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 پراکنده در شبکه در نظر گرفته شده و عمدتاً به شبکه 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 یک مزرعه بادی، نیروگاه های بادی چندصد مگاواتی به وجودآمده اند. حتی در برخی کشورها، بخش مهمی از تولید برق کشور 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 که نمی توان یک نیروگاه بادی چندصد مگاواتی را بدون انجام مطالعات لازم به شبکه برق متصل کرد؛ زیرا این نیروگاه می تواند تأثیرات قابل توجهی بر عملکرد استاتیکی و دینامیکی شبکه بگذارد. همچنین، چنین نیروگاه هایی باید به شبکه های فوق توزیع و انتقال متصل شوند و نمی توان با آنها به صورت تولیدات پراکنده برخورد کرد. به علاوه، نیروگاه های بادی باید با داشتن شرایط لازم به شبکه متصل شوند و پس از اتصال به شبکه، این نیروگاه ها باید طبق ضوابط خاصی در شبکه بهره برداری شوند.

در کشور ایران، برنامه ریزی های راهبردی و کلان 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 شبکه ایران تدوین و تنظیم گردند.

تعریف نیروگاه بادی

در این متن، شرایط لازم برای اتصال نیروگاه بادی به شبکه و بهره برداری از آن ها ارائه می شوند. در اینجا منظور از نیروگاه های بادی، نیروگاه هایی هستند که توان نامی آن ها بالاتر از ۲۵ مگاوات است و به شبکه ۶۳ کیلوولت و بالاتر متصل می شوند و در نتیجه، می توانند در عملکرد شبکه تأثیرگذار باشند.

با توجه به دستورالعمل ارائه شده از سوی توانیر در زمینه اتصال مولدهای مقیاس کوچک به شبکه توزیع نیروی برق، نیروگاه های بادی زیر ۲۵ مگاوات یا متصل به زیر سطح ولتاژ ۶۳ کیلوولت به عنوان نیروگاه های تولید پراکنده محسوب می شوند.

الزامات اتصال نیروگاه بادی به شبکه و بهره برداری از آنها را می توان در قالب ۶ بند ذیل دسته بندی کرد:

  1. الزامات توان اکتیو و فرکانس
  2. الزامات توان راکتیو و ولتاژ
  3. الزامات حفاظت و تحمل خطا(Fault Ride Through)
  4. الزامات کیفیت توان
  5. الزامات مدل سازی، پایش(Monitoring)، کنترل، ارتباطات و ثبت وقایع
  6. الزامات تست

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

در ادامه این متن، هریک از الزامات فوق به طور تفصیلی بررسی می شوند. معاونت نظارت راهبردی به این وسیله از پژوهشگاه نیرو(پژوهشکده برق) که مسوولیت قرارداد انجام این پروژه را به عهده داشته است و همچنین تمامی افرادی که در تهیه و تدوین و پیشبرد این نشریه اهتمام ورزیده اند، جناب آقای مهندس حمزه مصطفوی، کارشناسان امور نظام فنی و نیز نهادها و شرکت های مهندسین مشاور که 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 یکتا آرزومند است.

کنترل توان اکتیو نیروگاه بادی

کنترل توان اکتیو در نیروگاههای بادی یک قابلیت مهم به شمار می رود. کنترل توان اکتیو مزایای زیادی دارد ؛ به ویژه زمانی که باد در حداکثر خود باشد و نیاز به محدود کردن این توان حداکثر وجود داشته باشد. در حال حاضر، بیشترین کاربرد کنترل توان اکتیو برای کمک کردن به بهره برداری شبکه در زمان وقوع پیشامدهایی است که ظرفیت شبکه کاهش یافته و شبکه ممکن است دچار اضافه بار یا پرشدگی (Congestion) شود.

دلیل دیگر برای تنظیم توان اکتیو، کنترل فرکانس است. در برخی از کشورها، نیروگاه های بادی با تنظیم توان اکتیو خروجی خود در کنترل فرکانس مشارکت می کنند؛ در حالی که در برخی دیگر از کشورها، از نیروگاه های بادی به این منظور استفاده نمی شود. در این بخش، الزامات مربوط به کنترل توان اکتیو و فرکانس 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 شبکه، تستهای مرتبط با توان اکتیو و فرکانس بر روی سیستم کنترلی نیروگاه انجام می شود و در صورت عملکرد صحیح و برآورده شدن این الزامات، اجازه اتصال نیروگاه بادی به شبکه صادر می شود. سپس، در هنگام بهره برداری از نیروگاه در شبکه، با توجه به همین الزامات از نیروگاه بادی بهره برداری می شود.

شایان ذکر است که طبق دستورالعمل ثابت بهره برداری شماره ۲ (کنترل فرکانس)، فرکانس نامی شبکه تولید و انتقال برق ایران ۵۰ هرتز و دامنه نوسانات مجاز آن در شرایط عادی بهره برداری ۰٫۲ ± ۵۰ هرتز می باشد.

تنظیم توان اکتیو

اعمال محدودیت بر روی مقدار توان اکتیو خروجی(Production Constraint) عمومی ترین قابلیت نیروگاه های بادی در زمینه کنترل توان اکتیو است. توان خروجی نیروگاه بادی ثابت نیست و متناسب با سرعت باد به صورت لحظه ای تغییر می کند. مالک یک نیروگاه بادی تمایل دارد که در تمام شرایط، حداکثر توانی را که می تواند تولید کند به شبکه تزریق کند؛ اما هنگامی که بهره بردار شبکه، با در نظر گرفتن شرایط بحرانی برای امنیت شبکه، دستور کاهش توان خروجی(Curtailment) نیروگاه بادی را صادر می کند، تمام توربینهای بادی در یک نیروگاه توان خروجی خود را بر اساس مقدار توان تعیین شده توسط بهره بردار شبکه تنظیم می کنند. بهره بردار شبکه، ممکن است به دلایل مربوط به امنیت شبکه، دستور جدا شدن نیروگاه بادی از شبکه اصلی را نیز صادر کند.

