ساختار، عملکرد، قابلیت اطمینان و طراحی بهینه‌سازی ترانسفورماتورهای بادی

1 تایپیکل گرچین، خصوصیات عملکردی و نیازهای خاص ترانسفورماتورها برای تولید برق از انرژی باد
1.1 تایپیکل گرچین ترانسفورماتورها
(1) ساختار هسته

ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد از مواد با نفوذپذیری مغناطیسی بالا استفاده می‌کنند تا از اتلاف انرژی کاهش دهند. در کاربرد، هسته معمولاً نیاز به پیش‌بینی خاصی دارد تا بتواند در محیط خشک و شوری بالا طولانی مدت مقاومت کند. به ویژه در مزارع بادی دریایی، مقاومت در برابر فرسودگی هسته بسیار مهم است.

(2) سیستم پیچشی

پیچش یک جزء مهم در ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد است و معمولاً با سیم‌های مس یا آلومینیوم پیچیده می‌شود. طراحی پیچش ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد باید تغییرات مداوم ولتاژ و جریان ناشی از تغییرات سرعت باد را در نظر بگیرد، تا پیچش بتواند تحت بارهای سنگین به صورت پایدار برای مدت طولانی عمل کند.

(3) سیستم خنک‌سازی و تخلیه حرارتی

ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد نیاز به یک سیستم خنک‌سازی مؤثر دارند تا از آسیب دیدن به علت گرم شدن زیاد در حالت بار سنگین جلوگیری کنند. روش‌های خنک‌سازی معمول شامل نوع غوطه‌ور در روغن و نوع خنک‌سازی هوایی طبیعی هستند. ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن از طریق چرخه روغن حرارت را می‌برند و برای مزارع بادی با قدرت بالا مناسب هستند؛ در حالی که ترانسفورماتورهای خنک‌سازی هوایی برای سناریوهای با قدرت کمتر و محیط‌های ملایم‌تر مناسب‌تر هستند.

1.2 خصوصیات عملکردی

خصوصیات عملکردی ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد: تولید برق از انرژی باد ناپایدار است و ظرفیت تولید با تغییرات سرعت باد نوسان می‌کند. بنابراین، ترانسفورماتور باید توانایی تنظیم بار بالا داشته باشد و بتواند به تغییرات مداوم بار مقاومت کند. متفاوت از ترانسفورماتورهای شبکه سنتی، ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد غالباً در حالت بار جزئی هستند، که نیازهای خاصی برای کارایی انرژی و توانایی تخلیه حرارتی آنها ایجاد می‌کند.

1.3 نیازهای خاص در محیط تولید برق از انرژی باد
(1) مقاومت در برابر نوسانات سرعت باد

تولید برق از انرژی باد با تغییرات سرعت باد نوسان می‌کند و این نوسان ممکن است منجر به ناپایداری ولتاژ شود. بنابراین، ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد باید توانایی تنظیم متناسبی داشته باشند تا از تأثیرات بر شبکه برق جلوگیری کنند.

(2) تطبیق با شرایط محیطی سخت

بیشتر مزارع بادی در محیط‌های سخت ساخته می‌شوند. بنابراین، ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد باید مقاومت خوبی در برابر فرسودگی و خلاء داشته باشند. برای مزارع بادی در مناطق کوهستانی، ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد باید با شرایط آب و هوایی شدید مانند دمای پایین و سرعت باد بالا مقابله کنند.

(3) نیازهای نظارت و نگهداری از راه دور

به دلیل موقعیت مزارع بادی در مناطق دورافتاده، هزینه نگهداری و تعمیر ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد نسبتاً بالاست. بنابراین، نیاز به ایجاد یک سیستم نظارت از راه دور برای نظارت زنده بر وضعیت عملکرد ترانسفورماتور وجود دارد.

2 عملکرد ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد
2.1 تحلیل عملکرد الکتریکی
(1) توانایی تنظیم ولتاژ

یکی از وظایف اصلی ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد افزایش ولتاژ خروجی پایین توربین‌های بادی به ولتاژ بالا برای انتقال برق در فواصل طولانی است. بنابراین، توانایی تنظیم ولتاژ یک شاخص کلیدی برای اندازه‌گیری عملکرد الکتریکی ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد است. معمولاً، محدوده افزایش ولتاژ ترانسفورماتور طراحی می‌شود تا تغییرات خروجی در شرایط مختلف سرعت باد را تطبیق دهد، تا خروجی ولتاژ پایدار باشد و تأثیرات بر شبکه برق کاهش یابد.

