انرژی, انرژی بادی

اتصال نیروگاه بادی

اتصال نیروگاه بادی

اتصال نیروگاه بادی

در گذشته، ازدیدگاه نوع اتصال نیروگاه بادی به شبکه برق سراسری، به علت پایین بودن توان تولیدی توربین های بادی، این توربین ها به عنوان منابع تولید پراكنده در شبكه در نظر گرفته شده و عمدتاً به شبكه توزیع متصل می شدند. ولی امروزه، با افزایش ظرفیت تولید توربین های بادی تا چندین مگاوات و استفاده از تعداد زیادی توربین بادی در قالب یك مزرعه بادی، نیروگاه های بادی چندصد مگاواتی به وجودآمده اند. حتی در برخی کشورها، بخش مهمی از تولید برق كشور از طریق نیروگاه های بادی انجام می شود. برای کسب اطلاعات بیشتر حول توربین های بادی مقاله اجزای توربین بادی را مطالعه کنید.

واضح است كه نمی توان یك نیروگاه بادی چندصد مگاواتی را بدون انجام مطالعات لازم به شبكه برق متصل كرد؛ زیرا این نیروگاه می تواند تأثیرات قابل توجهی بر عملكرد استاتیكی و دینامیكی شبكه بگذارد. همچنین، چنین نیروگاه هایی باید به شبكه های فوق توزیع و انتقال متصل شوند و نمی توان با آنها به صورت تولیدات پراكنده برخورد كرد. به علاوه، نیروگاه های بادی باید با داشتن شرایط لازم به شبكه متصل شوند و پس از اتصال به شبكه، این نیروگاه ها باید طبق ضوابط خاصی در شبكه بهره برداری شوند.

در كشور ایران، برنامه ریزی های راهبردی و كلان برای بهرهگیری از ظرفیت های موجود نیروگاه های بادی وجود دارد؛ بنابراین، لازم است دستورالعمل های اتصال و بهره برداری این نیروگاه ها با توجه به شرایط بومی و خاص شبكه ایران تدوین و تنظیم گردند.

تعریف نیروگاه بادی

در این متن، شرایط لازم برای اتصال نیروگاه های بادی به شبكه و بهره برداری از آن ها ارائه می شوند. در اینجا منظور از نیروگاه های بادی، نیروگاه هایی هستند كه توان نامی آن ها بالاتر از 25 مگاوات است و به شبكه 63 كیلوولت و بالاتر متصل می شوند و در نتیجه، می توانند در عملكرد شبكه تأثیرگذار باشند.

با توجه به دستورالعمل ارائه شده از سوی توانیر در زمینه اتصال مولدهای مقیاس كوچك به شبكه توزیع نیروی برق، نیروگاه های بادی زیر 25 مگاوات یا متصل به زیر سطح ولتاژ 63 كیلوولت به عنوان نیروگاه های تولید پراكنده محسوب می شوند.

الزامات اتصال نیروگاه های بادی به شبكه و بهره برداری از آنها را می توان در قالب 6 بند ذیل دسته بندی كرد:

  1. الزامات توان اكتیو و فركانس
  2. الزامات توان راكتیو و ولتاژ
  3. الزامات حفاظت و تحمل خطا(Fault Ride Through)
  4. الزامات كیفیت توان
  5. الزامات مدل سازی، پایش(Monitoring)، كنترل، ارتباطات و ثبت وقایع
  6. الزامات تست

صرف نظر از مورد ششم، برقرار بودن هریك از این ضوابط، بسته به مورد، لازم است قبل از اتصال به شبكه یا پس از آن ارزیابی شود. اگر برقراری ضابطه ای را بتوان قبل از اتصال به شبكه ارزیابی نمود، آن ضابطه مربوط به حوزه اتصال محسوب می شود؛ در مقابل، اگر برقراری ضابطه ای را باید پس از اتصال به شبكه بررسی نمود، آن ضابطه مربوط به حوزه بهره برداری است. در عین حال، ممكن است ضابطه ای مربوط به هردو حوزه اتصال و بهره برداری باشد؛ به این معنا كه لازم است این ضوابط قبل از اتصال به شبكه برقرار باشند و پس از اتصال به شبكه نیز برقرار باقی بمانند؛ به عبارت دیگر، قبل از اتصال نیروگاه بادی به شبكه قدرت، تستهای مرتبط بر روی نیروگاه انجام می شوند و در صورت عملكرد صحیح، اجازه اتصال نیروگاه به شبكه صادر می شود؛ سپس بهره برداری نیروگاه بادی مطابق این الزامات صورت می گیرد.

در ادامه این متن، هریك از الزامات فوق به طور تفصیلی بررسی می شوند. معاونت نظارت راهبردی به این وسیله از پژوهشگاه نیرو(پژوهشكده برق) كه مسوولیت قرارداد انجام این پروژه را به عهده داشته است و همچنین تمامی افرادی كه در تهیه و تدوین و پیشبرد این نشریه اهتمام ورزیده اند، جناب آقای مهندس حمزه مصطفوی، كارشناسان امور نظام فنی و نیز نهادها و شركت های مهندسین مشاور كه با اظهار نظرهای خود این معاونت را در جهت غنا بخشیدن به آن یاری نموده اند سپاسگزاری و قدردانی نموده و توفیق روزافزون آنان را از درگاه ایزد یكتا آرزومند است.

كنترل توان اكتیو نیروگاه بادی

كنترل توان اكتیو در نیروگاههای بادی یك قابلیت مهم به شمار می رود. كنترل توان اكتیو مزایای زیادی دارد ؛ به ویژه زمانی كه باد در حداكثر خود باشد و نیاز به محدود كردن این توان حداكثر وجود داشته باشد. در حال حاضر، بیشترین كاربرد كنترل توان اكتیو برای كمك كردن به بهره برداری شبكه در زمان وقوع پیشامدهایی است كه ظرفیت شبكه كاهش یافته و شبكه ممكن است دچار اضافه بار یا پرشدگی (Congestion) شود.

دلیل دیگر برای تنظیم توان اكتیو، كنترل فركانس است. در برخی از كشورها، نیروگاه های بادی با تنظیم توان اكتیو خروجی خود در كنترل فركانس مشاركت می كنند؛ در حالی كه در برخی دیگر از كشورها، از نیروگاه های بادی به این منظور استفاده نمی شود. در این بخش، الزامات مربوط به كنترل توان اكتیو و فركانس نیروگاه بادی ارائه می شوند. این الزامات هم مربوط به حوزه اتصال و هم مربوط به حوزه بهره برداری هستند.

قبل از اتصال نیروگاه بادی به شبكه، تستهای مرتبط با توان اكتیو و فركانس بر روی سیستم كنترلی نیروگاه انجام می شود و در صورت عملكرد صحیح و برآورده شدن این الزامات، اجازه اتصال نیروگاه به شبكه صادر می شود. سپس، در هنگام بهره برداری از نیروگاه در شبكه، با توجه به همین الزامات از نیروگاه بادی بهره برداری می شود.

شایان ذكر است كه طبق دستورالعمل ثابت بهره برداری شماره 2 (كنترل فركانس)، فركانس نامی شبكه تولید و انتقال برق ایران 50 هرتز و دامنه نوسانات مجاز آن در شرایط عادی بهره برداری 0.2 ± 50 هرتز می باشد.

تنظیم توان اكتیو

اعمال محدودیت بر روی مقدار توان اكتیو خروجی(Production Constraint) عمومی ترین قابلیت نیروگاه های بادی در زمینه كنترل توان اكتیو است. توان خروجی نیروگاه بادی ثابت نیست و متناسب با سرعت باد به صورت لحظه ای تغییر می كند. مالك یك نیروگاه بادی تمایل دارد كه در تمام شرایط، حداكثر توانی را كه می تواند تولید كند به شبكه تزریق كند؛ اما هنگامی كه بهره بردار شبكه، با در نظر گرفتن شرایط بحرانی برای امنیت شبكه، دستور كاهش توان خروجی(Curtailment) نیروگاه بادی را صادر می كند، تمام توربینهای بادی در یك نیروگاه توان خروجی خود را بر اساس مقدار توان تعیین شده توسط بهره بردار شبكه تنظیم می كنند. بهره بردار شبكه، ممكن است به دلایل مربوط به امنیت شبكه، دستور جدا شدن نیروگاه بادی از شبكه اصلی را نیز صادر كند.

