خلاصه. این مقاله اصول اندازه‌گیری و ارزیابی ویژگی‌های کیفیت توان را با توان تامین‌شده توسط میکرو توربین بادی متصل به شبکه توزیع ارائه می‌کند. این پارامترهای فنی پایه میکرو توربین بادی محور عمودی ۱۰ کیلووات و ویژگی های خروجی آن را به عنوان تابعی از سرعت باد توصیف می کند. علاوه بر این، نتایج منتخب اندازه گیری پارامترهای مشخص کننده کیفیت توان در گره میکرو توربین بادی ۱۰ کیلوواتی اتصال به شبکه ۴۰۰ ولت را نشان می دهد.
کلمات کلیدی: میکرو توربین بادی عمودی، کیفیت توان، شبکه توزیع
Słowa kluczowe: mikroturbina wiatrowa o pionowej osi obrotu، jakość energii، sieć dystrybucyjna
فهرست
معرفی
مقررات فعلی قابل اعمال برای مصرف کنندگان انرژی غیرتجاری بیان می کند که پس از گزارش چنین قصدی به یک شرکت توزیع منطقه ای، یک نیروگاه تولید ریز را می توان به صورت رایگان به شبکه توزیع متصل کرد. علاوه بر این، منابع مالی مختلفی را می توان برای تامین مالی سرمایه گذاری در منابع انرژی تجدیدپذیر (RES) به دست آورد. این عوامل مسئول علاقه رو به رشد قابل مشاهده به RES، به ویژه سیستم های فتوولتائیک و توربین های بادی، مجهز به سیستم های اینورتر، سیستم های کنترل و سیستم های حفاظتی هستند [۱، ۲، ۱۲].
با این حال، افزایش گسترده در تعداد نیروگاه‌های ریز تولید می‌تواند مشکلات قابل‌توجهی برای شبکه توزیع، از جمله تشدید کیفیت انرژی ایجاد کند. به همین دلیل، نیروگاه های تولید میکرو متصل به شبکه باید تعدادی از الزامات تکنولوژیکی و همچنین شرایط مشخص شده توسط اپراتورهای شبکه در دستورالعمل های مربوطه، به عنوان مثال [۹] و [۳]، مطابق با استانداردها و مقررات قابل اجرا را برآورده کنند [۴، ۵، ۶، ۱۰].
در بخش‌های بعدی این مقاله، ویژگی‌های توربین بادی MEW-10 ارائه می‌شود و به دنبال آن نتایج اندازه‌گیری انتخابی کیفیت انرژی الکتریکی تولید شده توسط این واحد ارائه می‌شود.
ویژگی های یک توربین بادی
توربین بادی نوع MEW-10 شامل یک توربین بادی محور عمودی (VAWT) با روتور سه پره از نوع H-Darrieus، یک ژنراتور سنکرون آهنربای دائمی با چرخش آهسته دیسکی (PMSG) و یک کنترلر همراه با سیستم های حفاظتی است. توان نامی به دست آمده با سرعت باد ۱۲ متر بر ثانیه ۱۰ کیلو وات است. اگر سرعت باد از این مقدار بیشتر شود، توان توسط سیستم کنترل محدود می شود [۱۱]. حداکثر سرعت چرخش روتور حدود ۱۴۰ دور در دقیقه است. تعدادی از ویژگی های تجربی MEW-10 در جدول ۱ ارائه شده است.
سطح مقطع روتور (دایره باد) ۳۰ متر مربع ، با ارتفاع تیغه ۶ متر و قطر روتور ۵ متر است. سطح مقطع تیغه یک مجموعه متقارن از ایرفویل های استاندارد نوع NACA 0021 است. یک توربین بادی از نوع بررسی شده در مقاله در شکل ۱ ارائه شده است.
یک اینورتر قدرت بار جریانی را روی ژنراتور نیروگاه ایجاد می کند که باعث ایجاد گشتاور روی شفت می شود و سرعت چرخش توربین را با سرعت باد فعلی تنظیم می کند و به این ترتیب حداکثر ضریب توان را تضمین می کند. یک اینورتر با اتصال به شبکه، ژنراتور را با شبکه برق جفت می‌کند و سه شکل موج ولتاژ را با ولتاژهای فاز شبکه تولید می‌کند.
اندازه گیری کیفیت انرژی تولید شده توسط توربین بادی
اندازه گیری کیفیت انرژی در یک گره اتصال توربین بادی در یک شبکه داخلی مصرف کننده در نیمه اول ژوئیه ۲۰۱۸ با استفاده از یک تحلیلگر کیفیت انرژی PQ-Box 200 انجام شد که الزامات استاندارد را برآورده می کند [۸] با توجه به کلاس A. اندازه‌گیری‌ها برای بررسی این موضوع بود که آیا انرژی تولید شده توسط توربین بادی مطابق با الزامات مشخص‌شده در [۳، ۴، ۵، ۹] است. در زیر نتایج منتخبی از پارامترهای توان و پارامترهای کیفیت انرژی جمع‌آوری‌شده در طول یک دوره مشاهده هفته‌ای، با دوره ۱۰ دقیقه‌ای تجمیع داده‌ها، t A = ۶۰۰ ثانیه ارائه شده است.
