عملکرد مزارع برق بادی ؛ واقعیتها از دیدگاه آمار و اطلاعات

امیر حسین قرشی

سازمان انرژی اتمی ایران

خلاصه

تغییرات در سرعت باد از یک طرف و از طرف دیگر نوسانات در پارامترهای شبکه‎ای که یک مزرعه بادی بدان متصل است از جمله عوامل اجتناب ناپذیری هستند که عملکرد و بازدهی نیروگاه‎های برق بادی را تحت‎الشعاع قرار می‎دهند. در این مقاله ضمن بررسی اینگونه پارامترهای اثرگذار در کارآیی نیروگاه های برق بادی، آماری از واقعیتهای تجربی چند نیروگاه بادی به عنوان نمونه ارائه می‎گردد. آمار ارائه شده در این مقاله بیانگر میزان تأثیر تغییرات در سرعت باد و شرایط غیر عادی شبکه در عملکرد نیروگاه است که ضعف شبکه بخصوص در شرایط قطع اتصال شبکه و نوسان در ولتاژ بیشترین اثر را در کارآیی نیروگاه های برق بادی گذاشته است.

هدف این مقاله آن است که ضمن شناسایی شرایط غیرعادی و تأثیر هریک از آنها بر عملکرد نیروگاه‎های برق بادی، بتوان با انتقال تجارب مطروحه موجبات هوشیاری کاربران این نیروگاه‎ها را فراهم نمود. مضافاً اینکه اطلاعات این مقاله می‎تواند نقش مؤثری در طراحی و انتخاب شرایط خاص اینگونه نیروگاه ها منجمله انتخاب سایت داشته باشد.

 

واژه‎های کلیدی: مزارع برق بادی، ضریب اطمینان و پایداری

1ـ مقدمه 

چشم‎انداز آینده انرژی باد به عنوان یک منبع انرژی قابل بهره‎برداری و مطمئن جایگاهی حائز اهمیت در سناریوی درازمدت تأمین انرژی جهان کسب نموده است . چرخش صدها توربین بادی در سراسر جهان واقعیت غیرقابل اغماضی است که رؤیای دیرینه تولید برق از باد را به حقیقت تبدیل نموده است. امروزه میلیونها کیلووات ساعت نیروی الکتریکی توسط نیروگاه‎های برق بادی تولید و به شبکه‎های محلی و یا سراسری تزریق می‎گردد. لذا با توجه به روند توسعه کنترل شده نیروگاه‎های هسته‎ای و از طرفی توجه روزافزون به توسعه نیروگاههای برق بادی ، می‎توان انرژی باد را به عنوان جایگزین آتی انرژی هسته‎ای و یا دیگر انرژی‎های فسیلی تهدیدکننده محیط زیست محسوب نمود. کشورهای آسیایی و بخصوص کشورهای نفت خیز نباید به اتکای دسترسی به منابع انرژی فسیلی و تفکراتی چون سهل‎الوصول بودن سوختهای فسیلی و غیره به خواب خرگوشی فرو رفته و از قافله کشورهای پیشتاز در بهره‎برداری از منابع انرژی تجدیدپذیر و مساعد با محیط زیست عقب بمانند . هندوستان از اولین کشورهای آسیایی پیشتاز در توسعه انرژیهای تجدیدپذیر به خصوص در راستای احداث و راه اندازی نیروگاه‎های برق بادی می‎باشد. هندیها در کمتر از دو دهه توانسته‎اند در تکنولوژی توربین‎های برق بادی خود کفا گشته و توربین‎هایی متناسب با شرایط محلی، طراحی و تولید نمایند. خوشبختانه از میان کشورهای نفت‎خیز، جمهوری اسلامی ایران از پیشتازان بهره‎برداری از انرژی باد می‎باشد که عملکرد تعداد 27 توربین برق بادی به ظرفیت کلی 1/10 مگاوات مستقر در ارتفاعات شمال ایران ( منجیل ، رودبار و هرزویل) دلیل براین ادعا است . این توربینها که توسط سازمان انرژی اتمی ایران احداث و راه‎اندازی شده‎اند، انرژی معتنابه بادهای خروشان و بی‎نظیر منطقه را استحصال و به شبکه محلی تزریق می‎نمایند. بنابراین سئوال مطرح دیگر مسئله توجیه احداث نیروگاه‎های برق بادی نیست بلکه توسعه و چگونگی بهره‎برداری هرچه موفقیت آمیزتر از انرژی باد می‎باشد. چرا که می‎توان تعدادی از این نیروگاه‎ها را از طریق مونتاژ و یا خریداری از خارج در منطقه ای احداث و راه‎اندازی نمود. ولی عملکرد موفقیت آمیز نیروگاه‎های برق بادی که تحت تأثیر شرایط خاص محلی نیاز به تخصص، استفاده ماهرانه از تکنولوژیهای مربوطه و دقت در برنامه‎ریزیهای دراز مدت دارد.

بخش مولد الکتریسته در اغلب نیروگاه های برق بادی متصل به شبکه شامل ژنراتور القایی می‎باشد که این ژنراتورها نیروی رآکتیو (Reactive Power) را از شبکه گرفته و نیروی اکتیو (Active Power) را به شبکه تزریق می‎نماید. تجارب به دست آمده از نیروگاه‎های برق بادی بیانگر مشکلاتی است که مسئولین نیروگاه و شبکه به طور مستمر با آنها مواجه می باشند . لذا عملکرد موفقیت آمیز نیروگاه های برق بادی مستلزم هماهنگی و تفاهمی دقیق بین هر دو گروه یعنی مسئولین نیروگاه و متصدیان شبکه انتقال قدرت و برق منطقه‎ای است.

مسئولین برق منطقه ای در حقیقت می بایست نیروی فعال را دریافت و شبکه ای پایدار و موزون و مطمئن در اختیار نیروگاه قرار داده تا بدون وقفه نیروی رآکتیو مورد نیاز توربین‎های برق بادی را به همراه ولتاژ و فرکانس پایدار تأمین نمایند. گزارشهای موجود بیانگر عدم هماهنگی بین طرفین می‎باشد که به دلیل مشکلات و شکایاتی است که هر دو طرف، مدعی عدم رعایت شرایط توافقی فی مابین می‎باشند. مسئولین شبکه منطقه‎ای به نیروگاه‎های برق بادی به عنوان یک نیروگاه خرد و کوچک می‎نگرند و ضریب اطمینان خاصی برای این نیروگاه‎ها قائل نیستند. مضافاً اینکه جذب نیروی رآکتیو (VAR Drain) معضلی است که برای برق منطقه ای خوشایند نمی‎باشد. از طرفی کنترل نوسانات در پارامترهای شبکه و پیشگیری از عدم پایداری شبکه نظیر قطع و وصلها، همگی مسائلی حیاتی و الزامی برای استمرار کار نیروگاه‎های برق بادی متصل به شبکه می‎باشند. تورنی (Torny) در مورد بسیاری از اینگونه شکایات صاحبان نیروگاه های بادی در کشور دانمارک بر علیه مسئولین شبکه برق منطقه و برعکس مسئولین شبکه بر علیه نیروگاه‎های برق بادی گزارش می‎دهد ‍[6]. با توجه به اینکه مشکلات موجود بیشتر به علت عدم تجربه دراز مدت و نیز عدم شناخت مسائل از دیدگاه آمار و شواهد اجرایی می‎باشد، لذا شناخت مسائل تجربی همراه با ارائه آمار عملی مربوطه بسیار حائز اهمیت می‎باشد. در این مقاله سعی شده است به زبان آمار و اطلاعات تجربی، مسائل مربوطه بررسی و تجزیه و تحلیل گردند.

 

2ـ عملکرد مزارع برق بادی

شواهد موجود بر امور نیروگاه‎های برق بادی در هر دو بخش تولید و توزیع، حاکی از معضلاتی است که عملاً موجب اختلال در کارآیی و عملکرد نیروگاه‎ها می‎گردند. در وحله اول ثبت مستمر آمار و اطلاعات مربوط به شرایط باد، وضعیت و حالات مختلف توربین، بازدهی ژنراتور و کلیه پارامترهای شبکه متصله از الزاماتی است که به کمک آنها می توان کیفیت و کارآیی مجموعه را مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار داد. متأسفانه بسیاری از ناهماهنگی‎ها و ادعاهای متضاد غالباً به دلیل عدم دسترسی به اطلاعات جامع تخصصی و تجربی می‎باشند. در این مقاله ضمن تأکید بر این مهم، معضلات نیروگاه‎های برق بادی از دیدگاه آمار و اطلاعات ثبت شده در چندین نیروگاه مدل مورد بحث و بررسی قرار می گیرند. با توجه به اینکه امور گزارش شده مشترکاً در کلیه نیروگاه ها امکان‎پذیر می‎باشند، لذا ضمن اهمیت این تحقیقات می‎بایست کلیه عوامل مهم اجرایی و اجتناب‎ناپذیر را متناسب با کشور و یا منطقه مورد نظر در طراحی اولیه سیستم اعمال نموده و طراحی توربین‎ها با پیش‎بینیهای لازم و ضریب اطمینان کافی صورت پذیرند. لازمه این امور، تحقیقات فنی گسترده‎ای است که باید روی عملکرد ژنراتور القایی تحت شرایط مختلف نیروی ورودی (تغییرات در سرعت باد) و تغییرات در پارامترهای شبکه و دیگر اختلالهای حــادث در شبکه صورت پذیرد. مشکلاتی که تا به حال به صورت تجربی گزارش شده‎اند عبارتند [4ـ1] از:

1-       تغییرات در ولتاژ و فرکانس شبکه

2-       نوسانات وسیع در سرعت باد در مراحل مختلف زمانی و حتی لحظه ای

3-       عدم تعادل و پایداری شبکه

4-       اثر بانک خازن

5-       مسئله تخلیه VAR از شبکه

6-       عملکرد ژنراتور تحت شرایط تک فازی

7-       حالات ترانزیت حادث در زمان شروع (Run up) ، سویچ مجدد (Reswitching)، اتصال لحظه ای ، ازدیاد لحظه ای قدرت ورودی و قطع غیر مترقبه شبکه و . . . .

مناسب‎ترین روش برای تأیید مشکلات فوق الذکر شناسایی آنها در محل وقوع یعنی مزارع توربین‎های برق بادی می‎باشد. مطمئناً شناخت واقعیتها در بهره‎برداری بهینه از این نیروگاه‎ها و یا اعمال آنها در طراحی و یا در برنامه‎ریزیهای اولیه مثمر ثمر می‎باشند. در قسمتهای ذیل آمار و اطلاعات مستند در رابطه با هریک از مشکلات فوق‎الذکر به دست آمده از نیروگاه‎های برق بادی مختلف، ارائه و نقد و بررسی می‎گردند.

 

1ـ2ـ نوسانات در سرعت باد

هرچند انرژی باد با میانگین سرعت خوب سالانه را می‎توان به عنوان یک منبع پایدار انرژی محسوب نمود ولی به علت تغییرات غیر مترقبه در فواصل کوتاه مدت غیر پایدار می باشد. کلیه قطعات یک نیروگاه برق بادی اعم از تیغه‎ها، جعبه دنده، ژنراتور و دیگر سازه‎ها همگی برای توان و تحمل نیروهای اسمی مشخصی طراحی شده‎اند که نتیجتاً‌ متناسب با سقف معینی از سرعت باد می‎باشد. بنابراین در این تکنولوژی اصطلاح ”هرچه بادش بیش برقش بیشتر!“ مصداق ندارد. مضافاً اینکه ظرفیت یک سیستم بادی بر مبنای انرژی میانگین است و متناسب با حداکثر انرژی، محاسبه نشده است. لذا اغلب توربین‎های برق بادی طوری تنظیم شده‎اند که در سرعت باد 25 متر در ثانیه (Cut-Out speed) ترمز و متوقف می‎شوند. سرعتهای متغیر در محدوده مجاز سرعت باد (بین سرعت Cut In و Cut Out) نیز قدرت ورودی متغیری برای ژنراتور ایجاد می‎نماید که در شرایط مختلف به خصوص در حالاتی که شبکه نیز ناپایدار و غیرمتعادل است مطمئناً‌ در کارآیی ژنراتور القایی تأثیر معکوس خواهد داشت. جدول شماره (1) نشان‎دهنده تغییرات ماهانه در حداکثر و حداقل سرعت باد و اثرات آن روی توان توربین، ضریب توان ، شدت جریان و ولتاژ توربین برق بادی 150 کیلوواتی واقع در اوخامادی هندوستان می‎باشد. شکل (1) منحنی توان در رابطه با شرایط مزبور در همین نیروگاه را نشان می‎دهد. شکل (2) نمایانگر تولید نیروی ماهیانه متناسب با تغییرات در سرعت باد می باشد . موضوع حائز اهمیت دیگری که در یک نیروگاه بزرگ و یا به اصطلاح مزرعه بادی مطرح است سرعتهای متغیر موضعی در محدوده مزرعه می‎باشد که آمار نمایش داده شده در شکل (3) شاهد خوبی بر این مسئله است که تغییرات در توان خروجی ماهیانه توربین های شماره 1 و 16 در مزرعه بادی لامبا به همراه منحنی میانگین سرعت باد کاملاً مشهود می‎باشد.

Table 1

Performance of 150 kW WTG with Monthly Max. & Min. Wind speeds

 

Fig.1 Monthly Max.& Min. Wind Speed and power

Production of 150 kW WT.1G at Okhamadi Wind Farm

Fig. 2. Monthly production of the lamba wind farm

Fig.3. Monthly production of WT units No. 1 & 16 at Lamba

Wind farm with their annual average with speed

 

2ـ2ـ توان رآکتیو برای مزرعه بادی

ژنراتورهای القایی در توربین‎های برق بادی متصل به شبکه مقدار معتنابهی توان رآکتیو جهت شار مغناطیسی از شبکه می‎گیرند. میزان مصرف توان رآکتیو در ظرفیتهای تولیدی بالاتر (در سرعت باد بیشتر) افزایش می‎یابد. برای مثال برای هر10 MW توان در نیروگاه لامبا به فرض ثابت بودن ولتاژ به میزان 52 مگاوار (MVAR) توان رآکتیو از شبکه KV 66 منطقه گرفته می‎شود که باعث افت ولتاژ به 64.24 KV یعنی باعث 4/2 درصد کاهش در ولتاژ می‎گردد. هرچند بازدهی نیروگاه‎های برق بادی در اکثر اوقات زیر توان اسمی می‎باشد بنابراین مشکل تخلیه VAR از شبکه را می‎توان با اضافه نمودن بانک خازن ترمیم نمود. این اقدام ضریب توان را بهبود و افت پتانسیل را کاهش می‎دهد. ظرفیت خازنهای بکار رفته در توربین های نیروگاه لامبا برای ژنراتور 200 کیلوواتی KVAR 60 و برای ژنراتور 30 کیلوواتی KVAR 20 میباشد که نتیجتاً ضریب توان و شدت جریان را به ترتیب به 93% و 310 آمپر در ژنراتور 200 کیلوواتی می‎رساند و برعکس در قبال تعدیل هر KVAR 20 خازن ، تنظیم ولتاژ 5/10 درصد کاهش می‎یابد. رگلاتور ولتاژ در حد 8/6 تا 2/9 درصد برای توان 25 تا 250 مگاوات و توان رآکتیو 20 مگاوار (MVAR) تنظیم می‎باشد. تنظیم ولتاژ شبکه 400 کیلوولت به طول 310 کیلومتر به میزان 56/11 درصد با توان 250مگاوات و 60 مگاوار توان رآکتیو پس فاز می‎باشد. تنظیم ولتاژ شبکه 132 کیلو ولت در صورتی که توان اکتیو و رآکتیو به ترتیب در حد 50 مگاوات و 20 مگاوار باقی بماند از حد مجاز بیشتر نمی‎شود. تنظیم ولتاژ برای خط 220 کیلوولت و توان اکتیو و رآکتیو 100 مگاوات و 60 مگاوار به میزان 2/7 درصد می‎باشد. شکل شماره 4 نشان دهنده میزان ماهیانه تخلیه VAR  توسط نیروگاه لامبا می‎باشد.

Fig.4. Monthly VAR requirement of the Lamba wind Farm

 

 

 

3ـ2ـ ناپایداری شبکه

مشکلات منبعث از ناپایداری شبکه که موجب اختلال در کارکرد نیروگاه‎های برق بادی می‎شوند عبارتند از: قطع شبکه، نوسانات و عدم تعادل در ولتاژ و نوسان در فرکانس شبکه.

 

الف) قطع شبکه 

به طور کلی قطع شبکه به دلیل حوادث غیر مترقبه و یا قطع عمدی اتفاق می‎افتد و تا زمــان رفـــع اشکال بازدهی نیروگاه رضایت بخش نخواهد بود. اتصال خطوط و یا قطع یک خط (حالت تک فازی) از جمله حوادثی هستند که بروز آنها در شبکه به خصوص در مناطق کوهستانی که دارای آب و هوای غیر مساعد هستند امر بسیار رایجی می‎باشد. تکرار این حوادث در شبکه منطقه‎ای رودبار و منجیل به وفور حادث می‎شود. قطع عمدی شبکه توسط مسئولین مربوطه نیز به دلایلی چون برنامه‎ریزی جهت تعمیر و یا تعویض خطوط و یا به علت خاموشی برنامه‎ریزی شده (Load Shedding) می‎باشد. بعضاً‌ قطع شبکه به علت افزایش در ولتاژ نیز صورت می‎گیرد. تجربه نشان می‎دهد که در مجموع میزان قطع عمدی شبکه بیش از قطع غیر عمدی و به علت اتفاقات غیر مترقبه صورت می‎پذیرد. به هرحال و به هردلیل قطع شبکه می‎تواند به طور غیر منتظره در هر زمان صورت پذیرد بنابراین بررسی شبکه‎های مختلف و کسب و ثبت مستمر اطلاعات مزبور می‎تواند به طور میانگین آماری را ارائه نماید که جهت تصمیم‎گیری و انتخاب سایت نیروگاه‎های برق بادی بسیار حیاتی و مهم اتلاق گردد .

اطلاعات به دست آمده در رابطه با شبکه های 400 ، 220 ، 132 و 66 کیلوولتی متصل به نیروگاه‎های برق بادی نصب شده در مناطق مجاور دریای عرب در استان گجرات هندوستان، بیانگر آن است که میانگین ماهیانه قطعی شبکه در ایام بادخیز به ترتیب 9 ، 4 ، 4 و 12 مورد قطعی می‎باشند. میانگین ماهیانه مدت زمان تداوم هر قطعی برای شبکه 66 کیلوولتی حداقل (حدود 2 ساعت ) و در مورد شبکه 400 کیلوولتی حداکثر (17/8 ساعت ) گزارش شده است. چرا که طول خطوط قدرت 66 کیلوولتی در مقایسه با دیگر خطوط کمتر می‎باشد و لذا زمان لازم برای شناسایی و ترمیم اشکال بسیار کمتر از مورد مشابه برای شبکه 400 کیلوولتی به طول 300 کیلومتر خواهد بود. جدول شماره (2) نشانگر میانگین سالیانه دفعات (Frequency) و زمان طول کشیدن قطعی غیرعمد (Fault) و عمدی (Shutdown) می‎باشد. آمار جدول مزبور نیز آموزنده و مفید می‎باشند چرا که می‎توان به دلایلی متشابه برای دیگر نیروگاه‎ها نیز عمومیت یافته و صادق باشند. این اطلاعات نشان می‎دهد که مدت زمان قطعی متناسب با ازدیاد ظرفیت شبکه از 66 کیلوولت به 400 کیلوولت افزایش یافته در صورتی که فرکانس اتفاق قطعی کاهش می‎یابد. برای مثال فرکانس قطعی برای شبکه 400 کیلوولتی 21 و برای شبکه 66 کیلوولتی 93 مورد گزارش شده است .

Table 2

Annual Average Frequency and Duration of Downtime Per Line

 

 

آمار و اطلاعات فوق را می‎توان جهت محاسبه پارامتر R یعنی میزان ضریب اطمینان شبکه (Reliability) در مزرعه بادی به کار گرفت [5]. برای مثال نیروگاه برق بادی لامبا که از طریق شبکه 66 کیلوولتی با ضریب اطمینان 1R به ایستگاه 132 کیلوولتی با ضریب اطمینان 2Rمتــصل اســـت و ایستگاه 132 کیلوولتی توسط دو شبکه موازی 132 کیلوولتی با ضریب اطمینان ₂r ، ₁r تأمین می‎شود بنابراین ضریب اطمینان R ترمینال 66 کیلوولتی در نیروگاه برق بادی برابر است با :

        R = R1R2

که در آن

                                                                               R2  =  [ 1-(1-r1).(1-r2) ]

 

بــا جــایگزین کردن آمار جدول (2) در فرمولهای فوق و با توجه به اینکه در این مورد ₂r=₁r می‎باشد. مقدار 9785/0 = R به عبارت دیگر می‎توان به طور میانگین پیش‎بینی نمود که شبکه 66 کیلوولتی در محل ترمینال نیروگاه برای 34/188 ساعت در سال قطع می‏باشد. ضمناً عدد مزبور شامل میزان ساعات قطعی نیروگاه به دلایل دیگری که ناشی از مسائل برآمده از زیر مجموعه‎ها ، تجهیزات و شبکه توزیع داخلی در یک مزرعه بادی می‎باشد که بعداً در این مقاله به آن اشاره خواهد شد نمی‎باشد مضافاً اینکه ضریب اطمینان دسترسی به شبکه در ماههایی که شدت سرعت باد بیشتر است به علت ازدیاد حوادث در زمان طوفان کمتر می‎شود. بنابراین بطور جداگانه و برای ماههای مزبور نیز باید پارامتر R محاسبه شود که این محاسبات برای مثال فوق بیانگر 5% کاهش می‎باشد.

فرکانس قطعی شبکه محلی متصل به نیروگاههای برق بادی منجیل و رودبار در ایران نیز قابل توجه می‎باشد. قطعی شبکه نیروگاه منجیل بطور میانگین دو مورد در هفته بیان شده است. مدت زمان دوام هر قطعی به صورت میانگین دو ساعت تخمین زده می‎شود.

 

ب) نوسان در ولتاژ شبکه

نوسان در ولتاژ و بروز عدم تعادل در ولتاژ فازهای شبکه انتقال قدرت امری است متعارف چرا که فقط تحت شرایط بار رآکتیو ایده‎آل، رگلاتور ولتاژ به صفر می‎رسد. وجود مخازن رآکتیو در سیستم انتقال قدرت برای مهار خسارات توان رآکتیو و کنترل ضریب توان، عملاً وقوع حالت تئوریک و ایده‎آل مزبور را امکان‎ پذیر نمی‎سازد و اصولاً نوسان در ولتاژ شبکه اجتناب ‎ناپذیر می‎گردد. اطلاعات ثبت شده در مورد ولتاژ خطوط انتقال قدرت متصل به نیروگاههای برق بادی مورد نظر، نشانگر نوسانات زیادی است که سبب قطع اتصال نیروگاه به شبکه می‎گردند. بالاترین افت ولتاژ تا حد 30% نیز گزارش شده است که حتی از محدوده تپینگ (Tapping) ترانســفورماتور (5%+ تا 15%-) خارج می‎باشد. ضمناً آمار ثبت شده در مورد ازدیاد ولتاژ تا حد 20%+ را نشان می‎دهد. طبیعی است اینگونه تغییرات در ولتاژ موجب قطعی پی در پی نیروگاه می‎گردد. جدول (3) حداکثر و حداقل میزان ماهیانه ولتاژ برای شبکه های 66 کیلوولتی و 11 کیلوولتی را نشان می‎دهد.

Table 3

Monthly Maximum and Minimum Vlotage at 66 kV and 11 kV Boosters

 

عدم تعادل در ولتاژ یک پدیده متعارفی است که غالباً به علت خسارت کرونا (Corna Loss) که در فصول تحت رطوبت بالا اتفاق می‎افتد. اطلاعات شبکه 11 کیلوولتی در داخل نیروگاه لامبا حداکثر عدم تعادل ولتاژ حتی تا حد 20% را نشان می‎دهد و این موارد بیشتر در ایامی که سرعت باد ایده‎آل می‎باشد باعث قطع شدن نیروگاه می‎گردد. جدول (4) عدم تعادل در ولتاژ شبکه 66 کیلوولتی را نشان می‎دهد.

