بخشی از مقاله
چکیده
تغییر توان ، نوسان ولتاژ و فلیکر ، مسائل مهمی در رابطه با یکپارچه سازی توربین های بادی سرعت متغیر که مستقیما به شبکه متصل هستند، می باشند. این مقاله، روشی را برای بهبود کیفیت توان و ولتاژ و کاهش فلیکر توربین بادی با سرعت متغیر که مستقیما به شبکه متصل هستند ارائه می دهد. این روش از تلفیق پیل سوختی/ الکترولایزر برای اتصال به نقطه تزویج مشترک از طریق مبدل های قدرت استفاده می کند.
روشهای متداول استفاده از ادوات Fact نظیر STATCOM را بکار برده که توان تولید اکتیو را نداشته و بهینه سازی مناسبی صورت نمی پذیرد، روش کنترل فازی برای این بهبود مد نظر است.برای جبران توان راکتیو ژنراتورهای القایی توان بادی وجهت بهبود کیفیت ولتاژ نهایی و کاهش فلیکر روشهای مختلفی از جمله SVC ،STATCOM و راکتور اشباع شده سری که از میان روشهای فوق استفاده از STATCOM بر دیگر روشها برتری دارد چون STATCOM سریع و کوچک است و دارای عملکرد بهتری در شرایط ولتاژ کم دارد ولی اگر چه STATCOM ها عالی هستند ولی آنها نمی توانند راه حل مناسبی برای تنطیم ولتاژ و کاهش فلیکر ناشی از توربین های بادی متصل به شبکه باشند چون آنها نمی توانند توان راکتیو تولید کنند. در نتیجه تلفیق پیل سوختی/الکترولایزر راه حل مناسبی می باشد. پیل سوختی دارای مزیتهای آلودگی کمتر، کارایی بالا، تنوع سوخت و قابلیت استفاده مجدد از گرمای خروجی نسبت به روشهای دیگر دارد.
مقدمه
توربین های بادی سرعت متغیر که مستقیما به شبکه متصل شده اند و با ژنراتور های القایی قفسی به حرکت در می آیند، نوع بسیار معروفی به خاطر سادگی ، دوام پذیری و قیمت معقولشان هستند. اگر چه توربین های بادی با اتصال مستقیم به شبکه ، ساده ترین توربین ها هستند، ولی آنها را می توان بدترین نوع از نظر یکپارچه سازی شبکه فرض کرد. آنها نمی توانند بطور کامل کنترل توان اکتیو، یعنی ایجاد توان الکتریکی نوسان دار طبق تغییر سرعت باد، را فراهم کنند. در نتیجه، میزان تغییرات توان ممکن است فراتر از محدودیت های تعیین شده از سوی آیین های شبکه محلی رود که در زمان خود، بر پایداری سیستم اثر می گذارد و منتهی به انحراف فرکانس بویژه برای سطوح بالای نفوذ باد می گردند.
چون تولید توان اکتیو ژنراتورهای القایی توان بادی، نوسان دار است، تقاضای توان راکتیو این ژنراتورها نیز نوسان دار است. یعنی، آن تابع نوسانات سرعت باد است. معمولا، توربین های بادی سرعت متغییر با اتصال مستقیم به شبکه، جبران توان راکتیو یا هموار سازی توان اکتیو را فراهم نمی آورند. درنتیجه، تغییرات توان اکتیو و راکتیو موجب نوسان ولتاژ در نقطه تزویج مشترک - - pcc می گردد.
نوسان ولتاژ0/5 درصدی یا کمتر می تواند موجب فلیکر آزاردهنده در لامپها گردد و هنگامی شکایات عموم را بوجود می آورد که فرکانس مدولاسیون شکل موج ولتاژ در طیف 10-6 هرتز قرار می گیرد.[ 5] بعلاوه ، نوسان ولتاژ می تواند منتهی به اختلالات الکتریکی جدی در شبکه توان گردد لذا آن موجب محدودیت خاصی در خصوص سطح نفوذ توان بادی می گردد.
بهبود عملکرد ژنراتورهای القایی توان بادی قفسی، بطور گسترده ای بررسی شد.[ 8-6] در مقاله [ 6]، svc ها برای جبران توان راکتیو ژنراتور های القایی توان بادی جهت بهبود کیفیت ولتاژ نهایی بکار رفتند. استفاده از statcom ها با استراتژی های کنترل اصلاح یافته در طول شرایط نرمال و گذرا در مقالات 7]و[ 8 بررسی شده است. در مقالات 9]و[ 10 گزارش شد که statcom ها بر سایر روش های کاهش فلیکر نظیر svc ها و راکتور اشباع شده سری، برتری دارد چون آن، سریع و کوچک است و دارای عملکرد بهتری در شرایط کم ولتاژ است.
