بناء وتصميم أداء وموثوقية وأمثلة محولات الطاقة الرياحية

1 الهيكل الأساسي، الخصائص التشغيلية والمتطلبات الخاصة لمحولات توليد الطاقة من الرياح
1.1 الهيكل الأساسي لمحولات
(1) هيكل النواة

تستخدم محولات توليد الطاقة من الرياح مواد نواة ذات مغناطيسية عالية لتقليل خسائر الطاقة. في التطبيق، غالباً ما تتطلب النواة معالجة خاصة للتكيف مع البيئة القاسية ذات الرطوبة العالية والملوحة العالية على المدى الطويل. خاصة في مزارع الرياح البحرية، فإن مقاومة التآكل للنواة تعتبر مهمة بشكل خاص.

(2) نظام اللفائف

تعتبر اللفائف مكونًا مهمًا في محولات توليد الطاقة من الرياح وعادة ما يتم لفها بأسلاك النحاس أو الألمنيوم. يجب أن يأخذ تصميم اللفائف في محولات توليد الطاقة من الرياح بنظر الاعتبار التغيرات المتكررة في الجهد والتيار بسبب تقلبات سرعة الرياح، مما يضمن أن يمكن لللفائف العمل بشكل مستقر لفترة طويلة تحت الأحمال العالية.

(3) نظام التبريد والتوزيع الحراري

تحتاج محولات توليد الطاقة من الرياح إلى نظام تبريد فعال لضمان عدم تعرضها للتلف بسبب زيادة الحرارة أثناء التشغيل بأحمال عالية. تشمل طرق التبريد الشائعة النوع المنغمسي بالزيت والنوع المبرد بالهواء الطبيعي. تحمل المحولات المنغمسة بالزيت الحرارة عبر دوران الزيت وهي مناسبة لمزارع الرياح ذات الطاقة الكبيرة؛ بينما تكون المحولات المبردة بالهواء أكثر ملاءمة للمشاهد التي تتميز بطاقة أقل وأجواء أخف.

1.2 الخصائص التشغيلية

خصائص تشغيل محولات توليد الطاقة من الرياح: توليد الطاقة من الرياح غير مستقر وقد يتقلب قدرة التوليد مع تغير سرعة الرياح. لذلك، يجب أن يكون للمحول قدرة عالية على تعديل الحمل وأن يكون قادرًا على التكيف مع التقلبات المتكررة للأحمال. على عكس محولات الشبكة التقليدية، غالبًا ما تكون محولات توليد الطاقة من الرياح في حالة حمل جزئي، مما يضع متطلبات خاصة للكفاءة الحرارية وقدرات التبريد لديها.

1.3 المتطلبات الخاصة في بيئة توليد الطاقة من الرياح
(1) مقاومة لتقلبات سرعة الرياح

يتقلب إنتاج الطاقة من الرياح مع تغير سرعة الرياح، وقد يؤدي هذا التذبذب إلى عدم استقرار الجهد. لذلك، يجب أن يكون لمحولات توليد الطاقة من الرياح قدرات ضبط متناسبة لمنع التأثيرات على الشبكة الكهربائية.

(2) التكيف مع الظروف البيئية القاسية

تقع معظم مزارع الرياح في بيئات قاسية. لذلك، يجب أن تكون محولات توليد الطاقة من الرياح مقاومة للتآكل ومقاومة للرطوبة. بالنسبة لمزارع الرياح الجبلية، يجب أن تكون محولات توليد الطاقة من الرياح قادرة على التعامل مع الظروف المناخية القصوى مثل درجات الحرارة المنخفضة وسرعة الرياح العالية.

(3) متطلبات المراقبة عن بعد والصيانة

نظرًا لأن مزارع الرياح عادة ما تقع في مناطق بعيدة، فإن تكلفة صيانة أعطال محولات توليد الطاقة من الرياح تكون مرتفعة نسبيًا. لذلك، يجب إنشاء نظام مراقبة عن بعد لمراقبة حالة التشغيل للمحول في الوقت الفعلي.

2 أداء محولات توليد الطاقة من الرياح
2.1 تحليل الأداء الكهربائي
(1) قدرة تنظيم الجهد

إحدى المهام الأساسية لمحولات توليد الطاقة من الرياح هي رفع الجهد المنخفض الذي يولده مولدات الرياح إلى جهد عالي لنقل الطاقة على مسافات طويلة. لذلك، تعتبر قدرة تنظيم الجهد مؤشرًا رئيسيًا لقياس الأداء الكهربائي لمحولات توليد الطاقة من الرياح. عادةً ما يتم تصميم نطاق الرفع للمحول ليتناسب مع التقلبات في الإنتاج عند مختلف سرع الرياح، مما يضمن استقرار الجهد الخارج ويقلل من التأثيرات على الشبكة الكهربائية.

