ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสามเฟสสำหรับกังหันลม: การคงที่ของเอาต์พุต

หนึ่งในเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียนที่เติบโตเร็วที่สุดคือพลังงานลม อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้มีปัญหาพื้นฐานอยู่ประการหนึ่ง นั่นคือ ไม่สามารถทำนายได้ล่วงหน้า แรงดันไฟฟ้าขาออกจากระบบกังหันลมจะเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา โดยสอดคล้องโดยตรงกับการเปลี่ยนแปลงของความเร็วลม ลมกระโชก และการไหลแบบปั่นป่วน (turbulence) ซึ่งไม่สามารถยอมรับได้สำหรับระบบเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า (grid-connected systems) ที่ต้องควบคุมแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ภายในช่วงที่แคบมาก และสำหรับโหลดอุตสาหกรรมแบบอิสระ ซึ่งอาจได้รับความเสียหายจากเหตุการณ์แรงดันเกิน (over-voltage) หรือแรงดันต่ำเกิน (under-voltage) ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสามเฟสทำหน้าที่แปลงพลังงานกระแสสลับ (AC) ที่ไม่สม่ำเสมอจากกังหันลมให้กลายเป็นพลังงานที่มีเสถียรภาพและใช้งานได้จริง โดยดำเนินการดังต่อไปนี้

ชดเชยการเปลี่ยนแปลงของความเร็วลมอย่างรวดเร็ว

ความเร็วลมสามารถเปลี่ยนแปลงได้หลายเมตรต่อวินาทีภายในไม่กี่วินาที ซึ่งเกิดจากลมกระโชกที่ทำให้โรเตอร์หมุนเร็วขึ้น ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพิ่มขึ้น หรือเกิดจากลมอ่อนลงจนทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลงอย่างรวดเร็ว แรงดันไฟฟ้าที่แปรผันอย่างรวดเร็วนี้—มีค่าเบี่ยงเบน ±15–30 เปอร์เซ็นต์จากค่าแรงดันปกติ—เกินความสามารถในการรองรับของอุปกรณ์ส่วนใหญ่ เช่น ปั๊ม มอเตอร์ และวงจรควบคุม ซึ่งอาจทำให้อุปกรณ์เหล่านี้ตัดการทำงานหรือเสียหาย ส่งผลให้เกิดเหตุการณ์ที่ไม่พึงประสงค์ ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสามเฟสที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับการใช้งานกับกังหันลมจะใช้เทคโนโลยี SCR (ไทริสเตอร์) ที่ตอบสนองเร็ว หรือเทคโนโลยีการเปลี่ยนตำแหน่งแทป (tap-changing) แบบขับเคลื่อนด้วยเซอร์โวโมเตอร์ เพื่อตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าขาออกอย่างต่อเนื่อง และปรับตำแหน่งแทปของตัวควบคุมหรือมุมจุดจุดระเบิดภายในช่วงเวลา 20 ถึง 40 มิลลิวินาที—เร็วกว่าการตอบสนองเชิงกลของกังหันลมอย่างมาก เมื่อความเร็วลมเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรง ตัวควบคุมจะรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าไว้ภายในช่วง ±3 ถึง 5 เปอร์เซ็นต์ของค่าที่ตั้งไว้ (setpoint) และป้องกันโหลดที่บอบบางจากการตัดการทำงานโดยไม่จำเป็น สำหรับการใช้งานร่วมกับระบบไฮบริดลม-ดีเซล หรือกังหันลมขนาดเล็กที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า

