مناقشة مختصرة حول تصميم محطة توزيع كهرباء جديدة من نوع الصندوق الأمريكي لتوليد الطاقة الرياحية
مقدمة
كما أن الطاقة الرياحية كمصدر نظيف ومتجدد للطاقة، فقد جذبت اهتمام الدول حول العالم بشكل متزايد. مخزونها هائل، إذ يبلغ إجمالي الموارد العالمية للطاقة الرياحية حوالي 2.74×10⁹ كيلووات، من بينها يمكن استغلال 2.0×10⁷ كيلووات. في الصين، مخزون الطاقة الرياحية كبير وموزع على نطاق واسع، والقدرة على تطوير واستغلال هذه الطاقة هائلة.
لقد شهدت توليد الطاقة الكهربائية من الرياح تطوراً سريعاً في السنوات الأخيرة، وأغلب المحولات الصندوقية المستخدمة معها هي من نوع المحولات الصندوقية الأمريكية (وتسمى فيما بعد محولات الرياح الأمريكية).
حالياً، المحولات الصندوقية الأمريكية التقليدية لتوليد الطاقة الرياحية من نوع "جهاز واحد - محطة واحدة"، أي يتم تجهيز كل توربين رياح (يُشار إليه فيما بعد باسم التوربين) بمحطة طاقة رياح أمريكية واحدة. بهذه التكوينة، عندما تكون سرعة الرياح في مزرعة الرياح منخفضة جداً، يعمل التوربين تحت الحمل، مما يسهل إهدار موارد التوربين. في مارس 2010، صممت شركتنا 31 محطة طاقة رياح أمريكية جديدة من نوع "جهازان - محطة واحدة" لمزرعة رياح في منطقة داخلا منغوليا، أي يتم تجهيز توربينين بالمحطة نفسها.
تحديد المعلمات الفنية للمحطة
نموذج المنتج: ZCSF - Z.F - 1000/36.75/0.69/0.4
القدرة المحددة
جهد عالٍ: 1000 كيلوفولت أمبير
جهد منخفض 1: 820 كيلوفولت أمبير
جهد منخفض 2: 180 كيلوفولت أمبير
الجهد المحدد
جهد عالٍ: 36.75 كيلوفولت
جهد منخفض 1: 0.69 كيلوفولت (القدرة المحددة للمحطة الأمريكية للطاقة الرياحية المقابلة هي 820 كيلوفولت أمبير، والقدرة المقابلة للتوربين هي 750 كيلوواط)
جهد منخفض 2: 0.4 كيلوفولت (القدرة المحددة للمحطة الأمريكية للطاقة الرياحية المقابلة هي 180 كيلوفولت أمبير، والقدرة المقابلة للتوربين هي 160 كيلوواط)
مجموعة الاتصال: Dyn11yn11
نطاق التوصيل: ±2×2.5%
معادلة الدائرة القصيرة: 7% (تحت الجهد والتواتر المحددين، بناءً على المقاومة النصفية للقدرة المحددة للفة الجهد العالي)
التيار المحدد
جهد عالٍ: 15.71 أمبير
جهد منخفض 1: 686.1 أمبير
جهد منخفض 2: 259.8 أمبير
مبدأ العمل ومخطط الرسم البياني للمحطة
بعد التواصل مع المعهد المصمم وشركة تصنيع التوربينات، تم تحديد أنه تم طلب 31 محطة صندوقية أمريكية ثلاثية الأطوار، مركبة، ذات خزان مشترك، منقسمة، وطرفية. كان من الضروري أن يكون لديها محول ذو بنية ثنائية الانقسام للجهد المنخفض، وكانت الجهود الجانبين المنخفضين غير متساوية.
مبدأ العمل: قام المستخدم بتثبيت توربينين رياحيين بقدرات غير متساوية على نفس المحور. التوربين 1 هو توربين متزامن بقدرة 750 كيلوواط وجهد محدد 690 فولت؛ التوربين 2 هو توربين غير متزامن بقدرة 160 كيلوواط وجهد محدد 400 فولت. قام المستخدم بتثبيت جهاز لكل توربين يقوم بتحديد التوربين تلقائيًا حسب سرعة الرياح في مزرعة الرياح. يمكن لهذا الجهاز اختيار التوربين المناسب تلقائيًا بناءً على سرعة الرياح.
يمكن للمحطة الصندوقية أن تنتج قدرات متوافقة مع ثلاثة قدرات مختلفة للتوربينات. عندما تكون سرعة الرياح منخفضة جدًا، يتم اختيار التوربين ذي القدرة الصغيرة 160 كيلوواط للعمل، ويكون الإنتاج القدري للمحطة عند ذلك 180 كيلوفولت أمبير؛ عندما تكون سرعة الرياح مرتفعة نسبيًا، يتم اختيار التوربين ذي القدرة الكبيرة 750 كيلوواط للعمل، ويكون الإنتاج القدري للمحطة 820 كيلوفولت أمبير؛ عندما تكون سرعة الرياح عالية جدًا، يتم اختيار كلا التوربينين للعمل في نفس الوقت، ويكون الإنتاج القدري للمحطة عند ذلك القدرة الكاملة 1000 كيلوفولت أمبير. لهذا الغرض، تم تصميم المحول بنية ثنائية الانقسام محوريًا "منخفض - عالٍ - منخفض". يتم وضع ملف الجهد المنخفض 690 فولت في الداخل الأكثر، وملف الجهد العالي في الوسط، وملف الجهد المنخفض 400 فولت في الخارج الأكثر. يتكون كل محطة طاقة رياح أمريكية من غرفة المحول، وغرفة الكابلات ذات الجهد العالي، وغرفة التشغيل ذات الجهد العالي والمنخفض. في غرفة التشغيل ذات الجهد المنخفض، يتم تثبيت قاطعين للكهرباء ذات الجهد المنخفض 690 فولت و400 فولت على التوالي، يمكنهما التحكم في الجانبين المنخفضين الخاص بهما، وهو ما يعادل وجود غرفتين للتشغيل ذات الجهد المنخفض.
يظهر مخطط الرسم البياني لمبدأ عمل المحطة في الشكل 1.
أثر تطبيق المحطة
نظرًا لأن المستخدم يمكنه اختيار توربينات ذات قدرات مختلفة تلقائيًا حسب سرعة الرياح، فإن هذا يمكنه من حل مشكلة إهدار موارد التوربينات وتوفير الطاقة.
يمكن للمستخدم شراء محطة أقل (مقارنة بنموذج "جهاز واحد - محطة واحدة")، مما يفيد في تقليل تكلفة الاستثمار الأولية للمستخدم في مزرعة الرياح وتحسين كفاءة استخدام الموارد.
يقوم المحول باعتماد بنية "منخفض - عالٍ - منخفض"، مما يزيد من مقاومة الدائرة القصيرة للمحطة. وبالتالي، يمكنه الحد من تيار الدائرة القصيرة وزيادة موثوقية تشغيل المحطة.