اگر چه statcom ها عالی هستند، ولی آنها ممکن است راه حل مناسبی برای تنظیم ولتاژ و کاهش فلیکر ناشی از توربین های بادی متصل به شبکه بویژه برای شبکه های بسیار مقاوم نباشند. Statcom ها دارای توان تغذیه و جذب توان راکتیو هستند ولی نمی توانند توان اکتیو را تامین کنند. آنها صرفا توان اکتیو کمی را برای حفظ ولتاژ اتصال dc شان جذب می کنند. از این رو، هیچ اثر مثبتی وجود ندارد که ازstatcom ها بر تغییر توان باد حاصل گردد. در نتیجه، آن زمانی راحت تر است که ژنراتور بادی با واحد انعطاف پذیری تلفیق می گردد که توان جریان عقب و جلو را امکان پذیر می سازد.
تلفیق الکترولایزر/ پیل سوختی ، یکی از راه حل های نوید بخش برای مواجهه با نوسان و تناوب توان بادی گردیده است . 11]و.[ 12 الکترولایزر از توان جذب توان نوسان دار حاصله از ژنراتورهای بادی و ایجاد هیدروژن به عنوان سوخت برای stack های پیل سوختی برخوردار است .[ 11] پیل های سوختی از چند مزیت برخوردار است: آلودگی کمتر، کارآیی بالا، تنوع سوخت ها، قابلیت استفاده مجدد از گرمای خروجی و نصب در محل.
در این مقاله، تلفیق پیل سوختی/ الکترولایزر نامی محدود و کارآمد برای کنترل میزان تغییر توان بادی و بهبود کیفیت ولتاژ در pcc،بکار می رود.
کیفیت توان
کیفیت توان روز به روز برای شرکتهای برق اهمیت ویژهای پیدا کرده، به طوری که از اواخر دهه 1980 به صورت یک از معروفترین واژههای صنعت برق در آمدهاست. این واژه بعنوان یک مفهوم کلی برای انواع مختلف اغتشاشات سیستم قدرت بکار میرود.
با توجه به این که تجهیزات الکتریکی کنونی در مقایسه با نوع قدیمی آن نسبت تغییرات کیفیت توان حساستر شدهاند. از این رو که شبکه به یکدیگر متصل شدهاند و تشکیل شبکههای بزرگتر را دادهاند موجب شدهاست که معیوب شدن یک عنصر تبعات نامطلوبتری در شبکه بزرگتر به وجود آورد. همچنین اهمیت به بهبود راندمان سیستم و استفاده از تجهیزات پربازده موجب رشد سطح هارمونیکی درشبکه قدرت گردیدهاست. و در موردی دیگر میتوان به آگاهی مشترکین نسبت به موضوعات کیفیت توان اشاره کرد.
دلایل کلی را که اهمیت این پدیده را در غالب آن می توان مطرح کرد ، عبارتند از:
در واقع کیفیت توان از طرف شرکتهای برق مترادف با قابلیت اطمینان و در از طرف سازندگان تجهیزات الکتریکی به صورت کارکرد مناسب تجهیزات تعریف میگردد. ولی در حالت کلی میتوان هر گونه تغییر در کمیتهای ولتاژ، جریان و فرکانس که سبب خرابی و یا عملکرد نادرست تجهیزات مصرفکننده گردد به عنوان مسئله کیفیت توان معرفی کرد.
در اصطلاح فنی، توان عبارت است از نرخ انتقال انرژی و متناسب است با حاصلضرب ولتاژ و جریان، بنابراین شبکه توزیع فقط میتواند کیفیت ولتاژ را کنترل نماید و هیچ کنترلی روی جریانی که یک بار خاص میکشد، ندارد. بنابراین استانداردهای کیفیت توان تنها حدود مجاز ولتاژ منبع را تعیین میکنند.
به طور کلی در شبکه قدرت ایجاد خطا میتواند باعث افزایش و یا کاهش در مقدار موثر ولتاژ شود و یا موجب ایجاد پدیده شکاف در منحنی ولتاژ گردد، علاوهبراین عواملی از جمله استفاده از ادوات الکترونیک قدرت میتوانند موجب ایجاد هارمونیک در شبکه قدرت شوند. در این بخش به صورت خلاصه به عوامل موثر بر مسئله کیفیت توان پرداخته میشود
فلیکر ولتاژ
فلیکر ولتاژ یکی از جنبه های مهم کیفیت توان در شبکه های قدرت
است. این پدیده به نوسانات متناوب یا غیر متناوب ولتاژ در شبکه های قدرت اطلاق می شود که دامنه آنها تا حد0/1 پریونیت بوده و فرکانس این نوسانات نیز بین صفرتا 30 هرتز می باشد.
