توربین، ولتاژ، ژنراتور، فرکانس، توربین‌های، روتور

ه متصل می‌شود. بدین ترتیب مبدل وظیفه کنترل سرعت ژنراتوری را دارد که به صورت مکانیکی به پره وصل است جدول (3-1) مزیتها و معایب هر یک از توربینهای بادی سرعت ثابت و توربین بادی سرعت متغیر را بیان کرده است.
توربین بادی سرعت متغیر قابلیت‌هایی مانند: خروجی بهتر، قابلیت بهبود کیفیت توان و کاهش تنش مکانیکی را داراست]21[. همچنین معایب آن افزایش هزینه بالای ساخت است. ولی به هر حال هزینه اضافی با بیشتر شدن انرژی تولیدی جبران می‌شود. علاوه بر آن بهره‌برداری نرم به وسیله مبدل تنش مکانیکی را کم می‌کند. این دلایل باعث می‌شود کارخانه‌های تولید توربین بادی، تمایل بیشتری برای تولید توربین بادی سرعت متغیر با هزینه تولیدی کمتر دارند.
توربین بادی تجاری با توجه به سرعت ثابت و متغیر بودن و نوع مبدل بکار رفته در آن‌ها (مبدل نیمه سطح، مبدل تمام سطح) به چهار دسته کلی تقسیم می‌شوند.
توربین‌های بادی سرعت ثابتبا توجه به شکل (3-1) ،توربین‌های بادی سرعت ثابت که مجهز به ژنراتور القایی با قفسه سنجابی(SCIG) که به وسیله ترانسفورماتور افزاینده ولتاژ به شبکه متصل می‌شوند. در این نوع توربین بادی شافت ژنراتور بوسیله توربین بادی حرکت می کند و استاتور نیز به شبکه وصل است. به دلیل شیب تند مشخصه لغزش-گشتاور ژنراتور القایی با قفسه سنجابی، سرعت به طور تقریبی ثابت وابسته به فرکانس است.
توربین سرعت ثابت برای جلوگیری از جریان لحظه‌ای زیاد از شروع‌کننده نرم استفاده می‌کند. اگر بدون شروع‌کننده نرم به شبکه متصل شود، توربین بادی سرعت ثابت توانایی جذب نوسانات توان را در انرژی جنبشی روتور ندارد. نتیجه آن به صورت نوسانات در گشتاور و توان تولیدی ظهور پیدا می‌کند. نوسانات گشتاور نیز باعث ایجاد تنش روی درایو توربین می‌شود و در نتیجه شاهد نوسانات ولتاژ شبکه خواهیم بود.
برای جلوگیری از جذب توان راکتیو توسط توربین بادی خازن‌های بین توربین بادی و ترانسفورماتور نصب می‌شود. همچنین در حین افت ولتاژ شدید توربین بادی توان راکتیو بسیار زیادی را از شبکه طلب می‌کند. این مسئله باعث افزایش سرعت ژنراتور و قطع آن از شبکه می‌شود.

شماتیک توربین بادی سرعت ثابتتوربین بادی سرعت متغیر محدودشدهدر این نوع توربین بادی از ژنراتور القایی با روتور سیم‌پیچی شده (WRIG) استفاده‌شده است. همچنین مقاومت خارجی متغییری به وسیله مبدل به روتور ژنراتور متصل شده است. به وسیله‌ی کنترل مبدل مقدار مقاومت اعمالی مشخص می‌شود. شماتیک این از توربین بادی در شکل (3-2) آمده است.
با افزایش مقاومت روتور حداکثر گشتاور مشخصه گشتاور-لغزش به سمت لغزش بیشتر و سرعت بیشتر تمایل پیدا می‌کند. در نتیجه با فرض مقدار توان ثابت سرعت افزایش خواهد یافت. در این نوع توربین بادی حداکثر سرعت می‌تواند به اندازه 10 درصد از بیش‌ترین محدوده لغزش بیشتر باشد. البته این مقدار به وسیله توان گرمایی تلف‌شده در مقاومت خارجی، محدود می‌شود.
از معایب آن می توان به محدودیت در سرعت، عدم توانایی در کنترل توان راکتیو طرف شبکه و بازده کم به دلیل مقاومت خارجی است . همچنین برتری آن نسبت به نوع سرعت متغیر در قیمت کمتر و سادگی آن است ]22[.

