تحلیل کیفیت توان سیستم‌های گراندینگ متصل به توربین‌های بادی

چکیده

در این مقاله، ما به تحلیل ویژگی‌های گذرای سیستم‌های گراندینگ متصل به توربین‌های بادی برای پالس‌های جریان با چیپ‌سرعت می‌پردازیم. با افزایش تعداد توربین‌های بادی، تأثیرات بر امپدانس هارمونیک و پتانسیل گذرا در ویژگی‌های مختلف خاک و مکان‌های متفاوت تحریک مورد بررسی قرار می‌گیرد. شبیه‌سازی‌ها با استفاده از یک مدل ساده سیستم گراندینگ انجام می‌شود که در آن تقویت بنیاد نادیده گرفته شده است. تأثیر این ساده‌سازی قبلاً در مقالات مرتبط با توربین‌های بادی ایزوله تحلیل شده است. اینک، ما تحلیل قبلی را برای توربین‌های بادی متصل گسترش دهیم و به بررسی امکان‌های بهینه‌سازی تحلیل گذرا در سیستم‌های گراندینگ پیشرفته در مزرعه‌های بادی خواهیم پرداخت.

معرفی

اخیراً مقالات متعددی به بررسی عملکرد گذرای سیستم‌های گراندینگ در توربین‌های بادی ایزوله پرداخته‌اند. در واقع، توربین‌های بادی معمولاً در مناطق وسیع و به صورت پراکنده واقع می‌شوند و از طریق کابل‌های ولتاژ متوسط دفن شده به یکدیگر متصل می‌گردند. زره فلزی این کابل‌ها و سیم‌های عریان به الکترودهای گراندینگ توربین‌های بادی متصل می‌شوند و به این ترتیب، یک سیستم گراندینگ گسترش‌یافته شکل می‌گیرد. این نوع اتصال می‌تواند کاهش قابل توجهی در مقاومت کلی گراندینگ ایجاد کند. به دلیل ویژگی‌های خاص مکان‌های مستعد، توربین‌های بادی معمولاً در برابر صاعقه‌های مستقیم آسیب‌پذیر هستند، که ممکن است به تجهیزات آسیب زده یا اختلال به وجود آورد. بنابراین، عملکرد فرکانس بالا در سیستم‌های گراندینگ متصل به طور عملی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.

در این بررسی، ما به تحلیل عملکرد گذرای سیستم گراندینگ گسترش‌یافته در یک مزرعه بادی می‌پردازیم. سیستم‌های گراندینگ استاندارد توربین‌های بادی با بنیادهای وسیع در نظر گرفته می‌شوند که با سیم‌های عریان دفن شده در عمق ۰.۵ متر به یکدیگر متصل شده‌اند. جداسازی بین توربین‌های بادی بین ۷۵ متر و ۳۰۰ متر متغیر خواهد بود تا تأثیر طول هادی عریان دفن شده که به صورت مستقیم با زمین در تماس است، تحلیل شود. جزئیات هندسه سیستم گراندینگ در شکل ۱ ارائه شده است. با افزایش تعداد توربین‌های بادی، تأثیرات بر امپدانس هارمونیک و پتانسیل گذرا برای انواع مختلف خاک و پالس‌های جریان ناشی از صاعقه‌های اولیه و برگشتی نیز بررسی خواهد شد.

آرایش توربین‌های بادی در شکل ۲ نمایش داده شده است. دو سناریو برای اصابت صاعقه، یکی در وسط و دیگری در انتهای ردیف به طور مجزا تحلیل خواهند شد. شبیه‌سازی‌ها با استفاده از مدل ساده‌سازی شده سیستم گراندینگ توربین بادی که تقویت مش بنیاد را نادیده می‌گیرد، انجام می‌شوند.

تحلیل دامنه فرکانس

امپدانس هارمونیک یکی از کمیت‌های کلیدی در تحلیل گذرای سیستم‌های گراندینگ به شمار می‌رود. این کمیت مستقل از تحریک است و تنها به هندسه و ویژگی‌های الکترومغناطیسی سیستم گراندینگ و محیط اطراف بستگی دارد. در دامنه فرکانس پایین، امپدانس برابر با مقاومت گراندینگ R است و در دامنه فرکانس بالا می‌تواند بزرگتر یا کوچکتر از R باشد، بسته به این که ویژگی‌های القایی یا ظرفیت سیستم غالب باشند.

