شکل۲- ۱: نمودار رشد مزارع بادی

به عنوان مثال ظرفیت توربین­های بادی نصب شده در کشور چین از سال ۲۰۰۴ هر سال دو برابر شده است[۱۹]. یک کاربرد متداول از توربین بادی، نصب تعداد زیادی از این توربین­ها در یک ناحیه­ی نه چندان وسیع است که به آن مزرعه بادی گفته می­ شود[۲۰]. در حالت کلی توربین­های بادی به دو دسته سرعت ثابت و سرعت متغیر تقسیم می­شوند.
توربین بادی سرعت ثابت
تا اوایل سال­های ۱۹۹۰ اکثر توربین­های بادی نصب شده در جهان از نوع سرعت ثابت^[۱۹] بودند. بدین معنی که صرفنظر از سرعت باد، این توربین­ها در سرعت ثابتی کار می­ کنند که بر اساس فرکانس شبکه و نسبت دنده­ها و نیز نوع طراحی ژنراتور، تعیین می­ شود[۲۱]. از خصوصیات این نوع توربین­ها آن است که اغلب به یک ژنراتور القایی (قفس سنجابی و یا روتور سیم پیچی شده) مجهز می­شوند. این نوع توربین­ها طوری طراحی می­شوند که در یک سرعت خاص به بازده­ی ماکزیمم خود برسند. برای افزایش تولید توان، ژنراتورهای برخی از توربین­های سرعت ثابت به دو مجموعه از سیم پیچی­ها مجهز می­باشند. یکی برای سرعت­های پایین باد (معمولاً ۸ قطبی)، و دیگری برای سرعت­های بالا (معمولاً ۴ یا ۶ قطب). از فواید این نوع توربین­ها می­توان به سادگی، قدرتمند بودن و انعطاف پذیری آنها اشاره نمود. همچنین قیمت اجزای الکتریکی آنها پایین می­باشد. عیب اینگونه توربین­ها، مصرف توان راکتیو غیر قابل کنترل، فشار مکانیکی و محدودیت در کنترل کیفیت توان است. بدلیل عملکرد در سرعت ثابت، نوسانات باد مستقیماً به نوساناتی در گشتاور مکانیکی تبدیل شده و وارد شبکه می­شوند که این موضوع سبب نوسان در توان الکتریکی خواهد شد. در شبکه ­های ضعیف این امر ممکن است منجر به نوسانات ولتاژ و حتی خروج خط از شبکه گردد[۲۲, ۲۳].