محدودیت حرارتی خطوط انتقال نیز می تواند باعث شود كه نیروگاه بادی مجبور به كاهش توان خروجی خود شود و یا در مواردی كه شبكه دچار اضافه بار شده است به ناچار از مدار خارج شود. این مسأله در مورد نیروگاه ها ی بادی، به خصوص در كشورهای پهناور با طبیعت غیر یكنواخت، بسیار اتفاق میافتد؛ زیرا بیشتر مناطقی كه از نظر وزش باد وضعیت خوبی دارند در نقاط دور از مصرف قرار دارند؛ در نتیجه، بیشتر نیروگاه های بادی در نقاطی احداث می شوند كه از نظر زیرساخت های شبكه ای وضعیت ضعیفی دارند. ظرفیت خطوط انتقالی كه رابط میان نیروگاه بادی با شبكه قدرت است نقش تعیین كنندهای در بهره برداری بهینه از آن دارد. عوامل دیگری كه می تواند منجر به محدودیت تولید شود شامل پرشدگی خطوط، كنترل ولتاژ و قیود پایداری شبكه هستند.

بنابراین، نیروگاه بادی باید قابلیت تنظیم توان اكتیو خروجی خود را بر روی یك مقدار ثابت و پایین تر از مقدار نامی خود داشته باشد. در هنگامی كه بهره بردار شبكه دستور كاهش توان خروجی نیروگاه بادی را صادر می كند، نیروگاه باید بتواند توان خروجی خود را بر اساس مقدار توان تعیین شده توسط بهره بردار تنظیم كند.

 ظرفیت رزرو

منظور از ظرفیت رزرو آن است كه توان اكتیو خروجی، در محدوده فركانس عادی شبكه، به صورت درصد مشخصی از توان اكتیو در دسترس (حداكثر توان قابل تولید توسط باد) تنظیم شود. به این نوع اعمال محدودیت، محدودیت دلتای توان اكتیو گفته می شود كه كاربرد آن عموماً برای ایجاد یك مقدار توان به صورت رزرو چرخان است. در این حالت، در شرایط عادی، بخشی از انرژی بادی قابل تبدیل به برق بلااستفاده مانده و به هدر می رود. در كشورهایی كه دارای ضریب نفوذ بالای انرژی بادی هستند، معمولاً از نیروگاههای بادی برای كنترل فركانس در زمان افت فركانس استفاده می شود كه لازمه آن، در نظر گرفتن درصدی از توان اكتیو خروجی به عنوان رزرو می باشد. در مقابل، در كشورهای با ضریب نفوذ بادی پایین، این امر چندان رایج نیست. بنابراین، وجود ظرفیت رزرو برای نیروگاه بادی ضروری نیست.

 محدودیت نرخ تغییر توان اكتیو

یكی دیگر از محدودیتهای توان اكتیو در نیروگاه بادی، اعمال محدودیت بر روی نرخ تغییر توان خروجی (Ramp Rate Constraint) است. تعیین نرخ حداكثر برای توان اكتیو خروجی در یك شبكه به منظور عملكرد مطلوب (Smooth) آن شبكه انجام می شود. نیروگاه های بادی به صورت ذاتی توان ثابت تولید نمی كنند؛ زیرا توان خروجی آنها متناسب با سرعت باد است. تغییرات توان تولیدی نیروگاههای بادی توسط منابع دیگر موجود در شبكه (نیروگاههای سنتی) پوشش داده می شود. زمانی كه ضریب نفوذ نیروگاههای بادی در یك شبكه قدرت زیاد باشد، برنامه ریزی تولید (پیش بینی مقدار ظرفیت رزرو مورد نیاز) در نیروگاههای سنتی آن شبكه عموماً بر اساس توان پیش بینی شده نیروگاههای بادی انجام می گیرد .

 بر این اساس، حداكثر نرخ تغییر توان نیروگاه بادی معمولاً به اندازهای است كه منابع دیگر موجود در شبكه بتوانند افزایش/كاهش توان اكتیو را در زمان مناسب و با در نظر گرفتن یك مقدار منطقی به عنوان رزرو چرخان پاسخ دهند. بنابراین، در صورت توافق بین مالك نیروگاه بادی و بهره بردار شبكه، نیروگاه بادی می تواند قابلیت محدود كردن نرخ افزایش و/یا كاهش توان اكتیو خروجی خود بر روی مقادیر حداكثر را داشته باشد. در این صورت، این مقادیر باید بر حسب مگاوات بر دقیقه توسط بهره بردار شبكه مشخص و به بهره بردار نیروگاه اعلام شوند.

 سیستم كنترل فركانس

برای كنترل فركانس، ژنراتورها می توانند در دوره های زمانی كوتاه، توان خروجی خود را بر مبنای تغییرات فركانس شبكه تنظیم كنند. این در واقع متعادل كردن تولید و مصرف در یك دوره زمانی كوتاه است تا فركانس در یك بازه مشخص تنظیم شود. همان طور كه اشاره شد، مشاركت در كنترل فركانس نیازمند این است كه ژنراتور بتواند توان خروجی خود را تنظیم كند؛ در نتیجه، تمام ژنراتورها برای كنترل فركانس مناسب نیستند و قابلیت این كنترل نیز متفاوت است.

قابلیت ژنراتور بادی برای كنترل فركانس به طور مشخص به شرایط باد وابسته است؛ به این دلیل كه بدون باد توان خروجی برای تنظیم شدن در كار نخواهد بود. مسأله دیگر نوع توربین بادی است. ژنراتورهای بادی كه دیگر قدیمی(stall regulated cage rotor induction) شده اند نمی توانند توان خروجی خود را كنترل كنند و در  نتیجه، نمی توانند در كنترل فركانس مشاركت داشته باشند؛ در حالی كه توربینهای سرعت متغیر جدید و توربین های مجهز به تنظیم كنندهی گام(Pitch regulator) میتوانند توان خود را كنترل كنند.

از آنجا كه فركانس یك شاخص سراسری (global) در شبكه قدرت محسوب میشود، تمام ژنراتورها در هر نقطه از شبكه میتوانند بر روی آن تأثیر بگذارند. با این وجود، در برخی از كشورها نیروگاه های بادی در كنترل فركانس مشاركت می كنند و در برخی دیگر، از نیروگاه های بادی به این منظور استفاده نمی شود. نحوه مشاركت نیروگاه بادی در زمینه كنترل فركانس معمولاً با “منحنی توان اكتیو(%)-فركانس” مشخص می شود. در این منحنی، در محدوده فركانسی كه نیروگاه باید به شبكه متصل باقی بماند، حداكثر سه ناحیه كنترلی متفاوت می تواند وجود داشته باشد.

در ناحیه اول، كه فركانس از مقدار مجاز كمتر شده است، نیروگاه بادی، متناسب با افت فركانس، توان خروجی خود را تا مقدار حداكثر قابل تولید افزایش می دهد. برای اینكه نیروگاه بادی بتواند در این ناحیه كنترل فركانس انجام دهد، در شرایط عادی، درصدی از توان اكتیو به صورت رزرو چرخان در نظر گرفته می شود.

در ناحیه دوم، فركانس در محدودهی مجاز قرار دارد؛ این ناحیه یك باند مرده كنترلی است كه در آن نیروگاه درصد توان ثابت یا مقدار ثابتی را به دستور بهره بردار شبكه تولید میكند.

در ناحیه سوم، كه فركانس از مقدار مجاز بیشتر شده است، نیروگاه بادی، متناسب با افزایش فركانس، توان اكتیو خروجی خود را كاهش می دهد. به طور كلی، كنترل فركانس در شبكه قدرت در دو مد متفاوت انجام می گیرد:

كنترل در ناحیه اول (زمانی كه فركانس از حد مجاز كمتر است) و كنترل در ناحیه سوم (زمانی كه فركانس از حد مجاز بیشتر است).

زمانی كه تولید توان اكتیو در یك شبكه از مصرف آن بیشتر می شود، فركانس شبكه افزایش می یابد؛ در این شرایط، برای بازگرداندن فركانس به محدودهی عادی، ژنراتورهای موجود در شبكه توان اكتیو خروجی خود را كاهش می دهند. در دستورالعمل شبكه بسیاری از كشورها، مشاركت ژنراتورهای بادی در كاهش توان خروجی در زمان افزایش فركانس به صورت یك الزام قید شده است.

زمانی كه تولید توان اكتیو در یك شبكه از مصرف آن كمتر می شود، فركانس شبكه كاهش مییابد؛ در این شرایط، برای بازگرداندن فركانس به محدودهی عادی، ژنراتورهای موجود در شبكه توان اكتیو خروجی خود را افزایش می دهند.