محدودیت حرارتی خطوط انتقال نیز می تواند باعث شود که نیروگاه بادی مجبور به کاهش توان خروجی خود شود و یا در مواردی که شبکه دچار اضافه بار شده است به ناچار از مدار خارج شود. این مسأله در مورد نیروگاه ها ی بادی، به خصوص در کشورهای پهناور با طبیعت غیر یکنواخت، بسیار اتفاق میافتد؛ زیرا بیشتر مناطقی که 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 که از نظر زیرساخت های شبکه ای وضعیت ضعیفی دارند. ظرفیت خطوط انتقالی که رابط میان نیروگاه بادی با شبکه قدرت است نقش تعیین کنندهای در بهره برداری بهینه از آن دارد. عوامل دیگری که می تواند منجر به محدودیت تولید شود شامل پرشدگی خطوط، کنترل ولتاژ و قیود پایداری شبکه هستند.

بنابراین، نیروگاه بادی باید قابلیت تنظیم توان اکتیو خروجی خود را بر روی یک مقدار ثابت و پایین تر از مقدار نامی خود داشته باشد. در هنگامی که بهره بردار شبکه دستور کاهش توان خروجی نیروگاه بادی را صادر می کند، نیروگاه باید بتواند توان خروجی خود را بر اساس مقدار توان تعیین شده توسط بهره بردار تنظیم کند.

 ظرفیت رزرو

منظور از ظرفیت رزرو آن است که توان اکتیو خروجی، در محدوده فرکانس عادی شبکه، به صورت درصد مشخصی از توان اکتیو در دسترس (حداکثر توان قابل تولید توسط باد) تنظیم شود. به این نوع اعمال محدودیت، محدودیت دلتای توان اکتیو گفته می شود که کاربرد آن عموماً برای ایجاد یک 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 کشورهایی که دارای ضریب نفوذ بالای انرژی بادی هستند، معمولاً از نیروگاههای بادی برای کنترل فرکانس در زمان افت فرکانس استفاده می شود که لازمه آن، در نظر گرفتن درصدی از توان اکتیو خروجی به عنوان رزرو می باشد. در مقابل، در کشورهای با ضریب نفوذ بادی پایین، این امر چندان رایج نیست. بنابراین، وجود ظرفیت رزرو برای نیروگاه بادی ضروری نیست.

 محدودیت نرخ تغییر توان اکتیو

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

 بر این اساس، حداکثر نرخ تغییر توان نیروگاه بادی معمولاً به اندازهای است که منابع دیگر موجود در شبکه بتوانند افزایش/کاهش توان اکتیو را در زمان مناسب و با در نظر گرفتن یک مقدار منطقی به عنوان رزرو چرخان پاسخ دهند. بنابراین، در صورت توافق بین مالک نیروگاه بادی و بهره بردار شبکه، نیروگاه بادی می تواند قابلیت محدود کردن نرخ افزایش و/یا کاهش توان اکتیو خروجی خود بر روی مقادیر حداکثر را داشته باشد. در این صورت، این مقادیر باید بر حسب مگاوات بر دقیقه توسط بهره بردار شبکه مشخص و به بهره بردار نیروگاه اعلام شوند.

 سیستم کنترل فرکانس

برای کنترل فرکانس، ژنراتورها می توانند در دوره های زمانی کوتاه، توان خروجی خود را بر مبنای تغییرات فرکانس شبکه تنظیم کنند. این در واقع متعادل کردن تولید و مصرف در یک دوره زمانی کوتاه است تا فرکانس در یک بازه مشخص تنظیم شود. همان طور که اشاره شد، مشارکت در کنترل فرکانس نیازمند این است که ژنراتور بتواند توان خروجی خود را تنظیم کند؛ در نتیجه، تمام ژنراتورها برای کنترل فرکانس مناسب نیستند و قابلیت این کنترل نیز متفاوت است.

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

از آنجا که فرکانس یک شاخص سراسری (global) در شبکه قدرت محسوب میشود، تمام ژنراتورها در هر نقطه از شبکه میتوانند بر روی آن تأثیر بگذارند. با این وجود، در برخی از کشورها نیروگاه های بادی در کنترل فرکانس مشارکت می کنند و در برخی دیگر، از نیروگاه های بادی به این منظور استفاده نمی شود. نحوه مشارکت نیروگاه بادی در زمینه کنترل فرکانس معمولاً با “منحنی توان اکتیو(%)-فرکانس” مشخص می شود. در این منحنی، در محدوده فرکانسی که نیروگاه باید به شبکه متصل باقی بماند، حداکثر سه ناحیه کنترلی متفاوت می تواند وجود داشته باشد.

در ناحیه اول، که فرکانس از مقدار مجاز کمتر شده است، نیروگاه بادی، متناسب با افت فرکانس، توان خروجی خود را تا مقدار حداکثر قابل تولید افزایش می دهد. برای اینکه نیروگاه بادی بتواند در این ناحیه کنترل فرکانس انجام دهد، در شرایط عادی، درصدی از توان اکتیو به صورت رزرو چرخان در نظر گرفته می شود.

