تنظیم‌کننده‌های ولتاژ سه‌فاز برای توربین‌های بادی: پایدارسازی خروجی

انرژی بادی یکی از فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر با رشد سریع‌ترین است؛ با این حال، مشکل اساسی دارد — قابل پیش‌بینی نیست. ولتاژ خروجی از یک توربین بادی به‌طور مداوم در پاسخ مستقیم به تغییرات سرعت باد، وزش‌های ناگهانی و آشفتگی تغییر می‌کند. این امر برای سیستم‌های متصل به شبکه برق قابل قبول نیست، جایی که ولتاژها باید در محدوده‌های بسیار دقیقی نگه داشته شوند، و همچنین برای بارهای صنعتی مستقل که ممکن است در اثر رویدادهای اضافه‌ولتاژ یا کمبود ولتاژ آسیب ببینند. تنظیم‌کننده‌های ولتاژ سه‌فاز با انجام مراحل زیر، توان متغیر AC حاصل از توربین را به توان پایدار و قابل استفاده تبدیل می‌کنند.

جبران نوسانات سریع سرعت باد

سرعت باد ممکن است در عرض چند ثانیه به میزان چند متر بر ثانیه تغییر کند؛ این نوسانات (گُست‌ها) باعث افزایش سرعت روتور و در نتیجه افزایش ولتاژ ژنراتور یا کاهش ناگهانی آن و افت ولتاژ می‌شود. این ولتاژ متغیر سریع — که در محدوده ±۱۵ تا ۳۰ درصد ولتاژ اسمی قرار دارد — فراتر از توانایی بیشتر تجهیزات است؛ پمپ‌ها، موتورها و مدارهای کنترلی ممکن است قطع شوند یا از کار بیفتند و منجر به رویدادهای نامطلوب گردند. یک تنظیم‌کننده ولتاژ سه‌فاز طراحی‌شده برای کاربردهای بادی، از فناوری سریع‌الپاسخ تریستور (SCR) یا تغییر دهنده تپ محرک با موتور سروو استفاده می‌کند تا به‌طور مداوم ولتاژ خروجی را نظارت کرده و در مدت زمان ۲۰ تا ۴۰ میلی‌ثانیه تپ تنظیم‌کننده یا زاویه آتش‌زنی را تغییر دهد — سرعتی بسیار بالاتر از پاسخ مکانیکی توربین. هنگامی که سرعت باد به‌صورت شدید تغییر می‌کند، این تنظیم‌کننده ولتاژ را در محدوده ۳ تا ۵ درصد از مقدار تنظیم‌شده حفظ می‌کند و بارهای حساس را در مقابل قطع‌شدن‌های غیرضروری محافظت می‌نماید؛ این ویژگی آن را برای استفاده در سیستم‌های ترکیبی بادی-دیزلی یا توربین‌های کوچک متصل به شبکه مناسب می‌سازد.

مدیریت ورودی نامتعادل ناشی از عدم تقارن توربین

ژنراتورهای بادی سه‌فاز (به‌ویژه نوع مغناطیس دائمی) معمولاً ولتاژ کاملاً متعادل تولید نمی‌کنند؛ عدم تعادلی که احتمالاً ۵ تا ۱۵ درصد بین فازها رخ می‌دهد و ناشی از عدم تقارن پره‌ها، عدم هم‌ترازی یاو (yaw) یا سایه‌دار شدن جزئی روتور است، منجر به گرم‌شدن بیش‌ازحد موتورهای سه‌فاز، کاهش بازده یکسوکننده و تولید جریان‌های هارمونیک می‌شود. یک تنظیم‌کننده ولتاژ سه‌فاز کنترل مستقل هر فاز را فراهم می‌کند؛ این سیستم به‌صورت جداگانه هر سه فاز را تنظیم کرده و با افزایش یا کاهش ولتاژ هر خط به‌صورت مستقل، عدم تعادل را جبران می‌کند. عدم تعادل ۵ تا ۱۵ درصدی را می‌توان در خروجی تنظیم‌کننده به ۱ تا ۲ درصد کاهش داد. برای توربین‌های بادی که بارهای سه‌فاز مانند پمپ‌های آب، کمپرسورها یا شارژر باتری‌ها را تغذیه می‌کنند، نامطلوب است که این عدم تعادل به بار برسد و باعث آسیب یا کاهش عمر تجهیزات شود. عامل کیفیت توان بهبود می‌یابد که این مقدار به‌تدریج در کدهای شبکه مشخص می‌شود.

