بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهبود پايداري گذراي توربين بادي سرعت متغير مجهز به ژنراتور القايي دوتغذيه اي با بهره گيري از کنترل کننده فازي
چکيده - توربين هاي بادي سرعت متغير مجهز به DFIG قادر هستند توان اکتيو و راکتيو خروجي را با استفاده از مبدل هاي الکترونيک قدرت ، کنترل نمايند. در سيستم کنترل مبدل هاي الکترونيک قدرت DFIG که مبتني بر کنترلر PI معمولي هستند، تعيين دقيق گين - هاي کنترلي PI نقش مهمي در عملکرد آن در شرايط گذرا دارد، يکي از مشکلات اين کنترلرها عدم دقت آنها در پاسخ دهي به شرايط گذرا، همچون خطاي اتصال کوتاه سيستم مي باشد. از سويي کنترلرهاي فازي با آگاهي بر عملکرد و رفتار سيستم قادر هستند پارامترهاي سيستم کنترل را جهت عملکرد مطمئن و دقيق تنظيم کنند. سيستم نمونه اي که در اين مقاله جهت انجام مطالعه انتخاب شده ، ازکنترلرPI فازي جهت کنترل مبدل هاي الکترونيک قدرت DFIG بهره برده است . جهت بررسي و مقايسه تاثير دو کنترلر PI
معمولي و فازي بر رفتار DFIG در شرايط گذرا، عملکرد سيستم نمونه در خطاي اتصال کوتاه تکفاز در محيط MATLAB شبيه سازي شده است . نتايج حاصل از شبيه سازي نشان ميدهد سيستم پياده شده با کنترلر فازي در شرايط گذرا عملکرد بهتري ارائه کرده و دامنه نوسانات در شرايط گذرا و زمان رسيدن سيستم به حالت پايدار پس از رفع خطا، کاهش قابل توجه اي داشته است .
کلمات کليدي - توربين بادي سرعت متغير مجهز به DFIG، کنترلر PI، کنترل کننده فازي ، پايداري گذرا
١- مقدمه
در حال حاضر منابع توليد انرژي بادي از جنبه هاي مختلف بهبود تکنولوژي و کاهش هزينه هاي استحصال توان بادي ، نسبت به ساير منابع انرژي هاي نو در صدر توجه قرار گرفته اند[١]. توربين - هاي بادي به دو صورت سرعت ثابت و سرعت متغير عمل ميکنند، به دلايل مختلفي همچون کاهش تنش هاي مکانيکي و نويز صوتي، امکان کنترل مستقل توان اکتيو و راکتيو، افزايش راندمان و کاهش هزينه و تلفات ، انتخاب توربين سرعت متغير نسبت به سرعت ثابت ارجحيت دارد. در ميان توربين هاي بادي سرعت متغير، توربين مجهز به DFIG1 با توجه به قابليت هاي اشاره شده ، جايگاه قابل توجه اي در مزارع بادي دارد. اين نوع از توربين - هاي بادي به جهت واقع شدن مبدل هاي الکترونيک قدرت مابين روتور و استاتور ژنراتور قادر به کنترل مستقل توان اکتيو و راکتيو ژنراتور مي باشند[٢,٣,٤]. سيستم هاي کنترل توربين بادي به جهت عملکرد بهتر و موثرتر به سمت بهره گيري از روشهاي نوين کنترلي همچون کنترل فازي سوق نموده اند. روش هاي مختلفي جهت کنترل کنورتورهاي DFIG ارائه شده است ، يکي از رايج - ترين روش هاي کنترل، استفاده از کنترل کننده PI معمولي جهت کنترل مجزاي توان اکتيو و راکتيو مي باشد[٥,٦]. در سيستم هاي کنترلي مبتني بر PI معمولي ، تعيين پارامترهاي کنترل کننده نقش مهمي در عملکرد آن دارد، يکي از مشکلات اين سيستم ها عدم توانايي در تعيين دقيق پارامترها و غيرمطمئن بودن اين پارامترها در شرايط مختلف همچون حالت هاي گذرا، تغيير در پارامترهاي سيستم و نوسانات سرعت باد مي باشد[٧]. با بهره - گيري از کنترلر فازي بدليل تغيير آنلاين پارامترهاي سيستم کنترل، بدون نياز به مدل رياضي دقيق سيستم و با آگاهي بر عملکرد و رفتار سيستم قادر به تنظيم پارامترها جهت عملکرد مطمئن خواهيم بود[٨]. از سويي با توجه به نفوذ توربين هاي بادي سرعت متغير مجهز به DFIG در مزارع بادي ، بررسي رفتار آنها در شرايط خطا و نوسانات سرعت باد اهميت ويژه اي مي يابد.
رفتار گذراي WTDFIG٢ توسط مولفان متعددي بررسي شده است . عمده مطالعات در حوزه زمان بوده و عملکرد WTDFIG را در شرايط مختلف بررسي کرده اند[٩,١٠]. عمده مطالعات اشاره شده بصورت شبيه سازي بوده و به علت پيچيدگي و سختي کار امکان پياده سازي واقعي سيستم فراهم نبوده است . کاربرد PI فازي در سيستم هاي کنترل DFIG در مراجع [١١,١٢] بررسي شده است ، مطالعات انجام شده در اين مراجع ، محدود به شبيه سازي سيستم نمونه در نرم افزارهاي Psim و PSCAD بوده و عمدتا نحوه پاسخ دهي سيستم به تغيير مقادير مرجع سيستم کنترل و يا نوسانات سرعت باد را بررسي کرده اند و اين در حالي است که بررسي عملکرد سيستم در شرايط گذرا و با حضور کنترلرهاي فازي با جزييات بيشتر مورد مطالعه قرار نگرفته است .
جهت انجام مطالعه پايداري گذرا با در نظر گرفتن کنترل کننده فازي ، ابتدا سيستم نمونه جهت انجام مطالعه معرفي شده است .
سيستم مورد مطالعه يک مزرعه بادي شامل ٦ واحد توربين ٢ مگاوواتي بوده که توسط خط انتقال به سيستم قدرت متصل شده است ، بار سيستم نيز مابين خط ارتباط دهنده مزرعه بادي و شبکه قدرت قرار گرفته است .
دکرنتقرسلمکت نددوهم فاکزنتي لسکتنفنادده فاشزديه IداPرابيکار7رفتتابه ع مععرضفويت شدبهه ا اسزات ي پارامترهاي ورودي (خطا و تغييرات خطا) و خروجي ميباشد. با توجه به اينکه کنترل کننده کنورتورهاي WTDFIG داراي چندين PI مي باشد، عملکرد سيستم نمونه به ازاي آرايش هاي متفاوتي از کاربرد PI فازي در شرايط گذرا مورد بررسي قرار گرفته و درنهايت آرايش مناسب ارايه شده است . شرايط گذرا به ازاي خطاي اتصال کوتاه تکفاز به زمين که درصد وقوع بالاتري دارد در نظر گرفته شده است .
شکل ١: توربين سرعت متغير با ژنراتور القايي دوتغذيه اي
٢-توربين بادي مجهز به DFIG
شکل ١ توربين بادي مجهز به DFIG که به شبکه متصل شده است را نشان مي دهد. اين توربين شامل ژنراتور القايي روتور سيم پيچي شده است که استاتور و روتور آن از طريق يک مبدل الکترونيک قدرت به يکديگر متصل شده اند. DFIG به دليل اتصال روتور به شبکه از طريق کنورتور، مي تواند مشابه ژنراتور سنکرون عمل کند[١٣]. در اين توربين مبدل سمت ژنراتور توان اکتيو، ولتاژ و همچنين ضريب توان خروجي استاتور را بطور مستقل کنترل مي کند. مبدل سمت شبکه ، ولتاژ خازن لينک DC و توان راکتيو سمت شبکه را کنترل مي کند. استفاده از کنترل مستقل توان توسط مبدل ها، کنترل ديناميک هاي سيستم خيلي سريعتر از نيروگاه هاي بادي با ژنراتورهاي سنکرون متداول و يا سرعت ثابت مي شود[١٤]، ازاينرو DFIG مي تواند حالت هاي گذراي سيستم را، همانند زماني که اتصال کوتاه رخ داده است بهتر و سريعتر ميرا کند.
٢-١- مدل توربين
توربين بادي انرژي جنبشي باد را به انرژي مکـانيکي تبـديل مـي - کند، مقدار اين انرژي بدست آمده به ضريب قدرت توربين ، سرعت باد و زاويه گام پره هاي توربين وابسته است . توان مکانيکي توربين با استفاده از روابط زير بيان مي شود[١٤]:
در روابط فوق که Vw سرعت باد، ρ چگاي جرمي هوا، R شعاع روتور، Cp ضريب توان توربين و وابسته به β زاويه گام پره ها و λ
سرعت نوک پره ها است .
٢-٢- مدل ژنراتور
ژنراتور مورد استفاده يک ژنراتور القايي روتور سيم پيچي شـده بـا حلقه هاي لغزان مي باشد که بر اساس روابط زير بيان مي شود.
در روابط بالا ψ ،i وU به ترتيب بردار هاي شار ، جريان و ولتاژ مي باشند. زير نويس هاي r,s نير به ترتيـب مربـوط بـه اسـتاتور و روتور مي باشند. ωr سرعت روتور و ωa نيـز سـرعت قـاب مرجـع گردان است . Lrl, Lsl, Lm به ترتيـب انـدوکتانس متقابـل و نشـتي استاتور و روتور مي باشد[١٤].
٢-٢- کنترل کننده هاي توربين مجهز به DFIG
کنترل کننده هاي WTDFIG با درنظرگرفتن سرعت باد و تـوان مورد نياز سيستم همواره بهترين شرايط کاري را براي WTDFIG محاسبه مي کنند[١٣]. کنترل کننده هاي توربين شـامل : کنترلـر مبدل سمت روتور، کنترلر مبدل سمت شبکه و کنترلر زاويـه پـره ميباشد. کنترلرمبـدل سـمت روتـور تـوان حقيقـي و ولتـاژ(تـوان راکتيو) استاتور را تنظيم مي کند. کنترلر مبدل سمت شبکه دامنه ولتاژ لينک DC و توان راکتيو سـمت شـبکه را کنتـرل مـي کنـد.
زاويه پره هاي توربين جهت اسـتخراج حـداکثر تـوان بـاد، توسـط کنترلر زاويه پره ها تنظيم مي شود.
يک روش کنترل مستقل توان اکتيو و راکتيو در مرجع [١٤] ارائـه شده است . اين روش بر اساس همراستا کردن محور d قاب مرجـع dq با ولتاژ استاتور عمل مي کند، که در اينصورت مقدار vqs (ولتاژ استاتور منطبق بر بردار q ) صفر خواهد شد و vds (ولتـاژ اسـتاتور منطبق بر بردار d ) معادل ولتاژ استاتور مي شـود. از سـويي تـوان اکتيو و راکتيو سمت شبکه نيز مي تواند بطور مستقل بواسطه idf و iqf که به ترتيب جريان هاي قائم و ربعي مبدل سمت شبکه اسـت کنترل شود.
٢-٢-١- کنترل کننده مبدل سمت روتور
کنترلر مبدل سمت روتور جهت کنتـرل تـوان حقيقـي DFIG بـه منظور استخراج توان بادي و حفظ ولتاژ ترمينال باتوجه بـه مقـدار مرجع ، استفاده مي شود. توان اکتيو و ولتاژ بواسطه مولفه هاي vqr vdr کنترل مي شوند. که اين مولفه به ترتيب مولفه هاي ربعي و قائم ولتاژ روتور بوده که با اعمال به مبدل سمت روتور توان اکتيـو و ولتاژ را کنترل مـي نمايـد. ديـاگرام بلـوکي سيسـتم کنتـرل در شکل ٢ نشان داده شده است .
شکل ٢: دياگرام بلوکي کنترل کننده مبدل سمت روتور
روابط مربوط به ولتاژهاي ربعي و قائم روتور را مي توان بصورت زير بيان کرد:
در روابط فوق " *" نشانگر مقادير مرجعي است که توسط کنترل کننده هاي اول ايجاد شده است . زير نويس هاي r,s نير به ترتيب مربوط به استاتور و روتور مي باشند. ωr سرعت روتور و ωs نيز سرعت قاب مرجع گردان است . Lrr, Lss, Lm به ترتيب اندوکتانس متقابل ، استاتور و روتور ميباشد. Kp ضريب بهره ، Ki ضريب بهره انتگرال گير و X نشانگر متغير حالت مي باشد[١٣].
٢-٢-٢- کنترل کننده مبدل سمت شبکه
کنترل کننده مبدل سمت شبکه ، ولتاژ لينک dc را ثابت نگه داشته و توان راکتيو سمت شبکه را کنترل مي کند. ولتاژ لينک dc
بوسيله idf و توان راکتيو بوسيله iqf کنترل مي شود. دياگرام بلوکي مدل اين کنترل کننده با جزئيات کامل در شکل ٣ نشان داده شده است .
شکل ٣: دياگرام بلوکي سيستم کنترل مبدل سمت شبکه
در روابط فوق " *" نشانگر مقادير مرجعي است که توسط کنترل کننده هاي اول ايجاد شده است . زير نويس f مربوط به فيلتر واقع شده در بين شبکه و کنورتور سمت شبکه ميباشد. Kp ضريب بهره ، Ki ضريب بهره انتگرال گير مي باشد و X نشانگر متغير حالت سيستم کنترل مي باشد[١٣].
٣- سيستم نمونه
شکل ٤ سيستم مورد مطالعه را نشان مي دهد. سيستم نمونه از ٦ واحد توربين بادي سرعت متغير با ژنراتور القايي دوتغذيه اي ٢ مگاواتي تشکيل شده که به واسطه خط انتقال ٢٠ کيلومتري به شبکه متصل شده است . بار سيستم نمونه بر روي باس بين توربين بادي و شبکه واقع شده است ، مشخصات و اطلاعات مربوط به توربين بادي ، خطوط انتقال ، بار و سيستم قدرت در جدول پيوست ارايه شده است .