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

توربین بادی سرعت متغیر^[۲۰]
در طول سال­های اخیر، نصب توربین­های بادی سرعت متغیر در نیروگاه­های بادی به نوع غالب تبدیل شده­ است. اینگونه توربین­ها طوری طراحی می­شوند که به ماکزیمم بازده آیرودینامیکی خود در یک رنج گسترده از سرعت باد دست یابند. این نوع توربین­ها عمدتاً به ژنراتورهای القایی و یا سنکرون متصل می­شوند که توسط یک کانورتر به شبکه اتصال می­یابند [۲۴]. این کانورتر قدرت، سرعت ژنراتور را کنترل می­نماید. با داشتن یک عملکرد سرعت متغیر، این مدل از توربین­ها می­توانند با تغییر سرعت باد (v)، سرعت چرخشی (ω) خود را بطور پیوسته افزایش و یا کاهش دهند. به این ترتیب نسبت سرعت واحد (λ) در یک مقدار معین ثابت نگه داشته می­ شود. λ از رابطه­ زیر محاسبه می­گردد:
(۲-۱)
R در رابطه­ فوق بیانگر شعاع روتور است. در یک λی معین، ماکزیمم بازده بدست خواهد آمد. در مقایسه با توربین­های سرعت ثابت، در این توربین­ها گشتاور ژنراتور تقریباً ثابت نگه­داشته می­ شود و تغییرات سرعت باد بوسیله تغییرات سرعت ژنراتور جذب شده و به شبکه منتقل نمی­گردد[۲۵].
مزیت توربین­های سرعت متغیر افزایش انرژی تولیدی، بهبود کیفیت توان و کاهش استرسهای مکانیکی بر روی توربین است. عیب آن افزایش تلفات در قطعات الکترونیکی، افزایش قیمت و پیچیدگی آن است.
سیستم­های فوتوولتائیک ( (PV^[21]
سیستم­های فوتوولتائیک، نور خورشید را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می­ کنند. معمولاً مجموعه ­ای از سلول­ها به صورت سری به یکدیگر متصل شده تا ولتاژ کافی را فراهم آورند. به این مجموعه پانل^[۲۲] گفته می­ شود. برای افزایش جریان خروجی پانل­ها می­توان سطح سلول­ها را افزایش داد و یا آنها را با هم موازی کرد. یک آرایه PV از یک یا چند پانل تشکیل شده است که به صورت سری و موازی به یکدیگر متصل شده ­اند.
یک سلول PV اساساً یک دیود نیمه هادی است که پیوندp-n آن در معرض نور قرار گرفته است. هر سلول از لایه نازکی از سیلیسیم تشکیل شده که به پایانه ­های الکتریکی متصل است. روی یک طرف لایه­ی سیلیسیم، یک پیوند p-n ساخته شده است. همچنین یک لایه نازک فلزی روی سطح رو به آفتاب نیمه هادی قرار گرفته است.
ولتاژ و جریان موجود در ترمینال آرایه­های خورشیدی را می­توان مستقیماً برای تغذیه­ی بارهایی مانند سیستم­های روشنایی یا موتورهای dc به کار گرفت[۲۶].
واحد های کوچک آبی
برای تولید توان در ریزشبکه، واحدهای کوچک تولید توان برقابی موثر هستند. وسعت تولید در این واحدها به موقعیت مکانی ناحیه و بارندگی سالیانه بستگی دارد. این واحدهای تولیدی به سبب جریان آب متغیر ناشی از بارندگی­ها، دارای مشکل تغییرات تولید می­باشند[۲۷]. برای این واحدها ضریبی به نام ضریب ظرفیت که نسبت انرژی سالیانه به انرژی نامی می­باشد تعریف می­ شود.
سیستم تولید ترکیبی گرما و توان (^[۲۳]CHP):
سیستم­های CHP با تولید ترکیبی گرما و توان، بعنوان مهمترین منابع انرژی توزیع شده برای کاربردهای ریزشبکه محسوب می­شوند. مهمترین مزیت این سیستم­ها، تولید توان با بازده بالا می­باشد زیرا از گرمای تلف شده نیز بهره می­برند[۲۸, ۲۹]. سیستم­های CHP گرمای تولید شده محلی را جذب کرده و برای کاربردهای خانگی و صنعتی استفاده می­ کنند. با جذب گرمای اضافه، سیستم CHP اجازه می­دهد که از انرژی تولیدات متداول استفاده موثرتری شود. بنابراین بازده­ی این سیستم به بیشتر از ۸۰ % می­رسد. سیستم­های CHP معمولاً در سیستم­های گرم­کننده شهرهای بزرگ، بیمارستان­ها، پالایشگاه­های نفت و طرح­های صنعتی با بارهای حرارتی نصب می­شوند.
حال که انواع DG معرفی شدند تأثیر آن بر سطح اتصال کوتاه سیستم توضیح داده می­ شود.
تأثیر تولید پراکنده بر سطح اتصال کوتاه:
سطح اتصال کوتاه بصورت تأثیر خطا بر جریان و توان تعریف می­ شود. این تعریف، معیاری جهت مشخص نمودن افزایش جریان و توان سیستم می­باشد. سطح خطا بر حسب پریونیت بصورت زیر تعریف می­ شود:
(۲-۲)
که در این رابطه، i جریان خطا و مقدار امپدانس تونن از دید شین i بر حسب پریونیت می­باشد. سطح جریان خطا در یک سیستم توزیع معمولاً در محدوده­ ۱۰ تا ۱۵ پریونیت قرار دارد در حالیکه جریان نامی شبکه pu1 می­باشد.
مقدار جریان خطا بایستی از مقدار جریان نامی بسیار بیشتر باشد تا رله­های اضافه جریان موجود در سیستم بتوانند خطا را ببیند. به منظور رسیدن به این هدف بایستی یک منبع تولید توان بسیار قوی وجود داشته باشد که بتواند این مقدار جریان خطا را تأمین نماید. برخی از منابع تولید الکتریسیته مانند مبدل­های الکترونیک قدرت، دارای کنترل­ کننده­هایی هستند که از اضافه جریان جلوگیری می­ کنند. بطور مثال اگر در قسمت انتهایی یک شبکه توزیع تعداد زیادی منابع فوتوولتائیک نصب شده باشد، در صورت وقوع خطا در شبکه، جریان خطا افزایش چشمگیری پیدا نمی­کند و بنابراین رله­های اضافه جریان نمی ­توانند محل خطا را تشخیص دهند. مشکلی که در اینجا بوجود می ­آید این است که ولتاژ محل تماس کاهش پیدا می­ کند حتی در صورتیکه جریان خطا پایین باشد. علاوه بر آن وجود دائمی خطا باعث ضربه زدن به تجهیزات موجود در شبکه می­گردد.
با نصب واحد DG، یک امپدانس با قسمتی از شبکه بصورت موازی قرار می­گیرد. در نتیجه امپدانس دیده شده از محل خطا کوچک شده و سطح جریان خطا افزایش می­یابد. افزایش ظرفیت واحد DG را می­توان معادل کوچک شدن امپدانس واحد DG دانست. با افزایش ظرفیت واحد DG، امپدانس معادل واحد DG نیز کوچک شده و در نتیجه سطح اتصال کوتاه شبکه تغییر می­ کند. از آنجا که تنظیمات رله­های اضافه جریان موجود در شبکه بر حسب جریان اتصال کوتاه دیده شده توسط رله­ها صورت می­پذیرد، بنابراین تغییر سطح اتصال کوتاه شبکه باعث تغییر زمان عملکرد رله­ها و در نتیجه به هم خوردن هماهنگی رله­ها می­گردد.
هنگامی که در یک شبکه­ شامل منابع تولید پراکنده خطا اتفاق بیفتد، جریان خطا از دو طریق تأمین می­گردد: شبکه­ سراسری و منابع تولید پراکنده. مقدار مشارکت هر کدام از این دو منبع به توپولوژی شبکه، امپدانس شبکه و اندازه­ واحدهای تولید پراکنده بستگی دارد[۳۰]. برای توضیح بیشتر این مطلب و بررسی تأثیر پارامترها در میزان مشارکت واحد تولید پراکنده در تأمین جریان خطا، شکل(۲-۲) در نظر گرفته شده است. مدار معادل تونن این شبکه در شکل(۲-۳) نشان داده شده است.