شکل ۲ مقادیر میانگین مربع (rms) جریان فاز را نشان می دهد که حداکثر مقدار آن I max = ۳٫۳A و مقدار rms در t A = ۰٫۲ s I max 0.2s = ۱۲٫۲۳ A بود. عدم تقارن قابل مشاهده جریان ها ناشی از جریان I inv = ۰٫۲۹ A است که از طریق سیستم کنترل اینورتر قدرت از فاز L ۳ جریان می یابد . شکل ۳ مقادیر توان فعال P و توان راکتیو Q را نشان می دهد . حداقل مقدار توان فعال Pmin = -۱٫۸ کیلووات ( Pmin ۰٫۲s) بود= – ۸,۶۶ کیلو وات – مورد حداکثر تولید برق توسط توربین بادی). اینورتر در حال کار قدرتی در حدود P inv = ۳۷٫۵ کیلو وات مصرف می کند. همانطور که مشاهده می شود، نیروگاه تقاضای قابل توجهی برای توان راکتیو دارد: Q min = -۱٫۵ kvar ( Q min 0.2s = -۵٫۴۴ kvar) – شکل ۳٫
شکل ۴ مقادیر ضرایب THD ولتاژ را نشان می دهد . هیچ اعوجاج ولتاژی بیش از حد مجاز مشاهده نشد: THD U ∊ 〈۱٫۸۸، ۳٫۰۵〉%.
شکل ۵ جریان های لحظه ای ثبت شده در حداکثر تولید توان را نشان می دهد، یعنی P = P دقیقه . تغییر شکل جریان با به دست آوردن مقادیر rms هارمونیک برای n = ۲،…،۵۰ و مقایسه آنها با مقادیر مشخص شده در استانداردهای مربوطه ارزیابی شد [۴، ۶]. نتایج به‌دست‌آمده در جدول ۲ ارائه شده‌اند. همانطور که می‌توان اشاره کرد، نیروگاه باعث نمی‌شود که مقادیر هارمونیک‌های بالاتر از حد مجاز از طریق گره اتصال توربین بادی جریان یابد.
مقدار THD I برای P دقیقه THD I Pmin = ۷٫۱۱٪ بود . منحنی های نشان دهنده تغییر ضرایب عدم تقارن ولتاژ و جریان بر اساس مولفه های مستقیم ( U ۱ , I ۱ ) و مولفه های معکوس ( U ۲ , I ۲ ) به دست آمدند:
.
شکل ۶ منحنی ضریب ولتاژ را نشان می دهد. با حداکثر مقدار ضریب α Umax = ۰٫۳۲٪، به طور قابل توجهی کوچکتر از مقدار حدی ۲٪ است. همچنین مشاهده شد که مقدار ضریب عدم تقارن جریان از ۱٫۷۸٪ در Pmin تا ۱۰۰٪ زمانی که برق تولید نمی شود و تنها فاز L ۳ تحت بار است به دلیل اینورتر برق که از این مدار تغذیه می شود، متغیر است. شکل ۷ تغییرات شاخص های P lt را نشان می دهد. مقادیر شاخص P lt در بازه ۰٫۲۵ – ۰٫۵۰ هستند، در حالی که مقادیر شاخص P st در بازه ۰٫۰۷ – ۰٫۶۷ گنجانده شده است. با توجه به [۸]، مقادیر شاخص هاP st و P lt از مقادیر حدی که در [۳] مشخص شده است تجاوز نمی کنند:
.
سیستم کنترل اینورتر قدرت نیاز به تامین مداوم انرژی فعال E + (آبی) دارد، حتی زمانی که با سرعت باد کمتر از سرعت راه اندازی توربین کار می کند. مقدار انرژی فعال مصرف شده در هفته آزمایش ۵,۳۶ کیلووات ساعت و مقدار انرژی راکتیو EQ (بنفش) (۷٫۵۰ kvarh) بود – شکل ۸٫ کل مقدار خالص انرژی عرضه شده به شبکه E + = بود. ۲٫۰۸ کیلووات ساعت (سبز)، اما باید در نظر داشت که اندازه‌گیری‌ها در تابستان انجام شد و سرعت باد تأیید شده در آن زمان برای عملکرد توربین بادی بهینه نبود.
به منظور تجزیه و تحلیل دقیق تقاضای نیروگاه برای توان راکتیو، اندازه‌گیری‌های اضافی با در نظر گرفتن زمان تجمع t A = ۱ s – شکل ۹ انجام شد. به ترتیب در حین شارژ خازن ها در مدار واسطه اینورتر برق در نیروگاه ریز.
