تحقیق ۲۰۸۵ : عناصر شبکه‌های برق

مقدمه

در چند دهه‌ی اخیر سیستم‌های ذخیره‌ساز انرژی با انگیزه‌های متفاوتی به منظور بهبود عملکرد سیستم قدرت، موردتوجه قرار گرفته‌اند. بطور معمول در سیستم قدرت بین قدرتهای الکتریکی تولیدی و مصرفی تعادل لحظه‌ای برقرار است و هیچ‌گونه ذخیره انرژی در آن صورت نمی‌گیرد. بنابراین لازم است میزان تولید شبکه، منحنی مصرف منطقه را تغقیب کند. واضح است بهره‌برداری از سیستم بدین طریق، با توجه به شکل متعارف منحنی مصرف غیر اقتصادی است.

استفاده از ذخیره‌سازی‌های انرژی با ظرفیت بالا به منظور تراز سازی منحنی مصرف و افزایش ضریب بار، از اولین کاربردهای ذخیره انرژی در سیستم قدرت در جهت بهره‌برداری اقتصادی می‌باشد.

علاوه بر این، اغتشاش‌های مختلف در شبکه (تغییرات ناگهانی بار، قطع و وصل خطوط انتقال و…) خارج شدن سیستم از نقطه تعادل را به دنبال دارد. در این شرایط ابتدا از محل انرژی جنبشی محور ژنراتورهای سنکرون انرژی برداشت می‌شود، سپس حلقه‌های کنترل سیستم فعال شده و تعادل را بر قرار می‌سازند. این روند، نوسان متغیرهای مختلف مانند فرکانس، توان الکتریکی روی خطوط و… را موجب می‌شود که مشکلات مختلفی را در بهره‌برداری از سیستم قدرت به دنبال دارد. هر گاه در سیستم مقداری انرژی ذخیره شده باشد، با مبادله سریع آن با شبکه در مواقع مورد نیاز به حد قابل توجهی می‌توان مشکلات فوق را کاهش داد. به عبارت دیگر، ذخیره‌ساز انرژی را می‌توان در بهبود عملکرد دینامیکی سیستم نیز بکار برد.

فهرست مطالب:

* فصل اول

آشنایی با ابررساناها و کاربرد آن‌ها در ژنراتورها و موتورهای الکتریکی

ابر رسانایی

کاربردهای ابر رسانا

SMESچیست

اولین سیستم SMES

SMES و مدل‌سازی آن

چگونگی انجام کار ابر رسانایی

ابر رساناها و ژنراتورهای هیدرودینامیک مغناطیسی

کاربرد ابر رسانا در محدود سازهای جریان خطا

کاربرد ابر رسانا در ذخیره‌سازهای مغناطیسی

کاربرد ابر رسانا در موتورها و ژنراتورها

کاربرد ابر رسانا درترانسفورماتورها

* فصل دوم

آشنایی با گاورنر و اینورتورها

ویژگی گاورنر

محدوده فشار خروجی گاورنرها

سیستم کنترل توربین‌های گازیEGATROL

انواع ASD

سیستم‌هایASDجهت کنترل سرعت موتورهای القایی

ASDاز نوع ولتاژ متغییر و فرکانس ثابت

ASDاز نوع ولتاژ و فرکانس متغییر

* فصل سوم

آشنایی با ژنراتورهای سنکرون

مولدهای همزمانی سنکرون

اندازه‌گیری پارامترهای مدل مولد همزمان

آزمون مدار باز

تعیین راکتانس همزمان

اثر تغییرات باربر کار مولد همزمان

روش کلی موازی کردن مولدها

مشخصه‌های بسامد- توان مولد همزمان

مقادیر نامی مولد همزمان

توان ظاهری و ضریب توان نامی

کار کوتاه مدت و ضریب سرویس

از اوایل دهه‌ی هفتاد مفهوم ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی به شکل مغناطیسی مورد توجه قرار گرفت. با ظهور تکنولژی ابر رسانایی، کاربردهای گوناگونی برای این پدیده فیزیکی مطرح شد. از معروف ترین این کاربردها می‌توان به SMES اشاره کرد. در SMES  انرژی در یک سیم‌پیچ با اندوکتاس بزرگ که از ابر رسانا ساخته شده است، ذخیره می‌شود. ویژگی ابر رسانایی سیم‌پیچ موجب می‌شود که راندمان رفت و برگشت فرایند ذخیره انرژی بالا و در حدود  ۹۵% باشد. ویژگی راندمان بالای SMES آن را از سایر تکنیکهای ذخیره انرژی متمایز می کند. همچنین از آنجایی که در این تکنیک انرژی از صورت الکتریکی به صورت مغناطیسی و یا برعکس تبدیل می‌شود، SMES دارای پاسخ دینامیکی سریع می‌باشد. بنابراین می‌تواند در جهت بهبود عملکرد دینامیکی نیز بکار رود. معمولاً واحدهای ابر رسانایی ذخیره‌سازی انرژی را به دو گونه ظرفیت بالا (MWh 500) جهت ترازسازی منحنی مصرف، و ظرفیت پایین(چندین مگا ژول) به منظور افزایش میرایی نوسانات و بهبود پایداری سیستم می‌سازند.

بطور خلاصه مهم‌ترین قابلیت  SMESجداسازی و استقلال تولید از مصرف است که این امر مزایای متعددی از قبیل بهره‌برداری اقتصادی، بهبود عملکرد دینامیکی و کاهش آلودگی را به دنبال دارد.

ابررسانایی

در سال ۱۹۰۸ وقتی کمرلینگ اونز هلندی در دانشگاه لیدن موفق به تولید هلیوم مایع گردید حاصل شد که با استفاده از آن توانست به درجه حرارت حدود یک درجه کلوین برسد.

یکی از اولین بررسی‌هایی که اونز با این درجه حرارت پایین قابل دسترسی انجام داد مطالعه تغییرات مقاومت الکتریکی فلزات بر حسب درجه حرارت بود. چندین سال قبل از آن معلوم شده بود که مقاومت فلزات وقتی دمای آن‌ها به پایین‌تر از دمای اتاق برسد کاهش پیدا می‌کند. اما معلوم نبود که اگر درجه حرارت تا حدود کلوین تنزل یابد  مقاومت تا چه حد کاهش پیدا می‌کند.  آقای اونز که با پلاتینیم کار می‌کرد متوجه شد که مقاومت نمونه سرد تا یک مقدار کم کاهش پیدا می‌کرد که این کاهش به خلوص نمونه بستگی داشت. در آن زمان خالص‌ترین فلز قابل دسترس جیوه بود و در تلاش برای بدست آوردن رفتار فلز خیلی خالص اونز مقاومت جیوه خالص را اندازه گرفت. او متوجه شد که در درجه حرارت خیلی پایین مقاومت جیوه تا حد غیرقابل اندازه‌گیری کاهش پیدا می‌کند که البته این موضوع زیاد شگفت‌انگیز نبود اما نحوه از بین رفتن مقاومت غیر منتظره می‌نمود. موقعی که درجه حرارت به سمت صفر تنزل داده می‌شود به‌جای این‌که مقاومت به آرامی کاهش یابد در درجه حرارت ۴ کلوین ناگهان افت می‌کرد و پایین‌تر از این درجه حرارت جیوه هیچ‌گونه مقاومتی از خود نشان نمی‌داد. همچنین این گذار ناگهانی به حالت بی‌مقاومتی فقط مربوط به خواص فلزات نمی‌شد و حتی اگر جیوه ناخالص بود اتفاق می‌افتاد.آقای اونز قبول کرد که پایین‌تر از ۴ کلوین جیوه به یک حالت دیگری از خواص الکتریکی که کاملاً با حالت شناخته شده قبلی متفاوت بود رفته است و این حالت تازه «حالت ابر رسانایی» نام گرفت. بعداً کشف شد که ابررسانایی را می توان از بین برد (یعنی مقاومت الکتریکی را می توان مجددا بازگردانید).  و در نتیجه معلوم شد که اگر یک میدان مغناطیسی قوی به فلز اعمال شود این فلز در حالت ابر رسانایی دارای خواص مغناطیسی بسیار متفاوتی با حالت درجه حرارت‌های معمولی می‌باشد.

تاکنون مشخص شده است که نصف عناصر فلزی و همچنین چندین آلیاژ در درجه حرارت‌های پایین ابر رسانا می‌شوند. فلزاتی که ابررسانایی را در درجه حرارت‌های پایین از خود نشان می‌دهند (ابر رسانا) نامیده می‌شوند. سال‌های بسیاری تصور می‌شد که تمام ابررساناها بر طبق یک اصول فیزیکی مشابه رفتار می‌کنند. اما اکنون ثابت شده است که دو نوع ابررسانا وجود دارد که به نوع I و II مشهور می‌باشد. اغلب عناصری که ابررسانا هستند ابررسانایی از نوع I را از خود نشان می‌دهند. در صورتی‌که آلیاژها عموماً ابررسانایی از نوع II را از خود نشان می‌دهند. این دو نوع چندین خاصیت مشابه دارند. اما رفتار مغناطیسی بسیار متفاوتی از خود بروز می‌دهند.

پدیده‌ی ابر رسانایی در تکنولوژی از توانایی گستردهای بر خوردار است زیرا بر پایه‌ی این پدیده بارهای الکتریکی می‌توانند بدون تلفات گرمایی از یک رسانا عبور کنند. به‌طور مثال جریان القا شده در یک حلقه‌ی ابر رسانا بدون وجود هیچ باطری در مدار به مدت چند سال بدون کاهش باقی می‌ماند. برای نمونه در واشنگتن از یک خلقه ابر رسانای بزرگ برای ذخیره‌کردن انرژی الکتریکی در تکوما استفاده می‌شود. ذخیره‌ی انرژی در این حلقه تا ۵ مگاوات بالا می رود و انرژی در مدت مورد نظر آزاد می‌شود.

عمده مشکل ایجاد کردن شرایط برای این پدیده دمای بسیار پایین آن می‌باشد که باید دماهای بسیار پایین را محیا کرد. اما در سال ۱۹۸۶ مواد سرامیکی جدیدی کشف شد که در دماهای بالاتری توانایی ابر رسانایی را داشته باشد. (تا اکنون در دمای ۱۳۸ درجه کلوین این امر میسر شده است).

کاربردهای ابر رسانایی

کاربردهای زیادی را برای ابررساناها در نظر گرفته است به‌عنوان مثال استفاده از ابر رساناها باعث خواهد شدکه مدار ماهواره‌های چرخنده به دور زمین با دقت بسیاربالایی کنترل شوند. خاصیت اصلی ابر رساناها به دلیل نداشتن مقاومت الکتریکی امکان انتقال جریان الکتریکی- حجم کوچکی از ابررسانا است. به همین خاطر اگر بجای سیمهای مسی از ابر رساناها استفاده شود، موتورهای فضاپیماها تا ۶ برابر نسبت به موتورهای فعلی سبکتر خواهند شد و باعث می‌شود که وزن و فضاپیما بسیار کاهش یابد .

از دیگر زمینه‌هایی که ابررساناها می‌توانند نقش اساسی در آن‌ها بازی می‌کنند می‌توان کاوش‌های بعدی انسان از فضارا نام برد. ابررساناها بهترین گزینه برای تولید و انتقال بسیار کارآمد انرژی الکتریکی هستند و طی شب‌های طولانی ماه که دما تا ۱۷۳- درجه سانتی‌گراد پایین می‌آید و طی ماه‌های ژانویه تا مارس دستگاه‌های MRI ساخته شده ازسیمهای ابررسانا، ابزار تشخیص دقیق و توانمندی در خدمت سلامت خدمه فضاپیما خواهد بود. و همچنین ساخت ابر کامپیوترهای بسیار کوچک و کم‌مصرف می‌باشد.

 SMES چیست؟

 Superconducting Mgnetic Enrgy Storage

 ابرسانای ذخیره کننده انرژی مغناطیسی وسیله‌ای است برای ذخیره کردن انرژی و بهبود پایداری سیستم و کم کردن نوسانات. این انرژی توسط میدان مغناطیسی که توسط جریان مستقیم ایجاد می‌شود ذخیره می‌شود.

