود پایداری از جبران کنندههای توان راکتیو استفاده کنیم.
در این مقاله تأثیر خطا برپروفیل ولتاژ نیروگاه بادی سرعت ثابت متصل به شبکه را در محل خطاهای مختلف در فواصل دور و نزدیک به شبکه مورد مطالعه قرار گرفته است. حالات در نظر گرفته شده به کمک نرم افزار متلب بر روییک نیروگاه بادی 9 مگاواتی که به یک شبکه 120 کیلووات متصل است شبیه سازی شده است. نتایج شبیه سازی تاثیر محل خطا را بر روی توان اکتیو، راکتیو و ولتاژ باس نیروگاه بادی نشان می دهد.
-1 مقدمه
صنعت تولید توان از طریق نیروگاه بادی که به شبکه برق متصل میشود به سرعت در حال توسعه است و در سالهایاخیر رشد قابل توجهی داشته است. در این مقاله، ابتدا سیستمهای تولید انرژی الکتریکی از طریق باد به کمک توربینهای بادی سرعت ثابت از نوع ژنراتورهای القایی قفس سنجابی مورد بررسی قرار داده میشود، سپس عملکرد آن را در طی حالتهای خطای متقارن و نامتقارن در نقاط نزدیک و دور از شبکه شبیه سازی کرده و جهت بهبود پایداری از جبران کننده سنکرون استاتیکی استفاده میکند.
توربینهای بادی سرعت ثابت از ژنراتورهای قفس سنجابی که مستقیماً به شبکه جهت تولید انرژی الکتریکی متصل هستند استفاده میکنند. این ژنراتورهای القایی، توان راکتیو زیادی را به مانند یک خطا به شبکه تزریق میکنند در نتیجه در این حالت ولتاژ ترمینال و قدرت خروجی کاهش قابل ملاحظهای خواهند داشت. از آن جایی که گشتاور مکانیکی هنوز پابرجاست سرعت ولتاژ وتور افزایش پیدا میکند
بعد از برطرف شدن خطا جهت بهبود ولتاژ، ژنراتور نیاز به توان راکتیو پیدا میکند. اگر مقدار این توان راکتیو به وسیله شبکه تهیه گردد که به مانند یک افت ولتاژمیباشد، به طوری که ولتاژ ترمینال نمیتواند مجدداً بازیابی شود. اگر ولتاژ را بتوان احیا کرد و سرعت ژنراتور خیلی زیاد نباشد، گشتاور میتواند بازیابی شود و توربین بادی در حالت نرمال و عادی خود کار کند. در غیر این صورت ژنراتور به شتاب گیری خود ادامه داده و مصرف توان راکتیو و سرعت روتور افزایش پیدا میکند به طوری که ولتاژ ترمینال بیشتر کاهش پیدا میکند. بنابراین باید توسط یک وسیله حفاظتی حساس با سرعت بالا ژنراتور تریپ گردد
برای موقعی که بارهای بزرگی توسط این ژنراتورها تغذیهمیگردند و به شبکه متصل میباشند، پایداری بسیار پراهمیت و مورد توجه خواهد بود .[3] هنگامی که یک خطا در شبکه اتفاق میافتد سیستم کنترل زاویه تیغهها جهت بهبود پایداری به سیستم مکانیکی دستور میدهد تا نیروی مکانیکی ورودی به توربین را کاهش دهد. برای ژنراتورهای القایی روتور سرعت ثابت امکان کنترل توان مکانیکی ورودی وجود ندارد، بنابراین راه مناسب استفاده از STATCOM و SVC جهت پایداری ولتاژ است. افت ولتاژ سبب لغزش بیشتر موتور، مصرف بیشتر توان راکتیو و کاهش بیشتر ولتاژ میگردد، و در این حالت ممکن است سبب قطع ژنراتور از شبکه گردد.