(2) ممان انسداد کوتاه مدت و محافظت از خطای کوتاه مدت

ممان انسداد کوتاه مدت ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد مستقیماً بر پایداری در حالت خطای کوتاه مدت تأثیر می‌گذارد. یک ممان انسداد کوتاه مدت کمتر می‌تواند سرعت پاسخ به خطای سیستم را افزایش دهد، اما ممکن است منجر به افزایش نوسانات جریان سیستم در حالت تغییرات سرعت باد شود. بهینه‌سازی طراحی ممان انسداد کوتاه مدت نه تنها به کاهش جریان کوتاه مدت کمک می‌کند بلکه عملکرد ایمنی ترانسفورماتور و پایداری شبکه برق را نیز بهبود می‌بخشد.

(3) اتلاف و کارایی

اتلاف ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد عموماً به دو دسته اتلاف مس و اتلاف آهن تقسیم می‌شود. اتلاف مس ناشی از مقاومت پیچشی است، در حالی که اتلاف آهن با فرآیند مغناطیسی هسته مرتبط است. در سناریوی تولید برق از انرژی باد، ترانسفورماتور باید توانایی تبدیل انرژی کارآمد داشته باشد تا اتلاف در حین انتقال کاهش یابد و بهره‌وری انرژی باد به حداکثر برسد. بنابراین، انتخاب مواد کارآمد و بهینه‌سازی طراحی می‌تواند به طور قابل توجهی اتلاف را کاهش دهد و کارایی کلی را بهبود بخشد.

2.2 تحلیل عملکرد حرارتی
(1) اتلاف حرارتی و تخلیه حرارتی

ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد در حین عملکرد مقدار زیادی حرارت تولید می‌کنند، به ویژه در حالت بار سنگین. دمای بسیار بالا ممکن است منجر به تخریب مواد عایق پیچشی و حتی حوادث ایمنی شود. بنابراین، مدیریت عملکرد حرارتی برای عملکرد ایمن ترانسفورماتور بسیار مهم است. ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن از طریق چرخه و خنک‌سازی روغن ترانسفورماتور حرارت را تخلیه می‌کنند و برای سناریوهای با قدرت بالا مناسب هستند؛ در حالی که ترانسفورماتورهای خنک‌سازی هوایی از طریق باد طبیعی حرارت را تخلیه می‌کنند و برای مزارع بادی با سرعت باد نسبتاً بالا مناسب‌تر هستند. بهینه‌سازی طراحی سیستم خنک‌سازی برای تضمین تخلیه زمانی حرارت می‌تواند کلیدی برای افزایش عمر مفید ترانسفورماتور باشد.

(2) تنش حرارتی و پیش‌بینی عمر

به دلیل تغییرات بار تولید برق از انرژی باد، تنش حرارتی ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد به طور قابل توجهی تغییر می‌کند، به ویژه وقتی تغییرات قدرت شدید است. در محیط تغییرات تنش حرارتی در طولانی مدت، مواد عایق ترانسفورماتور به تدریج فرسوده می‌شوند و عمر مفید آن را تحت تأثیر قرار می‌دهند. با استفاده از تحلیل شبیه‌سازی حرارتی و مدل‌های پیش‌بینی عمر، می‌توان بهترین ارزیابی از قابلیت اطمینان ترانسفورماتور در شرایط کاری مختلف را انجام داد و پیشنهادات بهینه‌سازی متناسب ارائه کرد.

2.3 تحلیل عملکرد عایق
(1) انتخاب مواد عایق

عملکرد عایق ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد پایه‌ای برای تضمین عملکرد ایمن آنها است. سیستم عایق ترانسفورماتور شامل مواد عایق جامد و مواد عایق مایع است. در مزارع بادی، به ویژه در مزارع بادی دریایی، محیط با رطوبت و شوری بالا ممکن است فرسودگی و خرابی مواد عایق را تسریع کند.