نكته اساسی در مورد نیروگاههای بادی این است كه آنها باید در شرایط عادی، توانی كمتر از توان در دسترس خود را تولید كنند تا بتوانند در شرایطی كه فركانس شبكه افت میكند، به شبكه توان تزریق كنند. این مسأله به این دلیل مهم است كه قسمتی از انرژی بادی قابل تولید از دست می رود. در مورد ژنراتورهای دیگر، زمانی كه ژنراتور توانی پایین تر از ظرفیت نامی خود تولید می كند، می توان سوخت را ذخیره كرد؛ ولی در مورد باد نمی توان انرژی باد را ذخیره كرد و در نتیجه قسمتی از این انرژی در واقع به هدر میرود. به همین دلیل، در حالت كلی استفاده از نیروگاه بادی برای كنترل اولیه فركانس منطقی به نظر نمیرسد.

استفاده از نیروگاه بادی در این مد عمومیت كمتری نسبت به حالت افزایش فركانس دارد و بیشتر در كشورهایی كه دارای ضریب نفوذ بالای نیروگاههای بادی هستند مرسوم است.

الزامات توان راكتیو و ولتاژ

توان راكتیو را نمی توان در مسافتهای طولانی انتقال داد و به همین دلیل، نیازمندیهای مرتبط با توان راكتیو به صورت محلی مورد توجه قرار می گیرند. كنترل توان راكتیو معمولاً با كنترل ولتاژ شبكه و تأمین تقاضای توان راكتیو بارها مرتبط است. از نظر بهره بردار شبكه، نقش قابلیتهای توان راكتیو ژنراتورها در هر دو موضوع یادشده بسیار مهم است. در مورد ژنراتورهای سنكرون، معمولاً بهره بردار شبكه یك محدوده برای ضریب توان مورد نیاز تعیین می كند و ژنراتور مطابق دستور بهره بردار، توان راكتیو خود را به گونه ای تولید می كند كه ضریب توان در این محدوده باقی بماند.

در مورد نیروگاههای بادی، بهره بردار شبكه برای مسأله تنظیم ولتاژ نسبت به تأمین تقاضای توان راكتیو بار ها اهمیت بیشتری قائل است. در شبكه انتقال، مسأله ی توان راكتیو و ولتاژ نیروگاه بادی می تواند مشكل زا باشد. به عنوان مثال، انتقال مقدار زیادی توان تولیدشده توسط نیروگاه بادی در یك مسافت طولانی، می تواند منجر به پدید آمدن مشكلات جدی در زمینه كنترل ولتاژ شود.

در ارتباط با الزامات كنترل توان راكتیو و ولتاژ نیروگاه بادی، دو بحث كلی مطرح است: اول اینكه نیروگاه در چه مد كنترلی با شبكه تبادل توان راكتیو دارد و دوم اینكه محدوده مورد انتظار تولید/مصرف توان راكتیو توسط نیروگاه بادی چگونه است. این الزامات هم مربوط به حوزه اتصال و هم مربوط به حوزه بهره برداری هستند. قبل از اتصال نیروگاه بادی به شبكه، تستهای مرتبط با توان راكتیو و ولتاژ بر روی سیستم كنترلی نیروگاه انجام می شوند و در صورت عملكرد صحیح و برآورده شدن این الزامات، اجازه اتصال نیروگاه به شبكه صادر می شود. سپس، در هنگام بهره برداری از نیروگاه در شبكه، با توجه به همین الزامات از نیروگاههای بادی بهره برداری می شود.

شایان ذكر است كه طبق دستورالعمل ثابت بهره برداری شماره 3 (كنترل ولتاژ)، محدوده مجاز نوسانات ولتاژ در شرایط عادی بهر ه بردار ی 0.98 تا 1.02 پریونیک می باشد.

 مدهای كاری كنترل ولتاژ

همان طور كه پیشتر اشاره شد، كنترل توان راكتیو نیروگاههای بادی در شبكه انتقال بیشتر با هدف تنظیم ولتاژ انجام می شود تا برآورده كردن نیازهای راكتیو بار. تنظیم ولتاژ در شبكه، رابطه مستقیم با كنترل توان راكتیو دارد. با توجه به اتصال نیروگاههای بادی به شبكه انتقال، این انتظار از نیروگاه های بادی وجود دارد كه به اندازه ژنراتورهای سنكرون دارای قابلیتهای كنترل توان راكتیو باشند.

الزامات توان راكتیو در یك شبكه به مشخصات خود شبكه مربوط میباشد؛ در حالی كه میزان تأثیر تزریق توان راكتیو به یك نقطه از شبكه بر روی ولتاژ شبكه در آن نقطه، به ظرفیت اتصال كوتاه شبكه در آن نقطه بستگی دارد. در دستورالعمل شبكه بیشتر كشورها، بهره بردار شبكه یك مقدار مرجع (Set-point) برای ولتاژ یا ضریب توان یا توان راكتیو در نقطه اتصال نیروگاه بادی به شبكه تعریف می كند. به طور كلی، سه مد كنترل ولتاژ – توان راكتیو وجود دارند كه عبارتند از تنظیم توان راكتیو، تنظیم ضریب توان و تنظیم ولتاژ.

با توجه به اینكه مدهای كنترل ولتاژ – توان راكتیو دو به دو به یكدیگر وابسته هستند، نیروگاه بادی در هر لحظه تنها در یكی از این سه مد می تواند كار كند.

در مد تنظیم توان راكتیو، توان راكتیو خروجی، مستقل از توان اكتیو نیروگاه، در یك مقدار مشخص تثبیت می شود. نیروگاه بادی سیگنال مرجع توان راكتیو را با دقت مشخصی دریافت می كند و مشابه توان اكتیو، توان راكتیو خود را دراین مقدار تثبیت می نماید.

در مد تنظیم ضریب توان، توان راكتیو متناسب با توان اكتیو تنظیم میشود تا ضریب توان بر روی یك مقدار ثابت تنظیم شود. در مد تنظیم ولتاژ، به طور معمول مقدار مرجع ولتاژ توسط بهره بردار شبكه تعیین می شود و نیروگاه بادی، ولتاژ خود را بر روی آن تنظیم می نماید. در برخی از كشورها، به جای مرجع ولتاژ، یك محدوده مشخص بین ولتاژ حداقل و حداكثر به همراه منحنی دروپ ولتاژ-توان راكتیو ارائه می شود. طبق این منحنی، ولتاژنیروگاه بادی با شیب مشخص و متناسب با توان راكتیو خروجی تنظیم می شود.

در شبكه انتقال، استفاده از نیروگاههای بادی در مد تنظیم ولتاژ عمومیت بیشتری نسبت به مدهای تنظیم توان راكتیو و تنظیم ضریب توان دارد. یكی از دلایل این امر آن است كه نیروگاه های بادی معمولاً در نقاط دور از مصرف احداث می شوند. خطوط طولانی میان تولیدكننده و مصرف كننده و افزایش تلفات یا افزایش احتمالی ولتاژ – در نتیجه عبور توان راكتیو- سبب می شود كه نیروگاههای بادی ملزم به تنظیم ولتاژ خروجی خود در نقطه اتصال به شبكه شوند.

تنظیم ولتاژ عموماً به دو طریق انجام میشود: تنظیم كننده خودكار ولتاژ (AVR) و تپ ترانسفورماتور . البته تنظیم كننده خودكار ولتاژ ممكن است قابل اجرا بر روی تمامی انواع توربین ها نباشد؛ در این شرایط، معمولاً چگونگی تنظیم ولتاژ نقطه اتصال نیروگاه بادی به شبكه بر عهده بهره بردار نیروگاه بادی گذارده می شود.

بنابراین، نیروگاه بادی باید مجهز به سیستم AVR بوده و بتواند در مد تنظیم ولتاژ كار كند. در این مد، نیروگاه بادی باید قابلیت تنظیم ولتاژ نقطه اتصال بر روی یك مقدار مرجع را داشته باشد. مقدار مرجع ولتاژ توسط بهر ه بردار شبكه تعیین میشود. چنان چه بهره برداری در مد تنظیم توان راكتیو یا تنظیم ضریب توان مورد نیاز باشد، این مسأله باید در توافق نامه بین مالك نیروگاه بادی و بهره بردار شبكه قید شود.