شماتیک توربین بادی سرعت متغیر با ژنرانور سیم‌پیچی شده
شماتیک توربین بادی سرعت متغیر با DFIGتوربین سرعت متغیر با ژنراتور القایی دو سویهدر این نوع توربین بادی از DFIG استفاده ‌شده است . استاتور (stator) آن به صورت مستقیم به شبکه متصل شده است. روتور نیز به وسیله مبدل پشت به پشت به شبکه وصل شده است. برای اتصال توربین و مبدل پشت به پشت از ترانسفورماتور سه سیم‌پیچه استفاده‌شده است. شمای کلی این نوع از توربین بادی در شکل 3-3 آمده است.
توربین بادی سرعت متغیر با مبدل تمام سطحدر این نوع از توربین بادی اتصال به شبکه توسط مبدل پشت به پشت تمام سطح صورت می‌پذیرد. ژنراتور هم می‌تواند القایی و هم سنکرون باشد.

شماتیک کلی توربین بادی سرعت متغیر با مبدل تمام سطحدر این نوع توربین بادی RSC وظیفه کنترل سرعت ژنراتور را بر عهده دارد تا حداکثر توان از باد اخذ شود. از طرفی مبدل طرف شبکه (GSC) وظیفه کنترل ولتاژ را بر عهده دارد. به طور کلی این نوع قابلیت بیشتری را در تولید توان حداکثر از باد ایجاد می‌کند. علاوه بر آن قابلیت بهبود بیشتر ولتاژ در شرایط خطا را دارد. شمای کلی این نوع توربین بادی در شکل 3-4 آمده است.
جریان خطای توربین بادیدر حین خطا توربین‌های بادی جریان خطای مختلفی را به شبکه تزریق می‌کنند،که بر حسب نوع توربین بادی متفاوت است.
مروری مختصر بر انواع جریان اتصال کوتاه بر حسب نوع توربین بادی در قسمت‌های بعد آمده است [21].
جریان اتصال کوتاه در توربین بادی سرعت ثابترفتار مدار اتصال کوتاه توربین بادی سرعت ثابت با ژنراتور القایی قفسه سنجابی، براساس دینامیک ژنراتور تعیین می‌شود. در صورت بروز خطای متقارن جریان اتصال کوتاه از دو قسمت متناوب و ثابت تشکیل می‌شود. این دو مقدار با توجه به ثابت زمانی گذرای استاتور و روتور مستهلک می‌شود. معمولاً جریان اتصال کوتاه به وسیله‌ی راکتانس گذرا محدود می‌شود و مقدار بیشینه آن معمولاً 5 تا 9 برابر جریان نامی ژنراتور است[21].
جریان اتصال کوتاه در توربین بادی سرعت متغیر محدودشدهرفتار مدار اتصال کوتاه این توربین مشابه نوع قبلی است با این تفاوت که مقاومت خارجی متصل به روتور باعث میرا شدن سریع تر جریان اتصال کوتاه می‌شود.
جریان اتصال کوتاه در توربین سرعت متغیر با ژنراتور القایی دو سو تغذیهدر لحظه‌ای که اتصال کوتاه در شبکه اتفاق می‌افتد. جریان زیادی در استاتور و روتور القا می‌شود. به صورت نظری، RSC می‌تواند با اندازه بزرگ‌تر ساخته شود که این راهکار باعث افزایش هزینه می‌شود و مقرون به صرفه نیست. از دیگر راهکارها حفاظت RSC در مقابل جریان اتصال کوتاه به وسیله مقاومت خارجی به نام مقاومت اهرم است.
از روش‌های مدرن استفاده از چاپرdc است ،که در شکل (3-3) نمایش داده شده است. با این روش در لحظه خطا کلیدهای RSC قطع می‌شود و جریان از طریق کلید دیودهای غیر موازی روانه خازن میانی می‌شود. وظیفه چاپرdc در این لحظه تنظیم ولتاژ dc است.
رفتار اتصال کوتاه ژنراتور دو سویه با حفاظت crowbar ،بستگی به این دارد که crowbar در لحظه خطا فعال هست یا غیرفعال.
وقتی crowbar فعال است ژنراتور کنترلی بر جریان ندارد. در این حال می‌توان DFIG را به صورت ژنراتور القایی در نظر گرفت. با این تفاوت که مقاومت روتور می‌تواند تا 20 برابر مقامت حالت پیشین می‌شود.
مقامت بسیار زیاد crowbar، باعث میرا می‌شود جریان متناوب در DFIGسریع‌تر از جریان در SCIG میرا شود. زمانی که RSC دوباره وصل می‌شود، وظیفه‌ی کنترل جریان استاتور را بر عهده می‌گیرد. در این صورت DFIG به صورت منبع جریان ثابت در نظر گرفته می‌شود.
آنالیز جریان اتصال کوتاه DFIG با چاپرdc توجه کمی شده است. اما برای تحلیل خطای متقارن ، خازن میانی و چاپر به عنوان مقاومت معادل در نظر گرفته میشود. همچنین این مقاومت معادل وابسته به بارگذاری اولیه ژنراتور و مقدار افت ولتاژ بستگی دارد.
در شرایط خطای نامتقارن RSC و چاپرdc در لحظه خطا فعال است. زیرا در حین خطا نامتقارن توالی منفی در ولتاژ ایجاد می‌شود که این مؤلفه میرا نمی‌شود ، در این شرایط ولتاژ به وجود آمده بالاتر مقداری است که RSC آن را کنترل کند. در نتیجه چاپرdc فعال می‌شود و برای تحلیل حالت گذرا هر دو را باید باهم در نظر گرفت.