(2) تخلیه جزئی و توانایی تحمل ولتاژ

تخلیه جزئی یکی از علل اصلی خرابی عایق ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد است. به دلیل تغییرات ولتاژ زیاد در سیستم‌های تولید برق از انرژی باد، ترانسفورماتور باید توانایی تحمل ولتاژ قوی داشته باشد، به ویژه وقتی تغییرات سرعت باد شدید است، تا از رخ دادن تخلیه جزئی جلوگیری کند. با استفاده از مواد عایق جدید و بهینه‌سازی طرح پیچش، توانایی تحمل ولتاژ ترانسفورماتور به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد و رخداد پدیده‌های تخلیه جزئی کاهش می‌یابد.

3 ارزیابی قابلیت اطمینان، عوامل تأثیرگذار و راه‌حل‌های مشکلات معمول ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد
3.1 مدل‌های ارزیابی قابلیت اطمینان
(1) تجزیه و تحلیل مود فش و اثرات آن

تجزیه و تحلیل مود فش و اثرات آن ابزار مهمی برای ارزیابی قابلیت اطمینان ترانسفورماتورها است. با تحلیل مود‌های فش ممکن ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد در شرایط کاری مختلف، تأثیر آنها بر سیستم کلی ارزیابی می‌شود. استفاده از تجزیه و تحلیل مود فش و اثرات آن می‌تواند به کارکنان عملیات و نگهداری انرژی باد کمک کند تا خطرات بالقوه را پیش از وقوع شناسایی کنند، اقدامات پیشگیرانه به موقع انجام دهند و نرخ فش ترانسفورماتور را کاهش دهند.

(2) مدل پیش‌بینی عمر

عمر مفید ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد معمولاً تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند فرسودگی مواد، تنش حرارتی و ارتعاش مکانیکی قرار دارد. با استفاده از مدل پیش‌بینی عمر، در ترکیب با داده‌های محلی، می‌توان عمر باقی‌مانده ترانسفورماتور را پیش‌بینی کرد و سپس استراتژی‌های نگهداری متناسب را تدوین کرد. دقت پیش‌بینی عمر برای قابلیت اطمینان ترانسفورماتور بسیار مهم است و می‌تواند به طور قابل توجهی نرخ وقوع خرابی‌های ناگهانی را کاهش دهد.

3.2 عوامل تأثیرگذار اصلی
(1) تأثیر محیط عملیاتی

محیطی که مزرعه بادی در آن واقع شده است، تأثیر قابل توجهی بر قابلیت اطمینان ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد دارد. محیط با رطوبت و شوری بالا در مزارع بادی دریایی ممکن است فرسودگی تجهیزات را تسریع کند، در حالی که تغییرات دمایی شدید در مزارع بادی داخلی (مانند دمای پایین در مناطق کوهستانی) سرعت فرسودگی مواد عایق را افزایش می‌دهد. بنابراین، طراحی اقدامات محافظتی خاص و انتخاب مواد برای محیط‌های مختلف بسیار مهم است. به عنوان مثال، در مزارع بادی دریایی می‌توان از پوشش‌های ضد فرسودگی و مواد مقاوم در برابر ملح استفاده کرد تا اجزای ترانسفورماتور را محافظت کنند.

(2) تغییرات بار و تأثیر جریان

تغییرات بار تولید برق از انرژی باد نسبتاً زیاد است و تغییرات شدید سرعت باد ممکن است منجر به نوسانات مکرر جریان و ولتاژ شود، که تنش‌های مکانیکی و الکتریکی اضافی بر اجزای داخلی ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد ایجاد می‌کند. تغییرات مکرر بار می‌تواند ارتعاشات مکانیکی پیچش و خطر اشباع مغناطیسی هسته آهن را افزایش دهد، که در نتیجه عمر مفید و پایداری عملکرد ترانسفورماتور را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

(3) تداخل الکترومغناطیسی و هارمونیک‌ها

تعداد زیادی هارمونیک ممکن است در سیستم‌های تولید برق از انرژی باد تولید شود. هارمونیک‌ها می‌توانند با عملکرد طبیعی ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد تداخل کنند، به ویژه تأثیر آنها بر سازگاری الکترومغناطیسی. ترانسفورماتور باید توانایی مقاومت بالا در برابر تداخل الکترومغناطیسی داشته باشد تا از خرابی تجهیزات ناشی از تداخل هارمونیکی جلوگیری کند.