جریانی با فرکانس متغیر از ۱۰۰ هرتز تا ۱۰ مگاهرتز به هادی‌های عمودی بالا زمین در یکی از سیستم‌های گراندینگ ردیف تزریق می‌شود. تحلیل‌ها برای دو نوع زمین، یک زمین با مقاومت کم (ρ = ۱۰۰ Ωm) و یک زمین با مقاومت بالا (ρ = ۱۰۰۰ Ωm) برای تحریک در وسط و انتهای ردیف انجام می‌گیرند. ما همچنین تأثیر سیم‌های عریان دفن شده و اثر سیستم‌های گراندینگ مجاور را مورد بررسی قرار می‌دهیم. لازم به ذکر است که مش تقویت بنیاد به دلیل بهینه‌سازی محاسبات حذف شده است و اثرات آن پس از این تحلیل خواهد شد.

شکل‌ها

شکل ۱. سیستم گراندینگ توربین بادی (خطوط ضخیم) که با مش تقویت بنیاد (خطوط نازک) ادغام شده است.

شکل ۲. تصویر آرایش توربین‌های بادی

تحلیل حوزه زمان در صورت برخورد صاعقه

تحلیل حوزه زمان یکی از عوامل اساسی در طراحی تجهیزات حفاظتی مناسب به شمار می‌رود. در این مطالعه، ما به بررسی پتانسیل گذرای زمین نوتریل در نقاط تأمین جریان می‌پردازیم؛ برای این منظور، دو حالت مختلف با مقاومت‌های زمین متفاوت را در نظر می‌گیریم: یکی با ρ = ۱۰۰ Ωm و دیگری با ρ = ۱۰۰۰ Ωm. در این تحلیل، دو فرم موج جریان صاعقه که مرتبط با ضربات اول و بازگشتی هستند، مدنظر قرار می‌گیرند و این امواج با استفاده از تابع نمایی دوگانه معمولی تولید می‌شوند:

.

در اینجا Im به معنای مقدار اوج پالس جریان است. مقادیر ضرایب k، τ1 و τ2 برای پالس‌های جریان در جدول ۱ ارائه شده‌اند.

نتایج تحلیل

شکل ۵ پتانسیل گذرای نقاط تأمین جریان را به تصویر می‌کشد؛ این پتانسیل مربوط به پالس جریان صاعقه مرتبط با ضربات بازگشتی‌ای است که به سیستم زمین در انتهای ردیف تزریق شده‌اند. در این میان، اتصال توربین‌های بادی تأثیری بر پتانسیل گذرای در دوران اولیه افزایش جریان نداشته و در عوض، هادی‌های افقی دفن شده به طرز چشمگیری پتانسیل گذرای را در زمان کاهش پالس کاهش می‌دهند. سیستم‌های زمین مجاور تنها در صورتی که زمین دارای مقاومت بالا باشد، به بهبود این کاهش کمک می‌کنند و این امر پس از یک دوره نقص تا نیمه‌اوج به وقوع می‌پیوندد. اما در صورت وجود زمین با مقاومت پایین، سیستم‌های زمین مجاور و هادی‌های افقی بلندتر از ۲۰۰ متر نمی‌توانند عملکرد گذرایی را بهبود ببخشند.

شکل ۳. امپدانس هارمونیک توربین‌های بادی متصل شده، برای تحریک در انتهای ردیف: الف) ρ=۱۰۰ Ωm؛ ب) ρ=۱۰۰۰ Ωm.

شکل ۴. امپدانس هارمونیک توربین‌های بادی متصل شده، برای تحریک در وسط ردیف: الف) ρ=۱۰۰ Ωm؛ ب) ρ=۱۰۰۰ Ωm.

شکل ۵. پتانسیل گذرای مرتبط با زمین نوتریل دور برای پالس جریان مرتبط با ضربه بازگشتی بعدی در زمین‌های با مقاومت بالا و پایین: الف) ρ=۱۰۰ Ωm؛ ب) ρ=۱۰۰۰ Ωm.

شکل ۶. پتانسیل گذرای مرتبط با زمین نوتریل دور برای پالس جریان مرتبط با ضربه اول در زمین‌های با مقاومت بالا و پایین: الف) ρ=۱۰۰ Ωm؛ ب) ρ=۱۰۰۰ Ωm.

شکل ۶ پتانسیل گذرای نقاط تأمین جریان را به تصویر می‌کشد؛ این پتانسیل به پالس جریان صاعقه مرتبط با ضربه اول مربوط می‌شود، که به سیستم زمین در انتهای ردیف تزریق شده است. در این حالت، پاسخ گذرای به آرامی در حال افزایش است و این امر بیش از هر چیز تحت تأثیر رفتار فرکانس پایین امپدانس هارمونیک قرار دارد. در حالت زمین با مقاومت پایین، سیستم‌های زمین مجاور در طول کل دوره گذرا کاهش کمی در پتانسیل گذرای ایجاد می‌کنند، در حالی که سهم عمده این کاهش از هادی‌های دفن شده تأمین می‌شود. در زمین‌های با مقاومت بالا، سیستم‌های زمین مجاور تأثیر قابل توجهی بر کاهش پتانسیل گذرای دارند، به ویژه پس از یک دوره نقص تا نیمه‌اوج.