محافظت در برابر رویدادهای اضافه‌سرعت و اضافه‌ولتاژ

در شرایط طوفانی که سرعت باد از مقدار نامی فراتر رود، ولتاژ ژنراتور ممکن است به سطحی بسیار بالاتر از مقدار نامی افزایش یابد—که اغلب به ۱۳۰ تا ۱۵۰ درصد ولتاژ نامی می‌رسد. اگر این سطح ولتاژ برای مدت طولانی حفظ شود، باعث آسیب‌دیدن عایق‌بندی الکتریکی، اشباع شدن بیش از حد ترانسفورماتورها و از بین رفتن بارهای الکترونیکی حساس مانند درایوهای فرکانس متغیر (VFD) یا اینورترها می‌شود. یک رگولاتور ولتاژ سه‌فاز با محدود کردن خروجی، شرایط ولتاژ اضافی ناشی از سرعت بیش از حد را کنترل می‌کند. در چنین رویدادی، ولتاژ ورودی پایش می‌شود؛ و هنگامی که این ولتاژ از حد مشخص‌شده (معمولاً ۱۱۰ تا ۱۱۵ درصد ولتاژ نامی) فراتر رود، خروجی به یک تپ پایین‌تر منتقل می‌شود یا در موارد شدید، با استفاده از کنتاکتور دورافتاده داخلی از بار قطع می‌گردد. برخی از واحدها سیگنالی به کنترل‌کننده توربین بادی ارسال می‌کنند تا ترمز دادن توربین یا کنترل زاویه پره‌ها را فعال کند، به‌گونه‌ای که از شکست فاجعه‌بار تجهیزات در شرایط طوفانی یا در صورت عدم توانایی خروج توان آن (برای مثال به دلیل قطعی شبکه) جلوگیری به عمل آید.

صاف‌سازی خروجی برای شارژ باتری و ورودی اینورتر

برای کاربردهای خارج از شبکه، بانک باتری‌ها اغلب از توربین بادی شارژ می‌شود یا توان به یک اینورتر هدایت می‌شود که بارهای جریان متناوب (AC) را تأمین می‌کند؛ هر دوی فرآیند شارژ باتری و ورودی اینورتر نیازمند سطوح ولتاژ پایدار هستند. در ولتاژهای بالاتر حین شارژ، جریان‌های شارژ بیش‌ازحد در سطوح بسیار بالا جریان یافته و باعث گاز دادن باتری‌ها و کوتاه‌شدن عمر آن‌ها می‌شوند. ورودی‌های اینورتر بسیار حساس به نوسانات ولتاژ (ریپل ولتاژ) هستند و جریان‌های هارمونیکی تولید می‌کنند که باعث کاهش بازده توان می‌شوند. با قرار دادن یک رگولاتور ولتاژ سه‌فاز بین توربین و شارژر باتری یا اینورتر، خروجی توربین شرایط‌دهی می‌شود. برای بارهای محرک اینورتر، این امر به معنای موج‌های سینوسی پاک‌تر و هارمونیک‌های کمتر است. نوسانات ولتاژ (ریپل) در خروجی تا عواملی بین ۵ تا ۱۰ برابر کاهش می‌یابد. این بدین معناست که در سرعت‌های پایین باد، باتری در ولتاژ شارژ مورد نیاز تغذیه می‌شود و بنابراین عمر آن تا ۲۰ تا ۳۰ درصد نسبت به حالت اتصال مستقیم توربین افزایش می‌یابد. همچنین محافظت از قطع خودکار باتری در ولتاژ پایین (Low Voltage Disconnect) نیز برای جلوگیری از تخلیه بیش‌ازحد باتری در دوره‌های بی‌باد (آرامش هوا) در این سیستم گنجانده شده است.

ما تنظیم‌کننده‌های ولتاژ سه‌فاز ارائه می‌دهیم که تغییرات سریع سرعت باد را جبران می‌کنند، ورودی نامتعادل ناشی از عدم تقارن توربین‌ها را مدیریت می‌کنند، در برابر رویدادهای اضافه‌سرعت و اضافه‌ولتاژ محافظت می‌نمایند و ولتاژ خروجی باتری‌ها و ورودی‌های اینورتر را هموار می‌سازند. ما بیش از ۲۰ سال تجربه فعالیت داریم و فضای تولیدی بیش از ۵۰٬۰۰۰ مترمربعی داریم؛ همچنین طراحی مؤلفه‌ها، حقوق مالکیت فکری و نقش ما به‌عنوان تدوین‌کننده استاندارد ملی در این صنعت را در بر می‌گیریم. ما تنظیم‌کننده‌های ولتاژ سه‌فاز را عرضه می‌کنیم تا انرژی بادی قابل‌استفاده و قابل‌اطمینان باشد.