نتیجه گیری
اندازه گیری های انجام شده برای مطالعه حاضر نشان می دهد که عملکرد توربین بادی باعث تغییرات ولتاژ بیش از ۳ درصد نمی شود و همچنین باعث عدم تقارن ولتاژ، نوسانات ولتاژ یا هارمونیک های جریان بیش از حد مجاز نمی شود. در طول شارژ خازن‌ها در مدار اینورتر قدرت، جریان‌های ضربه‌ای با مقادیر لحظه‌ای به ۹۰ A رخ داد که باعث افت ولتاژ اضافی در امپدانس شبکه و ایجاد اعوجاج لحظه‌ای ولتاژ، همانطور که در شکل ۱۱ نشان داده شده است. مشخص شد که با عملکرد هر دستگاهی در سمت مصرف کننده تداخل دارد. با این حال، با هدف بهینه سازی الگوریتم کنترل، باید توسط سازنده اینورتر قدرت بیشتر مورد بررسی قرار گیرد.
همچنین ببینید:
- کیفیت توان
- اندازه گیری کیفیت توان (اندازه گیری کیفیت برق)
- تجزیه و تحلیل کیفیت توان
- جزیره ای شدن شبکه توزیع برق
- اهمیت کیفیت توان الکتریکی
- پایش کیفیت برق قسمت ۱: اهمیت اندازه‌گیری کیفیت توان مطابق با استانداردها
- پایش کیفیت برق قسمت ۲: ملاحظات طراحی برای کیفیت برق مطابق با استانداردها
منابع
[۱] قانون قانون قدرت ۱۰ آوریل ۱۹۹۷، مجله قوانین ۱۹۹۷ شماره ۵۴، بند ۳۴۸، با اصلاحات بعدی (Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne, Dz. U. z 1997 r., nr 54, poz. 348 z późn. zm.).
[۲] قانون منابع انرژی تجدیدپذیر ۲۰ فوریه ۲۰۱۵، مجله قوانین سال ۲۰۱۵، مورد ۴۷۸ (Ustawa z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii (Dz. U. z 2015 r., poz
. ۳] معیارهای اتصال و الزامات فنی برای نیروگاه‌های ریز تولید و نیروگاه‌های تولید مقیاس کوچک متصل به شبکه توزیع LV 016
[۴] الزامات EN 50438 برای نیروگاه های مولد میکرو برای اتصال موازی با شبکه های توزیع ولتاژ پایین عمومی
[۵] IEC 61000-3-2:2014 سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) – قسمت ۳-۲: محدودیت ها – محدودیت ها برای هارمونیک انتشار جریان (جریان ورودی تجهیزات ≤ ۱۶ A در هر فاز).
[۶] IEC 61000-4-7:2002+A1:2008 سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) – قسمت ۴-۷: تست و تکنیک های اندازه گیری – راهنمای کلی در مورد اندازه گیری هارمونیک ها و بین هارمونیک ها و ابزار دقیق، برای سیستم های منبع تغذیه و تجهیزات متصل به آنها.
[۷] IEC 61000-4-15:2010 سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) – قسمت ۴-۱۵: تکنیک های آزمایش و اندازه گیری – مشخصات عملکردی و طراحی فلیکر متر.
[۸] IEC 61000-4-30:2015 سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) – قسمت ۴-۳۰: تست و تکنیک های اندازه گیری – روش های اندازه گیری کیفیت توان.
[۹] دستورالعمل‌ها برای ترافیک شبکه توزیع و بهره‌برداری از تاریخ ۰۱٫۰۱٫۲۰۱۴، TAURON Dystrybucja SA (Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej TAURON Dystrybucja SA obowiązująca r.210.14) قابل اجرا است.
[۱۰] فرمان وزارت اقتصاد در مورد شرایط دقیق عملیات سیستم قدرت، مجله قوانین سال ۲۰۰۷، شماره ۹۳، بند ۶۲۳ با اصلاحات بعدی elektroenergetycznego, Dz. U. z 2007 r., nr 93, poz. 623 z późn. zm.).
[۱۱] توضیحات کاتالوگ توربین MEW-10
[۱۲] Sobierajski M., Rojewski W. “شرایط اتصال نیروگاه های ریز تولید به شبکه LV در مقابل مقررات قانونی،” (Warunki przyłączania mikrogeneracji do sieci niskiego napięcia w świetle obowiązujących Zepizujących Pzepisytechu) yki Politechniki Gdańskiej, nr 33/2016، صص ۷۹-۸۲
نویسنده: dr inż. Andrzej Jąderko، Politechnika Częstochowska، Wydział Elektryczny، Al. Armii Krajowej 17, 42-200 Częstochowa, e-mail: aj@el.pcz.czest.pl
dr inż. Marek Gała، Politechnika Częstochowska، Wydział Elektryczny، Al. Armii Krajowej 17, 42-200 Częstochowa, e-mail:m.gala@el.pcz.czest.pl
شناسه مورد منبع و ناشر : PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 95 NR 1/2019. doi: 10.15199/48.2019.01.09