 محدوده ضریب توان

همانند ژنراتورهای سنكرون، انتظار می رود كه نیروگاههای بادی نیز در محدوده مشخصی از ضریب توان كار كنند. درحالی كه ژنراتورهای سنكرون دارای قابلیتهای ذاتی خوبی در تولید و كنترل توان راكتیو خود می باشند، این قابلیت در مورد بسیاری از ژنراتورهای القایی به كار رفته در نیروگاه های بادی ضعیف تر است. یك ژنراتور القایی، به صورت ذاتی از شبكه برق یا خازنهایی كه به آن متصل شده توان راكتیو جذب می كند.

علاوه بر این، خود نیروگاه بادی ممكن است دارای یك شبكه كابلی قابل توجه با مشخصههای راكتیو مختص به خود باشد كه این میتواند در توانهای اكتیو متفاوت، بر روی قابلیتهای راكتیو آن تأثیرگذار باشد. با توجه به نیاز برای هماهنگی نیروگاه های بادی با سایر ادوات و ژنراتورهای موجود در شبكه، سازندگان توربین بادی و مالكان نیروگاه های بادی برخی قابلیت های حداقلی را در مورد توان راكتیو برآورده می نمایند. این قابلیتها، كه معمولاً به صورت یك بازه یا محدوده برای ضریب توان مورد نیاز مطرح می شو ند، می توانند توسط خود توربین بادی یا ادوات خارجی متصل به نیروگاه بادی (مانند خازن یا ادوات FACTS) تامین شوند.

آنچه مسلم است، هرچه قابلیت راكتیو مورد انتظار از نیروگاه بادی بیشتر شود (به این معنی كه ژنراتور یا نیروگاه بادی برای اتصال به شبكه ملزم به فراهم كردن بازه وسیعتری از ضریب توان شود)، هزینه ساخت توربین و احداث نیروگاه افزایش می یابد. این افزایش هزینه شامل هزینه ساخت توربین با قابلیتهای بالاتر، افزودن ادوات جبران ساز دیگر به نیروگاه بادی به دلیل قابلیتهای محدود توربینهای بادی و حتی تغییر سطح عایقی ادوات نیروگاه و نیاز به طراحی مناسب می باشد. در واقع، افزایش قابلیتهای مورد نیاز در ارتباط با توان راكتیو، مطلوب مالك نیروگاه بادی نیست. این در حالی است كه بهره بردار شبكه، برای برآورده كردن نیازهای راكتیو و ایجاد انعطاف در بهر ه برداری از شبكه خود، تمایل دارد قابلیتهای بیشتری از نیروگاههای بادی درخواست كند. در این زمینه، بهره بردار شبكه ، برای كاستن از هزینه های تحمیلی به مالك نیروگاه، حداقلهای مورد نیاز شبكه خود در ارتباط با توان راكتیو را در نظر می گیر د و بر این اساس، قابلیتهای حداقلی را از نیروگاه بادی طلب می كند.

دستورالعملهای شبكه كشورها، عموماً یك محدوده را برای ضریب توان نیروگاههای بادی تعیین میكنند. در برخی از دستورالعملها، این محدوده صرفاً با بیان دو مقدار برای ضریب توانهای مجاز پیش فاز و پسفاز مشخص گردیده است؛ در این حالت، قابلیتهای راكتیو مورد انتظار از نیروگاه بادی در محدودهای متناسب با توان اكتیو خروجی مطرح می شود. این قابلیت، عموماً در نقطه اتصال و در بیشتر موارد (به استثنای چند كشور) در سمت فشار قوی ترانسفورماتو ر اصلی نیروگاه بادی تعریف می شود. در برخی دیگر از دستورالعمل ها، این محدوده با جزئیات بیشتری نظیر تعیین ضریب توان مجاز در شرایط كاهش یا افزایش ولتاژ شبكه و یا در شرایط كم باری و … مشخص شده است.

بنابراین، نیروگاه بادی باید قابلیت تولید توان اكتیو نامی در هر ضریب توان بین 0.9 پس فاز و تا 0.95 پیشفاز را داشته باشند.

تأمین دینامیك توان راكتیو

طبق دستورالعمل شبكه بیشتر كشورها، بخشی از توانایی راكتیو مورد نیاز توسط توربین بادی و بخشی دیگر توسط سایر ادوات جبران ساز توان راكتیو (مانند ادوات FACTSو خازن های سوئیچ شونده) تأمین میشود. تركیب انواع مختلف توربین ها با قابلیتهای متفاوت در كنار ادوات جبران ساز، انعطاف پذیری بالایی به تأمین توان راكتیو می دهد. با توجه به این كه تأمین توان راكتیو در نیروگاه های بادی عمدتاً برای كنترل ولتاژ مورد نیاز است، حداقل بخشی از تأمین توان و تأمین FACTS راكتیو می تواند به صورت دینامیك باشد. تأمین دینامیك توان راكتیو توسط توربین بادی و ادوات استاتیك توان راكتیو از طریق خازن های سوئیچ شونده صورت می گیرد. در دستورالعمل شبكه برخی كشورها، محدوده ای را برای كنترل دینامیك توان راكتیو در درون محدوده مورد نیاز ضریب توان مشخص شده است؛ در حالی كه در دستورالعمل شبكه برخی دیگر از كشورها، چنین محدوده ای در نظر گرفته نشده است. بنابراین این امر كه توان راكتیو مورد نیاز در چه بازه ای از ضریب توان باید به صورت دینامیك تأمین شود، باید در توافق نامه بین مالك نیروگاه بادی و بهره بردار شبكه قید شود.

 محدوده توان اكتیو برای رعایت ضریب توان

تأمین توان راكتیو در بار كم یا بی باری برای توربین های سرعت متغیر، كه با مبدل به شبكه متصل می شوند، رایج است؛ با این وجود، این توربین ها لزوماً قادر به حفظ ضریب توان خود در محدوده مجاز، از توان اكتیو صفر تا توان اكتیو حداكثر، نمی باشند. اصرار بر وجود چنین الزامی ممكن است منجر به نیاز برای نصب جبران سازهای راكتیو دیگری در نیروگاه بادی شود. مسأله توجیه پذیری وجود این قابلیت اضافی از اهمیت زیادی برخوردار است. واضح است كه با تولید توان اكتیو، نیروگاه بادی باید در كنترل ولتاژ شبكه نیز مشاركت كند؛ با این حال، اگر نیروگاه بادی از شبكه حذف شود، اثر آن شبیه به تولید توان راكتیو صفر در توان اكتیو صفر می باشد. این امر نشان می دهد كه الزام یك نیروگاه بادی به تولید توان راكتیو در بی باری (توان اكتیو صفر) به معنی در نظر گرفتن عملكرد آن فراتر از یك تولیدكننده برق است. این امر ممكن است در ضریب نفوذ بالا قابل توجیه باشد؛ اما در ضریب نفوذ پایینتر به راحتی قابلیت دفاع ندارد. بنابراین، در دستورالعمل برخی كشورها حداقلی از توان اكتیو تعیین می شود كه رعایت محدوده ضریب توان، تنها از توان اكتیو حداقل تعیین شده تا توان اكتیو حداكثر الزامی باشد.

بنابراین، در توافق نامه میان مالك نیروگاه و بهره بردار شبكه باید قید شود كه بازه ضریب توان مورد نیاز، حداقل تا چه درصدی از توان اكتیو در دسترس، لازم است توسط نیروگاه بادی تأمین شود.

الزامات حفاظت و تحمل خطا

در گذشته، نیروگاه های بادی به صورت منابع تولید پراكنده مورد استفاده قرار می گرفتند. به دلیل كوچك بودن نیروگاه های بادی و تأثیر كم این نیروگاه ها بر روی شبكه، نصب سیستمهای كنترلی و حفاظتی پیچیده صرفه اقتصادی نداشت. در این سالها، از نظر حفاظت، تنها حفاظت نیروگاه بادی مطرح بود؛ به این معنی كه تجهیزات نیروگاه بادی (تمامی تجهیزات مانند ژنراتور، ترانسفورماتور و غیره) دارای حفاظت مناسب بودند؛ اما نیروگاه از نظر كاركرد موازی با شبكه دارای حفاظت خاصی نبود و تنها محدودیتهای شبكه به عنوان معیار حفاظتی در نظر گرفته می شد. این محدودیتها در واقع شامل محدودیت های ولتاژ و فركانس شبكه در نقطه اتصال نیروگاه بادی به شبكه هستند.

طبق این محدودیت ها، در صورتی كه فركانس یا ولتاژ نقطه اتصال نیروگاه بادی به شبكه از محدوده مجاز قابل تحمل خارج شود، نیروگاه بادی از شبكه جدا می شود. بر این اساس، در صورت وقوع هرگونه تغییر در شبكه، چه در حالت كاركرد عادی شبكه (تغییرات بار، ورود و خروج خط و غیره) و چه در حالت گذرای شبكه (خطاهای متقارن و یا نامتقارن)، كه منجر به خروج ولتاژ و فركانس شبكه از محدوده مجاز قابل تحمل می شد، نیروگاه های بادی از شبكه جدا می شدند.