در ناحیه دوم، فرکانس در محدودهی مجاز قرار دارد؛ این ناحیه یک باند مرده کنترلی است که در آن نیروگاه درصد توان ثابت یا مقدار ثابتی را به دستور بهره بردار شبکه تولید میکند.

در ناحیه سوم، که فرکانس از مقدار مجاز بیشتر شده است، نیروگاه بادی، متناسب با افزایش فرکانس، توان اکتیو خروجی خود را کاهش می دهد. به طور کلی، کنترل فرکانس در شبکه قدرت در دو مد متفاوت انجام می گیرد:

کنترل در ناحیه اول (زمانی که فرکانس از حد مجاز کمتر است) و کنترل در ناحیه سوم (زمانی که فرکانس از حد مجاز بیشتر است).

زمانی که تولید توان اکتیو در یک شبکه از مصرف آن بیشتر می شود، فرکانس شبکه افزایش می یابد؛ در این شرایط، برای بازگرداندن فرکانس به محدودهی عادی، ژنراتورهای موجود در شبکه توان اکتیو خروجی خود را کاهش می دهند. در دستورالعمل شبکه بسیاری از کشورها، مشارکت ژنراتورهای بادی در کاهش توان خروجی در زمان افزایش فرکانس به صورت یک الزام قید شده است.

زمانی که تولید توان اکتیو در یک شبکه از مصرف آن کمتر می شود، فرکانس شبکه کاهش مییابد؛ در این شرایط، برای بازگرداندن فرکانس به محدودهی عادی، ژنراتورهای موجود در شبکه توان اکتیو خروجی خود را افزایش می دهند.

نکته اساسی در مورد نیروگاههای بادی این است که آنها باید در شرایط عادی، توانی کمتر از توان در دسترس خود را تولید کنند تا بتوانند در شرایطی که فرکانس شبکه افت میکند، به شبکه توان تزریق کنند. این مسأله به این دلیل مهم است که قسمتی از انرژی بادی قابل تولید از دست می رود. در مورد ژنراتورهای دیگر، زمانی که ژنراتور توانی پایین تر از ظرفیت نامی خود تولید می کند، می توان سوخت را ذخیره کرد؛ ولی در مورد باد نمی توان انرژی باد را ذخیره کرد و در نتیجه قسمتی از این انرژی در واقع به هدر میرود. به همین دلیل، در حالت کلی استفاده از نیروگاه بادی برای کنترل اولیه فرکانس منطقی به نظر نمیرسد.

استفاده از نیروگاه بادی در این مد عمومیت کمتری نسبت به حالت افزایش فرکانس دارد و بیشتر در کشورهایی که دارای ضریب نفوذ بالای نیروگاههای بادی هستند مرسوم است.

الزامات توان راکتیو و ولتاژ

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

در مورد نیروگاههای بادی، بهره بردار شبکه برای مسأله تنظیم ولتاژ نسبت به تأمین تقاضای توان راکتیو بار ها اهمیت بیشتری قائل است. در شبکه انتقال، مسأله ی توان راکتیو و ولتاژ نیروگاه بادی می تواند مشکل زا باشد. به عنوان مثال، انتقال مقدار زیادی توان تولیدشده توسط نیروگاه بادی در یک مسافت طولانی، می تواند منجر به پدید آمدن مشکلات جدی در زمینه کنترل ولتاژ شود.

در ارتباط با الزامات کنترل توان راکتیو و ولتاژ نیروگاه بادی، دو بحث کلی مطرح است: اول اینکه نیروگاه در چه مد کنترلی با شبکه تبادل توان راکتیو دارد و دوم اینکه محدوده مورد انتظار تولید/مصرف توان راکتیو 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 شبکه، تستهای مرتبط با توان راکتیو و ولتاژ بر روی سیستم کنترلی نیروگاه انجام می شوند و در صورت عملکرد صحیح و برآورده شدن این الزامات، اجازه اتصال نیروگاه بادی به شبکه صادر می شود. سپس، در هنگام بهره برداری از نیروگاه در شبکه، با توجه به همین الزامات از نیروگاههای بادی بهره برداری می شود.

شایان ذکر است که طبق دستورالعمل ثابت بهره برداری شماره ۳ (کنترل ولتاژ)، محدوده مجاز نوسانات ولتاژ در شرایط عادی بهر ه بردار ی ۰٫۹۸ تا ۱٫۰۲ پریونیک می باشد.

 مدهای کاری کنترل ولتاژ

همان طور که پیشتر اشاره شد، کنترل توان راکتیو نیروگاههای بادی در شبکه انتقال بیشتر با هدف تنظیم ولتاژ انجام می شود تا برآورده کردن نیازهای راکتیو بار. تنظیم ولتاژ در شبکه، رابطه مستقیم با کنترل توان راکتیو دارد. با توجه به اتصال نیروگاه بادی به شبکه انتقال، این انتظار از نیروگاه های بادی وجود دارد که به اندازه ژنراتورهای سنکرون دارای قابلیتهای کنترل توان راکتیو باشند.

الزامات توان راکتیو در یک شبکه به مشخصات خود شبکه مربوط میباشد؛ در حالی که میزان تأثیر تزریق توان راکتیو به یک نقطه از شبکه بر روی ولتاژ شبکه در آن نقطه، به ظرفیت اتصال کوتاه شبکه در آن نقطه بستگی دارد. در دستورالعمل شبکه بیشتر کشورها، بهره بردار شبکه یک مقدار مرجع (Set-point) برای ولتاژ یا ضریب توان یا توان راکتیو در نقطه اتصال نیروگاه بادی به شبکه تعریف می کند. به طور کلی، سه مد کنترل ولتاژ – توان راکتیو وجود دارند که عبارتند از تنظیم توان راکتیو، تنظیم ضریب توان و تنظیم ولتاژ.

