بخشی از مقاله
چکیده
امروزه مزارع بادی به دلیل اهمیت استفاده از انرژیهای پاک در حال گسترش هستند و ظرفیت نصب شده آنها در حال افزایش میباشد. بنابراین مسایلی از قبیل افزایش بارگذاری خطوط انتقال ، افت ولتاژهای محلی و پایداری گذرا به خصوص در مورد DFIG ها که عمدتا استفاده می شوند ، اهمیت پیدا می کند.
در این مقاله اثر مزارع بادی را برروی پایداری گذرای شبکه قدرت بررسی می کنیم. برای اینکار شبکه استاندارد 9 باس IEEE را در 4 حالت مختلف مورد شبیهسازی قرار دادیم. همانطور که قابل انتظار بود نتایج شبیه سازی نشان میدهد که ظرفیت و نفوذ توربین بادی هرچه بیشتر باشد، پایداری بهبود مییابد. و هرچه مکان خطا دورتر باشد. تاثیر کمتری بر روی پایداری شبکه دارد. البته این نتایج باتوجه به محل نصب توربین و مکان خطا میتواند متفاوت باشد.
مقدمه
در سالهای اخیر تولید برق از انرژی باد به دلایل مهم اقتصادی و فنی، دسترسی آسان و فراگیری گسترده سریعترین رشد را در مقایسه با سایر منابع انرژی تجدیدپذیر داشته است. پیشبینی ها این است که تا سال 2035، %25 انرژی الکتریکی از طرق تجدید پذیر تامین شود که از این مقدار یک چهارم آن از انرژی باد می باشد. افزایش ضریب نفوذ نیروگاههای بادی زمانی اهمیت بیشتری مییابد که بدانیم واحدهای تولیدی نیروگاههای بادی معمولاً مبتنی بر ژنراتورهای القایی هستند که رفتار متفاوت و منحصر به فردی در حالت استاتیکی و دینامیکی نسبت به نیروگاههای متعارف شبکه -که با ژنراتورهای سنکرون کار میکنند- دارند و بر هم کنش این رفتار با رفتار نیروگاههای متعارف پاسخ جدیدی را برای سیستم قدرت ایجاد خواهد کرد. به همین دلیل در حال حاضر بخش عمدهای از مطالعات سیستم قدرت، متوجه بررسی نقش نیروگاههای بادی و اثرات متقابل آنها و شبکه قدرت میباشد.
یکی از مهمترین مسایل، مسأله پایداری گذرای سیستم زمانی است که تحت اغتشاشات شدید مثل یک اتصال کوتاه سه فاز قرار میگیرد.
در سالهای گذشته مقالات متعدد و متنوعی به ارزیابی پایداری گذرای سیستمهای قدرت با در نظر گرفتن اتصال مزارع بادی پرداخته اند. این مطالعات در بخشهای انواع توربین ژنراتورهای بادی، سطح نفوذ توان بادی، پراکندگی جغرافیایی آنها در شبکه، توپولوژی شبکه، محل و نوع خطا، زمان رفع خطا و برخی پارامترهای دیگر صورت گرفته است. که ما در اینجا 5 مورد را بررسی کردیم.
در مقاله سیستم استاندارد CIGRE B4-39 مورد تست قرار گرفته است. در این مقاله توربین بادی را به جای یک ژنراتور سنکرون قرار داده و با تغییر ظرفیت آن اثر آن را روی مشخصات دینامیکی شبکه ارزیابی میکند. ضریب توان توربین بادی یک در نظر گرفته شده است، یعنی فرض شده است که توربین بادی با شبکه تبادل توان راکتیو ندارد و توان راکتیو مورد vwind سرعت باد، نیاز ژنراتور آسنکرون آن توسط جبرانسازها و بانکهای خازنی تامین می شود. مجموع بار در شبکه 1020 مگاوات میبا شد. برای دوحالت یکبار خطای سه فاز در باس3 اتفاق میافتد و بار دیگر خطای سه فاز در باس4 اتفاق میافتد. با اندازه گیری CCT در حالات مختلف با توربین بادی و با ژنراتور سنکرون این نتیجه بدست آمده است که با افزایش نفوذ توربین بادی پایداری گذرا بهبود پیدا کرده است، به خصوص اگر خطا نزدیک PCC باشد.
