انرژی باد از دو ویژگی عدم قطعیت و تناوب برخوردار است. مزارع بادی در مقیاس بزرگ عموماً در نقاط دور افتاده و با فاصله نسبتا زیاد از شبکه برق سراسری قرار دارند. با افزایش مداوم ظرفیت نیروگاههای بادی متصل به شبکه برق، بیثباتی ولتاژ شبکه به طور فزایندهای برجسته میشود. کیفیت توان تأثیر مهمی بر پایداری شبکه، عملکرد ایمن تجهیزات برق و تولیدات صنعتی و کشاورزی دارد که در این میان توان راکتیو یکی از عوامل مهم تأثیرگذار بر کیفیت توان است. از این رو کنترل توان راکتیو و جبرانسازی آن در نیروگاههای بادی برای بهبود کیفیت انرژی الکتریکی انتقالی به شبکه، کاهش تلفات و افزایش پایداری و امنیت سیستم قدرت اهمیت زیادی دارد. در این مقاله به روشهای جبرانسازی توان راکتیو در نیروگاههای بادی اشاره میشود.
برای آشنایی بیشتر با نیروگاههای بادی مطالعه مقاله زیر توصیه میشود.
تجزیه و تحلیل ویژگیهای نیروگاههای بادی
سرعت و جهت باد به طور تصادفی و متناوب تغییر میکند. در نتیجه، خروجی انرژی الکتریکی توربین بادی نیز به طور تصادفی تغییر خواهد کرد. تغییرات کوتاهمدت خروجی توان بادی قابل توجه بوده و خروجی توربینهای بادی در همان مزرعه بادی به طور ناهمزمان متفاوت است. بنابراین، تولید انرژی الکتریکی تصادفی و متغیر به حساب میآید.
به دلیل تصادفی و غیرقابل کنترل بودن، اتصال برق بادی به شبکه در مقیاس بزرگ باعث بروز مشکلاتی مانند ولتاژ بیش از حد شین و نوسانات ولتاژ شبکه در سیستم قدرت خواهد شد. به عنوان مثال، هنگامی که یک مزرعه بادی از کار میافتد، سیستم ممکن است به دلیل از دست دادن ناگهانی مقدار زیادی از تزریق توان راکتیو دچار فروپاشی ولتاژ شود. به عبارتی دیگر کمبود توان راکتیو آنی ناشی از خروج واحد بادی را نمیتوان به موقع جبران کرد، که این امر ممکن است منجر به بیثباتی ولتاژ سیستم شود. در طول عملکرد نرمال سیستم هم، تغییرات در توان تولید برق بادی ممکن است باعث نوسانات ولتاژ و فرکانس سیستم و حتی ناپایداری سیستم شود.
علاوه بر این هارمونیکها یکی دیگر از مشکلات کیفیت توان ناشی از اتصال شبکه الکتریکی به نیروگاههای بادی به شمار میآید. مقدار جریان هارمونیک مزرعه بادی به سرعت باد وابسته است و اساساً با توان خروجی رابطه خطی دارد. مقدار زیاد جریان هارمونیک باعث افزایش تلفات برق، تسریع در پیری تجهیزات و به خطر افتادن ایمنی و پایداری شبکه میشود.
برای آشنایی بیشتر با ژنراتورهای بادی میتوان مقاله زیر را مطالعه کرد.
ویژگیهای توان راکتیو در نیروگاههای بادی
در مقایسه با واحدهای حرارتی و برقآبی، توان راکتیو در نیروگاههای باد دارای ویژگیهای زیر است:
برای ایجاد میدان مغناطیسی بهمنظور تحریک ژنراتور القایی مربوط به یک توربین بادی نیاز به جذب توان راکتیو از شبکه قدرت الکتریکی است؛ در غیر این صورت، ژنراتور نمیتواند برق تولید کند. علاوه بر این، تقاضای توان راکتیو نیروگاههای بادی با توان اکتیو تغییر میکند. یعنی حتی در صورت استفاده از بانکهای خازن شنت برای جبران توان راکتیو که بسیار متداول هستند، همچنان لازم است بخشی از توان راکتیو مورد نیاز از شبکه تأمین شود.