جریان اتصال کوتاه در توربین بادی سرعت متغیر با مبدل تمام سطحتوربین بادی سرعت متغیر با مبدل تمام سطح در حین خطا، با توجه به قابلیت کنترلی GSC، جریان تزریقی به شبکه محدود خواهد شد و یا حداکثر کمی بالاتر از مقدار نامی خواهد بود. البته در حین افت ولتاژ شدید کلیدها قطع خواهد بود.
کد شبکهدر سال‌های اخیر انرژی تولیدشده از باد، به صورت فزاینده‌ای در حال افزایش است. بنابراین توربین‌های بادی امروزی، نقش بسیار مهمی در انرژی تولیدشده دارند. در همین راستا مزرعه‌های بادی توربین‌های بیشتری را در بر می‌گیرد. علاوه بر آن هر توربین بادی هم در اندازه و هم از لحاظ ساختاری و فناوری پیشرفت شگرفی برای گرفتن انرژی حداکثر از باد داشته است. افزایش ظرفیت و تعداد توربین بادی به معنای افزایش نفوذ نیروگاه‌های بادی در شبکه است.
نیروگاه‌های سنتی مانند: نیروگاه آبی ،گازی و بخار معمولاً از ژنراتور سنکرون تشکیل‌شده‌اند. با توجه به مشخصات ژنراتور سنکرون و کنترل‌پذیری محرک اولیه آن، کنترل ولتاژ و فرکانس هم در حالت گذرا و هم در حالت مانا امکان‌پذیر است. با توجه به نقش نیروگاه‌های سنتی ، افزایش نفوذ نیروگاه‌های بادی در شبکه به معنای جایگزینی نیروگاه بادی به جای نیروگاه‌هایی که به صورت سنتی وظیفه‌ی کنترل و پایدار کردن شبکه را داشته‌اند، است.
بنابراین بهره‌برداران شبکه تصمیم گرفتند تغییراتی در الزامات اتصال نیروگاه‌هایی مانند نیروگاه بادی بدهند. در گذشته با توجه به اینکه توربین‌های بادی نبوده یا سطح نفوذ نیروگاه بادی نسبت به نیروگاه‌های سنتی کم بوده، اتصال و انفصال آن‌ها به شبکه تأثیر چندانی بر پایداری شبکه نداشت و نیروگاه بادی می‌توانست در شرایط غیرعادی از شبکه جدا شود. پس از دهه‌ی 80 ، با توجه به بالا رفتن ظرفیت توربین بادی و نیز جایگزینی آن‌ها با نیروگاه‌های سنتی قوانین اتصال و انفصال به شبکه تغییر پیدا کرده است. در طول دههی 90 هماهنگی بین قوانین اتصال بین کشورهای مختلف مانند: دانمارک و آلمان به وجود آمد.
مقررات شبکه، به بخش‌های مختلفی تقسیم می‌شود]1[. بعضی قسمت‌های مربوط به پایداری به صورت زیر خلاصه می‌شود.
معیار توان اکتیو و راکتیواز دید بهره‌بردار شبکه قدرت، کنترل توان اکتیو تولیدی به دو دلیل مهم است. 1- برای جلوگیری از انحراف فرکانس در شرایط نرمال 2- حفظ پایداری گذرای ولتاژ در طول شرایط خطا
توان اکتیو بالاخص برای پایداری ولتاژ و پایداری گذرا در حین خطا، مفید است. اگر در شرایط خطا توان تولیدی توربین بادی کم شود، از افزایش سرعت توربین در شرایط خطا جلوگیری به عمل می‌آید.از نگاه دیگر وقتی توربین بادی توان اکتیو خود را در حین خطا کم می‌کند، ظرفیت تولید توان راکتیو بیشتری را ایجاد می‌کند که این باعث جلوگیری از افزایش افت ولتاژ می‌شود.
تأمین و جذب توان راکتیو برای کنترل ولتاژ امری ضروری است. در نظر نگرفتن جذب و تولید توان راکتیو به معنای فراموش کردن اثر توربین بادی در کنترل ولتاژ است. اما کنترل ضریب توان نقش بسزایی را در تعیین توان تولیدی و یا جذبی دارد. همچنین توربین‌های بادی معمولاً حداکثر انرژی را از باد جذب می‌کنند. با توجه به اینکه اینرسی بالایی دارند به صورت ملایم قادر به کاهش توان اکتیو خود هستند. از طرفی دیگر توربین‌های بادی به منظور جذب حداکثر انرژی از باد بایستی قدرت کنترل توان اکتیو در مدت زمان کم را داشته باشند.با توجه به مطلب فوق ، توربین بادی می‌تواند توان راکتیو مناسبی را در حداقل زمان ممکن به شبکه بدهد. جدول (3-2) زیرمجموعه داده‌هایی است به منظور نشان دادن ضریب توان برای توربین بادی بر اساس کدهای مختلف شبکه است.
مقایسه ضریب توان توربین بادی در کدهای شبکه
کشور توان اکتیو راکتیو
اسکاتلند 0.85 پس فاز تا 0.95پیش فاز
دانمارک P%10+1 یا %10-1
ایرلند 0.85 پس فاز تا 0.93 پیش فاز برای %100 توان
0.4 پس فاز تا 0.7 پیش فاز برای %35 توان
آلمان 0.95 پس فاز تا 0.95 پیش فاز برای توان‌های زیر 100 مگاوات