حائز اهمیت است که در تحریکات وسط ردیف، امپدانس هارمونیک در دامنه فرکانس پایین (نسبت به مقاومت زمین) کمتر از تحریکات انتهای ردیف است. بنابراین، پیش‌بینی می‌شود که پتانسیل‌های گذرا برای ضربه اول صاعقه و همچنین در طول کاهش پالس برای ضربات بازگشتی بعدی به طور قابل توجهی کاهش یابد.

تأثیر مدل‌های سیستم زمین در تحلیل گذرای سیستم‌های زمین توسعه یافته در مزرعه‌های بادی

تحلیلات پیشین با بهره‌گیری از یک مدل ساده از سیستم زمین انجام شده که تأثیر مش تقویت پایه را در نظر نگرفته است (به شکل ۱ با خطوط نازک مراجعه کنید). این انتخاب باعث می‌شود که برآورد پتانسیل گذرا به طور قابل توجهی بالا برود، چراکه مش تقویت پایه مسیرهای اضافی برای جریان صاعقه ارائه می‌دهد و در نتیجه رفتار القائی امپدانس هارمونیک در دامنه فرکانس بالا را کاهش می‌دهد. برای بررسی تأثیر مدل‌های مختلف سیستم زمین، ما سه حالت را مقایسه می‌کنیم. در ابتدا، سیستم‌های زمین تحریک شده و مجاور را با یک هندسه ساده مدل‌سازی می‌کنیم که تنها شامل الکترودهای اصلی زمین است. سپس از مدل پیچیده‌تری برای سیستم زمین مجاور که به مش تقویت پایه متصل شده است، استفاده خواهیم کرد. در آخر، از مدل‌های یکپارچه پیچیده برای دو سیستم زمین متصل بهره‌برداری می‌کنیم.

شکل ۷ نشان‌دهنده این است که پیچیدگی مدل برای سیستم زمین مجاور هیچ تأثیری بر عملکرد فرکانس پایین و بالا سیستم‌های زمین ندارد. استفاده از مدل پیچیده‌ای که مش تقویت پایه را یکپارچه می‌کند، فقط برای سیستم زمین محلی توربین بادی در صورت تحلیل گذرا برای پالس‌های جریان به سرعت در حال افزایش اهمیت زیادی پیدا می‌کند. اما برای تحلیل در فرکانس پایین، بهره‌گیری از مدل ساده‌ای برای سیستم زمین محلی خطاهای معناداری را به همراه نخواهد داشت.

شکل ۷. تأثیر مدل برای سیستم‌های زمین محلی و مجاور: الف) ρ=۱۰۰ Ωm؛ ب) ρ=۱۰۰۰ Ωm.

تحلیل کیفیت توان در سیستم‌های گراندینگ

زمانی که سیستم‌های گراندینگ (Grounding Systems) مربوط به توربین‌های بادی به سیم‌های لخت دفن شده متصل می‌شوند، این سیم‌ها به طرز قابل توجهی عملکرد گذرا (Transient Performance) را بهبود می‌بخشند. سیستم‌های گراندینگ مجاور، در صورت وجود زمین با مقاومت پایین، تنها به صورت محدود قادر به بهبود عملکرد گذرا خواهند بود. اما در زمین‌های با مقاومت بالا، این سیستم‌ها می‌توانند در طول دوره زوال پالس، که به طور عمده تحت تأثیر رفتار فرکانس پایین سیستم گراندینگ وسیع قرار دارد، به بهبود بیشتری دست یابند.

تحلیل برخورد صاعقه

تحلیل برخورد صاعقه در انتهای آبشار می‌تواند به عنوان بدترین سناریو برای سیستم‌های گراندینگ متصل به حساب آید. در این حالت، برخورد صاعقه به توربین‌های بادی واقع در وسط ردیف، پتانسیل‌های گذرا کمتری را به وجود می‌آورد. دلیل این امر، مقادیر پایین‌تر امپدانس هارمونیک در محدوده فرکانس پایین برای انواع مختلف خاک است (به شکل ۴ مراجعه کنید)، که در مقایسه با حالت تحریک در انتهای ردیف (به شکل ۳ مراجعه کنید)، تأثیر کمتری دارد.