(2) المقاومة عند القصر وحماية الأعطال

تؤثر المقاومة عند القصر في محولات توليد الطاقة من الرياح مباشرة على الاستقرار خلال أعطال القصر. يمكن أن تحسن المقاومة المنخفضة عند القصر سرعة استجابة النظام للأعطال، ولكن قد يؤدي ذلك أيضًا إلى زيادة التذبذبات الحالية للنظام عند تقلبات سرعة الرياح. تساعد تحسين تصميم المقاومة عند القصر ليس فقط في تقليل التيار عند القصر ولكن أيضًا في تحسين السلامة التشغيلية للمحول واستقرار الشبكة الكهربائية.

(3) الخسائر والكفاءة

تُقسم خسائر محولات توليد الطاقة من الرياح بشكل أساسي إلى خسارة النحاس وخسارة الحديد. خسارة النحاس هي خسارة الطاقة الكهربائية الناتجة عن مقاومة اللفائف، بينما تتعلق خسارة الحديد بعملية التغناطيس للنواة الحديدية. في سيناريو توليد الطاقة من الرياح، يحتاج المحول إلى قدرات تحويل طاقة فعالة لتقليل الخسائر أثناء النقل وتحسين معدل استخدام طاقة الرياح. لذلك، يمكن أن يساهم اختيار المواد ذات الكفاءة العالية وتحسين التصميم بشكل كبير في تقليل الخسائر وتحسين الكفاءة الكلية.

2.2 تحليل الأداء الحراري
(1) فقد الحرارة وتوزيع الحرارة

تنتج محولات توليد الطاقة من الرياح كمية كبيرة من الحرارة أثناء التشغيل، خاصة تحت الأحمال العالية. قد يؤدي ارتفاع درجة الحرارة بشكل كبير إلى تدهور مواد العزل في اللفائف وحتى حدوث حوادث أمان. لذلك، يعتبر إدارة الأداء الحراري أمرًا حاسمًا للتشغيل الآمن للمحول. تفقد المحولات المنغمسة بالزيت الحرارة عبر دوران وترطيب زيت المحول وهي مناسبة للمشاهد ذات الطاقة العالية؛ بينما تفقد المحولات المبردة بالهواء الحرارة عبر الهواء الطبيعي وهي مناسبة لمزارع الرياح ذات سرعة الرياح العالية. يعتبر تحسين تصميم نظام التبريد لضمان توزيع الحرارة بشكل فعال هو المفتاح لتمديد عمر الخدمة للمحول.

(2) الإجهاد الحراري وتوقع العمر

نتيجة لتقلبات الحمل في توليد الطاقة من الرياح، يتغير الإجهاد الحراري في محولات توليد الطاقة من الرياح بشكل كبير، خاصة عندما تتغير الطاقة بشكل حاد. تحت ظروف التقلبات الحرارية الطويلة الأمد، ستتعرض مواد العزل للمحول للتقدم في السن تدريجيًا، مما يؤثر على عمر الخدمة. من خلال التحليل الحراري والنموذج التنبؤي للعمر، يمكن تقييم موثوقية المحول تحت ظروف عمل مختلفة وتقديم اقتراحات تحسين متناسبة.

2.3 تحليل الأداء العازل
(1) اختيار مواد العزل

يعتبر الأداء العازل لمحولات توليد الطاقة من الرياح الأساس لضمان تشغيلها بأمان. يتضمن نظام العزل للمحول مواد عازلة صلبة وسائلة. في مزارع الرياح، وخاصة في مزارع الرياح البحرية، قد تسرع البيئة ذات الرطوبة العالية والملوحة العالية عملية التقدم في السن والفشل في مواد العزل.

(2) التفريغ الجزئي وقابلية تحمل الجهد

يعتبر التفريغ الجزئي أحد الأسباب الرئيسية لفشل العزل في محولات توليد الطاقة من الرياح. بسبب التقلبات الكبيرة في الجهد في أنظمة توليد الطاقة من الرياح، يحتاج المحول إلى قابلية تحمل جهد قوية، خاصة عند تغير سرعة الرياح بشكل حاد، لتجنب حدوث التفريغ الجزئي. من خلال استخدام مواد عزل جديدة وتحسين تخطيط اللفائف، يمكن تحسين قابلية تحمل الجهد للمحول بشكل كبير وتقليل حدوث ظاهرة التفريغ الجزئي.

3 تقييم الموثوقية والعوامل المؤثرة وحلول الأعطال الشائعة في محولات توليد الطاقة من الرياح
3.1 نماذج تقييم الموثوقية
(1) تحليل وضع الفشل وتأثيراته

تحليل وضع الفشل وتأثيراته هو أداة مهمة لتقييم موثوقية المحولات. من خلال تحليل الأوضاع المحتملة للفشل في محولات توليد الطاقة من الرياح تحت ظروف العمل المختلفة، يتم تقييم تأثيرها على النظام العام. يمكن أن يساعد تطبيق تحليل وضع الفشل وتأثيراته فنيي التشغيل والصيانة في مجال الطاقة من الرياح على تحديد المخاطر المحتملة مسبقًا، واتخاذ التدابير الوقائية في الوقت المناسب، وخفض معدل الفشل في المحولات.

(2) نموذج التوقع للعمر

غالبًا ما يتأثر عمر الخدمة لمحولات توليد الطاقة من الرياح بعدة عوامل مثل تقدم مواد العزل في السن والإجهاد الحراري والاهتزاز الميكانيكي. من خلال نموذج التوقع للعمر، يمكن الجمع بين البيانات الموجودة في الموقع لتقدير العمر الباقية للمحول ومن ثم صياغة استراتيجيات الصيانة المناسبة. تعتبر دقة التوقع للعمر حاسمة لموثوقية المحول ويمكن أن تقلل بشكل كبير من معدل حدوث الأعطال المفاجئة.

3.2 العوامل المؤثرة الرئيسية
(1) تأثير البيئة التشغيلية

تؤثر البيئة حيث تقع مزرعة الرياح بشكل كبير على موثوقية محولات توليد الطاقة من الرياح. قد تسهم البيئة ذات الرطوبة العالية والملوحة العالية في مزارع الرياح البحرية في تسريع التآكل للمعدات، بينما قد تزيد التغيرات الحرارية القصوى في مزارع الرياح الداخلية (مثل درجات الحرارة المنخفضة في المناطق الجبلية) من سرعة تقدم مواد العزل في السن. لذلك، يعتبر تصميم التدابير الواقية الخاصة واختيار المواد المناسبة للبيئات المختلفة أمرًا حاسمًا. على سبيل المثال، في مزارع الرياح البحرية، يمكن استخدام الطلاءات المقاومة للتآكل والمواد المقاومة للملوحة لحماية مكونات المحول.

(2) تقلبات الحمل والتأثير الحالي

تتميز توليد الطاقة من الرياح بتقلبات كبيرة في الحمل، وقد يؤدي التغير الحاد في سرعة الرياح إلى تقلبات متكررة في التيار والجهد، مما يؤدي إلى إجهاد ميكانيكي وكهربائي إضافي على المكونات الداخلية لمحولات توليد الطاقة من الرياح. تؤدي التغييرات المتكررة في الحمل إلى زيادة الاهتزاز الميكانيكي لللفائف وخطر التشبع المغناطيسي للنواة الحديدية، مما يؤثر على عمر الخدمة والاستقرار التشغيلي للمحول.

(3) التداخل الكهرومغناطيسي والهارمونيات

قد ينتج عدد كبير من الهارمونيات في أنظمة توليد الطاقة من الرياح. تؤثر الهارمونيات على التشغيل الطبيعي لمحولات توليد الطاقة من الرياح، خاصة على توافقها الكهرومغناطيسي. يحتاج المحول إلى قدرة عالية على مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي لمنع فشل المعدات بسبب التداخل الهارموني.

3.3 الأعطال الشائعة والحلول
(1) عطل الحرارة الزائدة

عند التشغيل تحت أحمال عالية، إذا لم يتم توزيع الحرارة داخل محولات توليد الطاقة من الرياح بشكل فعال، فقد يؤدي ذلك إلى حرارة زائدة في اللفائف وحتى حرق طبقة العزل. لتجنب هذه الحالة، يمكن استخدام نظام تبريد أكثر فعالية وإضافة نظام مراقبة في الوقت الحقيقي لمراقبة درجة حرارة التشغيل للمحول.

(2) عطل العزل

بسبب تقدم مواد العزل في السن أو الرطوبة، قد يؤدي ذلك إلى قصر بين اللفائف أو بين اللفائف والنواة الحديدية. يمكن تمديد عمر الخدمة لنظام العزل باستخدام مواد جديدة مقاومة للحرارة والرطوبة. في الوقت نفسه، يمكن تقوية التدابير المقاومة للرطوبة، مثل زيادة ضيق الغلاف وتطبيق طبقات مقاومة للرطوبة.

(3) الاهتزاز الميكانيكي وتسرب التركيب

خلال تشغيل محولات توليد الطاقة من الرياح، تتعرض لأثر الاهتزاز الميكانيكي الناتج عن تغيرات سرعة الرياح لفترات طويلة، مما قد يؤدي إلى تسرب التركيب الداخلي للمحول. يمكن أن يساعد فحص وشد التركيب الداخلي للمحول بانتظام واعتماد تصميم مضاد للاهتزاز في تقليل خطر الأعطال الناتجة عن الاهتزاز الميكانيكي بشكل فعال.