اما در سالهای اخیر، نیروگاه های بادی بزرگ با ظرفیت بالا در بسیاری از كشورها نصب و راه اندازی شده است . بر اساس مطالعات صورت گرفته در این كشورها، نشان داده شده است كه تنظیمات حفاظتی قبلی (صرفاً محدوده مجاز قابل تحمل برای ولتاژ و فركانس)، در صورت وقوع هر گونه تغییری در شبكه، می تواند باعث خروج حجم بالایی از نیروگاه های بادی شود. این امر می تواند احتمال ناپایداری و یا فروپاشی ولتاژ در شبكه را افزایش دهد؛ بنابراین، نیروگاه های بادی بزرگ تنها تحت شرایط معینی می توانند از شبكه جدا شوند و در سایر موارد، متصل به شبكه باقی می مانند.

در این بخش، الزامات حفاظتی مربوط به نیروگاه بادی ارائه می شوند. این الزامات شامل سه قسمت هستند:

  • سیستم های حفاظتی كه باید در یك نیروگاه بادی وجود داشته باشند
  • نحوه عملكرد سیستم حفاظتی در برابر تغییرات آرام ولتاژ
  • نحوه عملكرد سیستم حفاظتی در برابر تغییرات فركانس.

 علاوه بر آن، الزامات مربوط به نحوه تحمل تغییرات شدید در شبكه (تحمل خطا) نیز در این بخش ارائه می شوند. برخی از این الزامات صرفاً مربوط به حوزه اتصال و برخی دیگر مربوط به هر دو حوزه اتصال و بهره برداری هستند.

الزامات سیستمهای حفاظتی، حفاظت در برابر تغییرات فركانس، حفاظت در برابر تغییرات آرام ولتاژ و تحمل خطا مربوط به حوزه اتصال هستند. در واقع، نیروگاه باید به سیستم های حفاظتی مربوطه مجهز باشد تا در صورت بروز حادثه در سمت شبكه و تشخیص حالت قطع، نیروگاه از شبكه جدا شود؛ همچنین، این سیستم های حفاظتی باید دارای تنظیمات ویژه و قابلیت های مورد نظر بهره بردار شبكه باشند؛ به گونه ای كه قادر باشند مطابق با كاركرد مورد نظر بهره بردار شبكه (در شرایط عادی و در شرایط بروز خطا) عمل كنند.

بنابراین قبل از اتصال نیروگاه بادی به شبكه، باید با بررسی این سیستم ها و تنظیمات و قابلیت های آنها، از عملكرد درست سیستم های حفاظتی اطمینان حاصل كرد. در عین حال، حفاظت در برابر تغییرات فركانس، حفاظت در برابر تغییرات آرام ولتاژ و تحمل خطا مربوط به حوزه بهره برداری نیز می شوند. در واقع، در هنگام بهره برداری شبكه، سیستم های حفاظتی باید به همان گونه ای كه توسط بهره بردار شبكه مشخص شده بود در برابر خروج ولتاژ و فركانس از محدوده قابل تحمل واكنش نشان دهند.

 سیستم های حفاظتی مورد نیاز

برای حفاظت نیروگاه بادی، رعایت موارد ذیل ضروری است. قبل از اتصال نیروگاه بادی به شبكه و بهره برداری از آن، باید از صحت كار سیستم های حفاظتی ذكرشده اطمینان حاصل نمود:

  • نیروگاه بادی باید توسط حداقل یك كلید قدرت به شبكه متصل گردد. این كلید باید قابلیت تحمل حداكثر جریان اتصالی در نقطه اتصال به شبكه را مطابق با استاندارد 37.013 IEEE C داشته باشد.
  • نیروگاه بادی متصل به شبكه در سطح ولتاژ 400 و 230 كیلوولت باید مجهز به دو سیستم حفاظت اصلی و نیروگاه بادی متصل به شبكه 132 كیلوولت و پایین تر باید حداقل مجهز به یك سیستم حفاظت اصلی باشد.
  • نیروگاه بادی باید علاوه بر سیستم حفاظت اصلی، مجهز به سیستم حفاظت پشتیبان باشد تا در صورت عملكرد نادرست سیستم حفاظت اصلی، اتصالی توسط سیستم حفاظت پشتیبان بر طرف گردد.
  • كلیه كلید های قدرت در نقطه اتصال نیروگاه بادی به شبكه باید مجهز به حفاظت عیب كلید(Circuit Breaker Failure) باشند. در صورت ناموفق بودن سیستم حفاظت اصلی به دلیل عیب در كلید، حفاظت عیب كلید باید در طی مدت زمانی كه توسط بهره بردار شبكه تعیین می شود، كلیه كلید های مربوط به مدار های مجاور كلید معیوب را قطع نماید .به عنوان یك پیشنهاد، این زمان را می توان برابر 150 میلی ثانیه در نظر گرفت.
  • نیروگاه بادی باید به حفاظت های ولتاژ بالا/ پایین(Over/ Under Voltage) و فركانس بالا/ پایین(Over/ Under Frequency) مجهز باشد.
  • نیروگاه بادی باید به حفاظت اضافه جریان(Over Current) و خطای زمین مجهز گردد.
  • نیروگاه بادی باید به حفاظت نامتعادلی(Unbalance) ولتاژ و جریان مجهز گردد.
  • نیروگاه بادی باید به حفاظت دیفرانسیل برای ترانسفورماتور اتصال به شبكه خود مجهز باشد.
  • نیروگاه بادی باید به حفاظت بانك خازنی مجهز گردد.
  • در صورتی كه بهره بردار شبكه نصب سیستم های حفاظتی تله پروتكشن را در پست بلافصل نیروگاه بادی ضروری تشخیص دهد، مالك نیروگاه موظف به نصب این سیستم ها می باشد.
  • نیروگاه بادی باید دارای سیستم حفاظت صاعقه بر اساس استاندارد IEC 61400-24باشد.
  • سیستم زمین نیروگاه بادی باید مطابق با فصل نهم استاندارد IEC 61400-24طراحی شود.
  • سیستم حفاظت نیروگاه بادی برای عملكرد درست باید هماهنگ با سیستم حفاظت شبكه تنظیم شود.

عملكرد سیستم حفاظتی در برابر تغییرات آرام ولتاژ

در شرایط كار عادی، خطا در شبكه رخ نداده و شبكه در حالتی پایدار به سر می برد؛ اما در این شرایط، امكان بروز تغییراتی نظیر ورود و خروج بار یا خروج خط (مثلاً برای تعمیرات) وجود دارد و ممكن است در اثر این تغییرات، ولتاژ شبكه از محدوده مجاز خارج شود. افزایش یا كاهش ولتاژ شبكه موجب صدمه زدن به برخی از اجزاء (مانند ژنراتور ها) می شود. برای جلوگیری از آسیب زدن به شبكه، سیستم های حفاظتی مناسبی برای نیروگاه بادی در نظر گرفته می شود.

منظور از تغییر آرام ولتاژ، تغییر ولتاژ در شرایط كار عادی است. حفاظت نیروگاه بادی در برابر تغییرات آرام ولتاژ عبارت است از رعایت محدوده مجاز تغییرات ولتاژ شبكه در شرایط كار عادی. بر این اساس، در صورتی كه ولتاژ نیروگاه بادی از محدوده مجاز قابل تحمل خارج شود، نیروگاه از شبكه جدا می شود. این محدوده مجاز در دستورالعمل شبكه كشورهای مختلف متفاوت بوده و بر اساس قابلیت و توانایی هر شبكه تعیین می شود.

بنابراین، در صورت تغییر آرام ولتاژ، نیروگاه بادی باید مطابق با جدول زیر عمل نماید. در این جدول حالت بار خانگی(House Load)، جدا شدن از شبكه و در مدار بودن كلیه تجهیزات نیروگاه با استفاده از توان تولیدشده توسط ژنراتورها جهت تأمین مصرف داخلی نیروگاه می باشد.