بدلیل آثار آزاردهنده و مخرب این نوسانات ، استانداردهای کیفیت توان در شبکه های قدرت برای این پدیده مطرح شده و حدود انتشار فلیکر ولتاژ مجاز در شبکه های قدرت برآورد شده است.
دراین فصل به بررسی نوسانات ولتاژ و فلیکر پرداخته شده است، عوامل ایجاد این پدیده معرفی شده است.
یکی از مباحث مهم مرتبط با کیفیت توان، بحث کیفیت ولتاژ در شبکه های قدرت است. اهمیت این بحث درشبکه های قدرت بقدری است که گاها کیفیت توان را معادل با کیفیت ولتاژدر نظر می گیرند. وجود نوسانات ولتاژ در شبکه به مفهوم کیفیت نامطلوب ولتاژ شبکه می باشد. فلیکر نور یکی از نتایج نوسانات ولتاژ در شبکه است که در این پایان نامه به آن پرداخته می شود.
پدیده فلیکر ولتاژ بررسی و تحلیل شده ، روشهای اندازه گیری پارامترهای فلیکر و نیز شدت انتشار فلیکر ناشی از بارهای فلیکرزا در شبکه های قدرت و روشهایی برای آشکارسازی فلیکر ولتاژ در شبکه های قدرت مطرح خواهند شد. همچنین به بررسی عامل اصلی ایجاد فلیکر در شبکه های قدرت یعنی توربین های بادی پرداخته شده ودر نهایت روشهایی برای کاهش انتشار فلیکر ناشی از اتصال توربین های بادی به شبکه های قدرت مطرح خواهد شد
فلیکر نور
توجه اصلی به نوسانات ولتاژ به علت توانایی آنها در ایجاد نوسانات در شدت نور لامپ می باشد. مهندسین قدرت در ابتدا درباره ای نوسانات در دهه 1880 ، وقتی که درگیر استفاده بیشتر از سیستم ac بجای سیستم dc بودند بحث کردند . ولتاژ ac فرکانس پایین در سوسو زدن لامپها نمایان شد. برای اجتناب از این مسآله فرکانس بالای 60 هرتز به عنوان استاندارد در آمریکای شمالی انتخاب شد.
عبارت فلیکر گاها مترادف با نوسانات ولتاژ در نظر گرفته می شود با عبارتی نظیر فلیکر ولتاژ، فلیکر نور یا فلیکر لامپ. این پدیده می تواند به عنوان یک نوسان در ولتاژ سیستم تعریف شود که منجر به تغییرات قابل مشاهده - سوسو زدن - در لامپ شود. عبارت "فلیکر" نیز از همین " سوسو زدن" لامپ ها گرفته شده است.به این علت که فلیکر اغلب مشکلی است که چشم انسان آن را مشاهده می کند، فرض می شود که آن ، یک مسآله قابل درک است.
از لحاظ فنی ، نوسان ولتاژ یک پدیده الکترومغناطیسی است که فلیکر یک نتیجه نامطلوب آن در برخی از بارها است . با این وجود دو عبارت " نوسان ولتاژ" و" فلیکر" غالبا در استانداردها با همدیگر وبه یک مفهوم بکار می روند.
فلیکر می تواند به دو نوع تقسیم شود: دوره ای - متناوب - و غیر دوره ای - غیر متناوب - . فلیکر متناوب نتیجه نوسانات متناوب ولتاژ در سیستم است در حالیکه فلیکر غیر متناوب در نتیجه نوسانات تصادفی ولتاژ می باشد. روش معمول برای فلیکر کردن، بصورت درصد مدولاسیون ولتاژ است که معمولا بصورت درصدی از تغییر کل در ولتاژ نسبت به میانگین ولتاژ در طول یک پریود مشخص از زمان بیان می شود . با استفاده از درصد ، سیگنال فلیکر مستقل از مقدار پیک ، rms ، خط-خط وغیره است. درصد مدولاسیون ولتاژ رابطه زیر بیان می شود:
• کلیدزنی خازن های اصلاح ضریب توان
• بویلرهای الکتریکی با ظرفیت زیاد
• ماشین اشعه X
• لیزرها
• ماشین های فتوکپی بزرگ که *100 درصد مدولاسیون
• کولرهای تهویه هوا
• یخچال ها
• فن ها
• اتصال و قطع خطوط در شبکه
:vmax ماکزیمم مقدار سیگنال مدوله شده
:vmin مینیمم مقدار سیگنال مدوله شده
:v0 مقدار متوسط ولتاژ کار عادی می باشد.
