بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله یک راهبرد کنترلی جدید برای سیستم تبدیل انرژی بادی - WECS - نوع ژنراتور القایی دو سو تغذیه - DFIG - متصل به شبکه ارائه میکند. راهبردهای کنترلی برای مبدلهای سمت شبکه و سمت روتور که در مدار روتور DFIG قرار گرفتهاند به همراه مدل ریاضی پیکربندی به کار رفته برای WECS بیان میشوند. توپولوژی ارائه شده شامل یک سیستم ذخیره انرژی باتری - BESS - است تا نوسانات توان شبکه که ناشی از طبیعت متغیر و غیرقابل پیشبینی باد است را کاهش دهد.
تشریح جزئیات طراحی، یافتن اندازه و مدلسازی BESS برای تنظیم توان شبکه داده شده است. در کنار راهبرد معرفی شده "تنظیم توان شبکه"، به دیگر راهبردهای کنترلی موجود مثل استخراج بیشترین توان نقطهای از توربین بادی و عملکرد با ضریب توان واحد DFIG نیز پرداخته شده است. تجزیه و تحلیلی برحب تسهیم توان اکتیو بین DFIG و شبکه انجام شده است که در آن توان ذخیرهای یا تخلیه شده توسط BESS بسته به انرژی بادی موجود در نظر گرفته شده است. سپس راهبرد ارائه شده در محیط سیمولینک MATLAB شبیه سازی شده و برای پیشبینی رفتار از این مدل توسعه یافته بهره گرفته شده است. در مقایسه با کارهای موجود در رابطه با هدایت سیستمهای تبدیل انرژی بادی نوع DFIG با تغذیه شبکه، تلاش شده است تا این کار به عنوان یک کار جدید و یکتا معرفی شود.
-1 مقدمه
استفاده از منابع تجدیدپذیر برای تولید توان الکتریکی نسبت به دهه گذشته تغییر اساسی داشته است. مشکلات اقتصادی و بومشناختی رو به رشد باعث شده است تا محققان روشهای بهتر و جدیدتری برای تولید انرژی الکتریکی را کشف کنند. در این رقابت، سیستمهای تبدیل انرژی بادی - WECS - نسبت به دیگر منابع تجدیدپذیر مثل انرژی خورشیدی که به دلیل هزینه بالای به ازای هر کیلووات ساعت توان الکتریکی تولیدی دچار عقب ماندگی است، طرفدار بیشتری دارد. در مجموع، مشارکت این سیستم های انرژی تجدیدپذیر با سیستم برق طی دو دهه اخیر با سرعت زیادی افزایش یافته است.
در بین تمام فناوریهای موجود برای سیستمهای تبدیل انرژی بادی، ژنراتور القائی دو سو تغذیه - DFIG - محبوبیت بیشتری دارد چون از مبدلهایی با توان کم استفاده میکند و به دلیل عملکرد سرعت متغیر توان توان مفیدی کسب میکند.
عملکرد سرعت متغیر ژنراتورهای الکتریکی در مقایسه با نوع سرعت ثابت - مثل استفاده از ژنراتورهای آسنکرون بدون واسط الکترونیک قدرت - بسیار به صرفه است. توپولوژیهای بسیار محبوب برای عملکرد سرعت متغیر عبارتند از ژنراتورهای آسنکرون معمولی با مبدلهای با توان نامی، ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم PMSG - ها - با مبدلهای توان نامی، و ژنراتورهای القائی دو سو تغذیه - DFIG - با مبدلهای با توان نامی نسبی - توان نامی لغزشی - .
در بین اینها، سیستمهای تبدیل انرژی بادی - WECS - در ترکیب با DFIG محبوبترین گزینه است که تقابل خوبی با طبیعت متغیر و سرعت غیرقابل پیشبینی باد دارد. سیستمهای تبدیل انرژی بادی نوع DFIG دارای مزایایی چون راندمان خوب، مبدل با توان نامی کم، هزینه و نلفات کم، اجرای ساده اصلاح ضریب توان، عملکرد سرعت متغیر و قابلیتهای کنترل چهار ربع توان اکتیو و راکتیو میباشند. به علت عملکرد سرعت متغیر، در حالت WECS نوع DFIG، کل انرژی خروجی حدود %30-%20 بیشتر است، لذا ضریب بهرهبرداری ظرفیت افزایش و هزینه تولید هر کیلووات ساعت انرژی کاهش مییابد.