زمانی که توان راکتیو مزرعه بادی به طور کامل تولید میشود، ولتاژ خروجی افزایش پیدا میکند؛ اما با اتصال واحد بادی به شبکه این ولتاژ به شدت پایین میآید. هنگامی که توربین بادی برداشته میشود، اگر یک خازن جبرانساز موازی وجود داشته باشد، ممکن است باعث ایجاد خودتحریکی ژنراتورهای القایی موجود در نیروگاه بادی شود.
در شرایط بدون باد، توربینهای بادی به شبکه متصل میمانند و نیاز به جذب توان راکتیو از سیستم دارند.
تجهیزات تولید برق بادی که برای مدت طولانی به شبکه متصل هستند، صرف نظر از اینکه انرژی الکتریکی تولید کنند یا نه، ترانسفورماتور مربوطه همواره باید مقدار مشخصی توان راکتیو را از سیستم جذب کند که این امر تلفات تجهیزات و خطوط را افزایش میدهد.
الزامات جبرانسازی توان راکتیو در نیروگاههای بادی
به منظور حل مشکلات ولتاژ و هارمونیک ناشی از اتصال به شبکه برق بادی، لازم است مزرعه بادی دارای ظرفیت توان راکتیو قابل تنظیم پویا با دامنه وسیع و قابلیت حذف هارمونیک باشد تا تاثیر نوسانات برق باد بر روی ولتاژ شبکه کاهش یابد و، پایداری و امنیت سیستم بهبود پیدا کند.
هنگامی که یک توربین بادی در توانهای خروجی مختلف کار میکند، دامنه تغییرات ضریب توان باید بین ۰.۹۵- و ۰.۹۵ کنترل شود. همانند ژنراتور سنکرون که ضریب توان آن در ۰.۹۵- و ۰.۹۵ کنترل میشود و دستگاه تحریک باید عملکردهای مربوط به تنظیم ضریب توان را داشته باشد.
محدوده تنظیم و سرعت پاسخ توان راکتیو مزرعه بادی باید الزامات تنظیم ولتاژ در نقطه متصل به شبکه مزرعه بادی را برآورده کند. اصولاً ضریب قدرت سمت فشار قوی پست افزاینده در مزرعه بادی باید روی ۱ تنظیم شود و در حین کار می توان آن را از ۰.۹۸- تا ۰.۹۸ کنترل کرد.
به طور کلی، منبع تغذیه راکتیو در مزارع بادی شامل توربینهای بادی و تجهیزات جبران توان راکتیو به شمار میآیند. اول از همه، ظرفیت توان راکتیو و قابلیت تنظیم توربین بادی باید به طور کامل مورد استفاده قرار گیرد. اگر نمیتوان که ولتاژ سیستم را در محدوده مجاز نگه داشت، باید دستگاه جبرانسازی توان راکتیو نصب شود.
نکات کلیدی برای جبرانسازی توان راکتیو در نیروگاههای بادی
جبران توان راکتیو مزرعه بادی باید با توجه به مشخصات و ساختار شبکه برقی که در آن قرار دارد انجام شود. نکات اصلی که در جبران توان راکتیو واحدهای بادی باید در نظر گرفته شوند به شرح زیر هستند:
- ولتاژ سمت فشار قوی پست افزاینده در مزرعه بادی را در محدوده مجاز میبایست کنترل کرد، به طوری که سرعت پاسخ و اندازه گام تنظیم با تصادفی بودن توربین بادی و شرایط تغییر سریع توان مطابقت داشته باشد و بتوان از عملکرد ایمن و پایدار مزرعه بادی اطمینان بدست آورد.
- باید از دستگاه جبرانسازی شامل کنترل دینامیکی ولتاژ و ضریب توان استفاده شود و سرعت پاسخ آن به سطح لازم ارتقا پیدا کند. زمانی که ظرفیت نیروگاه بادی زیاد است، بهتر است از خازنهای سوئیچینگ گروهی استفاده نکرد.
- در شرایط نرمال بهرهبرداری، اگر توربین بادی به طور ناگهانی از مدار خارج شود، تجهیزات جبران توان راکتیو خازنی باید بتوانند فوراً خاموش شوند، تا از افزایش بیش از حد مجاز ولتاژ جلوگیری شود.
- اگر مزرعه بادی به صورت مرحلهای ساخته میشود، اما تجهیزات جبرانسازی توان راکتیو بعدا اضافه میشوند، حداقل ظرفیت جبرانی باید پاسخگوی نیازهای مزرعه بادی در مرحله تکمیل باشد.