مقدار فرکانس فلیکر در تعیین اینکه آیا سطئح فلیکر ، قابل رویت یا آزاردهنده هستند یا نه ، خیلی مهم است . چشم انسان به نوسانات روشنایی در رنج 5-10 هرتز حساستر است. اگر فرکانس فلیکر از این محدوده افزایش یا کاهش یابد ، چشم انسان عموما نوسانات را تحمل می کند.
دامنه نوسانات فلیکر معمولا تا 0/1 پریونیت می باشد. بنابراین فلیکر ولتاژ سبب می شود که دامنه سیگنال ولتاژ معمولا بین 0/9 تا 1/1 پریونیت نوسان می کند. فرکانس این نوسانات نیز معمولا بین صفر تا 30 هرتز می باشد.
منبع نوسانات فلیکر
اساسا فلیکر در سیستم هایی رخ می دهد که نسبت به تامین مقدار توان مورد نیاز بار ضعیف هستند. نوسانات ولتاژ در نتیجه تغییرات بار می باشند. هرگونه تغییری در جریان بار ، بطور واضح منجر به تغییردر ولتاژ خواهد شد. اما این تغییرات معمولا به عنوان نوسانات ولتاژ در نظر گرفته نمی شوند. اینکه آیا نوسانات ولتاژ منتجه ، سبب فلیکر قابل رویت یا آزاردهنده می شود یا نه، بستگی به پارامترهای زیر دارد:
· توان - VA - منبع ایجاد فلیکر
· امپدانس سیستم
· فرکانس نوسانات ولتاژ منتجه
عمدتا دو نوع از بارها منجر به ایجاد فلیکر و سوسوزدن نور لامپ می شوند:
1. منابع ایجاد تغییرات ولتاژ گسسته: بارهایی هستند که در هنگام راه اندازی جریان زیادی می کشند وبه علت تعدد راه اندازی ، از عوامل ایجاد فلیکر هستند.
2. منابع ایجاد نوسانات ولتاژ پیوسته : بارهایی هستندکه جریان آنها متناوبا تغییر می کند.
از منابع ایجاد فلیکر گروه اول می توان به موارد زیر اشاره نمود:
· موتورهای بزرگ که در هنگام راه اندازی جریان وغیره....
همچنین منابع ممکن نوسانات ولتاژ پیوسته - گروه دوم - شامل موارد زیر هستند:
· ماشین های جوشکاری مقاومتی
· کارخانه های نورد
· موتورهای صنعتی بزرگ با بارهای متغیر
· کوره های قوس الکتریکی
· دستگاه های جوش
· توربین های بادی
یک بار معمول که اغلب می تواند سبب ایجاد فلیکر شود کوره های قوس الکتریکی است. کوره های قوس الکتریکی بارهای غیر خطی متغیر با زمان می باشند که اغلب ، علت نوسانات بزرگ ولتاژ واعوجاج هارمونیکی هستند.کوره های قوس الکتریکی که برای ذوب کردن فلزات وآهن قراضه از طریق ایجاد اتصال کوتاه بین در الکترود استفاده می شوند ، مقدار توان زیادی را مصرف می کنند و نوعا ، مستقیما به سیستم انتقال متصل می شوند وسبب ایجاد فلیکر ولتاژ در طول محدوده های بزرگ می شوند.
بیشتر نوسانات جریان بزرگ ناشی از کوره قوس الکتریکی - و در نتیجه نوسانات ولتاژ - در ابتدای سیکل ذوب کردن رخ می دهند. در طول این پریود، تکه های آهن قراضه - ضایعات - می توانند فاصله بین الکترودها را بپوشانند، در نتیجه باعث اتصال کوتاه شدید در سمت ثانویه ترانس کوره می شوند . این پریود ذوب معمولا سبب ایجاد فلیکر در رنج فرکانس 1-10 هرتز می شود
فلیکرمتر استانداردIEC
برای تعیین فلیکر ناشی از هرگونه نوسان ولتاژ دلخواه، مفهوم فلیکرمتر، توسعه یافته ودر استانداردIEC 61000- 4-15 اجرا شده است. این استاندارد ابزار ساده ای برای توصیف فلیکر نور از طریق اندازه گیری های ولتاژ ابداع می کند.