عموما سیمپیچهای استاتور DFIG مستقیما به شبکه وصل میشوند و سیمپیچهای روتور از طریق مبدلهای منبع ولتاژ PWM دو طرفه تغذیه میشوند تا توان خروجی روتور و استاتور که برای عملکرد سرعت متغیر وارد شبکه میشوند، کنترل شوند. میتوان جریان تزریقی روتور را به کمک مبدلهای الکترونیکی کاملا کنترلشده، کنترل کرد تا عملکرد موثر در هر دو سرعت زیرسنکرون و فوقسنکرون تضمین شود .
کنترل تفکیکشده توانهای اکتیو و راکتیو به کمک کنترل برداری قبلا به صورت کامل توسط محققان بحث شده است . در یک DFIG، هر دوی روتور و استاتور قادر به تامین توان اکتیو هستند، اما جهت عبور این توان از مدار روتور بستگی به سرعت باد و بالطبع سرعت ژنراتور دارد. زیرا سرعت سنکرون، عبور توان اکتیو از شبکه به سمت روتور و مبدل سمت روتور - RSC - به عنوان اینورتر منبع ولتاژ عمل میکند در حالی که مبدل سمت شبکه - GSC - به عنوان یک یکسوساز عمل میکند اما در بالای سرعت سنکرون، RSC به عنوان یکسوساز و GSC به عنوان اینورتر عمل میکند.
مبدل، تنها حدود %25 توان نامی ماشین را تامین میکند در حالی که رِنج تغییرات سرعت %33 سرعت سنکرون است.یک راهبرد کنترلی موثر راهبردی است که به دینامیک یک توربین بادی سرعت متغیر نوع DFIG و عملکرد مبدلها تحت هر دو حالت عملکرد زیرسنکرون و فوقسنکرون و در طی دوره گذرای این دو حالت بپردازد.
با اینکه اثبات شده است که DFIG یک راهکار مناسب برای عملکرد عالی سیستمهای تبدیل انرژی بادی است، اما به علت طبیعت متغیر باد و غیرقابل پیشبینی بودن سرعت آن، مساله اتصال شبکه هنوز یک مساله جدی به شمار میآید. به همین خاطر توان خروجی به شدت نوسان دارد - نوسانات %100 برای حالت روزانه و نوسانات با دامنه کمتر به صورت ساعت/دقیقه/ثانیه در شکل2 و جدول I نشان داده شده است - .
اتصال یک باتری یا هر دستگاه ذخیره کننده انرژی دیگری در لینک dc باعث ذخیره موقت انرژی شده و لذا توانایی تولید توان اکتیو ثابت فراهم میشود، که هم قطعی است و هم مقاوم در برابر نوسانات سرعت باد. این توپولوژی در این مقاله بررسی شده و یک راهبرد کنترلی نوین ارائه میشود تا "تنظیم توان" در سمت شبکه تضمین شود.
پیکربندی به کار رفته در این کار برای سیستمهای تبدیل انرژی بادی DFIG - با مبدلهای سری و یک سیستم باتری برای ذخیره انرژی - BESS - در لینک - dc در شکل1 نشان داده شده است.
در این مقاله، با کمک مبدل منبع ولتاژ PWM پشت به پشت با یک BESS در لینک dc، یک مدل ریاضی برای یک DFIG متصل به شبکه توسعه یافته است. علاوه بر این، با در نظر گرفتن دادههای زمان واقعی، جزئیات طراحی جهت انتخاب مقدار نامی BESS نیز تشریح شده است. راهبرد کنترلی ارائه شده برای "تنظیم توان شبکه" در یک سیستم مبتنی بر شار استاتور پیادهسازی شده است، و نیز مسائل هدایتی دیگر که عملکرد رضایتبخش DFIG را فراهم سازند در نظر گرفته شدهاند، برای مثال عملکرد ضریب توان واحد ماشین، انتقال بهینه توان اکتیو و راکتیو، و تعقیب بیشینه نقطه توان توربین بادی.
انرژی باد
انرژی بادی یکی از نوید بخش ترین منابع انرژی پاک است زیرا در مقایسه با سایر منابع انرژی تجدید پذیر، این منبع انرژی را به سهولت می توان بوسیله ی توربین بادی تولید کرد. توسعه های اخیر در زمینه ی الکترونیک قدرت و تکنولوژی های مربوط به توربین های بادی با سرعت متغیر باعث شدند تا افزایش سریعی در ظرفیت انرژی بادی در جهان شود و باعث گردد تا انرژی برق بادی سریع ترین تکنولوژی در حال رشد در زمینه ی منابع تجدید پذیر گردد.
