تحلیل کیفیت توان و نقش مزارع بادی در تنظیم ولتاژ

چکیده

ظرفیت بالا و تعداد زیاد مزارع بادی در شبکه برق، امکان بهره‌گیری از آن‌ها در فرآیند تنظیم ولتاژ گره‌های متصل را فراهم آورده است. میزان این توانایی‌ها مستقیماً به نوع تولیدکننده‌های مجهز در مزرعه بادی بستگی دارد. در حال حاضر، ژنراتورهای القایی دوطرفه (DFIG) پرکاربردترین تکنولوژی هستند، که طیف وسیعی از امکانات کنترل توان راکتیو و ولتاژ در نقطه اتصال مزرعه بادی را در اختیار قرار می‌دهند. این مقاله به تحلیل اتصال یک مزرعه بادی متشکل از توربین‌های مجهز به ژنراتور DFIG به شبکه برق، جهت امکان‌سنجی تنظیم ولتاژ می‌پردازد. شبیه‌سازی‌های انجام‌گرفته با استفاده از نرم‌افزار PowerWorld محقق شده‌اند.

مقدمه

منابع انرژی تجدیدپذیر امروزه به عنوان ستون فقراتِ ترکیبات انرژی محسوب می‌شوند. انرژی خورشیدی و مشتقات آن، منبعی رایگان و بی‌کران انرژی هستند. با پیشرفت‌های سریع فناوری در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر، بازده واحدهای تولیدی سالانه افزایش می‌یابد و در عین حال هزینه‌های سرمایه‌گذاری کاهش می‌یابد. افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر در سامانه‌های انرژی کشورهای عضو، اولویت اول در سیاست‌های انرژی اتحادیه اروپا قرار دارد. بودجه‌های تخصیص‌یافته باید توسعه این منابع را تسریع کند و هم‌چنین تنوع سوخت‌ها و استقلال تدریجی از سوخت‌های فسیلی را محقق سازد. بسته اقلیمی فعلی پیش‌بینی می‌کند سهم انرژی تجدیدپذیر در اتحادیه اروپا تا سال ۲۰۲۰ به ۲۰٪ برسد. در سال ۲۰۱۶، این سهم در مصرف نهایی انرژی برای اتحادیه اروپا ۱۷٪ ثبت شده است. هدف دیگر، افزایش تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر به ۲۷٪ در افق سال ۲۰۳۰ می‌باشد.

بر اساس داده‌های دفتر تنظیم انرژی لهستان، کل ظرفیت نصب‌شده در منابع تجدیدپذیر در شبکه برق ملی این کشور در تاریخ ۳۰ مه ۲۰۱۸ به ۸۵۸۴٫۵۵۲ مگاوات رسیده بود، که از این میزان ۵۸۷۴٫۷۷۸ مگاوات مربوط به تأسیسات بادی بوده و ۶۸٫۴۳٪ از کل ظرفیت نصب‌شده تجدیدپذیر را پوشش می‌دهد. روند توسعه انرژی باد در لهستان با وجود قانون سرمایه‌گذاری مزارع بادی، با افت مواجه شده است. در سال ۲۰۱۶ ظرفیت بادی ۵۸۰۷٫۴۱۶ مگاوات گزارش شده، بنابراین در دو سال اخیر تنها ۶۷٫۳۶۲ مگاوات افزایش ثبت شده است.

ظرفیت بالای نصب‌شده در مزارع بادی، الأرضیه را برای استفاده از آن‌ها در فرآیند تنظیم ولتاژ گره‌های شبکه برق فراهم آورده است. با به‌کارگیری مزارع بادی مجهز به طیف وسیع کنترل توان راکتیو، اپراتور سیستم انتقال می‌تواند از مزرعه بادی برای حفظ سطح ولتاژ مورد نیاز در نقطه اتصال بهره ببرد. مشارکت مزارع بادی در کنترل توان راکتیو، همچنین در مهار نوسانات ولتاژ ناشی از طبیعت تصادفی باد و کاهش تلفات توان در شبکه داخلی مزرعه و شبکه متصل، نقش مؤثری ایفا می‌کند. اتصال مزارع بادی به شبکه برق، ولتاژ اعوجاجی را در نقطه اتصال افزایش نمی‌دهد.