- هنگامی که تجهیزات جبران توان راکتیو شامل هر دو حالت اندوکتیو و خازنی میشود، استراتژی کنترل خودکار باید جلوگیری از پدیده رزونانس را در نظر بگیرد.
روشهای جبرانسازی توان راکتیو در نیروگاههای بادی
در این قسمت به متداولترین و پرکاربردترین روشهای جبران توان راکتیو در نیروگاهای بادی اشاره میشود.
- استفاده از کندانسور سنکرون
- استفاده از Static Var Compensation یا (SVC)
- استفاده از Static Synchronous Compensator یا (STATCOM)
- جبرانسازی توان راکتیو با استفاده از خازن موازی
استفاده از کندانسور سنکرون
در اولین مزارع بادی از کندانسورهای سنکرون استفاده میشد. اما به دلیل تلفات و نویز زیاد، تعمیر و نگهداری پیچیده، و برآوردن الزامات پاسخ دینامیکی مناسب، در حال حاضر به ندرت به کار میروند.
استفاده از Static Var Compensation یا (SVC)
SVCها با به کارگیری کلیدهای استاتیک (ادوات الکترونیک قدرت) جهت سوئیچکردن خازنها یا راکتورها توانایی جذب و ارسال جریانهای راکتیو را، برای بهبود ضریب توان سیستم قدرت، تثبیت ولتاژ و میرایی نوسانات سیستم دارا هستند.
استفاده از Static Synchronous Compensator یا (STATCOM)
در STATCOM از یک مبدل الکترونیک قدرت برای جبرانسازی توان راکتیو استفاده میشود. می توان از کنترلرهای مختلف برای تولید توان راکتیو و همچنین جذب آن استفاده کرد. با این حال، الگوریتم کنترلی پیچیده است، به علاوه اینکه هزینه تعمیر و نگهداری این تجهیز بسیار بالا است.
جبرانسازی توان راکتیو با استفاده از خازن موازی
خازن موازی برای نصب متمرکز یا غیرمتمرکز در محل مناسب است و بهتر میتواند الزامات جبرانسازی توان راکتیو در محل را برآورده کند. همچنین، آسیب دیدن خازنهای جداگانه تاثیری بر عملکرد کل تجهیزات نخواهد داشت. هزینه کم، مصرف انرژی پایین، کنترل ساده و، تعمیر و نگهداری آسان از ویژگیهای بکارگیری خازن موازی است. جبرانسازی با کمک خازن موازی از طریق سوئیچینگ خازن محقق میشود که به صورت مرحلهای تنظیمپذیر است و در نتیجه پیوسته، نیست.
در مجموع، SVC و STATCOM قابلیت کنترل پیوسته توان راکتیو را دارا هستند، در حالی که سایر روشهای جبرانسازی (کندانسور سنکرون و خازن موازی) از این توانایی برخوردار نیستند. در میان آنها، SVC دارای تکنولوژی تکامل یافته، تجربه عملیاتی غنی و قیمت متوسط است. STATCOM هزینه بالاتری دارد اما عملکرد آن نسبت به SVC بسیار بهتر است.
جمعبندی
جبران توان راکتیو نیروگاههای باد یک اقدام فنی ضروری برای اطمینان از کیفیت برق متصل به شبکه است. جبرانسازی مناسب توان راکتیو، نه تنها ولتاژ مزرعه بادی را در محدوده معینی تثبیت میکند، بلکه ضریب توان خروجی مزرعه بادی را نیز بهبود میبخشد. در نهایت، جبران توان راکتیو میتواند تولید برق و تاثیر نوسانات بر شبکه قدرت را کاهش دهد.
سوالات متداول
سرعت و جهت باد به طور تصادفی و متناوب تغییر میکند. در نتیجه، خروجی انرژی الکتریکی توربین بادی نیز به طور تصادفی تغییر خواهد کرد. تغییرات کوتاه مدت خروجی توان بادی قابل توجه بوده و خروجی توربینهای بادی در همان مزرعه بادی به طور ناهمزمان متفاوت است. بنابراین، تولید انرژی الکتریکی تصادفی و متغیر به حساب میآید.
استفاده از کندانسور سنکرون، استفاده از Static Var Compensation یا (SVC)، استفاده از Static Synchronous Compensator یا (STATCOM)، جبرانسازی توان راکتیو با استفاده از خازن موازی