این وسیله می‌تواند هزاران بار شارژ و دشارژ شود بدون این‌که تغییری در مغناطیس آن ایجاد شود .

اولین سیستم  SMES

 اولین نظریه‌ها در مورد این سیستم توسط فرریهFerrier  در سال ۱۹۶۹ مطرح شد او سیم‌پچی بزرگ مارپیچی که توانایی ذخیره انرژی روزانه کل فرانسه داشت پیشنهاد کرد. که به خاطر هزینه ساخت بسیار زیاد آن کسی پیگیری نکرد. در سال ۱۹۷۱ تحقیقات در آمریکا در دانشگاه ویسکانسین برای فهمیدن بحث‌های بنیادی اثر متقابل مابین انرژی ذخیره شده و سیستم‌های چند فازه منجر به ساخت اولین دستگاه شد.

هیتاچی در سال۱۹۸۶ یک دستگاه SMES به میزان ۵MJ  را ساخت و آزمایش کرد. در سال۱۹۹۸ یک SMES 100KWH توسط ISTEC در ژاپن ساخته شد.

 SMES  و مدل‌سازی آن

 یک واحد SMES که در سیستمهای قدرت بکار گرفته می‌شود از یک سیم‌پیچ بزرگ ابررسانا و یک سیستم سردکننده هلیم به منظور نگهداری دمای هلیم در زیر دمای بحرانی تشکیل شده است. سیم‌پیچ ابررسانا از طریق دو مبدل AC/DC شش تریسیتور و یک ترانسفورماتور قدرت سه سیم پیچه کاهنده به سیستم قدرت متصل است.

در شکل اندوکتانس L بهzعنوان بار در قسمت DC در منطقه کنترل دما قرار می‌گیرد. و مبدل‌های AC/DCدر خارج این منطقه قرار می‌گیرند. با کنترل زاویه آتش تریسیتورها ولتاژ DC دو سر سیم‌پیچ ابر رسانا را می‌توان به‌طور پیوسته در بازه‌ی وسیعی از مقادیر ولتاژهای مثبت و منفی کنترل کرد. اگر از تلفات جزیی سیستم صرف‌نظر کنیم بر اساس تئوری مبدل‌ها داریم:

که در آن Ed ولتاژ دو سرسیم‌پیچ Ed ولتاژ ماکزیمم دو سر سیم‌پیچ در بی‌باری،  Idجریان سیم‌پیچ ابر رسانا،xc  راکتانس کموتاسیون همگی بر حسب pu و a زاویه آتش می‌باشد مشخصه‌کاری SMES دارای دو حالت یکسوسازی و اینورتری می‌باشد. معمولاً این پریود در زاویه آتش صفر یعنی حداکثر ولتاژ انجام می‌شود. در حالت اینورتری انرژی مغناطیسی ذخیره شده در سیم‌پیچ به شکل الکتریکی وارد شبکه می‌گردد.

شکل زیر بلوک دیاگرام مدل SMES را نشان می‌دهد. ولتاژ Ed دو سر سیم سیم‌پیچ به‌عنوان عامل کنترل توان مورد استفاه قرار می‌گیرد. بسته به نوع کاربرد SMES  یکی از کمیت‌های تغییر فرکانس شبکه تغییر سرعت ماشین سنکرون، تغییرات ولتاژ شبکه و… به‌عنوان ورودی به SMES انتخاب می‌شود. خروجی SMES  نیز توان دریافتی می‌باشد. در این شکل Tdc تأخیر زمانی مبدل،Kf بهره حلقه کنترل و L اندوکتانس سیم‌پیچ می‌باشد. معمولاً پس از تخلیه انرژی SMES  زمان زیادی لازم است تا جریان به حالت اولیه بر می‌گردد، به منظور رفع این مشکل می‌توان از یک فیدبک تغییر جریان استفاده کرد. بدین ترتیب SMES را در مطالعات دینامیکی می توان با این مدل غیر خطی مرتبه دوم توصیف کرد……

دانلود در ادامه…..

دانلود کامل مقاله