ولتاژ در سیستم برق

برای اطمینان از عملکرد صحیح شبکه برق، لازمه برقراری تعادل بین توان‌های اکتیو و راکتیو است. از میان پارامترهای اساسی مؤثر بر کیفیت برق، فرکانس و ولتاژ در اولویت قرار دارند. حفظ فرکانس ثابت نیازمند تعادل توان اکتیو است، در حالی که تعادل مطلوب توان راکتیو، گارانتی حفظ ولتاژ مناسب در گره‌های شبکه می‌باشد.

تقاضای گره‌های دریافت‌کننده برای توان راکتیو حدود ۴۲٪ برآورد شده است. ۵۸٪ باقی‌مانده مربوط به نیازهای ذاتی شبکه شامل: تلفات طولی در خطوط – ۲۱٪، تلفات طولی در ترانسفورماتورها – ۲۰٪، تقاضای ژنراتورها – ۹٪ و تلفات در ترانسفورماتورهای شبکه – ۸٪ می‌باشد.

تغییرات مداوم بار شبکه، ضرورت تنظیم مداوم سطوح ولتاژ در گره‌ها را می‌طلبد. انحرافات ولتاژ زیر نامی ناشی از موارد زیر است:

• کاهش ولتاژ در خطوط ولتاژ متوسط و پایین و در ترانسفورماتورها؛
• ولتاژ بسیار پایین در سمت ولتاژ متوسط ایستگاه ۱۱۰/ام‌وی، ناشی از شرایط عیبی.

انحرافات ولتاژ بالای نامی ناشی از:

• مقدار مثبت تلفات ولتاژ طولی ناشی از جریان‌های توان راکتیو خازنی؛
• ولتاژ بسیار بالا در باس‌بار ایستگاه‌های ولتاژ متوسط و ترانسفورماتورهای MV/LV در شرایط کاری غیرعادی.

مقدار کاهش ولتاژ در خطوط هوایی و ترانسفورماتورها عمدتاً به جزء طولی تلفات وابسته است، که خود تابع مولفه راکتیو جریان می‌باشد:

.

در این رابطه: Ib نمایانگر مولفه راکتیو جریان است.

جزء طولی تلفات ولتاژ وابسته به مولفه اکتیو جریان، ابعاد بسیار کوچکتری دارد:

.

در اینجا: Ic نمایانگر مولفه اکتیو جریان می‌باشد.

ماشین‌های بادی مجهز به ژنراتور القایی دووجه‌گرایانه (Doubly-Fed Induction Generator)

علت این امر دراست دارد که راکتانس خطوط انتقال هوایی به‌مراتب از مقاومت آن‌ها بیشتر است. در نتیجه، افت ولتاژ طولی در حالت خازنی ولتاژ انتهای خط را بالا می‌برد و در حالت القایی آن را پایین می‌کشد. همین باعث می‌شود کنترل ولتاژ به‌طور ناگزیر با کنترل توان بی‌ فعال گره گیر باشد.

ماشین‌های بادی مجهز به ژنراتور القایی دووجه‌گرایانه (Doubly-Fed Induction Generator)

توربین‌های بادی که از ژنراتورهای DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) بهره می‌برند، طیف وسیعی از تنظیم توان فعال و بی‌فعال در اختیار دارند؛ همین ویژگی آن‌ها را به پرکاربردترین ژنراتور در صنعت انرژی بادی تبدیل کرده است. در مقایسه با سایر ژنراتورهای رایج در مزارع بادی، واحدهای DFIG کیفیت برق بهتری تأمین می‌کنند: آن‌ها نوسانات ولتاژ و توان را به‌صورت فعال سرکوب می‌کنند و هارمونیک‌های جریان و ولتاژ را نیز فیلتر می‌کنند.

