گفتگوی مختصر درباره طراحی یک ترانسформاتور جدید آمریکایی-سبک برای تولید برق از باد

مقدمه

به عنوان منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر، انرژی باد به توجه کشورهای مختلف جهان می‌انجامد. ذخایر آن عظیم است. مجموع منابع انرژی باد جهان حدود ۲.۷۴×۱۰⁹ MW است که از آن ۲.۰×۱۰⁷ MW قابل بهره‌برداری است. در چین، ذخایر انرژی باد زیاد، گسترده و پتانسیل توسعه و بهره‌برداری از آن عظیم است.

در سال‌های اخیر، تولید برق با انرژی باد به سرعت رشد کرده است و زیرстанسیون‌های جعبه‌ای که با آن همراه است بیشتر از نوع زیرستانسیون‌های جعبه‌ای آمریکایی (از این پس به آن زیرستانسیون‌های بادی آمریکایی می‌گوییم) هستند.

در حال حاضر، زیرستانسیون‌های بادی آمریکایی معمولی برای تولید برق با انرژی باد از نوع "یک دستگاه-یک زیرستانسیون" هستند، یعنی یک توربین بادی (از این پس به آن توربین بادی می‌گوییم) با یک زیرستانسیون بادی آمریکایی تجهیز شده است. با این ساختار، وقتی سرعت باد در مزرعه بادی بسیار کم است، توربین بادی تحت بار کم عمل می‌کند و به راحتی منجر به تلف شدن منابع توربین بادی می‌شود. در مارس ۲۰۱۰، شرکت ما ۳۱ زیرستانسیون بادی آمریکایی جدید از نوع "دو دستگاه-یک زیرستانسیون" برای یک مزرعه بادی در منطقه داخل مغولستان طراحی کرد، یعنی دو توربین بادی با یک زیرستانسیون بادی آمریکایی تجهیز شده‌اند.

تعیین پارامترهای فنی زیرستانسیون

• مدل محصول: ZCSF - Z.F - 1000/36.75/0.69/0.4

• ظرفیت اسمی

• فشار بالا: 1000kVA

• فشار پایین ۱: 820kVA

• فشار پایین ۲: 180kVA

• ولتاژ اسمی

• فشار بالا: 36.75kV

• فشار پایین ۱: 0.69kV (ظرفیت اسمی متناظر زیرستانسیون بادی آمریکایی 820kVA و توان متناظر توربین بادی 750kW است)

• فشار پایین ۲: 0.4kV (ظرفیت اسمی متناظر زیرستانسیون بادی آمریکایی 180kVA و توان متناظر توربین بادی 160kW است)

• گروه اتصال: Dyn11yn11

• محدوده تنظیم: ±2×2.5%

• امپدانس کوتاه مدار: 7% (با ولتاژ و فرکانس اسمی، براساس امپدانس نیمه‌گذری پیچه فشار بالا)

• جریان اسمی

• فشار بالا: 15.71A

• فشار پایین ۱: 686.1A

• فشار پایین ۲: 259.8A3

اصول کار و نمودار اصلی زیرستانسیون

بعد از تماس با مؤسسه طراحی و سازنده توربین بادی، مشخص شد که آنها به ۳۱ زیرستانسیون جعبه‌ای آمریکایی سه‌فازی، ترکیبی، با خزان مشترک، تقسیم‌شده، انتهایی نیاز دارند. ترانسفورماتور در این زیرستانسیون‌ها باید ساختار دو‌بخشی فشار پایین داشته باشد و ولتاژ دو طرف فشار پایین برابر نیست.

اصول کار: کاربر دو توربین بادی با توان‌های نابرابر را روی یک محور نصب کرده است. توربین بادی ۱ یک توربین بادی همزمان با توان 750kW و ولتاژ اسمی 690V است؛ توربین بادی ۲ یک توربین بادی غیرهمزمان با توان 160kW و ولتاژ اسمی 400V است. کاربر برای هر توربین بادی یک دستگاه نصب کرده است که براساس سرعت باد در مزرعه بادی توربین بادی مناسب را انتخاب می‌کند. این دستگاه می‌تواند به صورت خودکار تعیین کند کدام توربین بادی باید استفاده شود.

زیرستانسیون جعبه‌ای می‌تواند ظرفیت‌های متناسب با سه توان مختلف توربین بادی خروجی دهد. وقتی سرعت باد بسیار کم است، توربین بادی 160kW با توان کمتر انتخاب می‌شود و ظرفیت خروجی زیرستانسیون در این زمان 180kVA است؛ وقتی سرعت باد نسبتاً بالا است، توربین بادی 750kW با توان بیشتر انتخاب می‌شود و ظرفیت خروجی زیرستانسیون 820kVA است؛ وقتی سرعت باد بسیار بالا است، هر دو توربین بادی همزمان انتخاب می‌شوند و ظرفیت خروجی زیرستانسیون در این زمان تمام ظرفیت 1000kVA است. برای این منظور، ترانسفورماتور به ساختار دو‌بخشی محوری "فشار پایین-فشار بالا-فشار پایین" طراحی شده است. پیچه فشار پایین 690V در داخل‌ترین بخش، پیچه فشار بالا در وسط و پیچه فشار پایین 400V در بیرون‌ترین بخش قرار دارد. هر زیرستانسیون بادی آمریکایی شامل یک اتاق ترانسفورماتور، یک اتاق کابل فشار بالا و یک اتاق عملیات فشار بالا و پایین است. در اتاق عملیات فشار پایین، یک شیر قطع‌کننده فشار پایین 690V و یک شیر قطع‌کننده فشار پایین 400V نصب شده‌اند که می‌توانند طرف فشار پایین خود را کنترل کنند، معادل داشتن دو اتاق عملیات فشار پایین است.

نمودار اصلی اصول کار زیرستانسیون در شکل ۱ نشان داده شده است.

اثرات کاربردی زیرستانسیون

• از آنجا که کاربر می‌تواند به صورت خودکار توربین‌های بادی با توان‌های مختلف را براساس سرعت باد انتخاب کند، این مسئله می‌تواند به طور کامل مشکل تلف شدن منابع توربین بادی را حل کند و انرژی را صرفه‌جویی کند.

• کاربر می‌تواند یک زیرستانسیون کمتر (در مقایسه با مدل "یک دستگاه-یک زیرستانسیون") خریداری کند که این مورد برای زیرستانسیون‌های بادی آمریکایی مفید است تا هزینه سرمایه‌گذاری اولیه کاربر در مزرعه بادی را کاهش دهد و کارایی استفاده از منابع را افزایش دهد.

• ترانسفورماتور از ساختار "فشار پایین-فشار بالا-فشار پایین" استفاده می‌کند که امپدانس کوتاه مدار زیرستانسیون را افزایش می‌دهد. بنابراین، می‌تواند به طور موثر جریان کوتاه مدار را محدود کند و قابلیت اطمینان عملیاتی زیرستانسیون را افزایش دهد.