ساختار، عملکرد، قابلیت اطمینان و طراحی بهینه‌سازی ترانسفورماتورهای بادی
1 ساختار پایه، ویژگی‌های عملکردی و نیازهای خاص ترانسفورماتورها برای تولید برق از طریق باد
1.1 ساختار پایه ترانسفورماتورها
(1) ساختار هسته
ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد از مواد هسته با نفوذپذیری مغناطیسی بالا استفاده می‌کنند تا اتلاف انرژی را کاهش دهند. در کاربرد، هسته معمولاً به منظور سازگار شدن با محیط سخت زندگی طولانی‌مدت با رطوبت بالا و شوری بالا نیاز به درمان خاص دارد. به ویژه در مزارع بادی دریایی، مقاومت در برابر فرسودگی هسته بسیار مهم است.
(2) سیستم پیچشی
پیچش یک جزء مهم در ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد است و معمولاً با سیم‌های مس یا آلومینیوم پیچیده می‌شود. طراحی پیچش ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد باید تغییرات مکرر ولتاژ و جریان ناشی از نوسانات سرعت باد را در نظر بگیرد و اطمینان حاصل کند که پیچش می‌تواند تحت بارهای سنگین به صورت پایدار و طولانی‌مدت عمل کند.
(3) سیستم خنک‌سازی و تشعشع گرما
ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد نیاز به یک سیستم خنک‌سازی مؤثر دارند تا از آسیب دیدن به دلیل گرم شدن بیش از حد در حالت عملکرد با بار سنگین جلوگیری شود. روش‌های خنک‌سازی معمول شامل نوع غوطه‌ور در روغن و نوع خنک‌سازی هوایی طبیعی است. ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن گرما را از طریق چرخه روغن می‌برند و برای مزارع بادی با قدرت بالا مناسب هستند؛ در حالی که ترانسفورماتورهای خنک‌سازی هوایی برای سناریوهای با قدرت کوچک‌تر و محیط‌های ملایم‌تر مناسب‌تر هستند.
1.2 ویژگی‌های عملکردی
ویژگی‌های عملکردی ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد: تولید برق از طریق باد ناپایدار است و ظرفیت تولید برق با تغییرات سرعت باد نوسان می‌کند. بنابراین، ترانسفورماتور باید توانایی تنظیم بار بالایی داشته باشد و بتواند با نوسانات بار مکرر سازگار شود. متفاوت از ترانسفورماتورهای شبکه سنتی، ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد معمولاً در حالت بار جزئی هستند که نیازهای خاصی برای کارایی انرژی و توانایی تشعشع گرمایی آنها مطرح می‌کند.
1.3 نیازهای خاص در محیط تولید برق از طریق باد
(1) مقاومت در برابر نوسانات سرعت باد
تولید برق از طریق باد با تغییرات سرعت باد نوسان می‌کند و این نوسان ممکن است منجر به ناپایداری ولتاژ شود. بنابراین، ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد باید توانایی تنظیم متناسب داشته باشند تا از تأثیرات بر شبکه برق جلوگیری شود.
(2) سازگاری با شرایط محیطی سخت
اغلب مزارع بادی در محیط‌های سخت ساخته شده‌اند. بنابراین، ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد باید مقاومت خوبی در برابر فرسودگی و رطوبت داشته باشند. برای مزارع بادی کوهستانی، ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد باید با شرایط اقلیمی افراطی مانند دمای پایین و سرعت باد بالا مقابله کنند.
(3) نیازهای نظارت و نگهداری از راه دور
به دلیل قرار گرفتن مزارع بادی معمولاً در مناطق دورافتاده، هزینه نگهداری و تعمیرات ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد نسبتاً بالا است. بنابراین، نیاز به ایجاد یک سیستم نظارت از راه دور برای نظارت به‌روز بر وضعیت عملکرد ترانسفورماتور وجود دارد.