ضریب توان برای توان‌های بالاتر از 100 مگاوات در کد شبکه آلمانبا توجه به اینکه توربین بادی با ظرفیت کم قدرت بالایی در تأمین توان راکتیو دارد ولی تعداد بالای این توربین‌های بادی هزینه‌ی قابل‌ملاحظه‌ای را بجا می‌گذارد.
در کد شبکه آلمان برای توانهای توربین بادی با ظرفیت بالاتر از 100 مگاوات، ضریب توان به ولتاژ وابسته است که این وابستگی در شکل (3-5) نشان داده شده است. در شکل (3-5) ولتاژ نامی برای توربین‌های بادی ساحلی 380، 220 و 110 کیلو است. حال آنکه ولتاژ نامی برای توربین‌های بادی دور از ساحلی 155 کیلوولت است.
معیار فرکانسبه طور سنتی نیروگاه‌های برق از ژنراتورهای بزرگ سنکرون استفاده می‌کنند. این ماشینهای سنکرون در مقابل تغییرات بار و تغییرات فرکانس با مسائل پایداری روبرو هستند. در حالت اضافه‌بار ماشین سنکرون با کاهش سرعت مواجه است. این کاهش سرعت باعث کاهش فرکانس می‌شود که نتیجه آن می‌تواند به ناپایداری منجر شود. نوسانات فرکانس می‌تواند از عامل‌هایی مانند: از دست رفتن خط انتقال ، نوسانات در بار و خارج‌شده نیروگاه است. تغییرات فرکانس تأثیر روی ماشین‌های مجاور دارد.
نیروگاه بادی باید نوسانات فرکانس را در شرایط بهره‌برداری عادی تحمل کند. شکل(3-6) نشان‌دهنده چگونگی عملکرد توربین بادی در شرایط مختلف فرکانسی در کدهای مختلف شبکه است.
چون در طول خطا نوسانات فرکانس به وجود می‌آید. مطلوب این است که در حین خطا توربین بادی در مقابل محدوده‌ی وسیع فرکانس مقاوم باشد، زیرا ممکن است در شرایط بعد از خطا شرایط بدتر شود و باعث انفصال توربین بادی از شبکه شود. به هر صورت تغییرات گسترده فرکانس تأثیر زیادی بر توربین بادی سرعت ثابت دارند. با توجه به اینکه سرعت چرخش توربین به نسبت سرعت نوک (TSR) بستگی دارد در نتیجه سرعت حرکت توربین به فرکانس بستگی دارد . اما در توربین‌های بادی دو سویه ژنراتور القایی سرعت حرکت مستقل از تغییرات فرکانس است.

شرایط کاری توربین بادی با توجه به اندازه فرکانس در کدهای مختلف شبکه [1]معیار ولتاژنوسانات ولتاژ در سیستم قدرت تحت تأثیر عواملی مانند: تغییرات بار و خطا صورت می‌پذیرد برای جلوگیری از خروج بعضی از واحدهای تولید برق، باند تغییرات ولتاژ برای بهره‌برداری تنظیم شده است. حداقل ولتاژ تعیین‌شده به دو عامل بستگی دارد. اول،

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *