کمبودهایی در استانداردهای حفاظتی تولید پراکنده ؛قسمت اول

چارلز جی. موزینا از شرکت بکویث الکتریک

منظور از تولید پراکنده در این سلسله مقالات DG یا همان نیروگاه های کوچک محلی است که اغلب برای تولید برق کارخانجاتی مانند ذوب آهن و ... بکار می روند. سیاسیتهای جدید در حوزه انرژی سعی در یکپارچه کردن این تولیدهای پراکنده در شبکه های سراسری دارد. درمتن ترجمه شده گاه از اصطلاح "تولید پراکنده" و گاه از "نیروگاه محلی" استفاده کردیه ایم. رضاکیانی

آوریل امسال (2007 میلادی)، دپارتمان انرژی ایالات متحده گزارشی با عنوان "مزایای بالقوه تولید پراکنده و بخشنامه هایی که ممکن است با گسترش آن در تضاد باشند" منتشر کرد. این گزارش تصریح می کند:" در بعضی موارد، مقررات و نیازمندی های اتصال به شبکه سراسری بیش از حد سختگیرانه و زمان بر بوده و هزینه زیادی بر پروژه های تولید پراکنده تحمیل می کنند." این گزارش با مشاوره کمیسیون رگولاتوری انرژی فدرال به عنوان فرمانی تحت قانون سیاستگذاری انرژی 2005 برای دپارتمان انرژی تهیه شده است تا مزایای بالقوه همکاری در تولید برق و تولیدکننده های کوچک مشخص شود و موانعی که ممکن است بر سر راه تولید پراکنده باشد بر طرف کند.

بر اساس این گزارش 30 سال پس از تصویب سیاستهای رگولاتوری شبکه های عمومی در سال 1978، اتصال یک نیروگاه کوچک به شبکه سراسری هنوز هم در بسیاری از ایالات با مشکلات حادی مواجه است. به دلیل فقدان استانداردهای مورد نیاز در نیروگاه ها، بسیاری از صاحبان نیروگاه های کوچک (کمتر از 10 مگاوات) با هزینه های زیاد و تبعیض هایی مواجه هستند که آنها را با منابع اندک مالی و صورت حسابهای سنگین تنها رها می کند. این گزارش همچنین می گوید:" هیچ مدل، ابزار یا تکنیک استانداردی برای ارزیابی تولیدکنندگان کوچک و داخل کردن آنها در برنامه ریزی ها و عملیات شبکه سراسری وجود ندارد."

استانداردهای ناقص

تا کنون چند استانداردهای برای اتصال نیروگاه های کوچک به شبکه سراسری توسط نهادهای زیر ارائه شده اند:

·        آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده

·        مدل اتصال تولید پراکنده تولید کننده ها و توافق منتشر شده در 2002

·        انجمن ملی رگولاتوری شرکتهای برق. شورای انرژی بین ایالتی (2005)

·        انجمن ملی همکاریهای برقی روستایی

شناخته شده ترین و مورد قبول ترین این استانداردها، استاندارد IEEE1547 است که با عنوان "استانداردهای اتصال منابع پراکنده به سیستمهای قدرت" در سال 2003 منتشر شد. استاندارد 1547 راهنمای همه گروه های درگیر است چرا که این استاندارد توسط انیستیتو استاندارهای ملی آمریکا بازبینی و بهبود یافته  و شامل یک چارچوب واقع گرایانه از قوانین و نیازمندی هاست. اهداف بیان شده این استاندارد به عنوان یک سند منحصر به فرد از استانداردهای فنی برای اتصال نیروگاه های کوچک، نیازمندی های صاحبان آنها و شرکتهای برق می باشد. به دلیل تفاوت استاندارد هر ایالت با ایالتهای دیگر گسترش این استاندارد به کندی پیش می رود. کالیفرنیا و نیویورک قابل ذکرترین این استثناءات هستند.

تمام استانداردهایی که در بالا ذکر شده اند مشخص می کنند که عملکرد اصلی حفاظت در اتصال به شبکه جلوگیری از جزیره ای شدن شبکه با کشف ژنراتورهای آسنکرون شده نیروگاه های کوچک می باشد. به عبارت دیگر، تعیین جایی که ژنراتور دیگر به صورت موازی با شبکه کار نمی کند به صورت حیاتی مهم است.

در طراحی حفاظت همچنین باید موارد زیر را نیز در نظر گرفت:

·        قطع نیروگاه محلی هنگامی که ژنراتورهای آن دیگر به صورت موازی با شبکه کار نمی کنند.

·   حفاظت شبکه از آسیبهایی که از اتصال به نیروگاه محلی ناشی می شوند. در میان این گونه آسیبها می تواند به ولتاژهای گذرا و جریان خطای تغذیه شده توسط ژنراتورهای کوچک اشاره کرد. این اتفاقات می توانند تجهیزات شبکه را آسیب برسانند یا هماهنگی رله ها را از بین ببرند و به قطعی غیرضروری شبکه سراسری بیانجامند.

·        حفاظت نیروگاه محلی از آسیبهایی که ناشی از شبکه هستند به ویژه کلیدزنی های خودکار شبکه.

اگرچه استانداردها بر روی این موارد تأکید می کنند اما بازهم نقاط ضعفی در استانداردها وجود دارد که یک طراح خوب باید به آنها دقت کند. کسانی که به فکر توسعه تولید پراکنده هستند باید با جدیت پیشنهادهای فنی که در زیر آمده است را مدنظر قراردهند. قبل از اینکه طراحان شبکه با طرحی از اتصال شبکه سراسری با نیروگاه محلی شما نزدتان بیایند خودتان باید برای یافتن راه حلهایی برای رفع این نواقص پیشگام شده باشید. بدین منظور،چند راهکار برای پوشش دادن نواقص IEEE1547 بررسی می شوند.

حفاظت: یک جاده دوطرفه

اغلب ژنراتورهای 10 مگاوات یا کوچکتر در نیروگاه های محلی با سطح ولتاژ توزیع یا فوق توزیع به شبکه سراسری متصل می شوند. این گونه نیروگاه ها برای تغذیه بارهای شعاعی طراحی شده اند. نه تنها ژنراتورهای کوچک نیازدارند که از اتصال کوتاه حفاظت شوند بلکه باید در برابر شرایط بهره برداری نامناسب ،که ممکن است شبکه به آنها تحمیل کند، هم باید حفاظت شوند. نمونه هایی از این شرایط غیرعادی عبارتند از: تحریک اضافه، ولتاژ بالا/پایین خروجی، جریانهای غیرمتعادل، فرکانسهای غیراستاندارد و گشتاور بیش از حد بر روی روتورهای توربین به دلیل کلیدزنی های خودکار شبکه.

اگر یک ژنراتور به چنین شرایطی بربخورد، ممکن است که ظرف چند ثانیه خسارتهای جبران ناپذیری به آن وارد شود. این مسئله از دلواپسی های آشکار دارندگان چنین نیروگاه هایی است. شبکه ،از طرف دیگر، بیشتر نگران اتصال نیروگاه های کوچک و خساراتهایی که ممکن است به تجهیزات شبکه بزنند می باشد.

استانداردها محدوده ای از راهنمایی های مخصوص برای حفاظت از آسیبهای ناشی از فرکانس بالا/پایین یا ولتاژ بالا/پایین ارائه می کنند. به هرحال، رله گذاری ها در نقطه اتصال شبکه به نیروگاه محلی در نظر گرفته شده اند. این رله ها ممکن است در سمت ثانویه ترانسفورماتوری که شبکه را به نیروگاه محلی متصل کرده است(تصویر1 بالا) یا در سمت اولیه آن (تصویر 1پایین) نصب شده باشند و محل نصب آنها تعیین می کند که ترانسفورماتور از کدام جهت آسیب خواهد دید.

 

تصویر1- رله های حفاظت ژنراتورهای کوچک از شبکه عموما در این نقاط نصب می شوند: در سمت ثانویه(بالا) یا اولیه(پایین) ترانسفورماتور اتصال به شبکه سراسری.

بیشتر این گونه نیروگاه ها به شبکه توزیع متصل شده اند. در آمریکا، اغلب شبکه های توزیع از خطوط 4 سیمه زمین شده با ولتاژ 4 تا 34.5 کیلوولت استفاده می کنند. این طرح اجازه می دهد تا ترانسفورماتورهای تک فازه هوایی با ولتاژ فاز به زمین مورد استفاده شبکه توزیع قراربگیرند. بنابراین، در یک شبکه توزیع 13.8 کیلوولت ترانسفورماتورهای تک فاز 8Kv=1.73/13.8 می توانند نصب شوند. این ترانسفورماتورها و برقگیرهایشان می تواند (بسته به انتخاب نوع اتصالی که شبکه را به نیروگاه های محلی وصل می کنند) از طریق ولتاژهای بالا آسیب ببینند. 5 گونه اتصال که بیشتر برای اتصال به شبکه سراسری استفاده می شوند در تصویر 2(پایین) آمده اند. هر کدام از آنها مزایا و مشکلات خود را دارد.

 

تصویر2- نحوه اتصال شبکه سراسری به نیروگاه های کوچک

استانداردها نیازمندی های اساسی شبکه را ذکر می کنند اما روشها، راه حل ها و یا انتخابهای اندکی برای مواجه با آنها را ارائه می کنند. راهنمایی های موجود در استانداردها در هر یک از این سطوح اساسی آنقدر نیست که جزئیات لازم برای تکمیل یک طرح  را شرح دهند. در ادامه، 6 محدوده اصلی که در آنها نیازمندیم استانداردها را اصلاح کنیم بیان خواهیم کرد.

مترجم:رضاکیانی موحد

منبع 

http://www.powermag.com/instrumentation_and_controls/351.html

اولین شناور نظامی تمام برقی؛ قسمت چهارم

اسکات لیتل فیلد و آنتونی نیکنس دفتر تحقیقات نیروی دریایی

15 فوریه 2005

نیروی دریایی آینده

همانگونه که به پیشرفت مداوم "تحقیقات و توسعه" در سیستمهای قدرت و کنترل الکترونیکی و سلولهای سوختی اشاره شد، بیشتر کارهای اساسی قبل از اینکه رویای کشتی جنگی تمام برقی بخواهد به حقیقت بپیوندد باقی مانده اند. از میان حوزه های فنی که چالشی برای مهندسان و محققان دفتر تحقیقات نیروی دریایی  بوجود آورده اند جستجوی راهی برای ساخت یک سیستم یکپارچه قدرت قابل نصب در کشتی هاست.

کنترل کننده پیشرانه موتوری پیشرفته احتمالا بی صداتر،  قدرتمندتر، با پنهای باند بالاتر، باکارآیی بالاتر و با مصونیت بیشتر در برابر خطاها ساخته خواهد شد.

سلاح انرژی جنبشی و موشک اندازهای پیشرفته ، در مفهوم، قادرخواهند بود 6 تا 12 گلوله را با انرژی جنبشی 20مگاژول تا فاصله 200 گره دریایی پرتاب کنند. کلید برتری "تفنگهای مغناطیسی" کاهش وزن گلوله ها، عدم نیاز به باروت، پیشرانه های راکتی، کلاهکهای با قدرت انفجاری بالا و احتمالا ظرفیت بالاتر ذخیره کردن آنها می باشد.

سلاح های انرژی مستقیم ، شامل لیزرهای قدرت بالا، توانایی این را دارند تا یک نیروی کشنده را با سرعت نور به دشمن وارد کنند. اما هر دو نوع لیزرهای حالت جامد و الکترون آزاد به یک منبع قدرت انرژی الکتریکی عظیم نیاز دارند که تنها یک کشتی جنگی تمام برقی می تواند آن را تأمین کند.

ذخیره سازهای برق برای مجموعه یکپارچه تفنگهای مغناطیسی، سلاح های لیزری، پرتابگرهای برقی، حسگرهای قدرت بالا و شتابگیری در وضعیت جنگی یک عنصر حیاتی محسوب می شوند. بسته به نوع تجهیزات نصب شده بر روی شناور، انواع خازنها، باتری ها، میل لنگها و حتی ذخیره سازهای مغناطیسی فوق هادی می توانند مورد استفاده قراربگیرند.

ژنراتورهای برقی پیشرفته می توانند از تکنولوژی فوق هادی یا ژنراتورهای سرعت بالا برای افزایش توان تولید شده و کاهش وزن و حجم دستگاه تا 50% استفاده کنند. برای کشتی ها می تواند از ژنراتورهایی با توان 10 تا 30 مگاوات استفاده کرد.

تصویر7- سوپرموتور. یک ژنراتور فوق هادی به قدرت 5 مگاوات که توسط شرکت فوق هادی آمریکا و آلستوم ساخته شده و از 30 کیلوگرم هلیوم برای سرد کردن آن استفاده شده است. ولتاژ خروجی آن 2400 ولت سه فاز بوده و سرعت نامی آن 230 دور بر دقیقه می باشد. آزمایش قدرت کامل آن برای ابتدای سال 2005 برنامه ریزی شده است.

عملگرهای الکتریکی (actuator) اجازه می دهند تا تجهیزات هیدرولیک و پنوماتیک از روی کشتی جمع آوری شوند که به صورت معنی داری هزینه تعمیرات و نگهداری را پایین خواهد آورد. این عملگرها کاملا مجتمع و با صرفه خواهند بود و پیکربندی سیستمهای قدرت و کنترل آسیب را در کشتی های آینده بازسازی خواهند کرد.

مترجم رضاکیانی موحد

منبع

http://www.powermag.com/renewables/synfuel/Roadmap-for-the-all-electric-warship_1044_p4.html

اولین شناور نظامی تمام برقی؛ قسمت سوم

اسکات لیتل فیلد و آنتونی نیکنس دفتر تحقیقات نیروی دریایی

15 فوریه 2005

توسعه تکنولوژی

دو تکنولوژی اول جدول 1 قبلا در دفتر تحقیقات نیروی دریایی آغاز شده و آنها در حال تکمیل شدن هستند. برنامه های تحقیقاتی مورد نیاز برای تبیین اصول علمی تکنولوژی های دیگر نیز در حال پیشرفت هستند اگرچه تمرکز بیشتری  بر روی توپهای مغناطیسی بوده است. انتظار می رود که آزمایش نمونه های ساخته شده در طی یکی دو سال آینده مرحله بعدی پروژه باشد.

حوزه تکنولوژی	دسته بندی	وضعیت
تولید قدرت پیشرفته	سلولهای سوختی	در حال آزمایش (2004تا 2005)
پیشرانه پیشرفته برقی	موتورهای الکتریکی قدرتمندتر، باکارآیی	درحال آزمایش  (2004تا 2005)
سلاح های برقی	توپهای برقی، لیزرهای پرقدرت، رادارهای قوی	در حال تحقیق
ذخیره سازی انرژی	خازنها، میل لنگها، باتری ها	در حال تحقیق
سیستم های قدرت پیشرفته	معماری پخش بار، مدیریت نیرو، مبدلهای قدرت	در حال تحقیق

جدول-1 پایه های کشتی جنگی تمام برقی نیروی دریایی آمریکا

همچنین یک ماجول سلول سوختی 625 کلیوواتی مولتن با بازده 50 درصد در دست ساخت است. این ماجول شامل یک بهینه ساز سوخت ،که می تواند گوگرد موجود در سوخت استاندارد نیروی دریایی را تصفیه کرده و آن را به یک گاز غنی از هیدروژن تبدیل کند، یک جداساز گوگرد، دیگ بخار و کندانسور، مبدلهای حرارتی، سیستم تهویه، سیستم تبدیل قدرت و سیستم کنترل وایمنی می باشد. سلولهای سوختی به همراه یک الکترولیت شامل پتاسیم-لیتیوم-کربنات می توانند در درجه حرارت 650 درجه سانتیگراد با طول عمر 40000 ساعت قدرتی با ولتاژ 450 ولت تحویل دهند. این ماجول ،که در سال گذشته آزمایشهای کارخانه را پشت سر گذاشته است، امسال برای تست زمینی آماده می شود. شرکت انرژی سلول سوخت و دفتر تحقیقات نیروی دریایی با سرشکن کردن هزینه ها تهیه آن را برعهده دارند.

تصویر5- سلول سوختی مولتن. ابعاد این ماجول 8×2.5×3.35 متر می باشد.

تصویر6- سلول سوختی 625 کیلووات ساخته شده در سال 2004.

اگرچه سلولهای سوختی فعلی توانی برابر با 500 تا 600 کیلووات را تأمین می کنند اما هدف این است که قدرت خروجی آنها تا 20 مگاوات افزایش یابد تا پیشرانه و سلاح ها از آن بهره گیری کنند. برای استفاده همزمان از این طرح های جدید به قدرتی بیش از آنچه امروز در دسترس است نیاز است.

مترجم:رضاکیانی موحد

منبع

http://www.powermag.com/renewables/synfuel/Roadmap-for-the-all-electric-warship_1044_p3.html

اولین شناور نظامی تمام برقی؛ قسمت دوم

اسکات لیتل فیلد و آنتونی نیکنس دفتر تحقیقات نیروی دریایی

15 فوریه 2005

افق آینده

اولین اعضای نسل جدید شناورهای رزمی تمام برقی توسط دو مقاطعه کار نیروی دریایی آمریکا تولید خواهند شد. اولین آنها ،کشتی جنگی دی.دی.اکس، به وسیله یک سیستم یکپارچه الکتریکی پیشرفته قدرت خواهد گرفت و توسط نورث روپ گرومن (مقاطعه کار اصلی) و رایتئون (مسئول ساخت سلاح ها و تجهیزات الکترونیکی) ساخته خواهد شد. نیروی دریایی قرار است که جزئیات طرح این کشتی را اوایل امسال اعلام کند. برنامه ریزی تحویل اولین نمونه این کشتی برای سال 2011 انجام شده است و قرار است که تا سال 2013 به خدمت وارد شود. نمونه دوم کشتی لجستیک رزمی تی-آ.ک.ئی است که طراحی و ساخت آن توسط فولاد ملی سان دیگو و یکی از شعبه های جنرال دینامیکز انجام شده است. این شناور از یک پیشرانه برگرفته از نمونه های تجاری موجود استفاده می کند و قرار است تا در میانه سال 2005 تحویل داده شود. سیستمهای الکتریکی هر دو کشتی بر اساس تکنولوژی توربو-ژنراتورهای امروزی خواهد بود. یک باسبار نیروی موتورهای الکتریکی معمولی متصل به محورهای کشتی را فراهم می کند.

دریادار جای کوهن ،رییس دفتر تحقیقات نیروی دریایی، برای برنامه "نیروی دریایی آینده" اهمیت گذار از کشتی هایی با پیشرانه الکتریکی به سوی کشتی های تمام برقی را دریافته و بر روی نیازهای علمی و توسعه فنی این پروژه سرمایه گذاری کرده است. با نگاه به آینده ، دریادار کوهن می گوید:" پیشرانه برقی مانند تغییر پیشرانه از بادبان به موتور بخار ،نفت به نیروی هسته ای یا توپ به موشک یک طرح انقلابی است." اما برای اینکه کشتی تمام برقی به واقعیت بپیوندد نیروی دریایی مجبورخواهد بود تا مقدار زیادی بر توسعه  تکنولوژی های جدیدتر در حوزه هایی مانند تولید و پخش نیروی الکتریکی، ذخیره برق، رسانایی و پخش بار و پیشرانه ها تأکید کند.

تصویر3- وصل کن و بازی کن. اندازه سلاح های برقی آینده و حسگرها یک سیستم قدرت یکپارچه را تقاضا می کنند.

پیشرفت در الکترونیک- تحقیقات در حوزه تجهیزات الکترونیک قدرت و کنترل مستقیما برآمده از تعامل بین تجهیزات کلید زنی پیشرفته و ماجولهای قدرت برای کارکردن در ولتاژها بالاتر بود. این تکنولوژی در دسترس است اگرچه باید کار بیشتری صورت بگیرد تا تولیدات کارخانه ها بر اثر توسعه فنی قیمت ، اندازه و وزن کمتری در برداشته باشند. جلوگیری از امواج ضربه قدرت بالا وظیفه بلاکهای الکترونیکی قدرت هستند که کلیدهای قدرت بالا را با تجهیزات کم قیمت، انعطاف پذیر و کنترل کننده های قابل برنامه ریزی ترکیب می کنند. یک نمونه 9 مگاولت آمپر برای آزمایش در اواخر امسال آماده شده و یک نمونه 13 مگا ولت آمپر نیز در حال توسعه می باشد.

سلولهای سوختی دریایی- سلولهای سوختی دریایی (SSFC) ثابت خواهند کرد که یک سلول سوختی ، به همراه یک بهینه ساز سوخت دیزل، می تواند به عنوان یک پیشرانه پیشرفته برای شناورها بکاربرده شود و توربینهای گازی را از دور خارج کند. سلولهای سوخت می توانند قدرت جریان مستقیم را بدون نیاز به موتورهای درون سوز با بازدهی بالاتر از 50 درصد تولید کنند. آنها همچنین آلاینده ای غیر از آب نخواهندداشت و هزینه کمتری نیز دارند. کلید اصلی برای توسعه این سلولهای سوختی یک بهینه ساز است که می تواند هیدروژن/متان را ،همانند یک دستگاه تصفیه گوگرد کاتالیزوری، از سوخت استاندارد نیروی دریایی جداکند. اما به دلیل زمان بالای راه اندازی یک سلول سوختی دمای ،نسبت به سلولهای سوختی دمای پایین، باید عامل سرعت را نیز در نظر گرفت. ممکن است که شتاب برای یک شناور غیرنظامی مسئله چندان مهمی نباشد اما برای یک کشتی جنگی زمان می تواند عاملی برای مرگ یا زندگی باشد.

سلولهای سوختی دریایی

در پیشرانه های ترکیبی که برای کشتی های جنگی تمام برقی آینده متصور می شوند سلولهای سوختی سهمی اساسی در تهیه توان مورد نیازدارند. امروزه، دو نوع سلول سوختی آزمایشی موجود است. اولی از یک غشای تبادل پرتونی (PEM) استفاده می کند و دومی ماجولهای مولتن کربنات هستند. بسته به توسعه در حوزه تجاری، هزینه های تحقیقاتی و نتایج آزمایشی یکی از این دو در نهایت برای شناور آینده نیروی دریایی انتخاب خواهند شد.

توسعه یک سلول سوختی غشای تبادل پرتونی با قدرت 500 کیلووات تا مرحله نهایی توسط US.DOE ادامه پیداخواهد کرد. این پروژه تولید یک مولد سوخت یکپارچه موثر برای تهیه سوخت استاندارد نیروی دریایی به یک سوخت مناسب در سلولهای سوختی را هدف قرارداده است. این مولد سوخت باید شامل یک بهینه ساز با تحمل گوگرد، بستر جذب سطحی گوگرد قابل بازیافت و بسترهای کاتالیستی محافظ باشد. طرح مولد سوخت قبلا کامل شده است و قرار است تا در پایان سال 2004 مورد آزمایش قرار بگیرد. طرح نهایی در یک ماجول مجتمع به همراه چگالی قدرتی سه برابر بیشتر نصب خواهد شد. آزمایش کامل مجموعه قرار است تا در سال بعد دنبال شود. پیش بینی شده است که بهره برداری از سلول سوختی در درجه حرارت 80 درجه سانتیگراد بازدهی در حدود 40 درصد و طول عمر 40000 ساعت به همراه داشته باشد. شرکت SOF Co-EFS قرار است که این مجموعه را با تقسیم هزینه ها با دفتر تحقیقات نیروی دریایی تأمین کند.

تصویر 4- سلول سوختی (PEM) 

مترجم:رضاکیانی موحد 

منبع 

http://www.powermag.com/renewables/synfuel/Roadmap-for-the-all-electric-warship_1044_p2.html