การจัดการแรงดันขาเข้าที่ไม่สมดุลจากความไม่สมมาตรของกังหันลม

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันลมแบบสามเฟส (โดยเฉพาะแบบแม่เหล็กถาวร) โดยทั่วไปไม่ผลิตแรงดันไฟฟ้าที่สมดุลอย่างสมบูรณ์แบบ; ความไม่สมดุลซึ่งอาจมีค่าได้ถึง 5–15% ระหว่างแต่ละเฟส เกิดขึ้นจากความไม่สมมาตรของใบพัด การตั้งแนวแกนหมุน (yaw) ผิดตำแหน่ง หรือโรเตอร์บางส่วนถูกบังแสง ซึ่งส่งผลให้มอเตอร์สามเฟสร้อนจัดเกินไป ประสิทธิภาพของเรกติไฟเออร์ลดลง และเกิดกระแสฮาร์โมนิก ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสามเฟสสามารถควบคุมแต่ละเฟสแยกกันได้อย่างอิสระ โดยระบบจะปรับแรงดันแต่ละเฟสโดยอัตโนมัติเพื่อชดเชยความไม่สมดุล ทั้งการเพิ่ม (boosting) หรือลด (bucking) แรงดันบนแต่ละสายอย่างแยกต่างหาก ความไม่สมดุล 5–15% สามารถลดลงเหลือเพียง 1–2% ที่เอาต์พุตของตัวควบคุมแรงดัน สำหรับกังหันลมที่จ่ายพลังงานให้กับโหลดสามเฟส เช่น ปั๊มน้ำ เครื่องอัดอากาศ หรือระบบชาร์จแบตเตอรี่ การที่ความไม่สมดุลนี้ไปถึงโหลดโดยตรงเป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์ เพราะอาจทำให้อุปกรณ์เสียหายหรือเสื่อมสภาพได้ ปัจจัยคุณภาพของพลังงานจึงดีขึ้น ซึ่งเป็นค่าที่มาตรฐานรหัสการเชื่อมต่อกับระบบจำหน่ายไฟฟ้า (grid code) กำหนดไว้มากขึ้นเรื่อยๆ

การป้องกันเหตุการณ์ความเร็วเกินและแรงดันเกิน

ในช่วงที่เกิดพายุและมีความเร็วลมสูงกว่าค่าที่กำหนด แรงดันไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอาจเพิ่มขึ้นสูงกว่าค่าแรงดันปกติมาก—มักสูงถึง 130–150% ของแรงดันที่กำหนด หากแรงดันระดับนี้คงอยู่เป็นเวลานาน จะทำให้ฉนวนไฟฟ้าเสียหาย หม้อแปลงทำงานเกินขีดจำกัด (over-excite) และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อแรงดัน เช่น ไดรฟ์ความถี่แปรผัน (Variable Frequency Drives) หรืออินเวอร์เตอร์ เสียหายอย่างถาวร ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสามเฟสจะจัดการกับภาวะแรงดันเกินที่เกิดจากความเร็วรอบเกิน (over-speed over-voltage) โดยการจำกัดแรงดันขาออก ในระหว่างเหตุการณ์ดังกล่าว ระบบจะตรวจสอบแรงดันขาเข้าอย่างต่อเนื่อง เมื่อแรงดันขาเข้าเกินค่าที่ตั้งไว้ (โดยทั่วไปคือ 110–115% ของแรงดันปกติ) แรงดันขาออกจะลดลงสู่ระดับแทป (tap) ที่ต่ำกว่า หรือในกรณีรุนแรงสุด ระบบจะตัดการเชื่อมต่อกับโหลดโดยใช้คอนแทคเตอร์เบี่ยงทางภายใน (internal bypass contactor) บางรุ่นยังส่งสัญญาณไปยังตัวควบคุมกังหันลม เพื่อดำเนินการเบรกกังหันหรือควบคุมมุมใบพัด (pitch control) ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้อุปกรณ์เกิดความล้มเหลวอย่างรุนแรงในช่วงพายุ หรือในกรณีที่เกิดความล้มเหลวของโครงข่ายไฟฟ้า (grid failure) จนไม่สามารถจ่ายพลังงานออกไปได้