ژنراتورهای القایی دووجه‌گرایانه از طریق یک مبدل الکترونیک توانی (energy electronic converter) به مدار روتور وصل می‌شوند، که انتقال انرژی در هر دو جهت — از روتور به شبکه و بالعکس — را ممکن می‌سازد [۱۱]. این ژنراتورها می‌توانند هم در محدوده سرعت بیش از همگام‌سازی (super-synchronous) و هم در محدوده کمتر از همگام‌سازی (sub-synchronous) کار کنند. در حالت بیش از همگام‌سازی، انرژی از روتور به شبکه جریان می‌یابد، در حالی که در حالت کمتر از همگام‌سازی، انرژی از استاتور به سمت روتور هدایت می‌شود.

شکل ۱ محدوده شرایط عملیات مجاز توربین بادی وستاس V90 – ۳ MW که از ژنراتور DFIG استفاده می‌کند را نشان می‌دهد.

شکل ۱. محدوده شرایط عملیات مجاز ژنراتور DFIG در توربین بادی وستاس V90 – ۳ MW [۱۲]

توربین‌های وستاس V90 – ۳ MW قادرند در بازه ضریب توان ثابت از ۰.۹۸ خازنی (cap) تا ۰.۹۶ القایی (ind) عملیات دهند. عملیات با ضریب توان دیگر هم امکان‌پذیر است، اما با هزینه کاهش توان فعال تولیدی. وقتی اتصال مثلثی (delta) به کار برود، حداکثر توان بی‌فعال قابل تزریق ۱۵۰۰ کلوار (kvar) می‌رسد، در حالی که برای اتصال ستاره‌ای (star) این سقف ۷۵۰ کلوار است.

تحلیل امکان استفاده از مزرعه بادی در تنظیم ولتاژ

شبیه‌سازی‌ها با نرم‌افزار PowerWorld Simulator انجام شده‌اند. این ابزار امکان تحلیل توزیع توان فعال و بی‌فعال و همچنین بررسی پروفایل ولتاژ در گره‌های شبکه را فراهم می‌کند.

تأثیر مزرعه بادی بر پروفایل ولتاژ شبکه برای یک مزرعه متشکل از ۱۰ توربین وستاس V90 – ۳ MW (شکل ۲، توربین‌های EW1 تا EW10) مورد ارزیابی قرار گرفته است. مزرعه ۳۰ مگاواتی به شبکه ۱۱۰ کیلوولت متصل شده بود.

شکل ۲ دیاگرام شبکه درونی را ترسیم می‌کند. مزرعه بادی سه فیدر شعاعی دارد که به نقطه تغذیه مرکزی در محل مزرعه وصل هستند. در توپولوژی شعاعی، آسیب به کابل‌های انتقال توان مانع از قطع انرژی توربین‌های واقع در بخش‌های عقب‌مانده می‌شود. توپولوژی حلقه‌ای (ring) اگرچه قابل‌اعتمادتر است، اما سرمایه‌گذاری اولیه بالاتری می‌طلبد.

شکل ۲. دیاگرام شبکه درونی مزرعه بادی مورد تحلیل

دیاگرام بخش مورد تحلیل شبکه، همان‌گونه که در PowerWorld Simulator مدل‌سازی شده، در شکل ۳ آمده است. مزرعه بادی در گره ۱۳ متصل شده است.

شکل ۳. دیاگرام بخش مورد تحلیل سیستم توان

جدول ۱ مقادیر توان فعال و بی‌فعال مزرعه بادی را که برای آن‌ها سناریوهای شبیه‌سازی تدوین شده، گزارش می‌دهد. مقادیر توان بی‌فعال بر اساس تحلیل شبکه درونی مزرعه تعیین شده‌اند.

جدول ۱. مقادیر توان فعال و بی‌فعال در شبیه‌سازی‌ها

.

شکل ۴ نتایج شبیه‌سازی را برای ضریب‌های توان مختلف مزرعه بادی مقایسه می‌کند.