2 عملکرد ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد
2.1 تحلیل عملکرد الکتریکی
(1) توانایی تنظیم ولتاژ
یکی از وظایف اصلی ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق 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 تولید برق از طریق باد است. معمولاً، محدوده افزایش ولتاژ ترانسفورماتور طراحی شده به منظور سازگار شدن با نوسانات خروجی در سرعت‌های مختلف باد است، که اطمینان حاصل می‌کند که خروجی ولتاژ پایدار باشد و تأثیرات بر شبکه برق کاهش یابد.
(2) امپدانس کوتاه‌مدار و محافظت از خطا
امپدانس کوتاه‌مدار ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد مستقیماً بر پایداری در زمان خطاهای کوتاه‌مدار تأثیر می‌گذارد. یک امپدانس کوتاه‌مدار کمتر می‌تواند سرعت پاسخ سیستم به خطا را بهبود بخشد، اما ممکن است منجر به افزایش نوسانات جریان سیستم در زمان نوسانات سرعت باد شود. بهینه‌سازی طراحی امپدانس کوتاه‌مدار نه تنها به کاهش جریان کوتاه‌مدار کمک می‌کند، بلکه امنیت عملکرد ترانسفورماتور و پایداری شبکه برق را نیز بهبود می‌بخشد.
(3) اتلاف و کارایی
اتلاف ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد عمدتاً به دو دسته اتلاف مس و اتلاف آهن تقسیم می‌شوند. اتلاف مس ناشی از اتلاف انرژی الکتریکی ناشی از مقاومت پیچشی است، در حالی که اتلاف آهن با فرآیند مغناطیسی هسته مرتبط است. در سناریوی تولید برق از طریق باد، ترانسفورماتور باید توانایی تبدیل انرژی کارآمد داشته باشد تا اتلافات را در حین انتقال کاهش دهد و نرخ استفاده از انرژی باد را به حداکثر برساند. بنابراین، انتخاب مواد کارآمد و بهینه‌سازی طراحی می‌تواند به طور قابل توجهی اتلافات را کاهش دهد و کارایی کلی را بهبود بخشد.
2.2 تحلیل عملکرد حرارتی
(1) اتلاف گرما و تشعشع گرما
ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد در حین عملکرد مقدار زیادی گرما تولید می‌کنند، به ویژه در حالت بار سنگین. دماهای بسیار بالا ممکن است منجر به تخریب مواد عایق پیچشی و حتی ایجاد حوادث ایمنی شود. بنابراین، مدیریت عملکرد حرارتی برای عملکرد ایمن ترانسفورماتور بسیار حیاتی است. ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن از طریق چرخه و خنک‌سازی روغن ترانسفورماتور گرما را تشعشع می‌دهند و برای سناریوهای با قدرت بالا مناسب هستند؛ در حالی که ترانسفورماتورهای خنک‌سازی هوایی از طریق باد طبیعی گرما را تشعشع می‌دهند و برای مزارع بادی با سرعت باد نسبتاً بالا مناسب‌تر هستند. بهینه‌سازی طراحی سیستم خنک‌سازی برای اطمینان حاصل کردن از تشعشع به موقع گرما کلیدی برای تمدید عمر مفید ترانسفورماتور است.
(2) تنش حرارتی و پیش‌بینی عمر
به دلیل نوسانات بار تولید برق از طریق باد، تنش حرارتی ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد به طور قابل توجهی تغییر می‌کند، به ویژه زمانی که تغییرات توان تند هستند. در محیط طولانی‌مدت با نوسانات تنش حرارتی، مواد عایق ترانسفورماتور به تدریج قدیمی می‌شوند و عمر مفید آنها را تأثیر می‌گذارند. از طریق تحلیل شبیه‌سازی حرارتی و مدل‌های پیش‌بینی عمر، می‌توان قابلیت اعتماد ترانسفورماتور در شرایط کاری مختلف را بهتر ارزیابی کرد و پیشنهادات بهینه‌سازی متناسب ارائه داد.
