بخشی از مقاله
چکیده
تولید انرژی الکتریکی با استفاده از قدرت بادی اخیراً به واسطهی رشد ملاحظات زیست محیطی توجه و علاقهی قابل ملاحظهای را در سراسر جهان به خود معطوف کرده است. تعداد بسیار زیادی از مزارع بادی در آیندهی نزدیک به شبکه-های موجود متصل خواهند شد.
ژنراتورهای القایی عموماً به عنوان ژنراتورهای بادی استفاده میشوند، که این بواسطهی مشخصات برتر آنها نظیر ساختار ناهموار و بدون جاروبک، هزینهی پایین، نگهداری کم و کارکرد سادهی آنها میباشد. اما از آنجا که ژنراتور القاییها مشکلات پایداری نظیر پایداریگذرای ژنراتورهای سنکرون [2] را دارا میباشند. لذا بررسی تاثیر گشتاور نابرابر پرههای توربین بادی در پایداری گذرای سیستمهای قدرت شامل ژنراتورهای بادی ضروری میباشد. تاثیر گشتاور نابرابر پرههای توربین بادی در نرمافزار PSCAD مدلسازی گردیده و نتایج و نتایج شبیهسازی بیان شده است.
.1 مقدمه
توان بادی در میان انرژیهای تجدیدپذیر جدید با سرعت بالایی رشد کرده است و نقش مهمی را در آینده ایفا خواهد نمود. ظرفیت توان بادی در سال 2013 به 318/1 گیگاوات در جهان رسیدهاست .
شکل -1 شماتیک توربین بادی از نوع ژنراتورالقاییدوسوتغذیه
ژنراتورالقاییدوسوتغذیه - شکل- - 1 در میان انواع مختلف توربینهای بادی نوع متداولتر است، زیرا:
- 1 دارای قابلیت کار با سرعت متغیر است.
- 2 قابلیت کنترل مجزای توان اکتیو و راکتیو را دارد. - 3 هزینهی آن کم و ساختار سادهای دارد.
- 4 کانورتر بسیار ازرانتر است، زیرا توان نامی اینورتر آن عموماً %25 از توان کلی سیستم است، در حالیکه محدودهی سرعت ژنراتور ±33% حول سرعت سنکرون میباشد.
- 5 همچنین فیلترهای اینورتر مربوطه بسیار ارزانتر میباشند و اندازه آنها %25 توان نامی ژنراتور میباشند. تخقیقات متعددی پایداری گذرای ژنراتورهای بادی را در شرایط خطا بررسی مینمایند
با این وجود در این مراجع توربینهای بادی ژنراتور بادی به عنوان یک مدل فشرده تک جرمی با ثابت اینرسی ترکیب شده مدلسازی شدهاند. مدل فشرده تک جرمی برای نمایش دینامیک توربین بادی و ژنراتور بادی متصل شده به آن از طریق یک شفت، بسیار ساده است و ممکن است به خطاهای قابل توجهی منجر شود. سیستم ژنراتور توربین بادی تنها واحد ژنراتوری در یک شبکه تاسیسات است که در آن سختی مکانیکی کمتر از سختی الکتریکی است .
علاوه بر این ثابتهای اینرسی توربین و ژنراتور، تاثیرات مهمی را بر روی پایداری گذرا دارند. همچنین مطالعات ارزشمندی برای پایداری گذرا، آنالیز خطا، جبرانسازی توان واکنشی و دیگر آنالیزهای سیستم ژنراتور توربین بادی با استفاده از مدل دو جرمی انجام شدهاست .
برای مثال، مطالعات بر روی زمان برطرفسازی خطا با استفاده از مدل دو جرمی در مراجع [16-18] انجام شدهاست. در دیگر مطالعات [19-25] مدل سه جرمی نیز آنالیز شدهاست.
آنالیزهای نوسان و لرزش ولتاژ در مراجع [15,23] بحث شدهاند که در آن مدلهای شفت چند جرمی مد نظر قرار داده شده-است.
اما مطالعاتی در مورد تاثیر گشتاور نابرابر پرههای توربین به دلیل تفاوت سرعت باد بر روی هر پره انجام نگرفته است. در این مقاله سعی شده است که بررسی تاثیر گشتاور نابرابر پرهها در دو حالت پایدار و ناپایدار ژنراتور توربین بادی در طی بروز خطای گذرای کاهش ولتاژ انجام گیرد.