Table 4

Voltage Unbalance at 66 kV Side at Lamba Substation

 

ج) نوسان در فرکانس

فرکانس سیستم قدرت بطور منظم در مرکز توزیع بار کنترل و ثبت می‎گردد حداکثر و حداقل فرکانس ثبت شده برای شبکه نیروگاه لامبا 21/51 و 07/48 هرتز می‎باشد که زمان تداوم این فرکانس ثبت نشده است ولی عملاً تا حد چندین ثانیه و حداکثر یک دقیقه تداوم نوسان در فرکانس مشاهده شده است. از طرفی در طول مدت 16 ماه آمار ثبت شده در مورد فرکانس نشان می‎دهد که زمان وقوع فرکانس بیش از 8/50 هرتز به مدت 14/735 ساعت یعنی 3/6 % ولی برای فرکانس بیش از 51 هرتز ، این زمان از چند ساعت بیشتر نمی‎شود. فرکانس سنج نصب شده در توربین بادی در صورت بروز نوسان زیاد در فرکانس اطلاع را به سنسور انتقال داده و به محض مشاهده میزان غیر مجاز توربین خاموش می‎گردد. لذا باید با اشراف به نوسانات مستمر در فرکانس شبکه مربوطه، محدوده نوسانات را طوری تنظیم نمود که از خاموش و روشن شدن مکرر توربین به علت تغییرات در فرکانس جلوگیری گردد .

 

3-‌ جمع‎بندی و نتیجه‎گیری

-         در قسمتهای فوق اشکالاتی که طی کارکرد توربین های برق بادی بوجود می‎آید با ارائه اطلاعات مستند مطرح گردید. در هر حال وجود مجموعه مشکلات فوق در نیروگاه‎های برق بادی مخاطره انگیز خواهد شد. جدول شماره (5) اطلاعات مربوط به مجموع علل وقوع خاموشی در نیروگاه‎های برق بادی مزرعه بادی لامبا در طی یک ماه بادخیز (‌ماه نوامبر) به همراه زمان تداوم اشکال و نیز خسارت توانی که به علت خاموشی تولید نشده است را ارائه می‎دهد.

Table 5

Abnormalities of the Lamba Wind Farm During Nov. 1991

 

-         نکته حائز اهمیت دیگر ، مسئله‎ای است که در یک مزرعه بادی بزرگ به وقوع می‎پیوندد. در این مزرعه ممکن است اتصال به شبکه دایر باشد ولی کارآیی و ضریب توان درحد پیش‎بینی شده نباشد چرا که ممکن است در حالی که اتصال به شبکه برقرار است تعدادی از توربین‎ها به علل موردی خاموش باشند بنابراین ناهماهنگی در تولید حتی در حیطه یک مزرعه بادی نیز امکان پذیر می‎باشد. با توجه به معمول بودن مشکلات مطرح در این مقاله بروز اشکالات مزبور در کلیه سیستمهای تبدیل انرژی بادی در سطح جهان امکان پذیر می‎باشد. برای مثال گزارشات مشابه‎ای برای نیروگاه‎های برق بادی در دانمارک و آلمان نیز ارائه شده اند [7ـ6] . شکل (5) نشانگر مشکلات مزبور در مزارع بادی کشور آلمان است که در طی ماههای ژانویه تا ژوئیه اتفاق آنها گزارش شده است. در آنجا 60% خاموشی به علت مشکلات برق‎رسانی بوده است که کلاً در بر گیرنده تمام اشکالات مطرح در این مقاله می گردد . لذا با توجه به شرایط مطروحه، این تحقیقات برای کارکرد بهینه نیروگاه‎های برق بادی در هر منطقه‎ای که باشند حائز اهمیت است .

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 5. Failures in the wind farm of Germany during Jan-July

-         بی‎تردید تحلیل اطلاعات به دست آمده مرتبط به شبکه های انتقال قدرت نیروگاه‎های برق بادی ذکر شده در این مقاله، ضمن اشاعه تجربه برای مسئولین سایر نیروگاه‎های تحت شرایط مشابه، می‎تواند آموزنده و حاوی نتایج مؤثر در طراحی، احداث و انتخاب سایت اینگونه نیروگاه‎ها باشد .