با توجه به اینکه مدهای کنترل ولتاژ – توان راکتیو دو به دو به یکدیگر وابسته هستند، نیروگاه بادی در هر لحظه تنها در یکی از این سه مد می تواند کار کند.

در مد تنظیم توان راکتیو، توان راکتیو خروجی، مستقل از توان اکتیو نیروگاه، در یک مقدار مشخص تثبیت می شود. نیروگاه بادی سیگنال مرجع توان راکتیو را با دقت مشخصی دریافت می کند و مشابه توان اکتیو، توان راکتیو خود را دراین مقدار تثبیت می نماید.

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

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

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

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

 محدوده ضریب توان

همانند ژنراتورهای سنکرون، انتظار می رود که نیروگاههای بادی نیز در محدوده مشخصی از ضریب توان کار کنند. درحالی که ژنراتورهای سنکرون دارای قابلیتهای ذاتی خوبی در تولید و کنترل توان راکتیو خود می باشند، این قابلیت در مورد بسیاری از ژنراتورهای القایی به کار رفته در نیروگاه های بادی ضعیف تر است. یک ژنراتور القایی، به صورت ذاتی از شبکه برق یا خازنهایی که به آن متصل شده توان راکتیو جذب می کند.

علاوه بر این، خود نیروگاه بادی ممکن است دارای یک شبکه کابلی قابل توجه با مشخصههای راکتیو مختص به خود باشد که این میتواند در توانهای اکتیو متفاوت، بر روی قابلیتهای راکتیو آن تأثیرگذار باشد. با توجه به نیاز برای هماهنگی نیروگاه های بادی با سایر ادوات و ژنراتورهای موجود در شبکه، سازندگان توربین بادی و مالکان نیروگاه های بادی برخی قابلیت های حداقلی را در مورد توان راکتیو برآورده می نمایند. این قابلیتها، که معمولاً به صورت یک 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 راکتیو مورد انتظار از نیروگاه بادی بیشتر شود (به این معنی که ژنراتور یا نیروگاه بادی برای اتصال به شبکه ملزم به فراهم کردن 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 راکتیو، مطلوب مالک نیروگاه بادی نیست. این در حالی است که بهره بردار شبکه، برای برآورده کردن نیازهای راکتیو و ایجاد انعطاف در بهر ه برداری از شبکه خود، تمایل دارد قابلیتهای بیشتری از نیروگاههای بادی درخواست کند. در این زمینه، بهره بردار شبکه ، برای کاستن از هزینه های تحمیلی به مالک نیروگاه، حداقلهای مورد نیاز شبکه خود در ارتباط با توان راکتیو را در نظر می گیر د و بر این اساس، قابلیتهای حداقلی را از نیروگاه بادی طلب می کند.

دستورالعملهای شبکه کشورها، عموماً یک محدوده را برای ضریب توان نیروگاههای بادی تعیین میکنند. 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 راکتیو مورد انتظار از نیروگاه بادی در محدودهای متناسب با توان اکتیو خروجی مطرح می شود. این قابلیت، عموماً در نقطه اتصال و در بیشتر موارد (به استثنای چند کشور) 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 کاهش یا افزایش ولتاژ شبکه و یا در شرایط کم باری و … مشخص شده است.

بنابراین، نیروگاه بادی باید قابلیت تولید توان اکتیو نامی در هر ضریب توان بین ۰٫۹ پس فاز و تا ۰٫۹۵ پیشفاز را داشته باشند.

تأمین دینامیک توان راکتیو

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

 محدوده توان اکتیو برای رعایت ضریب توان

تأمین توان راکتیو در بار کم یا بی باری برای توربین های سرعت متغیر، که با مبدل به شبکه متصل می شوند، رایج است؛ با این وجود، این توربین ها لزوماً قادر به حفظ ضریب توان خود در محدوده مجاز، از توان اکتیو صفر تا توان اکتیو حداکثر، نمی باشند. اصرار بر وجود چنین الزامی ممکن است منجر به نیاز برای نصب جبران سازهای راکتیو دیگری در نیروگاه بادی شود. مسأله توجیه پذیری وجود این قابلیت اضافی از اهمیت زیادی برخوردار است. واضح است که با تولید توان اکتیو، نیروگاه بادی باید در کنترل ولتاژ شبکه نیز مشارکت کند؛ با این حال، اگر نیروگاه بادی از شبکه حذف شود، اثر آن شبیه به تولید توان راکتیو صفر در توان اکتیو صفر می باشد. این امر نشان می دهد که الزام یک نیروگاه بادی به تولید توان راکتیو در بی باری (توان اکتیو صفر) به معنی در نظر گرفتن عملکرد آن فراتر از یک تولیدکننده برق است. این امر ممکن است در ضریب نفوذ بالا قابل توجیه باشد؛ اما در ضریب نفوذ پایینتر به راحتی قابلیت دفاع ندارد. بنابراین، در دستورالعمل برخی کشورها حداقلی از توان اکتیو تعیین می شود که رعایت محدوده ضریب توان، تنها از توان اکتیو حداقل تعیین شده تا توان اکتیو حداکثر الزامی باشد.

