بحث کوتاه درباره طراحی یک ترانسفورماتور جدید آمریکایی-سبک جعبه‌ای برای تولید برق از باد
مقدمه
به عنوان منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر، انرژی باد به توجه روزافزون کشورهای مختلف جهان جلب کرده است. ذخایر آن عظیم هستند. مجموع منابع جهانی انرژی باد حدود ۲/۷۴×۱۰⁹ MW است که از این مقدار ۲/۰×۱۰⁷ MW قابل بهره‌برداری است. در چین، ذخایر انرژی باد فراوان و گسترده هستند و پتانسیل توسعه و بهره‌برداری از آن بسیار زیاد است.
در سال‌های اخیر، تولید برق با انرژی باد به طور سریع توسعه یافته است و زیراستانیون‌های جعبه‌ای که با آن استفاده می‌شود بیشتر از نوع آمریکایی (از این پس زیراستانیون بادی آمریکایی نامیده می‌شود) هستند.
در حال حاضر، زیراستانیون‌های بادی آمریکایی معمولی برای تولید برق با انرژی باد از نوع "یک ماشین-یک زیراستانیون" هستند، یعنی یک توربین بادی (از این پس توربین بادی نامیده می‌شود) با یک زیراستانیون بادی آمریکایی تجهیز شده است. با این تنظیمات، وقتی سرعت باد در مزرعه بادی خیلی کم است، توربین بادی با بار کمتری کار می‌کند که به راحتی منجر به تلف شدن منابع توربین بادی می‌شود. در مارس ۲۰۱۰، شرکت ما ۳۱ زیراستانیون بادی آمریکایی جدید از نوع "دو ماشین-یک زیراستانیون" برای یک مزرعه بادی در منطقه داخل مغولستان طراحی کرد، یعنی دو توربین بادی با یک زیراستانیون بادی آمریکایی تجهیز شده‌اند.
تعیین پارامترهای فنی زیراستانیون
مدل محصول: ZCSF - Z.F - 1000/36.75/0.69/0.4
ظرفیت اسمی
ولتاژ بالا: 1000kVA
ولتاژ پایین 1: 820kVA
ولتاژ پایین 2: 180kVA
ولتاژ اسمی
ولتاژ بالا: 36.75kV
ولتاژ پایین 1: 0.69kV (ظرفیت اسمی زیراستانیون بادی آمریکایی مربوطه 820kVA و توان توربین بادی مربوطه 750kW است)
ولتاژ پایین 2: 0.4kV (ظرفیت اسمی زیراستانیون بادی آمریکایی مربوطه 180kVA و توان توربین بادی مربوطه 160kW است)
گروه اتصال: Dyn11yn11
محدوده تاپ: ±2×2.5%
ایمپدانس کوتاه‌مدار: 7% (با ولتاژ و فرکانس اسمی، براساس ایمپدانس نیمه‌گذری ظرفیت اسمی پیچک بالاولتاژ)
جریان اسمی
ولتاژ بالا: 15.71A
ولتاژ پایین 1: 686.1A
ولتاژ پایین 2: 259.8A3
اصول کار و نمودار مبدأ زیراستانیون
بعد از تماس با مؤسسه طراحی و سازنده توربین بادی، مشخص شد که آنها به ۳۱ زیراستانیون جعبه‌ای آمریکایی سه‌فازی، ترکیبی، با مخزن مشترک، تقسیم‌شده و انتهایی نیاز دارند. ترانسفورماتور در این زیراستانیون‌ها باید ساختار دو‌بخشی ولتاژ پایین داشته باشد و ولتاژ دو طرف ولتاژ پایین برابر نیست.
اصول کار: کاربر دو توربین بادی با توان‌های نابرابر را روی یک محور نصب کرد. توربین بادی 1 یک توربین بادی همزمان با توان 750kW و ولتاژ اسمی 690V است؛ توربین بادی 2 یک توربین بادی غیرهمزمان با توان 160kW و ولتاژ اسمی 400V است. کاربر برای هر توربین بادی یک دستگاه نصب کرد که به صورت خودکار توربین بادی را بر اساس سرعت باد در مزرعه بادی انتخاب می‌کند. این دستگاه می‌تواند به صورت خودکار تعیین کند کدام توربین بادی باید استفاده شود.
زیراستانیون جعبه‌ای می‌تواند ظرفیت‌های متناسب با سه توان مختلف توربین بادی خروجی دهد. وقتی سرعت باد خیلی کم است، توربین بادی 160kW با توان کمتر انتخاب می‌شود و ظرفیت خروجی زیراستانیون در این زمان 180kVA است؛ وقتی سرعت باد نسبتاً بالا است، توربین بادی 750kW با توان بیشتر انتخاب می‌شود و ظرفیت خروجی زیراستانیون 820kVA است؛ وقتی سرعت باد خیلی بالا است، هر دو توربین بادی به طور همزمان انتخاب می‌شوند و ظرفیت خروجی زیراستانیون در این زمان ظرفیت کامل 1000kVA است. برای این منظور، ترانسفورماتور به ساختار دو‌بخشی محوری "پایین-بالا-پایین" طراحی شده است. پیچک ولتاژ پایین 690V در داخل‌ترین بخش قرار دارد، پیچک ولتاژ بالا در وسط و پیچک ولتاژ پایین 400V در بیرون‌ترین بخش قرار دارد. هر زیراستانیون بادی آمریکایی شامل یک اتاق ترانسفورماتور، یک اتاق کابل ولتاژ بالا و یک اتاق عملیات ولتاژ بالا و پایین است. در اتاق عملیات ولتاژ پایین، یک قطع‌کننده مدار ولتاژ 690V و یک قطع‌کننده مدار ولتاژ 400V نصب شده‌اند که می‌توانند طرف ولتاژ پایین خود را کنترل کنند، معادل داشتن دو اتاق عملیات ولتاژ پایین است.
نمودار اصول کار زیراستانیون در شکل 1 نشان داده شده است.
اثرات کاربردی زیراستانیون
از آنجا که کاربر می‌تواند به صورت خودکار توربین‌های بادی با توان‌های مختلف را بر اساس سرعت باد انتخاب کند، این مسئله می‌تواند کاملاً مشکل تلف شدن منابع توربین بادی را حل کند و انرژی را صرفه‌جویی کند.
کاربر می‌تواند یک زیراستانیون کمتر (در مقایسه با مدل "یک ماشین-یک زیراستانیون") خریداری کند که این موضوع برای زیراستانیون‌های بادی آمریکایی مفید است تا هزینه سرمایه‌گذاری اولیه کاربر در مزرعه بادی را به حداقل برساند و کارایی استفاده از منابع را افزایش دهد.
ترانسفورماتور از ساختار "پایین-بالا-پایین" استفاده می‌کند که ایمپدانس کوتاه‌مدار زیراستانیون را افزایش می‌دهد. بنابراین می‌تواند به طور موثر جریان کوتاه‌مدار را محدود کند و قابلیت اطمینان عملیاتی زیراستانیون را افزایش دهد.