4 خطط التصميم الأمثل لمحولات توليد الطاقة من الرياح
4.1 تحسين اختيار المواد
(1) تطبيق مواد عزل عالية الأداء

في السنوات الأخيرة، تم تطبيق مواد عزل عالية الأداء بشكل تدريجي في تصميم محولات توليد الطاقة من الرياح، مثل الأفلام البوليستر والألياف الأراميد. هذه المواد لا تتمتع فقط بمقاومة عالية للحرارة والرطوبة ولكنها يمكن أيضًا أن تمدد عمر الخدمة للمحول، وتحسن الأداء العازل الكهربائي للمحول، وتقلل من خطر التفريغ الجزئي.

(2) تصميم نواة ذات خسارة منخفضة

تؤثر خسارة النواة في محولات توليد الطاقة من الرياح مباشرة على كفاءة المعدات. يمكن أن تقلل استخدام صفائح السيليكون ذات الخسارة المنخفضة أو مواد السبائك اللامركزية بشكل كبير من خسارة الحديد وتقليل إنتاج الحرارة مع ضمان كفاءة تشغيل المحول. خاصة في تطبيقات المحولات ذات التردد العالي، تظهر مواد نواة السبائك اللامركزية خصائص توافقية كهرومغناطيسية عالية وخسارة منخفضة وتتدرج تدريجيًا كاتجاه رئيسي لتصميم محولات توليد الطاقة من الرياح المحسنة.

4.2 تحسين التصميم الهيكلي
(1) التصميم المدمج والخفيف الوزن

تفرض مزارع الرياح، خاصة مزارع الرياح البحرية، متطلبات صارمة على حجم وزن محولات توليد الطاقة من الرياح. يمكن أن يساهم التصميم المدمج والهيكل الخفيف الوزن ليس فقط في تقليل المساحة الأرضية للمعدات ولكن أيضًا في تقليل تكاليف التركيب والنقل. من خلال تقليل حجم النواة واللفائف وتحسين تصميم غلاف المحول، يمكن تحقيق تقليل الحجم والوزن بشكل فعال لتلبية الاحتياجات الخاصة لمزارع الرياح.

(2) تحسين نظام التبريد

تستخدم محولات توليد الطاقة من الرياح التقليدية بشكل أساسي التبريد المنغمسي بالزيت، لكن في مزارع الرياح البحرية، يكون صيانة التبريد المنغمسي بالزيت معقدًا نسبيًا. لذلك، يعتبر استخدام أنظمة تبريد فعالة بالهواء أو الماء أمرًا مهمًا للغاية. يمكن أن يساهم تحسين نظام التبريد ليس فقط في تحسين كفاءة التبريد ولكن أيضًا في تقليل استخدام الوسط المبرد، مما يحسن موثوقية وحماية البيئة للمعدات.

4.3 تحسين نظام التحكم
(1) تقنية المراقبة الذكية والتشخيص عن بعد

مع تطور إنترنت الأشياء والتكنولوجيا الذكية، يتجه نظام التحكم في محولات توليد الطاقة من الرياح نحو الذكاء. من خلال تقديم نظام مراقبة بيانات في الوقت الحقيقي ونظام تشخيص الأعطال عن بعد، يمكن تحقيق مراقبة الوقت الحقيقي لحالة التشغيل للمحول. عند اكتشاف أي اختلال، يمكن للنظام إرسال إشارة إنذار في الوقت المناسب وتنفيذ تشخيص للأعطال عن بعد، مما يقلل من وقت توقف المعدات.

(2) تنظيم الطاقة وتحسين التحكم في الحمل

في أنظمة توليد الطاقة من الرياح، تحتاج محولات توليد الطاقة من الرياح إلى التعامل مع التغيرات في الطاقة الناتجة عن تقلبات سرعة الرياح. من خلال تحسين خوارزمية تنظيم الطاقة وتقديم نظام التحكم في تحسين الحمل، يمكن ضمان أن المحول يظل دائمًا في أفضل حالة تشغيلية عند سرعات الرياح المختلفة. يمكن أن يساهم التنظيم الديناميكي للطاقة ليس فقط في تحسين استقرار نقل الطاقة ولكن أيضًا في تمديد عمر الخدمة للمحول بشكل فعال.

5 الخلاصة

تلعب محولات توليد الطاقة من الرياح دورًا مهمًا في الطاقة النظيفة الحديثة. يؤثر أداؤها ومعوليتها مباشرة على كفاءة مزارع الرياح واستقرار الشبكة الكهربائية. في المستقبل، مع تطور تقنيات المراقبة الذكية والتشخيص عن بعد، سيلعب محولات توليد الطاقة من الرياح دورًا أكبر في تحسين كفاءة التشغيل لمزارع الرياح وتقليل تكاليف الصيانة.