بنابراین، در توافق نامه میان مالک نیروگاه و بهره بردار شبکه باید قید شود که بازه ضریب توان مورد نیاز، حداقل تا چه درصدی از توان اکتیو در دسترس، لازم است توسط نیروگاه بادی تأمین شود.

الزامات حفاظت و تحمل خطا

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

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

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

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

  • سیستم های حفاظتی که باید در یک نیروگاه بادی وجود داشته باشند
  • نحوه عملکرد سیستم حفاظتی در برابر تغییرات آرام ولتاژ
  • نحوه عملکرد سیستم حفاظتی در برابر تغییرات فرکانس.

 علاوه بر آن، الزامات مربوط به نحوه تحمل تغییرات شدید در شبکه (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 فرکانس، 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 شبکه و تشخیص حالت قطع، نیروگاه از شبکه جدا شود؛ همچنین، این سیستم های حفاظتی باید دارای تنظیمات ویژه و قابلیت های مورد نظر بهره بردار شبکه باشند؛ به گونه ای که قادر باشند مطابق با کارکرد مورد نظر بهره بردار شبکه (در شرایط عادی و در شرایط بروز خطا) عمل کنند.

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

 سیستم های حفاظتی مورد نیاز

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

  • نیروگاه بادی باید توسط حداقل یک کلید قدرت به شبکه متصل گردد. این کلید باید قابلیت تحمل حداکثر جریان اتصالی در نقطه اتصال به شبکه را مطابق با استاندارد ۳۷٫۰۱۳ IEEE C داشته باشد.
  • نیروگاه بادی متصل به شبکه در سطح ولتاژ ۴۰۰ و ۲۳۰ کیلوولت باید مجهز به دو سیستم حفاظت اصلی و نیروگاه بادی متصل به شبکه ۱۳۲ کیلوولت و پایین تر باید حداقل مجهز به یک سیستم حفاظت اصلی باشد.
  • نیروگاه بادی باید علاوه بر سیستم حفاظت اصلی، مجهز به سیستم حفاظت پشتیبان باشد تا در صورت عملکرد نادرست سیستم حفاظت اصلی، اتصالی توسط سیستم حفاظت پشتیبان بر طرف گردد.
  • کلیه کلید های قدرت در نقطه اتصال نیروگاه بادی به شبکه باید مجهز به حفاظت عیب کلید(Circuit Breaker Failure) باشند. در صورت ناموفق بودن سیستم حفاظت اصلی به دلیل عیب در کلید، حفاظت عیب کلید باید در طی مدت زمانی که توسط بهره بردار شبکه تعیین می شود، کلیه کلید های مربوط به مدار های مجاور کلید معیوب را قطع نماید .به عنوان یک پیشنهاد، این زمان را می توان برابر ۱۵۰ میلی ثانیه در نظر گرفت.
  • نیروگاه بادی باید به حفاظت های ولتاژ بالا/ پایین(Over/ Under Voltage) و فرکانس 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 شبکه خود مجهز باشد.
  • نیروگاه بادی باید به حفاظت بانک خازنی مجهز گردد.
  • در صورتی که بهره بردار شبکه نصب سیستم های حفاظتی تله پروتکشن را در پست بلافصل نیروگاه بادی ضروری تشخیص دهد، مالک 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 عملکرد درست باید هماهنگ با سیستم حفاظت شبکه تنظیم شود.

عملکرد سیستم حفاظتی در برابر تغییرات آرام ولتاژ

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

منظور از تغییر آرام ولتاژ، تغییر ولتاژ در شرایط کار عادی است. حفاظت نیروگاه بادی در برابر تغییرات آرام ولتاژ عبارت است از رعایت محدوده مجاز تغییرات ولتاژ شبکه در شرایط کار عادی. بر این اساس، در صورتی که ولتاژ نیروگاه بادی از محدوده مجاز قابل تحمل خارج شود، نیروگاه از شبکه جدا می شود. این محدوده مجاز در دستورالعمل شبکه کشورهای مختلف متفاوت بوده و بر اساس قابلیت و توانایی هر شبکه 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 شبکه و در مدار بودن کلیه 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

 عملکرد سیستم حفاظتی در برابر تغییرات فرکانس

نیروگاه بادی، مانند نیروگاه های سنتی، در نقطه اتصال خود به شبکه دارای محدودیت در برابر تغییرات فرکانس می باشد. در دستورالعمل شبکه کشورها، محدوده تغییرات فرکانس متفاوت بوده و بر اساس قابلیت شبکه تعیین می شود. در مورد برخی از کشورها، 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 شبکه باقی می ماند. همچنین، در دستورالعمل شبکه برخی از کشورها، معیار بسیار ساده ای (تنها محدوده فرکانس مجاز) برای محدوده تغییرات فرکانس در نظر گرفته شده است؛ در صورتی که در برخی از کشورهای دیگر، محدوده تغییرات فرکانس همراه با تغییرات ولتاژ و توان خروجی نیروگاه در نظر گرفته شده است که دارای پیچیدگی بیشتری است.