การเรียบของเอาต์พุตสำหรับการชาร์จแบตเตอรี่และอินพุตอินเวอร์เตอร์

สำหรับการใช้งานแบบไม่ต่อเชื่อมกับระบบไฟฟ้าหลัก (off-grid) มักจะมีการชาร์จแบตเตอรี่ธนาคาร (battery bank) จากกังหันลม หรือส่งพลังงานไปยังอินเวอร์เตอร์ที่จ่ายไฟให้กับโหลดกระแสสลับ (AC loads) ทั้งการชาร์จแบตเตอรี่และการป้อนสัญญาณเข้าอินเวอร์เตอร์ต่างก็ต้องการระดับแรงดันไฟฟ้าที่คงที่ อย่างไรก็ตาม ในช่วงที่แรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นระหว่างการชาร์จ จะเกิดกระแสชาร์จที่มากเกินไปซึ่งไหลผ่านในระดับสูงดังกล่าว ส่งผลให้แบตเตอรี่เกิดการปล่อยก๊าซ (gassing) และอายุการใช้งานสั้นลง อินพุตของอินเวอร์เตอร์มีความไวต่อการแปรผันของแรงดันไฟฟ้า (voltage ripple) เป็นพิเศษ ซึ่งก่อให้เกิดกระแสฮาร์โมนิก (harmonic currents) ที่จะลดประสิทธิภาพการส่งกำลังไฟฟ้า การติดตั้งรีกูเลเตอร์แรงดันสามเฟส (three-phase voltage regulator) ระหว่างกังหันลมกับเครื่องชาร์จแบตเตอรี่หรืออินเวอร์เตอร์ จะทำให้สัญญาณเอาต์พุตจากกังหันลมได้รับการปรับสภาพ (conditioned) สำหรับโหลดที่ขับเคลื่อนด้วยอินเวอร์เตอร์ สิ่งนี้หมายถึงคลื่นไซน์ (sine waves) ที่บริสุทธิ์ยิ่งขึ้นและฮาร์โมนิกที่ต่ำลง โดยการแปรผันของแรงดันไฟฟ้า (ripple) ที่เอาต์พุตจะลดลงเป็นปัจจัยระหว่าง 5 ถึง 10 เท่า ซึ่งหมายความว่า แม้ในขณะที่ความเร็วลมต่ำ แบตเตอรี่ก็จะได้รับแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จตามที่กำหนดไว้ จึงช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้น 20–30% เมื่อเทียบกับกรณีที่เชื่อมต่อกังหันลมโดยตรง นอกจากนี้ ยังมีระบบป้องกันการตัดการเชื่อมต่อเมื่อแรงดันต่ำ (low voltage disconnect protection) รวมอยู่ด้วย เพื่อป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่ถูกคายประจุมากเกินไปในช่วงที่ไม่มีลม

เราจัดหาอุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าสามเฟสที่สามารถชดเชยการเปลี่ยนแปลงความเร็วลมอย่างรวดเร็ว รับมือกับแรงดันขาเข้าที่ไม่สมดุลจากความไม่สมมาตรของกังหันลม ป้องกันเหตุการณ์ความเร็วเกินและแรงดันเกิน รวมทั้งปรับให้แรงดันขาออกของแบตเตอรี่และสัญญาณขาเข้าอินเวอร์เตอร์มีความเรียบเนียน เราดำเนินธุรกิจมามากกว่า 20 ปี มีพื้นที่การผลิตกว่า 50,000 ตารางเมตร พร้อมทั้งมีความสามารถในการออกแบบชิ้นส่วนเอง สิทธิในทรัพย์สินทางปัญญาเป็นของตนเอง และทำหน้าที่เป็นผู้ร่วมกำหนดมาตรฐานแห่งชาติสำหรับอุตสาหกรรมนี้ โดยเราจัดจำหน่ายอุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าสามเฟสเพื่อให้พลังงานลมสามารถใช้งานได้จริงและเชื่อถือได้