به هر حال، مشکل اصلی سیستم انرژی بادی طبیعت دوره ای این انرژی است.به دلیل آنکه باد دارای طبیعت تناوبی است، تغییرات برق ممکن است اتفاق افتد که این مسئله کارایی سیستم را تحت تأثیر قرار می دهد.اگر یک مزرعه بادی بطور ضعیفی به شبکه وصل شود آنگاه بخاطر تغییرپذیری سرعت باد، ولتاژ نقطه اتصال بطورمکرر تغییر میکند. توان اکتیو و راکتیو ژنراتور القایی دو سو تغذیه - DFIG - را میتوان بطور جداگانه کنترل کرد وهمچنین کانورتر سمت شبکه - GSC - یک DFIG میتواند با تنظیم ضریب قدرت مقداری توان راکتیو تولید کند.
بدین صورت DFIG را میتوان بعنوان یک منبع تولید کننده توان راکتیو برای پایداری ولتاژ باس اتصال در نظر گرفت. براساس رابطه توان DFIG،حد بالا وپایین توان راکتیو استاتور DFIGو GSC تحلیل میشوند.سپس یک استراتژی برای کنترل توان راکتیو مزارع بادی پیشنهاد میشود که در آن تعدادی از DFIG ها برای تامین توان راکتیو شبکه قدرت زمانی که ولتاژ نقطه اتصال کاهش پیدا میکند انتخاب میشوند.هدف از استراتژی کنترل توان راکتیو، استفاده از توانایی DFIG در تولید توان راکتیو و کاهش سرمایه گذاری های مربوط به ادوات تزریق توان راکتیو که کمتر مورد استفاده قرار میگیرند است.
مرور تکنولوژی های ذخیره سازی انرژی برای کاربردهای تولید انرژی از باد یکپارچگی شبکه توان بادی متغیر با چندین چالش مواجه است. این تغییر غیر منظم توان بادی اصلی ترین عامل است که باعث می شود برخی از این چالش ها بوجود آیند و در برخی دیگر به طور جزئی اثر دارند. تغییر توان بادی به دلیل طبیعت نوسانی سرعت باد، اصلی ترین مانع در سیستم انرژی بادی است. صاف کردن نوسانات توان بادی که به دلیل تغییر سرعت باد رخ می دهد، برای مقابله با این چالش ها و تولید گسترده ی انرژی بادی، حیاتی است.
یکپارچه سازی سیستم ذخیره ی انرژی در یک نیروگاه بادی می تواند برخی از چالش ها و موضوعات مربوط به یکپارچه سازی انرژی بادی را از بین ببرد و یا آنها را به حداقل برساند. سیستم ذخیره سازی انرژی در سیستم های یکپارچه سازی انرژی بادی مورد نیاز است تا بوسیله ی آنها مشکلات بوجود آمده در پیک تقاضای برق و مشکلات بوجود آمده در رفتار دینامیک سیستم و در طی نوسانات برطرف گردد.
سیستمهای ذخیرهسازی انرژی با منابع انرژی تجدید پذیر
استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر - RES - و سیستم های ذخیره سازی انرژی - ESS - در شبکه توان ، پیشنهاد میکند. با نفوذ بیشتر RES، تغییرپذیری ذاتی آن، مقدار واقعی انرژی پخش بار را تحت تاثیر قرار میدهد، سهم آنها در کاهش میزان انتشار گازهای آلاینده و گازهای گلخانه ای، و اثرات کلی رفاهی میباشد، که ممکن است دارا باشند. علاوه بر این، برای مهار کردن تغییرپذیری و عدم اطمینان این منابع، روش ها و فن آوریهای جدید باید اتخاذ گردند. یک راه حل ممکن برای چالشهای اتخاذ RES، اتصال به منابع ذخیره سازی انرژی میباشد ذخیره انرژی به معنای حفظ تعادل انرژی در سیستم های تجدید پذیر انرژی به صورت ثابت است. ذخیره سازی باعث می شود که انرژی زمانی که مازاد منابع انرژی وجود دارد، ذخیره شود.