کاهش ولتاژ میتواند نشأت گرفته از حالات مختلف خطاها باشد، به طوری که توربینهای بادی به منبع کنترل پذیر از توان راکتیو جهت تأمین توان راکتیو مورد نیاز این ژنراتورها مجهز میگردد تا روند ترمیم ولتاژ را تسریع کنند. در صورتی که اگر ژنراتورهای القایی نتوانند ولتاژ را تنظیم کنند و توان راکتیو مورد نیاز را از شبکه دریافت کند، در این حالت این ژنراتورها به عنوان یک منبع نوسان ولتاژ به حساب میآیند
توانایی نیروگاه بادی جهت باقی ماندن در شبکه در هنگام وقوع خطا برای اجتناب کردن از اتصال مجدد بسیار مهم می-باشد، چون احتیاج به 4 تا 5 دقیقه جهت راه اندازی مجدد و جلوگیری از اختلالات پی در پی که موجب فقدان تولید میشود، خواهد داشت
در این مقاله، اثرات محل خطا بر روی یک نیروگاه بادی 9 MW متصل به شبکه به وسیله سنجش توان اکتیو، راکتیو و ولتاژ باس نیروگاه بادی مورد مطالعه قرار میگیرد و تأثیر محل انواع حالتهای خطا بر عملکرد پایدار و پیوسته نیروگاه بادی متصل به شبکه مورد مطالعه و بررسی قرارمیگیرد، و با مشارکت STATCOM جهت جبرانسازیولتاژو ساپورت نیروگاه بادی در مدت زمان رخداد خطاها با مکان های متفاوت به بهبود پایداری دست خواهد یافت.
-2 مدل توربین بادی سیستم
-1-2 مدل توربین بادی
توان مکانیکی و گشتاور آیرودینامیکی سیستم قدرت به صورت زیر می باشند.[که توان مکانیکی خروجی از توربین - w - ، چگالی هوا می باشند - 3 - ، r شعاع توربین بادی - m - ، سرعت باد است
-2-2 مدل ژنراتور
براساس استاندارد پریونیت ژنراتور القایی میتواند توسط معادلات دیفرانسیل جزئی شار میدان در دستگاه مرجع dq برای استاتور و روتور ارائه گردد:
ωs سرعت سنکرون است که در حالت پریونیت برابر 1 می-باشد و ωB فرکانس بیس سیستم است که برابر فرکانس سنکرون میباشد، ωB = 2πf، p عملگر مشتق ddt میباشد.
که در معادلات فوق Lss برابر حاصل جمع L1 - اندوکتانس نشتی - و Lm - اندوکتانس القایی - میباشد.
ژنراتورهای مورد نظر معمولاً به عنوان منبع ولتاژ بعد از امپدانس گذرا در مطالعات پایداری سیستمهای قدرت، در نظر گرفته میشود. مدل دقیق حالت گذرای یک ژنراتور القایی قفس سنجابی به طوری که اجزای محورهای d و q ولتاژ روتور صفر باشند به صورت زیر میباشد:
-3 مدل استت کام
شکل - - 1 مدل پایه STATCOM متصل به باس نیروگاه بادی را از طریق یک ترانس کوپلینک نشان میدهد. STATCOM با استفاده از یک مبدل منبع ولتاژ VSC طراحی شده است. عملکرد VSC به صورت یک منبع ولتاژ کاملاً کنترل پذیر و هم فاز با ولتاژ شبکه و فرکانس میباشد تا بتواند به سرعت و به طور پیوسته ولتاژ را کنترل کند و به عنوان کنترلکننده توان راکتیو بهکار رود. VSC میتواند از طریق ترانس کوپلینگ که به آن متصل است توان راکتیو را جذب یا تزریق به باس کند.
مقدار QC خروجی با اختلاف اندازه ولتاژ - VC - V - که با رابطهی زیر مشخص میگردد، متناسب در یک STATCOM، مقدار جریان جبرانکننده بستگی به ولتاژ سیستم دارد، به طوری که STATCOM مانند یک خازن در ولتاژهای پایین کار میکند. از مزایای STATCOM شامل انعطاف پذیری کنترل ولتاژ برای بهبود کیفیت توان، پاسخ سریع و کاربرد جهت بادهای با نوسانات زیاد میباشد.
همچنین شکل - 1 - بلوک دیاگرام کنترلی یک استت کام را نشان میدهد که جزء اصلی ولتاژ تولیدی VC به وسیله تغییر ولتاژ DC باس کنترل میشود. وظیفه سیستم کنترل STATCOM افزایش و یا کاهش ولتاژ DC خازن میباشد، به طوری که ولتاژ تولیدی VC در حین عملکرد حالت پایدار دارای یک اندازه مشخص برای توان راکتیو مورد نیاز میباشد.
بلوک تنظیم کننده جریان یک کنترل کننده PI است که مقدار زاویه شیفت فاز ولتاژ اینورتر را از طریق ملاحظه ولتاژ سیستم محاسبه میکند.
-4 بررسی موردی
-1-4 توصیف سیستم مورد مطالعه
شکل - 2 - یک دیاگرام تک خطی از یک نیروگاه بادی سرعت ثابت را نشان میدهد. مدل شبیه سازی شده یک نیروگاه بادی متشکل از 6 توربین بادی 1/5 MW که به یک سیستم توزیع متصل است و توان را به یک شبکه120 Kv از طریق یک فیدر 25 Km متصل میکند.