3.3 خرابی‌های معمول و راه‌حل‌ها
(1) خرابی گرم شدن زیاد

در حالت عملکرد با بار سنگین، اگر حرارت تولید شده در داخل ترانسفورماتور مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد به موقع تخلیه نشود، ممکن است پیچش گرم شده و حتی لایه عایق آن سوزانده شود. برای جلوگیری از این وضعیت، می‌توان از یک سیستم خنک‌سازی کارآمدتر استفاده کرد و یک سیستم نظارت زنده اضافه کرد تا دمای عملکرد ترانسفورماتور را نظارت کند.

(2) خرابی عایق

به دلیل فرسودگی یا مرطوب شدن مواد عایق، ممکن است منجر به کوتاه شدن بین پیچش‌ها یا بین پیچش‌ها و هسته آهن شود. با استفاده از مواد جدید مقاوم در برابر دمای بالا و مرطوبیت، می‌توان عمر مفید سیستم عایق را افزایش داد. همزمان، می‌توان اقدامات مقاوم در برابر مرطوبیت را تقویت کرد، مانند افزایش محکمیت پوشش و استفاده از پوشش‌های مقاوم در برابر مرطوبیت.

(3) ارتعاش مکانیکی و کاهش ساختاری

در حین عملکرد ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد، آنها تحت تأثیر ضربه‌های ارتعاش مکانیکی ناشی از تغییرات سرعت باد برای مدت طولانی قرار می‌گیرند، که ممکن است منجر به کاهش ساختاری اجزای داخلی شود. با بازرسی و محکم کردن منظم ساختار داخلی ترانسفورماتور و استفاده از طراحی مقاوم در برابر ارتعاش می‌توان به طور مؤثری خطرات ناشی از ارتعاش مکانیکی را کاهش داد.

4 طرح‌های بهینه‌سازی طراحی ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد
4.1 بهینه‌سازی انتخاب مواد
(1) استفاده از مواد عایق با عملکرد بالا

در سال‌های اخیر، مواد عایق جدید با عملکرد بالا به تدریج در طراحی ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد استفاده شده‌اند، مانند فیلم‌های پلی‌استر و الیاف آرامید. این مواد نه تنها مقاومت خوبی در برابر دمای بالا و مرطوبیت دارند بلکه می‌توانند به طور مؤثر عمر مفید ترانسفورماتور را افزایش دهند، عملکرد عایق الکتریکی ترانسفورماتور را بهبود بخشند و خطر تخلیه جزئی را کاهش دهند.

(2) طراحی هسته با اتلاف کم

اتلاف هسته آهن در ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد مستقیماً بر کارایی تجهیزات تأثیر می‌گذارد. با استفاده از ورق‌های فولاد سیلیسی با اتلاف کم یا مواد آلیاژی بدون ساختار، می‌توان به طور قابل توجهی اتلاف آهن را کاهش داد و تولید حرارت را کاهش داد در حالی که کارایی عملکرد ترانسفورماتور را تضمین می‌کند. به ویژه در کاربرد ترانسفورماتورهای با فرکانس بالا، مواد آلیاژی بدون ساختار ویژگی‌های سازگاری الکترومغناطیسی و اتلاف کم بسیار بالایی دارند و به تدریج به یک جهت مهم برای طراحی بهینه ترانسفورماتورهای بادی تبدیل می‌شوند.

4.2 بهینه‌سازی طراحی ساختاری
(1) طراحی فشرده و سبک وزن

مزارع بادی، به ویژه مزارع بادی دریایی، نیازهای دقیقی بر حجم و وزن ترانسفورماتورهای مورد استفاده در تولید برق از انرژی باد دارند. با استفاده از طراحی فشرده و ساختار سبک وزن، نه تنها می‌توان مساحت اشغال شده توسط تجهیزات را کاهش داد بلکه هزینه‌های نصب و حمل و نقل را نیز کاهش داد. با کاهش اندازه هسته آهن و پیچش و بهینه‌سازی طراحی پوشش ترانسفورماتور، می‌توان به طور مؤثر میکروسازی و سبک وزن تجهیزات را تحقق بخشید تا نیازهای خاص مزارع بادی را برآورده کند.