2.3 تحلیل عملکرد عایق‌بندی
(1) انتخاب مواد عایق‌بندی
عملکرد عایق‌بندی ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد پایه‌ای برای اطمینان حاصل کردن از عملکرد ایمن آنها است. سیستم عایق‌بندی ترانسفورماتور شامل مواد عایق‌بندی جامد و مواد عایق‌بندی مایع است. در مزارع بادی، به ویژه مزارع بادی دریایی، محیط با رطوبت و شوری بالا ممکن است فرسودگی و خرابی مواد عایق‌بندی را تسریع کند.
(2) دیسچارژ محلی و توانایی تحمل ولتاژ
دیسچارژ محلی یکی از دلایل اصلی خرابی عایق‌بندی ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد است. به دلیل نوسانات ولتاژ بزرگ در سیستم‌های تولید برق از طریق باد، ترانسفورماتور باید توانایی تحمل ولتاژ قوی داشته باشد، به ویژه زمانی که سرعت باد به طور ناگهانی تغییر می‌کند، تا از وقوع دیسچارژ محلی جلوگیری شود. با استفاده از مواد عایق‌بندی جدید و بهینه‌سازی ترتیب پیچش، می‌توان توانایی تحمل ولتاژ ترانسفورماتور را به طور قابل توجهی بهبود بخشید و وقوع پدیده‌های دیسچارژ محلی را کاهش داد.
3 ارزیابی قابلیت اعتماد، عوامل مؤثر و راه‌حل‌های مشکلات معمول ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد
3.1 مدل‌های ارزیابی قابلیت اعتماد
(1) تجزیه و تحلیل مد فشک و اثرات آن
تجزیه و تحلیل مد فشک و اثرات آن ابزار مهمی برای ارزیابی قابلیت اعتماد ترانسفورماتورها است. با تحلیل مد فشک ممکن ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد در شرایط کاری مختلف، تأثیر آن بر سیستم کلی ارزیابی می‌شود. استفاده از تجزیه و تحلیل مد فشک و اثرات آن می‌تواند به کارکنان عملیات و نگهداری تولید برق از طریق باد کمک کند تا ریسک‌های بالقوه را پیش‌بینی کنند، اقدامات پیشگیرانه به موقع انجام دهند و نرخ فشک ترانسفورماتورها را کاهش دهند.
(2) مدل پیش‌بینی عمر
عمر مفید ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد معمولاً توسط عوامل مختلفی مانند فرسودگی مواد، تنش حرارتی و لرزش مکانیکی تأثیر می‌پذیرد. از طریق مدل پیش‌بینی عمر، با ترکیب داده‌های محلی، می‌توان عمر باقی‌مانده ترانسفورماتور را پیش‌بینی کرد و سپس استراتژی‌های نگهداری متناسب را تعیین کرد. دقت پیش‌بینی عمر برای قابلیت اعتماد ترانسفورماتور بسیار حیاتی است و می‌تواند به طور قابل توجهی احتمال وقوع خرابی‌های ناگهانی را کاهش دهد.
3.2 عوامل مؤثر اصلی
(1) تأثیر محیط عملیاتی
محیطی که مزرعه بادی در آن قرار دارد، تأثیر قابل توجهی بر قابلیت اعتماد ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق 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 عایق‌بندی را افزایش می‌دهد. بنابراین، طراحی اقدامات محافظتی و انتخاب مواد مخصوص برای محیط‌های مختلف بسیار حیاتی است. به عنوان مثال، در مزارع بادی دریایی، می‌توان از پوشش‌های ضد فرسودگی و مواد مقاوم در برابر شوری استفاده کرد تا اجزای ترانسفورماتور را محافظت کند.
(2) نوسان بار و تأثیر جریان
نوسان بار تولید برق از طریق باد نسبتاً زیاد است و تغییرات ناگهانی سرعت باد ممکن است منجر به نوسانات مکرر جریان و ولتاژ شود که این امر تنش‌های مکانیکی و الکتریکی اضافی را بر اجزای داخلی ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد وارد می‌کند. تغییرات مکرر بار می‌تواند لرزش مکانیکی پیچش و ریسک اشباع مغناطیسی هسته آهن را افزایش دهد، که این امر 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 طریق باد تولید شود. هارمونیک‌ها عملکرد طبیعی ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد را مختل می‌کنند، به ویژه تأثیر آنها بر سازگاری الکترومغناطیسی. ترانسفورماتور باید توانایی مقاومت قوی در برابر تداخل الکترومغناطیسی داشته باشد تا از خرابی تجهیزات ناشی از تداخل هارمونیکی جلوگیری شود.