-         با توجه به اینکه طراحی نیروگاه های برق بادی با در نظر گرفتن شرایط و پارامترهای اجرایی خاصی صورت گرفته است بنابراین ضرورتی نخواهد داشت که این شرایط به صورت یکسان در کلیه مناطق بادخیز جهان صادق باشد، لذا لازم است مطالعات اولیه در قبال سایت‎های محلی صورت گیرد تا بتوان تغییرات تأثیرپذیر در طراحی و یا انتخاب مناسب‎ترین نوع توربین را شناسایی و در نتیجه پیش‎گیری‎های زیربنایی صورت پذیرد تا کارآیی و بهره‎برداری بهینه از انرژی باد از ابتدا امر برنامه‎ریزی گردد. با توجه به نیاز نیروگاه های برق بادی به توان رآکتیو، لازم است که شبکه متصله توانایی انتقال توان رآکتیو مورد نیاز را داشته باشد.

-         استفاده از خازن به عنوان منبع جبران خسارت توان رآکتیو در نیروگاه‎های برق بادی الزامی است تا ضمن کمک به کارآیی ژنراتورهای القایی از افت غیر قابل مجاز ضریب اطمینان شبکه به علت تخلیه VAR جلوگیری گردد.

-         اطلاعات ثبت شده نشان می‎دهد که اکثر مشکلات مطرح در این مقاله متوجه شبکه‎های محلی با ظرفیت پایین نظیر 11 و 22 کیلوولت که در مسیر بهره‎برداری مصرف‎کنندگان هستند اتفاق می‎افتد. بنابراین ترجیحاً می‎بایست مزارع بادی حتی‎الامکان در نزدیکی شبکه‎های سراسری با ظرفیت بالاتر نظیر 400 کیلوولت قرار گیرند، ضمناً لازم است در حد امکان مسیر شبکه طولانی نبوده و هرچه نیروگاه‎های برق بادی نزدیکتر به نیروگاه‎های سنتی باشند اتفاق و زمان تداوم مشکلات مزارع بادی کاهش خواهد یافت.

-         وقوع مشکلات برای نیروگاه‎های برق بادی در فصول بادخیز افزایش می‎یابد که این امر نیز چه از نظر سرعت باد و چه از دیدگاه شبکه متصله می‎بایست قبل از احداث و حتی طراحی نیروگاه مورد بررسی و توجه قرار گیرد .

-         نهایتاً اینکه برآورد عملکرد نیروگاه‎های برق بادی مستلزم ثبت آمار و اطلاعات و بررسی جامع پیرامون پارامترها و مسائل متعددی است که عملاً در کارآیی نیروگاه‎ها مؤثر می باشند .

 

مراجع

1-    A.H. Ghorashi| “Investigations on grid connected induction generators relevant to wind/hydro/wave energy systems”| Ph-D thesis| IIT Delhi 1993.

2-    A.H. Ghorashi| S.S. Murthy| C.S. Jha and P.S. Nagendra Rao| “Performance Analysis of Grid Conneced Induction Generators Driven by Hydro/Wind Turbines Including Grid               Abnormalities”| Proc. 24^th IECEC| Vol. 4| 1989| Washington D.C

3-    A. H. Ghorashi| B. P. Singh and S. S. Murthy| “ Analysis of Wind Driven Induction Generators In Single Phasing Condition”| Proc. ELROMA | Vol. II|  Session IV-A Bombay India.

4-    A. H. Ghorashi| S. S. Murthy| B. P. Singh| “ Analysis of Wind Driven Grid Connected Induction Generators Under Unbalanced Grid Conditions”| IEEE Transaction on Energy              Conversion| Vol. 9| No. 2| June 1994| pp 217-223.

5-    R. Bilinton and R. N. Allan| “ Reliability Evaluation of Engineering System: Concepts and Techniques”| Pitman Books| Jan 1983.

6-    Torny Moller| “When Windmills Reveal Poor Grids”| Wind Power Monthly| Vol. 1| No. 7| July 1985.

7-    C. EnBlin| M. Hoppe-Kilpper| “Wind Farms in German| 250 MW Wind Program” (I) | Gh Kassel| D-3500 Kassel| Germany.

 

 

صا/مقاله 78