اتصال نیروگاه بادی به شبکه برق

محدوده تغییرات ولتاژ برای اتصال نیروگاه بادی

 عملكرد سیستم حفاظتی در برابر تغییرات فركانس

نیروگاه بادی، مانند نیروگاه های سنتی، در نقطه اتصال خود به شبكه دارای محدودیت در برابر تغییرات فركانس می باشد. در دستورالعمل شبكه كشورها، محدوده تغییرات فركانس متفاوت بوده و بر اساس قابلیت شبكه تعیین می شود. در مورد برخی از كشورها، خروج از این محدوده در برخی شرایط (مثلاً برای زمان خاص و یا در سطح ولتاژ خاص) مجاز شمرده می شود و نیروگاه بادی در این شرایط در حالت متصل به شبكه باقی می ماند. همچنین، در دستورالعمل شبكه برخی از كشورها، معیار بسیار ساده ای (تنها محدوده فركانس مجاز) برای محدوده تغییرات فركانس در نظر گرفته شده است؛ در صورتی كه در برخی از كشورهای دیگر، محدوده تغییرات فركانس همراه با تغییرات ولتاژ و توان خروجی نیروگاه در نظر گرفته شده است كه دارای پیچیدگی بیشتری است.

بنابراین، در صورت تغییر فركانس، نیروگاه بادی باید مطابق جدول زیر عمل نمایید. دراین جدول تعریف حالت بار خانگی همان تعریف ذکرشده در بخش قبل است.

اتصال نیروگاه بادی به شبکه برق

محدوده تغییرات فركانس برای اتصال نیروگاه بادی

تحمل خطا

تحمل خطا عبارت است از عملكرد نیروگاه در حالت متصل به شبكه در صورتی كه ولتاژ شبكه در اثر وقوع هر گونه خطا (اتصال كوتاه متقارن و نامتقارن) با كاهش روبرو شود. در صورت وقوع خطا در نقطه ای از شبكه، ولتاژ در سطح شبكه كاهش پیدا می كند؛ به گونه ای كه بیشترین افت ولتاژ در محل وقوع خطا خواهد بود و با دور شدن از محل خطا، ولتاژ به تدریج افزایش پیدا می كند. در اثر وقوع خطا، بسته به محل خطا و مقاومت خطا، ولتاژ می تواند به صفر هم برسد. اگر تحمل خطا برای نیروگاه ها در نظر گرفته نشود، در اثر بروز خطا در شبكه، تعداد زیادی از آن ها از شبكه جدا می شوند؛ به همین دلیل، معمولاً تحمل خطا برای نیروگاه های سنتی در نظر گرفته می شود.

در گذشته، برای نیروگاه های بادی تحمل خطا لحاظ نمی شد و تنها محدوده ولتاژ مجاز قابل تحمل شبكه در نظر گرفته می شد. در صورت وقوع خطا، آن دسته از نیروگاه های بادی كه ولتاژ نقطه اتصال آن ها از محدوده مجاز قابل تحمل شبكه خارج شده بود، از شبكه جدا می شدند. اما با توجه رشد نیروگاه های بادی در شبكه، این رویه دیگر كارآمد نیست. زیرا در صورت بروز خطا، اگر نیروگاه های بادی از قابلیت تحمل خطا برخوردار نباشند، تعداد زیادی از نیروگاه ها از شبكه جدا می شوند و بخش قابل توجهی از تولید شبكه از دست می رود كه ممكن است مشكلات جدی برای شبكه به وجود آورد. به همین دلیل، در دستورالعمل شبكه بسیاری از كشورها، قابلیت تحمل خطا برای نیروگاه بادی الزامی شده است.

بنابراین، تحمل خطا در مورد نیروگاه بادی متصل به سطوح ولتاژ 63 و 66 كیلوولت الزامی نیست و تنها در صورت تشخیص بهره بردار شبكه الزامی خواهد بود. در مورد نیروگاه بادی متصل به سطوح ولتاژ 132 كیلوولت و بالاتر ، تحمل خطا الزامی است. زمان تحمل خطا توسط نیروگاه بادی باید حداقل برابر با زمان رفع خطا در شبكه باشد و در طول این مدت، نیروگاه نباید از شبكه جدا شود. زمان رفع خطا در شبكه مطابق با جدول زیر می باشد.

سایر موارد(مانند میزان مجاز افت ولتاژ و زمان بازیابی ولتاژ پس از رفع خطا) بر اساس توافق نامه بین مالك نیروگاه بادی و بهره بردار شبكه

تعیین می شوند. در صورت توافق بین مالك نیروگاه بادی و بهره بردار شبكه، مدت زمان رفع خطا را می توان افزایش داد؛ ولی در هر صورت، زمان های افزایش یافته رفع خطا طبق توافق نامه نباید بیش از 20 درصد طولانی تر از زمان های ذکر شده در جدول زیر باشد.

اتصال نیروگاه بادی به شبکه برق

زمان رفع خطا برای سطوح مختلف ولتاژی شبكه ایران

الزامات كیفیت توان

كیفیت برق، مبحثی است كلی كه با تغییر خصوصیات و مشخصات انرژی الكتریكی سر و كار دارد. كیفیت مناسب برق، نشان دهنده وضعیت مناسب تغییرات یا اعوجاج یا اغتشاش در كمیتهای ولتاژ، جریان و فركانس می باشد. اگر كمیت های یادشده وضعیت مناسبی نداشته باشند، كیفیت برق نامناسب خواهد بود كه می تواند خرابی و یا عملكرد نادرست تجهیزات شبكه و مشتركین را به دنبال داشته باشد. كیفیت برق شامل مسائل مهمی نظیر هارمونیك ها، فلیكر و…  می باشد.

نیروگاه های بادی بر اساس ساختارشان با نیروگاه های سنتی كه فقط شامل یك ژنراتور سنكرون هستند، تفاوت زیادی دارند؛ زیرا معمولاً شامل ادوات الكترونیك قدرت هستند و همین ویژگی، می تواند تأثیرات آن ها را بر روی شبكه برق متمایز نماید. از آنجا كه سرعت و جهت باد یك متغیر نامعین است، اگر نیروگاه بادی كنترل كننده های ویژه ای نداشته باشد، توان تولیدی كاملاً به طور اتفاقی تغییر خواهد كرد؛ به همین دلیل، معمولاً از مبدل الكترونیك قدرت برای اتصال توربین بادی به شبكه استفاده می شود. به همین دلیل، مسأله كیفیت توان برای اتصال نیروگاه های بادی به شبكه اهمیت زیادی دارد.

در این بخش به بررسی الزامات كیفیت توان نیروگاه بادی، كه شامل چهار محور مهم فلیكر ولتاژ، نامتعادلی ولتاژ، هارمونیك ها و هارمونیك های میانی(Interharmonics) می باشند، پرداخته می شود. این الزامات هم مربوط به حوزه اتصال و هم مربوط به حوزه بهره برداری هستند؛ قبل از اتصال به شبكه، با داشتن تعداد توربین ها و مشخصات توربین ها و با انجام محاسبات ریاضی، شاخص های مربوط به هریك از محورهای كیفیت توان محاسبه و بررسی می شود كه مقادیر محاسبه شده در محدوده مجاز قرار داشته باشند. سپس، در هنگام بهره برداری از نیروگاه بادی در شبكه، مقادیر واقعی شاخص های كیفیت توان باید در محدوده مجاز قرار داشته باشند.

 فلیكر ولتاژ

فلیكر به تأثیر زودگذری كه یك منبع روشنایی بر روی حس بینایی انسان ایجاد می كند، به گونه ای كه طیف فركانسی یا شدت روشنایی آن تغییر كند، اطلاق میگردد. طبق تعریف، فلیكر ولتاژ به تغییرات سریع و نوسانات ولتاژ به دلیل تغییر در بار مصرفی و یا كلیدزنی گفته می شود. فلیكر ولتاژ اغلب خود را به صورت سوسو زدن لامپ ها نشان می دهد. از عوامل اصلی تولید این پدیده بارهای صنعتی، ماشین های جوش كاری، كارخانه نورد آهن و كوره های قوس الكتریكی می باشند.

فلیكر ولتاژ می تواند نور خروجی لامپ های رشته ای را به میزان زیادی كاهش دهد؛ اما در مورد نور لامپ های گازی (تخلیه ای) تأثیر كمتری از خود نشان می دهد. به علاوه، نوسان ولتاژ می تواند روی گیرنده های تلویزیونی، وسایل كنترل الكترونیكی و كامپیوترها نیز تأثیر بگذارد.