3.3 خرابی‌های معمول و راه‌حل‌ها
(1) خرابی گرم شدن بیش از حد
در حالت عملکرد با بار سنگین، اگر گرما تولید شده در داخل ترانسفورماتور تولید برق از طریق باد به موقع تشعشع نشود، ممکن است پیچش گرم شود و حتی لایه عایق‌بندی آن سوزانده شود. برای جلوگیری از این وضعیت، می‌توان از یک سیستم خنک‌سازی کارآمد‌تر استفاده کرد و یک سیستم نظارت به‌روز برای نظارت بر دمای عملکرد ترانسفورماتور اضافه کرد.
(2) خرابی عایق‌بندی
به دلیل فرسودگی یا رطوبت مواد عایق‌بندی، ممکن است به کوتاه‌مدار شدن بین پیچش‌ها یا بین پیچش‌ها و هسته آهن منجر شود. با استفاده از مواد مقاوم در برابر دمای بالا و رطوبت، می‌توان عمر مفید سیستم عایق‌بندی را افزایش داد. همزمان، می‌توان اقدامات مقاوم در برابر رطوبت را تقویت کرد، مانند افزایش ضربه‌ای بدن و استفاده از پوشش‌های مقاوم در برابر رطوبت.
(3) لرزش مکانیکی و آزاد شدن ساختاری
در حین عملکرد ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد، آنها به طولانی‌مدت تحت تأثیر ضربات لرزش مکانیکی ناشی از تغییرات سرعت باد قرار می‌گیرند که ممکن است منجر به آزاد شدن اجزای داخلی شود. با بازرسی و سفت کردن منظم ساختار داخلی ترانسفورماتور و استفاده از طراحی مقاوم در برابر لرزش، می‌توان به طور مؤثری خطرات ناشی از لرزش مکانیکی را کاهش داد.
4 طرح‌های بهینه‌سازی برای ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد
4.1 بهینه‌سازی انتخاب مواد
(1) استفاده از مواد عایق‌بندی با عملکرد بالا
در سال‌های اخیر، به تدریج مواد عایق‌بندی با عملکرد بالا به طراحی ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد اعمال شده‌اند، مانند فیلم‌های پلی‌استر و الیاف آرامید. این مواد نه تنها مقاومت خوبی در برابر دمای بالا و رطوبت دارند، بلکه می‌توانند به طور مؤثر عمر مفید ترانسفورماتور را افزایش دهند، عملکرد عایق‌بندی الکتریکی ترانسفورماتور را بهبود بخشند و خطر دیسچارژ محلی را کاهش دهند.
(2) طراحی هسته با اتلاف کم
اتلاف هسته آهن در ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق باد مستقیماً بر کارایی تجهیزات تأثیر می‌گذارد. با استفاده از صفحات فولاد سیلیسی با اتلاف کم یا مواد آلیاژی بدون ترتیب، می‌توان به طور قابل توجهی اتلاف آهن را کاهش داد و گرمای تولید شده را کاهش داد در حالی که کارایی عملکرد ترانسفورماتور را تضمین می‌کند. به ویژه در کاربرد ترانسفورماتورهای با فرکانس بالا، مواد هسته آلیاژی بدون ترتیب نشان‌دهنده سازگاری الکترومغناطیسی بسیار بالا و ویژگی‌های اتلاف کم هستند 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، الزامات دقیقی بر حجم و وزن ترانسفورماتورهای تولید برق از طریق 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 مینیاتوری و سبک وزن تجهیزات را برای پاسخگویی به نیازهای خاص مزارع بادی تحقق بخشید.
(2) بهینه‌سازی سیستم خن