شکل۲- ۲: شبکه فشار متوسط حاوی منبع تولید پراکنده

شکل۲- ۳: مدار معادل تونن شکل ۱-۲
امپدانس معادل تونن برابر است با:
(۲-۳)
در معادله­ بالا امپدانس شبکه­ فوق توزیع(که مشتمل بر امپدانس ترانس پست توزیع نیز می­باشد) و امپدانس ژنراتور واحد تولید پراکنده و امپدانس خط می­باشد. a بیانگر درصدی از خط می­باشد که بین واحد DG و پست قرار دارد. مقدار جریان اتصال کوتاه کلی در هر فاز توسط رابطه­ زیر قابل محاسبه می­باشد.
(۲-۴)
جریان خطای تولیدی توسط شبکه­ سراسری را می­توان بصورت زیر بدست آورد:
(۲-۵)
مقدار امپدانس توسط توان اتصال کوتاه در محل پست () قابل محاسبه می­باشد. برای یک شبکه­ انتقال در حالت ایده­ال می­توان مقدار را برابر بینهایت در نظر گرفت.
(۲-۶)
بنابراین :
(۲-۷)
بصورت تئوری در حالت ، رابطه­(۲-۷) استخراج می­گردد که در آن اندازه­ واحد DG و محل نصب آن در شبکه­ توزیع، تعیین کننده­ میزان جریان خطای تولیدی توسط شبکه می­باشد. در صورتیکه کوچک باشد، تقریباً با برابر خواهد بود. این حالت زمانی اتفاق می­افتد که یا واحد تولید پراکنده در نزدیکی پست توزیع نصب شده باشد(مقدار a کوچک باشد) و یا در حالتی که اندازه­ واحد تولید پراکنده­ی نصب شده کوچک باشد(مقدار بزرگ باشد).
در حالت واقعی، رابطه­ هرگز اتفاق نمی­افتد مخصوصاً در شبکه ­های با سطح ولتاژ متوسط که مقدار می ­تواند کوچک باشد. بنابراین رابطه­(۲-۷) هرگز بدست نمی­آید. در این حالت تأثیر واحد DG در تأمین جریان خطای تولیدی توسط شبکه­ اصلی مطابق با رابطه­(۲-۵) بیان می­گردد. مقدار کلی جریان خطا با بهره گرفتن از روابط(۲-۴) و (۲-۵) بدست می ­آید. رابطه­(۲-۵) نسبت به مکان نصب واحد DG و اندازه­ آن، غیرخطی است. بنابراین یک رابطه­ غیرخطی می­باشد. در حالتی که شبکه ضعیف باشد مقدار نسبت به بزرگ است و در نتیجه میزان جریان خطای تولیدی از طرف شبکه­ اصلی اندک می­باشد. بنابراین این امکان وجود دارد که به دلیل کوچکی مقدار جریان خطا، رله­ی جریان زیاد نصب شده بر روی خط نتواند اضافه جریان را تشخیص دهد. به همین دلیل پس از ورود DG به سیستم باید هماهنگی رله­ها مورد بررسی قرار گیرد.
نصب واحدهای تولید پراکنده باعث تغییر اندازه و جهت جریان اتصال کوتاه شبکه می­گردد. میزان تأثیر این منابع بر جریان خطا به عوامل متعددی بستگی دارد. از جمله­ این عوامل می­توان به نوع واحد DG، محل اتصال DG شبکه، مقدار ولتاژ قبل از وقوع خطا در شبکه و … اشاره نمود. جدول(۲-۱) جریان اتصال کوتاه یک سیستم نمونه را برای چند نوع خاص واحد DG نشان می­دهد.
جدول۲- ۱: جریان خطای تولیدی توسط چند نوع واحد تولیدی