برای اندازه گیری فلیكر از دستگاهی استفاده می شود كه برای محاسبه دو شاخص به كار می رود: شاخص كوتاه مدت فلیكر و شاخص بلندمدت فلیكر. شاخص كوتاه مدت فلیكر، به میزان شدت فلیكر در یك دوره زمانی 10 دقیقه ای گفته می شود. وقتی این شاخص برابر یك است، میزان فلیكر در آستانه آزاردهی چشم انسان می باشد. شاخص بلندمدت فلیكر، به میزان شدت فلیكر در یك دوره زمانی 2 ساعته گفته می شود. الزامات مربوط به فلیكر در دستورالعمل شبكه بسیاری از كشورها ارائه شده است.

در كشور ایران استانداردی وضع شده كه بر اساس آن، حداكثر میزان فلیكر ولتاژ اندازه گیری شده در حالت های 0.8 و 0.6 باشد. این اغتشاش برای مولدهای بادی نیز در همین محدوده مجاز می باشد.

 نامتعادلی ولتاژ

نامتعادلی یا عدم تعادل ولتاژ، به حالتی گفته می شود كه مقادیر ولتاژ سه فاز با یكدیگر متفاوت بوده و یا اختلاف فاز120 درجه بین فازها وجود نداشته باشد. منشأ اصلی ایجاد نامتعادلی ولتاژ، وجود بارهای تك فاز در شبكه و توزیع غیریكنواخت آن ها روی سه فاز است. از دیگر دلایل ایجاد نامتعادلی ولتاژ می تواند سوختن فیوز یكی از فازهای سیستم تغذیه یا وجود كوره های القایی در بار مصرف كنندگان بزرگ باشد. نامتعادلی ولتاژ می تواند تأثیرات قابل ملاحظه ای در ژنراتورها به وجود آورد. همچنین، این پدیده اثرات حرارتی نامناسبی را روی برخی تجهیزات، مانند موتورها و ترانسفورماتورها، ایجاد می نماید كه ممكن است موجب آسیب دیدگی این تجهیزات شود.

برای اندازه گیری این پدیده از شاخصی به نام درصد نامتعادلی ولتاژ استفاده می شود. برای این شاخص، دو تعریف ارائه شده است. طبق تعریف اول، درصد نامتعادلی ولتاژ برابر است با نسبت مقدار مؤلفه توالی منفی یا صفر ولتاژ به مؤلفه توالی مثبت آن ضرب در 100.

 طبق تعریف دوم، درصد نامتعادلی ولتاژ برابر است با قدرمطلق تفاضل بین حداكثر و حداقل ولتاژ خط سه فاز تقسیم بر میانگین ولتاژ خط ضرب در 100.  در این نشریه از تعریف اول برای نامتعادلی ولتاژ استفاده شده است. الزامات مربوط به نامتعادلی ولتاژ در دستورالعمل شبكه برخی از كشورها نیز ارائه شده است. در این نوع مولدها، درصد نامتعادلی ولتاژ باید حداكثر برابر با 1 درصد باشد.

 هارمونیك ها

زمانی كه سری فوریه یك كمیت متناوب تشكیل گردد، به مؤلفه های فركانسی با مرتبه بزرگتر از یك در این سری، هارمونیك گفته می شود. در شبكه برق، هارمونیك ها، ولتاژها یا جریان های سینوسی هستند كه فركانس آن ها مضربی

صحیح از فركانس نامی شبكه است. میزان اعوجاج هارمونیكی ولتاژ یا جریان، با استفاده از طیف كامل هارمونیكی شكل موج مربوطه توصیف می شود كه در آن، هر مؤلفه هارمونیكی به شكل مجزا با دامنه و زاویه فاز خود مشخص می گردد. برخی از بارها (مانند بارهای غیرخطی، تجهیزات الكترونیكی مدرن و …) جریان های هارمونیكی به شبكه تزریق می كنند كه می توانند باعث ایجاد هارمونی كهای ولتاژ شوند. این جریان ها و ولتاژهای هارمونیكی سبب اضافه حرارت در تجهیزات،

ترانسفورماتورها و هادی های حامل جریان و عملكرد نامناسب تجهیزات حفاظتی (مانند فیوزها ) می شوند. همچنین، ممكن است تشدید هارمونیكی به وجود آورند كه می تواند موجب خرابی و آسیب دیدگی تجهیزات شبكه شود. محدودیت هارمونیكی مربوط به هارمونیك های ولتاژ و هارمونیك های جریان است و در هریك از این موارد، به صورت محدودیت بر روی تك تك هارمونیك ها و نیز محدودیت بر روی اعوجاج كلی ارائه می شود. اعوجاج تكی ولتاژ یا جریان نیز به صورت نسبت دامنه هریك از هارمونیك ها به دامنه هارمونیك اصلی بر حسب درصد تعریف می شود. برای این نوع مولدها، حدود مجاز هارمونیك ها باید مطابق با جداول زیر باشد.

اتصال نیروگاه بادی به شبکه برق

حداكثر حدود مجاز هارمونیك های جریان برای سطح ولتاژ 230 و 400 كیلوولت

 

اتصال نیروگاه بادی به شبکه برق

حداكثر حدود مجاز هارمونیك های جریان برای سطح ولتاژ 63 و 132 كیلوولت


اتصال نیروگاه بادی به شبکه برق

حداكثر حدود مجاز هارمونیك های ولتاژ

 

هارمونیك های میانی

هارمونیك میانی، مؤلفه فركانسی یك كمیت متناوب است كه فركانس آن مضرب غیرصحیحی از فركانس اصلی آن كمیت باشد. در شبكه برق، هارمونیك های میانی، ولتاژها یا جریان های سینوسی هستند كه فركانس آن ها مضرب غیرصحیحی از فركانس اصلی شبكه است. هارمونیك های میانی می توانند در شبكه های با سطوح مختلف ولتاژ ظاهر شوند. منبع اصلی تولید آن ها مبدل های فركانسی، برخی یكسوكننده ها، موتورهای القایی و كوره های القایی هستند .سیگنال های مخابراتی كه از طریق هادی های انتقال انرژی الكتریكی منتقل می شوند نیز می توانند به نوعی هارمونیك میانی در نظر گرفته شوند. هارمونیك های میانی در گیرنده های كنترل ریپل تأثیرات نامناسبی می گذارند و همچنین اثرات نامطلوبی در موتورهای الكتریكی و كوره های قوس الكتریكی دارند. در این نوع مولدها، حد مجاز برای هر هارمونیك میانی برابر0.2 درصد ولتاژ نامی است.

الزامات مدل سازی، پایش، كنترل، ارتباطات و ثبت وقایع

در این فصل به الزامات مربوط به مدل سازی، پایش، كنترل، ارتباطات و ثبت وقایع پرداخته می شود. برخی از این الزامات صرفاً مربوط به حوزه اتصال و برخی دیگر مربوط به هر دو حوزه اتصال و بهره برداری هستند. الزامات مدل سازی مربوط به حوزه اتصال هستند و قبل از اتصال نیروگاه بادی به شبكه، باید مدل آن آماده و بررسی شده باشد . الزامات پایش، كنترل و ارتباطات مربوط به هر دو حوزه اتصال و بهره برداری هستند.

ایجاد زیرساخت های مخابراتی لازم برای ارسال یا دریافت سیگنال های مورد نظر مربوط به حوزه اتصال است؛ اما در هنگام بهره برداری از شبكه، دریافت و ارسال سیگنال ها باید به درستی انجام شود. به همین صورت، الزامات ثبت وقایع مربوط به هر دو حوزه اتصال و بهر ه برداری هستند. ایجاد زیرساخت های لازم برای ثبت سیگنال های مورد نظر مربوط به حوزه اتصال است؛ اما در هنگام بهره برداری از شبكه، ثبت این سیگنال ها باید به درستی انجام شود.

 مدل سازی

افزایش نفوذ نیروگاه های بادی در شبكه، نیاز به مطالعات جامع درباره تأثیر نیروگاه های بادی بر شبكه را افزایش داده است. این امر، مستلزم مشخص بودن اطلاعا ت توربین های بادی به منظور ارایه مدلی مناسب جهت استفاده در نرم افزارهای تحلیل شبكه است. توربین های بادی مدرن متصل به شبكه در دو حالت سرعت ثابت و سرعت متغیر بهره برداری می شوند و ژنراتور آن ها می تواند ژنراتور سنكرون و یا القایی باشد؛ همچنین، این توربین ها معمولاً همراه با مبدل های الكترونیك قدرت هستند. این عوامل باعث می شوند كه مدل نیروگاه بادی مانند نیروگاه های سنتی نباشد و مبحث مدل سازی توربین بادی نیاز به الزامات مربوط به خود داشته باشد.