بنابراین، در صورت تغییر فرکانس، 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 فرکانس برای اتصال نیروگاه بادی

تحمل خطا

تحمل خطا عبارت است از عملکرد نیروگاه در حالت متصل به شبکه در صورتی که ولتاژ شبکه در اثر وقوع هر گونه خطا (اتصال کوتاه متقارن و نامتقارن) با کاهش روبرو شود. در صورت وقوع خطا در نقطه ای از شبکه، ولتاژ در سطح شبکه کاهش پیدا می کند؛ به گونه ای که بیشترین افت ولتاژ در محل وقوع خطا خواهد بود و با دور شدن از محل خطا، ولتاژ به تدریج افزایش پیدا می کند. 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 شبکه، تعداد زیادی از آن ها از شبکه 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 شبکه در نظر گرفته می شد. در صورت وقوع خطا، آن دسته از نیروگاه های بادی که ولتاژ نقطه اتصال آن ها از محدوده مجاز قابل تحمل شبکه خارج شده بود، از شبکه جدا می شدند. اما با توجه رشد نیروگاه های بادی در شبکه، این رویه دیگر کارآمد نیست. زیرا در صورت بروز خطا، اگر نیروگاه های بادی از قابلیت تحمل خطا برخوردار نباشند، تعداد زیادی از نیروگاه ها از شبکه جدا می شوند و بخش قابل توجهی از تولید شبکه از دست می رود که ممکن است مشکلات جدی برای شبکه به وجود آورد. به همین دلیل، در دستورالعمل شبکه بسیاری از کشورها، قابلیت تحمل خطا برای نیروگاه بادی الزامی شده است.

بنابراین، تحمل خطا در مورد نیروگاه بادی متصل به سطوح ولتاژ ۶۳ و ۶۶ کیلوولت الزامی نیست و تنها در صورت تشخیص بهره بردار شبکه الزامی خواهد بود. در مورد نیروگاه بادی متصل به سطوح ولتاژ ۱۳۲ کیلوولت و بالاتر ، تحمل خطا الزامی است. زمان تحمل خطا توسط نیروگاه بادی باید حداقل برابر با زمان رفع خطا در شبکه باشد و در طول این مدت، نیروگاه نباید از شبکه جدا شود. زمان رفع خطا در شبکه 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 مالک نیروگاه بادی و بهره بردار شبکه

تعیین می شوند. در صورت توافق بین مالک نیروگاه بادی و بهره بردار شبکه، 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 ۲۰ 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 شبکه ایران

الزامات کیفیت توان

کیفیت برق، مبحثی است کلی که با تغییر خصوصیات و مشخصات انرژی الکتریکی سر و کار دارد. کیفیت مناسب برق، نشان دهنده وضعیت مناسب تغییرات یا اعوجاج یا اغتشاش در کمیتهای ولتاژ، جریان و فرکانس می باشد. اگر کمیت های یادشده وضعیت مناسبی نداشته باشند، کیفیت برق نامناسب خواهد بود که می تواند خرابی و یا عملکرد نادرست تجهیزات شبکه و مشترکین را به دنبال داشته باشد. کیفیت برق شامل مسائل مهمی نظیر هارمونیک ها، فلیکر و…  می باشد.

نیروگاه های بادی بر اساس ساختارشان با نیروگاه های سنتی که فقط شامل یک ژنراتور سنکرون هستند، تفاوت زیادی دارند؛ زیرا معمولاً شامل ادوات الکترونیک قدرت هستند و همین ویژگی، می تواند تأثیرات آن ها را بر روی شبکه برق متمایز نماید. از آنجا که سرعت و جهت باد یک متغیر نامعین است، اگر نیروگاه بادی کنترل کننده های ویژه ای نداشته باشد، توان تولیدی کاملاً به طور اتفاقی تغییر خواهد کرد؛ به همین دلیل، معمولاً از مبدل الکترونیک قدرت برای اتصال توربین بادی به شبکه استفاده می شود. به همین دلیل، مسأله کیفیت توان برای اتصال نیروگاه بادی به شبکه اهمیت زیادی دارد.

در این بخش به بررسی الزامات کیفیت توان نیروگاه بادی، که شامل چهار محور مهم فلیکر ولتاژ، نامتعادلی ولتاژ، هارمونیک ها و هارمونیک 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 شبکه، با داشتن تعداد توربین ها و مشخصات توربین ها و با انجام محاسبات ریاضی، شاخص های مربوط به هریک از محورهای کیفیت توان محاسبه و بررسی می شود که مقادیر محاسبه شده در محدوده مجاز قرار داشته باشند. سپس، در هنگام بهره برداری از نیروگاه بادی در شبکه، مقادیر واقعی شاخص های کیفیت توان باید در محدوده مجاز قرار داشته باشند.

 فلیکر ولتاژ

فلیکر به تأثیر زودگذری که یک منبع روشنایی بر روی حس بینایی انسان ایجاد می کند، به گونه ای که طیف فرکانسی یا شدت روشنایی آن تغییر کند، اطلاق میگردد. طبق تعریف، فلیکر ولتاژ به تغییرات سریع و نوسانات ولتاژ به دلیل تغییر در بار مصرفی و یا کلیدزنی گفته می شود. فلیکر ولتاژ اغلب خود را به صورت سوسو زدن لامپ ها نشان می دهد. از عوامل اصلی تولید این پدیده بارهای صنعتی، ماشین های جوش کاری، کارخانه نورد آهن و کوره های قوس الکتریکی می باشند.

فلیکر ولتاژ می تواند نور خروجی لامپ های رشته ای را به میزان زیادی کاهش دهد؛ اما در مورد نور لامپ های گازی (تخلیه ای) تأثیر کمتری از خود نشان می دهد. به علاوه، نوسان ولتاژ می تواند روی گیرنده های تلویزیونی، وسایل کنترل الکترونیکی و کامپیوترها نیز تأثیر بگذارد.