. 2 ژنراتورهای القایی دوسو تغذیه
در ژنراتور القاییدوسوتغذیه نیروی مکانیکی در شفت ماشین تبدیل به نیروی الکتریکی میشود، که تولید توان از طریق سیمپیچهای استاتور و روتور به شبکه صورت میپذیرد. علاوه بر این، ماشین با سرعت سنکرونی با فرکانس شبکه مانند یک ژنراتور سنکرون عمل میکند، اما این فرکانس باتغذیه جریان جاری به سیم پیچ های روتور تنظیم میشود. در ژنراتورسنکرون سه فاز، هنگامی که یک منبع خارجی نیروی مکانیکی باعث چرخش روتور ژنراتور میشود، میدان مغناطیسی استاتیک با جریان DC تغذیه میشود، پس فرکانس جریان سیمپیچهای روتور صفر است، به این صورت سیم پیچ روتور ژنراتور را در همان سرعت روتور می-چرخاند.
حال در معادله - 1 - فرکانس ولتاژهای القا شده در سیمپیچهای استاتور ژنراتورالقاییدوسوتغذیه Fstator، سرعت ژنراتورالقایی-دوسو تغذیه Nrotor، تعداد قطب های ژنراتورالقایی دوسو تغذیه در هر فاز Npoles، فرکانس جریان سیمپیچهای روتور Frotor، در نظر بگیریم، این امکان وجود دارد که وقتی سرعت روتور ژنراتور، مساوی با سرعت سنکرون ژنراتور است، فرکانس ولتاژهای القا شده سیمپیچهای استاتور ژنراتور مساوی با فرکانس برق شبکه باشد.
این بدان معنی است، که میدان مغناطیسی دوار با عبور از سیمپیچهای استاتور ژنراتور نه تنها با توجه به سرعت چرخش روتور ژنراتور، بلکه با توجه به اثر چرخشی جریانتزریق شده به سیم-پیچهای روتور ژنراتور میچرخند. بنابراین در یک ژنراتورالقایی دوسو تغذیه، هر دو سرعت چرخش روتور و فرکانس جریان سیم-پیچهای روتور برای تعیین سرعت چرخش میدان مغناطیسی موثر هستند.
بنابراین در یک ژنراتورالقایی دوسو تغذیه، هر دو سرعت چرخش روتور و فرکانس جریان سیم پیچهای روتور با عبور از میان سیم پیچ های استاتور، القاء ولتاژ متناوب در سیمپیچهای استاتور با فرکانس جریان شبکه میکنند. با در نظرگرفتن اصول عمل ژنراتورالقایی دوسو تغذیه، به این ترتیب، زمانی که میدان مغناطیسی در روتور در همان جهت به عنوان روتور ژنراتور میچرخد، سرعت روتورو سرعت میدان روتور، میدان مغناطیسی متناسب با فرکانس روتور نیز اضافه می شود. برعکس، هنگامی که میدان مغناطیسی در روتور در جهت مخالف روتور ژنراتور می چرخد، سرعت روتور و سرعت میدان روتور، میدان مغناطیسی روتور از یکدیگر کم میشوند
اهداف کنترلی ژنراتورهایالقایی دوسو تغذیه عموماً متمرکز بر روی کنترل تبادل توان اکتیو و راکتیو بین ژنراتورالقایی دوسو تغذیه و شبکه، تنظیم سرعت برای رهگیری نقطه ماکزیمم توان بهینه در یک محدودهی خاص از سرعت باد میباشند.
مدل کامل یک توربین بادی ار نوع ژنراتورالقایی دوسو تغذیه شامل مدل باد، مدل توربین بادی و سیستم انتقال نیرو، مدل ژنراتورالقایی، سیستم کنترل زاویه گام، حلقه رهگیری نقطه ماکزیمم توان بهینه، مبدل PWM طرف روتور، مبدل PWM طرف شبکه و مدل لینک DC میباشد.
.1-2 مدل توان توربین بادی
هنگامی که مطالعه بر روی مشخصههای الکتریکی ژنراتورالقایی دوسو تغذیه متمرکز میشود، بر اساس اصول، روابط آیرودینامیکی بین سرعت باد و توان در توربین بادی به سادگی به صورت زیر بیان میشود .
که در آن Cp ضریب راندمان انرژی بادی به نسبت سرعت بالای تیغه و زاویهی گام است که در مقدار ثابتی نگهداری میشود تا رهگیری نقطه ماکزیمم توان بهینه را بدست آید. از آنجا که مد کنترل گشتاور در ژنراتور القایی دوسو تغذیه استفاده میشود، متغیر کنترل گشتاور ورودی برابر است با:
. 2-2 مدل کنترل مبدل طرف روتور
مبدل سمت روتور از کنترل برداری برای کنترل نمودن جداگانه توان اکتیو و توان راکتیو در سیمپیچ استاتور ژنراتورالقایی دوسو تغذیه استفاده میکند. در این مقاله یک شار استاتور جهتدار شده استفاده شدهاست تا شارش استاتور در محور q را برابر صفر نماید. پیش از جهتدار کردن شار استاتور، توان اکتیو و راکتیو در سیمپیچ استاتور ژنراتورالقایی دوسو تغذیه به صورت زیر بیان میشود