در گذشته، به دلیل مسائل اقتصادی، سازندگان توربین های بادی در هنگام اتصال به شبكه، مدلهای توربین های بادی را به صورت مدل جعبه سیاه(Black box) ارائه می دادند و مدل توربین بادی، در حالتی كه هیچ یك از عناصرش قابل تغییر و مشخص نبود، به بهره بردار شبكه تحویل داده می شد. بهره بردار، برای استفاده از مدل، ورودی های مورد نیاز را وارد مدل می كرد و سپس، آن مدل را در شبكه قرار می داد و نتایج شبیه سازی را بررسی می كرد. اما به تدریج، با زیادتر شدن نیروگاه های بادی، مدل سازی آن عام تر شد؛ تا جایی كه چندین مدل عام برای توربین بادی ارائه شد و الزامات آن برای مدل سازی های توربین های مختلف بیان گردید.

به همین دلیل، مالك نیروگاه بادی باید قبل از اتصال به شبكه، مدل نیروگاه بادی را ، كه مناسب و قابل استفاده توسط بهره بردار شبكه باشد، در اختیار وی قرار دهد. این مدل شامل دو مدل استاتیكی و دینامیكی می باشد كه مدل استاتیكی باید برای انجام تحلیل های پخش بار و اتصال كوتاه و مدل دینامیكی باید برای تحلیل های گذرا و دینامیكی شبكه مناسب باشد. مدل هایی كه به بهره بردار شبكه داده می شوند، باید قابلیت ورود اطلاعات و تغییر آن ها را برای پارامترهای مورد نظر بهره بردار شبكه داشته باشند. مالك نیروگاه بادی باید مدل را به دو شكل (مدل تك تك توربین های بادی موجود در نیروگاه بادی و مدل مجتمع شده نیروگاه بادی) به بهره بردار شبكه تحویل دهد.

 كنترل، پایش و ارتباطات

ارتباطات نیروگاه های بادی با بهره بردار شبكه برای كنترل آن، مانند نیروگاه های سنتی، امری بدیهی است. مالك نیروگاه بادی موظف به تأمین زیرساخت ها و سیگنال های لازم در زمینه فراهم سازی این ارتباطات می باشد تا بتواند اجازه اتصال به شبكه را پیدا كند. این سیگنال ها به چندین بخش تقسیم می شوند كه بعضی از آن ها از بهره بردار شبكه به بهره بردار نیروگاه بادی ارسال می شوند و تعدادی از آنها هم از بهره بردار نیروگاه بادی به بهره بردار شبكه ارسال می شوند.

به همین دلیل، مالك نیروگاه بادی موظف است قبل از اتصال به شبكه، بسترهای مخابراتی مناسب را برای برقراری ارتباط با بهره بردار شبكه فراهم آورد و بعد از اتصال به شبكه، در حین بهره برداری، لازم است كه آماده تبادل اطلاعات با بهره بردار شبكه باشد.

 فراهم سازی بسترهای مخابراتی

قبل از اتصال نیروگاه بادی به شبكه، باید امكانات مخابراتی لازم فراهم شود. امكانات و كانال های مخابراتی بین نیروگاه و بهره بردار شبكه، چه به صورت تلفنی و چه به صورت خودكار و از راه دور، باید برقرار باشند. در فرآیندهای كنترل و هماهنگی مانورها، برقراری تماس بین اتاق فرمان ژنراتورها و مركز كنترل دیسپاچینگ ملی یا منطقه ای (با توجه به مفاد دستورالعمل های ثابت بهره برداری و ظرفیت نیروگاه) باید با استفاده از سیستم تلفنی ویژه دیسپاچینگ DTS (تلفن های اختصاصی بدون نیاز به شماره گیری) انجام گیرد. قابلیت ها و استاندارد های این سیستم توسط بهره بردار شبكه مشخص می گردد. مالك نیروگاه عهده دار تأمین تجهیزات لازم در مح اتاق فرمان ژنراتورها و پایانه های قابل اتصال به كانال های مخابراتی بین نیروگاه و مركز كنترل دیسپاچینگ مربوطه می باشد. علاوه بر این، مالك نیروگاه باید پیش بینی لازم را در محل اتاق ژنراتورها و دفاتر بهره برداری نیروگاه جهت ارسال و دریافت اطلاعات و گزارشات از طریق نمابر و یا پست الكترونیكی به عمل آورد.

قبل از شروع بهره برداری از اولین ژنراتور نیروگاه، مالك نیروگاه باید اطلاعات لازم را در رابطه با شماره تلفن های تماس اعم از تلفن شهری، نمابر و PLCدر اختیار بهره بردار شبكه قرار دهد. بهره بردار شبكه نیز، متقابلاً این اطلاعات ، را در اختیار مالك نیروگاه قرار خواهد داد. برای به دست آوردن اطلاعات، نصب دستگاه های اندازه گیری مورد نیاز است؛ بنابراین، پایانه های راه دور و تجهیزات جمع آوری اطلاعات و كنترل(SCADA)  مربوط به پست بلافصل نیروگاه بادی، باید توسط مسئولان بهر ه برداری پست بلافصل پیش بینی و در محل مناسبی در پست بلافصل و نقطه اتصال نیروگاه به شبكه نصب گردند.

مسئولیت تهیه، نصب و راه اندازی این تجهیزات(SCADA)  و رعایت كلیه استانداردها و پروتكل های جمع آوری و ارسال اطلاعات به عهده ی مالك پست نیروگاه بادی است. در صورت نیاز دیسپاچینگ ملی به پایانه های راه دور و تجهیزات جمع آوری اطلاعات و كنترل (SCADA)  در نیروگاه، مالك نیروگاه ملزم به تهیه، نصب و راه اندازی این تجهیزات رعایت كلیه استانداردها و پروتكل های جمع آوری و ارسال اطلاعات می باشد.

الزامات پایش و كنترل توربین های بادی

استاندارد IEC 61400-25-2 پایش سیگنال های مربوط به نیروگاه باد ی را به دو دسته ی پایش اجباری و پایش استاندارد اختیاری تقسیم بندی نموده است؛ پایش اجباری به معنی پایش حداقل سیگنال های مورد نیاز برای بهره برداری از نیروگاه بادی است؛ در مقابل، پایش اختیاری به معنی پایش سیگنال هایی علاوه بر سیگنال های اجباری می باشد. تمامی سیگنال های اجباری كه در استاندارد مذكور معرفی شده اند، باید قابلیت پایش، اندازه گیری، ارسال و دریافت را داشته باشند. سیگنال هایی كه باید به آن ها دسترسی داشت تنها شامل موارد یادشده نیست؛ بلكه دسترسی به هر سیگنال دیگری كه بهره بردار شبكه لازم بداند باید فراهم شود. همچنین، نیروگاه بادی قبل از اتصال به شبكه باید به توابع كنترلی زیر تجهیز شود:

  • كنترل توان اكتیو
  • كنترل سرعت ژنراتور
  • كنترل زاویه پره های توربین
  • كنترل ضریب توان
  • كنترل فركانس
  • كنترل ولتاژ

علاوه بر این ها، هر سیستم كنترلی دیگری كه بهره بردار شبكه لازم بداند، باید در نیروگاه بادی موجود باشد.

 ثبت وقایع

مالك نیروگاه بادی موظف است در محل اتصال به شبكه، دستگاه های مورد نیاز برا ی ثبت وقایع را نصب نماید و برخی اطلاعات نیروگاه را كه در ادامه ذكر شده، ثبت نماید. همچنین مالك نیروگاه بادی موظف است اطلاعات ثبت وقایع را در صورت نیاز در اختیار بهره بردار شبكه قرار دهد. مشخصات دستگاه های یادشده توسط بهره بردار شبكه تعیین می شوند. حداقل اطلاعات نیروگاه كه باید ثبت شوند عبارتند از:

  • ولتاژ هر فاز
  • جریان هر فاز
  • توان اكتیو
  • توان راكتیو
  • فركانس
  • ولتاژ هر ژنراتور

اطلاعاتی كه باید ثبت شوند تنها شامل موارد یادشده نیست؛ بلكه هر كمیت دیگری كه بهره بردار شبكه لازم بداند باید ثبت شود و در صورت لزوم در اختیار بهره بردار شبكه قرار گیرد.

این مقاله برگرفته است از بخشنامه معاونت برنامه ریزی و نظارت و راهبردی رئیس جمهور، پیرامون “ضوابط اتصال و بهره برداری نيروگاه بادی بزرگ به شبكه سراسري برق” است.

مطالب مرتبط

دیدگاهتان را بنویسید