برای اندازه گیری فلیکر از دستگاهی استفاده می شود که برای محاسبه دو شاخص به کار می رود: شاخص کوتاه مدت فلیکر و شاخص بلندمدت فلیکر. شاخص کوتاه مدت فلیکر، به میزان شدت فلیکر در یک دوره زمانی ۱۰ دقیقه ای گفته می شود. وقتی این شاخص برابر یک است، میزان فلیکر در آستانه آزاردهی چشم انسان می باشد. شاخص بلندمدت فلیکر، به میزان شدت فلیکر در یک دوره زمانی ۲ ساعته گفته می شود. الزامات مربوط به فلیکر در دستورالعمل شبکه بسیاری از کشورها ارائه شده است.

در کشور ایران استانداردی وضع شده که بر اساس آن، حداکثر میزان فلیکر ولتاژ اندازه گیری شده در حالت های ۰٫۸ و ۰٫۶ 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 که مقادیر ولتاژ سه فاز با یکدیگر متفاوت بوده و یا اختلاف فاز۱۲۰ درجه بین فازها وجود نداشته باشد. منشأ اصلی ایجاد نامتعادلی ولتاژ، وجود بارهای تک فاز در شبکه و توزیع غیریکنواخت آن ها روی سه فاز است. از دیگر دلایل ایجاد نامتعادلی ولتاژ می تواند سوختن فیوز یکی از فازهای سیستم تغذیه یا وجود کوره های القایی در بار مصرف کنندگان 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 که ممکن 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 ۱۰۰٫

 طبق تعریف دوم، درصد نامتعادلی ولتاژ برابر است با قدرمطلق تفاضل بین حداکثر و حداقل ولتاژ خط سه فاز تقسیم بر میانگین ولتاژ خط ضرب در ۱۰۰٫  در این نشریه از تعریف اول برای نامتعادلی ولتاژ استفاده شده است. الزامات مربوط به نامتعادلی ولتاژ در دستورالعمل شبکه برخی از کشورها نیز ارائه شده است. در این نوع مولدها، درصد نامتعادلی ولتاژ باید حداکثر برابر با ۱ درصد باشد.

 هارمونیک ها

زمانی که سری فوریه یک کمیت متناوب تشکیل گردد، به مؤلفه های فرکانسی با مرتبه بزرگتر از یک در این سری، هارمونیک گفته می شود. در شبکه برق، هارمونیک ها، ولتاژها یا جریان های سینوسی هستند که فرکانس آن ها مضربی

صحیح از فرکانس نامی شبکه است. میزان اعوجاج هارمونیکی ولتاژ یا جریان، با استفاده از طیف کامل هارمونیکی شکل موج مربوطه توصیف می شود که در آن، هر مؤلفه هارمونیکی به شکل مجزا با دامنه و زاویه فاز خود مشخص می گردد. برخی از بارها (مانند بارهای غیرخطی، تجهیزات الکترونیکی مدرن و …) جریان های هارمونیکی به شبکه تزریق می کنند که می توانند باعث ایجاد هارمونی کهای ولتاژ شوند. این جریان ها و ولتاژهای هارمونیکی سبب اضافه حرارت در تجهیزات،

ترانسفورماتورها و هادی های حامل جریان و عملکرد نامناسب تجهیزات حفاظتی (مانند فیوزها ) می شوند. همچنین، ممکن است تشدید هارمونیکی به وجود آورند که می تواند موجب خرابی و آسیب دیدگی تجهیزات شبکه شود. محدودیت هارمونیکی مربوط به هارمونیک های ولتاژ و هارمونیک های جریان است و در هریک از این موارد، به صورت محدودیت بر روی تک تک هارمونیک ها و نیز محدودیت بر روی اعوجاج کلی ارائه می شود. اعوجاج تکی ولتاژ یا جریان نیز به صورت نسبت دامنه هریک از هارمونیک ها به دامنه هارمونیک اصلی بر حسب درصد تعریف می شود. برای این نوع مولدها، حدود مجاز هارمونیک ها باید مطابق با جداول زیر باشد.

اتصال نیروگاه بادی به شبکه برق

حداکثر حدود مجاز هارمونیک های جریان برای سطح ولتاژ ۲۳۰ و ۴۰۰ کیلوولت

اتصال نیروگاه بادی به شبکه برق

حداکثر حدود مجاز هارمونیک های جریان برای سطح ولتاژ ۶۳ و ۱۳۲ کیلوولت

اتصال نیروگاه بادی به شبکه برق

حداکثر حدود مجاز هارمونیک های ولتاژ

هارمونیک های میانی

هارمونیک میانی، مؤلفه فرکانسی یک کمیت متناوب است که فرکانس آن مضرب غیرصحیحی از فرکانس اصلی آن کمیت باشد. در شبکه برق، هارمونیک های میانی، ولتاژها یا جریان های سینوسی هستند که فرکانس آن ها مضرب غیرصحیحی از فرکانس اصلی شبکه است. هارمونیک های میانی می توانند در شبکه های با سطوح مختلف ولتاژ ظاهر شوند. منبع اصلی تولید آن ها مبدل های فرکانسی، برخی یکسوکننده ها، موتورهای القایی و کوره های القایی هستند .سیگنال های مخابراتی که از طریق هادی های انتقال انرژی الکتریکی منتقل می شوند نیز می توانند به نوعی هارمونیک میانی در نظر گرفته شوند. هارمونیک های میانی در گیرنده های کنترل ریپل تأثیرات نامناسبی می گذارند و همچنین اثرات نامطلوبی در موتورهای الکتریکی و کوره های قوس الکتریکی دارند. در این نوع مولدها، حد مجاز برای هر هارمونیک میانی برابر۰٫۲ درصد ولتاژ نامی است.