شکل ۴. رابطه بین ولتاژ گره‌ها و توان فعال تولیدی مزرعه بادی برای: cosφ = ۱ (الف)، cosφ = ۰.۹۸ خازنی (ب)، cosφ = ۰.۹۶ القایی (ج)

امکانات کنترل یک مزرعه بادی مجهز به ژنراتورهای DFIG، زمینه بهبود پروفایل ولتاژ در گره اتصال و گره‌های هم‌جوار را فراهم می‌آورد. اگر ولتاژ در نقطه اتصال کمتر از مقدار مطلوب باشد، مزرعه بادی می‌تواند به‌عنوان منبع توان بی‌فعال عمل کرده و ولتاژ را بالا ببرد. در مورد مورد بررسی، وقتی توربین‌ها با ضریب توان cosφ = ۰.۹۸ خازنی کار می‌کردند، ولتاژ در گره اتصال (گره ۱۳) برای تولید ۳۰ مگاوات، نسبت به حالت cosφ = ۱ حدود ۰.۹٪ افزایش یافت. در حالت cosφ = ۰.۹۶ القایی، حتی با افزایش تولید توان فعال، ولتاژ در گره‌ها در سطح ثابتی نگه داشته می‌شود. شکل ۵ وابستگی ولتاژ به توان بی‌فعال را نشان می‌دهد.

شکل ۵. رابطه بین ولتاژ و توان بی‌فعال برای: P = ۳۰ MW (الف)، P = ۱.۷۶ MW (ب)

شکل ۶ تغییرات ضرایب توان در بخش مورد تحلیل را بر حسب توان فعال و برای مقادیر مختلف cosφ تجسم می‌کند.

شکل ۶. رابطه بین ضرایب توان فعال در شبکه و توان فعال تولیدی

در حالت cosφ = ۰.۹۸ خازنی، ضرایب توان فعال شبکه متصل به مزرعه نسبت به حالت cosφ = ۱ کاهش می‌یابند.

جدول ۲ مقادیر ضریب محاسبه‌شده kU,P را گزارش می‌دهد که معیاری برای حساسیت ولتاژ گره‌ها نسبت به توان فعال تولیدی است. هرچه این ضریب بزرگتر باشد، نوسان ولتاژ در گره به‌دلیل تغییر توان فعال mehr می‌شود. ضریب kU,P به فرمول زیر تعریف شده است:

.

در آن: ∆U – تفاضل ولتاژ، ∆P – تفاضل بین حداکثر و حداقل توان فعال تولیدی توسط مزرعه بادی.

.

جدول ۲. مقادیر ضریب kU,P

.

همان‌گونه که از نتایج مشاهده می‌شود، افزایش تزریق توان بی‌فعال باعث ارتقای ولتاژ در تمام گره‌های شبکه می‌شود.

نتیجه‌گیری

تحلیل کیفیت توان و نقش مزارع بادی در تنظیم ولتاژ

مزارع بادی به خاطر ویژگی‌های تنظیم‌کنندگی خود، می‌توانند از سوی اپراتورهای سیستم انتقال برای تنظیم ولتاژ در نقطه اتصال و همچنین در گره‌های همسایه مورد استفاده قرار گیرند.

توانایی توربین‌های بادی با ژنراتورهای القایی دوگانه در کار کردن با توان واکنش‌پذیر ظرفیتی و القایی باعث می‌شود که ولتاژ ثابت در نقطه اتصال حفظ شود، حتی با وجود افزایش توان فعال یا نوسانات در ولتاژ گره.