مدل‌های پیچیده سیستم گراندینگ

استفاده از مدل پیچیده سیستم گراندینگ، که با مش متراکم تقویت بنیاد ادغام شده، تنها برای سیستم گراندینگ محلی که به طور مستقیم تحت تأثیر پالس جریان صاعقه قرار می‌گیرد، اهمیت بسیاری دارد. برای تحلیل فرکانس پایین، همچنین می‌توان از مدل ساده سیستم گراندینگ بهره‌مند شد. اهمیت پیچیدگی سیستم‌های گراندینگ مجاور در این است که تاثیر ناچیزی بر عملکرد گذرا سیستم گراندینگ وسیع دارند. این نکته برای بهینه‌سازی و کاهش زمان محاسباتی در طی تحلیل‌های گذرا سیستم‌های گراندینگ وسیع از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

منابع

• [1] Y. Yoh, Y. Takuma, FDTD analysis of wind turbine earthing, in Proc. 28-th Int. Conf. Lightning Protection, (2006), 1551-1556.
• [2] S. Pastromas, E. Pyrgioti, Two types of earthing system of lightning protection for wind turbines, in Proc. 29th Int. Conf. on Lightning Protection, (2008), 1-10.
• [3] A. Elmghairbi, A. Haddad, H. Griffiths, Potential rise and safety voltages of wind turbine earthing systems under transient conditions, in Proc. 20th Int. Conf. Electricity Distribution (CIRED 2009), (2009), 1-4.
• [4] S. Yanagawa, D. Natsuno, K. Yamamoto, Measurements of transient grounding characteristics of a MW class wind turbine generator system and its considerations, in Proc. 31st Int. Conf. on Lightning Protection, (2012), 1-5.
• [5] Wind Turbine Generator Systems – Part 24: Lightning protection, IEC Std. 61400-24, (2010).
• [6] B. Markovski, L. Grcev, V. Arnautovski-Toseva, Step and touch voltages near wind turbine grounding during lightning strokes, International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC Europe 2012), (2012), 1-6.
• [7] B. Markovski, L. Grcev, V. Arnautovski-Toseva, Transient characteristics of wind turbine grounding, Frequency dependent and soil ionization effects, in Proc. 31st Int. Conf. on Lightning Protection, (2012), 1-6.
• [8] L. Grcev and F. Dawalibi, An electromagnetic model for transients in grounding system, IEEE Trans. Power Delivery, 5 (1990), 1773-1781.
• [9] L. Grcev, Computer analysis of transient voltages in large grounding systems, IEEE Trans. Power Delivery, 11 (1996), 815-823.
• [10] TRAGSYS-software for high frequency and transient analysis of grounding systems. http://www.tragsys.com

نویسندگان

مهندس م.س. بلاگویا مارکوفسکی، دانشگاه مقدس قیرئیل و متدود، دانشکده مهندسی برق و فناوری اطلاعات، صندوق پستی ۵۷۴، ۱۰۰۰ اسکوپیه، مقدونیه، ایمیل: bmarkovski@feit.ukim.edu.mk;

پروفسور دکتر لئونید گرچف، دانشگاه مقدس قیرئیل و متدود، دانشکده مهندسی برق و فناوری اطلاعات، صندوق پستی ۵۷۴، ۱۰۰۰ اسکوپیه، مقدونیه، ایمیل: lgrcev@feit.ukim.edu.mk;

پروفسور دکتر وسنا آروتوفسکی-توسوا، دانشگاه مقدس قیرئیل و متدود، دانشکده مهندسی برق و فناوری اطلاعات، صندوق پستی ۵۷۴، ۱۰۰۰ اسکوپیه، مقدونیه، ایمیل: atvesna@feit.ukim.edu.mk;

پروفسور دکتر ماریا کاسارسکا، دانشگاه مقدس قیرئیل و متدود، دانشکده مهندسی برق و فناوری اطلاعات، صندوق پستی ۵۷۴، ۱۰۰۰ اسکوپیه، مقدونیه، ایمیل: mkacar@feit.ukim.edu.mk

منبع و شناسه ناشر: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷، ر. ۹۱ شماره ۶/۲۰۱۵. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۱۵.۰۶.۱۳

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس برق

مشاهده پست‌های بیشتر

پرسش‌های متداول

تحلیل کیفیت توان چیست؟

تحلیل کیفیت توان فرآیندی است که در آن پارامترهای مختلف مربوط به کیفیت برق بررسی و ارزیابی می‌شوند.

چرا کیفیت توان اهمیت دارد؟

کیفیت توان اهمیت زیادی دارد زیرا می‌تواند بر عملکرد تجهیزات الکتریکی و عمر مفید آن‌ها تأثیر بگذارد.

چگونه می‌توان کیفیت توان را بهبود بخشید؟

کیفیت توان را می‌توان با استفاده از تجهیزات مانند فیلترهای هارمونیک و آنالایزرهای کیفیت توان بهبود داد.

منبع: powerquality.blog