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

در این فصل به الزامات مربوط به مدل سازی، پایش، کنترل، 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 شبکه، باید مدل آن آماده و بررسی شده باشد . الزامات پایش، کنترل 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 شبکه، 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 شبکه، ثبت این سیگنال ها باید به درستی انجام شود.

 مدل سازی

افزایش نفوذ نیروگاه های بادی در شبکه، نیاز به مطالعات جامع درباره تأثیر نیروگاه های بادی بر شبکه 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 شبکه است. توربین های بادی مدرن متصل به شبکه در دو حالت سرعت ثابت و سرعت متغیر بهره برداری می شوند و ژنراتور آن ها می تواند ژنراتور سنکرون و یا القایی باشد؛ همچنین، این توربین ها معمولاً همراه با مبدل های الکترونیک قدرت هستند. این عوامل باعث می شوند که 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 شبکه، مدلهای توربین های بادی را به صورت مدل جعبه سیاه(Black box) ارائه می دادند و مدل توربین بادی، در حالتی که هیچ یک از عناصرش قابل تغییر و مشخص نبود، به بهره بردار شبکه تحویل داده می شد. بهره بردار، برای استفاده از مدل، ورودی های مورد نیاز را وارد مدل می کرد و سپس، آن مدل را در شبکه قرار می داد و نتایج شبیه سازی را بررسی می کرد. اما به تدریج، با زیادتر شدن نیروگاه های بادی، مدل سازی آن عام تر شد؛ تا جایی که چندین مدل عام برای توربین بادی ارائه شد و الزامات آن برای مدل سازی های توربین های مختلف بیان گردید.

به همین دلیل، مالک نیروگاه بادی باید قبل از اتصال به شبکه، مدل نیروگاه بادی را ، که مناسب و قابل استفاده توسط بهره بردار شبکه باشد، در اختیار وی قرار دهد. این مدل شامل دو مدل استاتیکی و دینامیکی می باشد که مدل استاتیکی باید برای انجام تحلیل های پخش بار و اتصال کوتاه و مدل دینامیکی باید برای تحلیل های گذرا و دینامیکی شبکه مناسب باشد. مدل هایی که به بهره بردار شبکه داده می شوند، باید قابلیت ورود اطلاعات و تغییر آن ها را برای پارامترهای مورد نظر بهره بردار شبکه داشته باشند. مالک نیروگاه بادی باید مدل را به دو شکل (مدل تک تک توربین های بادی موجود در نیروگاه بادی و مدل مجتمع شده نیروگاه بادی) به بهره بردار شبکه تحویل دهد.

 کنترل، پایش و ارتباطات

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

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

 فراهم سازی بسترهای مخابراتی

قبل از اتصال نیروگاه بادی به شبکه، باید امکانات مخابراتی لازم فراهم شود. امکانات و کانال های مخابراتی بین نیروگاه و بهره بردار شبکه، چه به صورت تلفنی و چه به صورت خودکار و از راه دور، باید برقرار باشند. در فرآیندهای کنترل و هماهنگی مانورها، برقراری تماس بین اتاق فرمان ژنراتورها و مرکز کنترل 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 شبکه مشخص می گردد. مالک نیروگاه عهده دار تأمین تجهیزات لازم در مح اتاق فرمان ژنراتورها و پایانه های قابل اتصال به کانال های مخابراتی بین نیروگاه و مرکز کنترل دیسپاچینگ مربوطه می باشد. علاوه بر این، مالک 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 الکترونیکی به عمل آورد.

قبل از شروع بهره برداری از اولین ژنراتور نیروگاه، مالک نیروگاه باید اطلاعات لازم را در رابطه با شماره تلفن های تماس اعم از تلفن شهری، نمابر و PLCدر اختیار بهره بردار شبکه قرار دهد. بهره بردار شبکه نیز، متقابلاً این اطلاعات ، را در اختیار مالک 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 کنترل(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 بادی به شبکه نصب گردند.

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

الزامات پایش و کنترل 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 که در استاندارد مذکور معرفی شده اند، باید قابلیت پایش، اندازه گیری، ارسال و دریافت را داشته باشند. سیگنال هایی که باید به آن ها دسترسی داشت تنها شامل موارد یادشده نیست؛ بلکه دسترسی به هر سیگنال دیگری که بهره بردار شبکه لازم بداند باید فراهم شود. همچنین، نیروگاه بادی قبل از اتصال به شبکه باید به توابع کنترلی زیر تجهیز شود:

  • کنترل توان اکتیو
  • کنترل سرعت ژنراتور
  • کنترل زاویه پره های توربین
  • کنترل ضریب توان
  • کنترل فرکانس
  • کنترل ولتاژ

علاوه بر این ها، هر سیستم کنترلی دیگری که بهره بردار شبکه لازم بداند، باید در نیروگاه بادی موجود باشد.

 ثبت وقایع

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

  • ولتاژ هر فاز
  • جریان هر فاز
  • توان اکتیو
  • توان راکتیو
  • فرکانس
  • ولتاژ هر ژنراتور

اطلاعاتی که باید ثبت شوند تنها شامل موارد یادشده نیست؛ بلکه هر کمیت دیگری که بهره بردار شبکه لازم بداند باید ثبت شود و در صورت لزوم در اختیار بهره بردار شبکه قرار گیرد.

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

مقالات بیشتر در مورد توربین بادی

میدان بادی

سایه باد

جهت باد غالب

اجزای توربین بادی

نصب توربین بادی

هزینه توربین بادی

ژنراتور توربین بادی

ارتفاع برج توربین بادی