منابع

1. [۱] پروسزاک-میاسیک د.، بوکوسکا م.، نواک ک.، رابزاک س.، شرایط نجومی و هواشناسی در عملیات سیستم خورشیدی، سری کنفرانس IOP علوم مواد، ۲۴۵، (۲۰۱۷)
2. [۲] داده‌های آماری در مورد انرژی از منابع تجدیدپذیر، یورواستات
3. [۳] http://www.cire.pl/item,۹۶۷۷۸,۱,۰,۰,۰,۰,۰,ke-do-۲۰۳۰-r-wzrostefektywnoscienergetycznej-o-۳۰-proc.html، دسترسی: ۰۱.۱۲.۲۰۱۸
4. [۴] http://www.ure.gov.pl/pl/rynki-energii/energiaelektyczna/odnawialne-zrodla-ener/potencjal-krajowyoze/۵۷۵۳,Moc-zainstalowana-MW.html، دسترسی: ۰۱.۱۲.۲۰۱۸
5. [۵] قانون ۲۰ مه ۲۰۱۶ در خصوص سرمایه‌گذاری در نیروگاه‌های بادی
6. [۶] قانون ۷ ژوئن ۲۰۱۸ در مورد اصلاح قانون منابع انرژی تجدیدپذیر و برخی قوانین دیگر
7. [۷] پجارسکی پ.، کاسِکو پ.، وانرژ م.، گرینیویچ-یاورسکا م.، سیستم کنترل توان واکنش‌پذیر در مزرعه بادی با استفاده از قابلیت‌های تنظیم‌کننده اینورترها، خلاک شروع‌کننده، و ظرفیت کابل تغذیه‌کننده مزرعه، ژورنال الکتروتکنیکی، ۹۲ (۲۰۱۶)، شماره ۸، ۴۴-۴۷
8. [۸] گاła م.، کارکرد توربین‌های بادی در سیستم برق‌رسانی و تأثیر آن بر کیفیت انرژی الکتریکی، ژورنال الکتروتکنیکی، ۹۳ (۲۰۱۷)، شماره ۶، ۳۷-۴۰
9. [۹] کوت آ.، تراز و تقاضای توان واکنش‌پذیر در سیستم ملی برق‌رسانی، اَکتا انرژتیکا، ۱ (۲۰۱۳)، شماره ۱۴، ۶۸-۷۱
10. [۱۰] کار گروهی، راهنمای مهندس برق، د وی تی، ۲۰۱۱
11. [۱۱] کلوزنیک ی، نقش مزارع بادی در تنظیم ولتاژ در شبکه توزیع، اَکتا انرژتیکا، ۱ (۲۰۱۰)، شماره ۳، ۳۹-۳۹
12. [۱۲] گرادتسیلسکی آی.، روش‌های جبران توان واکنش‌پذیر، ارائه در نمایشگاه بین‌المللی انرژی اکسباور، پوزنان ۲۰۱۰.

نویسندگان: دکتر هاب. دکترای مهندسی لوبومیر بنیا، استاد دانشگاه لرکاف مرکزی دانشگاه تکنولوژی رژو، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، گروه الکترونیک قدرت و مهندسی برق، ul. Wincentego Pola ۲, ۳۵-۹۵۹ Rzeszów، ایمیل: lbena@prz.edu.pl؛ مهندس دکتر پیووت کوت، دانشگاه تکنولوژی رژو، دانشکده مهندسی عمران، محیط زیست و معماری، گروه مهندسی حرارتی و تهویه مطبوع، Al. Powstańców Warszawy ۶, ۳۵-۹۵۹ Rzeszów، ایمیل: p.kut@prz.edu.pl.

شناسه شناسنامه‌ای: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷, R. ۹۵ NR ۸/۲۰۱۹. DOI:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۱۹.۰۸.۳۳

منتشر شده در PQBlog

مهندس برق

مشاهده مطالب بیشتر

پرسش‌های متداول

نقش مزارع بادی در کیفیت توان چیست؟

مزارع بادی قادر به تنظیم ولتاژ و کنترل توان راکتیو در سیستم برق هستند.

چگونه می‌توان کیفیت توان را بهبود بخشید؟

استفاده از فیلترهای هارمونیک و تحلیل دقیق کیفیت توان از جمله راه‌هاست.

آیا ترکیب مزارع بادی با سایر منابع انرژی مفید است؟

بله، این ترکیب می‌تواند تعادل بهتری در کیفیت توان ایجاد کند.

منبع: powerquality.blog