ظرفیت آن اثر آن را روی مشخصات دینامیکی شبکه ارزیابی میکند. ضریب توان توربین بادی یک در نظر گرفته شده است، یعنی فرض شده است که توربین بادی با شبکه تبادل توان راکتیو ندارد و توان راکتیو مورد نیاز ژنراتور آسنکرون آن توسط جبرانسازها و بانکهای خازنی تامین میشود.در دو حالت آن هر کدام درصدی از تولید شبکه توسط توربین بادی تامین میشود، و به وسیلهی ژنراتور سنکرون جایگزین میشود. از شبیه سازی های این مقاله نتیجه گرفته شده است که حالتی که توربین بادی داریم نسبت به حالتی که ژنراتور سنکرون در همان مکان با همان ظرفیت داریم، پایداری گذرا بهتر است، ولی با افزایش ظرفیت توربین بادی پایداری گذرا بدتر شده است.
در مقاله [6] شاخص η برای ارزیابی پایداری در نظر گرفته شده است.سیستم تست هم شبکه 9 باس استاندارد IEEE در نظر گرفته شده است.یک بار ژنراتور سنکرون سمت راست و بار دیگر ژنراتور سنکرون سمت چپ با توربین بادی جایگزین شده است و مدل بار و مدل دینامیکی ژنراتور سنکرون مختلف در نظر گرفته و شبیه سازی کرده است. نتیجه ای از شبیه سازی گرفته شده است، این است که در بعضی شرایط خطا افزایش نفوذ توربین بادی باعث بهبود پایداری گذرا و در بعضی شرایط دیگر باعث بدتر شدن پایداری گذرا خواهد شد و نتیجه گیری ها بسیار مقدماتی خواهد بود.
در مقاله [7] هم شاخص η برای ارزیابی پایداری در نظر گرفته شده است. یک سیستم خاص در نظر گرفته شده است و با انجام شبیه سازی این نتیجه گرفته شده است که رفتار پایداری گذرا این سیستم خاص با جایگزینی توربین بادی متفاوت خواهد شد و تحت خطاهای متفاوت پایداری گذرا می تواند بهبود یابد یا بدتر شود.
در مقاله [8] با استفاده از psat شبیه سازی انجام شده است و سیستم 14 باس IEEE مورد ت ست قرار گرفته است و نتیجه ای که از شبیه سازی ها گرفته شده ا ست این ا ست که ب سته ظرفیت و نفوذ توربین بادی و محل توربین و محل خطا اثر آن روی پایداری گذرا میتواند متفاوت باشد.
نتایج این مقالات مقدماتی و متفاوت میباشد، در این مقاله سعی شده است که با تحلیل CCT و نمودارهای سرعت زاویهای در حالات مختلف، پایداری گذرای سیستم قدرت را بررسی کنیم.
در این مقاله ابتدا مدلهای مختلف DFIG رو مورد بررسی قرار داده و سپس با معرفی سیستم و حالات مختلف شبیهسازی، نتایج و تحلیلهای شبیه-سازی آورده شده است.
مدلهای دینامیکی توربین بادی DFIG
مدل آیرودینامیک
مدل آیرودینامیک تبدیل مجموع توان باد به توان مکانیکی باد میکند که ورودی مدل drive train میباشد .[4] توان مکانیکی گرفته شده از باد که در این فرمول ρ چگالی هوا، R شعاع توربین بادی، C ثابت بتز که مقدار آن به φ - زاویه گام - و - tip-speed ratio - ϒ بستگی دارد و ϒ از رابطه زیر به دست میآید:
گشتاور مکانیکی آیرودینامیکی خروجی Tw از رابطه زیر به دست میآید:
مدل Drive train
Drive train شامل پنج بخش روتور توربین بادی ، محور سرعت پایین ، گیربکس ، محور سرعت بالا و روتور ژنراتور می باشد .
در شبیه سازی های سیستم قدرت مدل drive train معمولا با دو جرم نشان داده می شود ، یکی روتور توربین بادی - پره ها، هاب و محور سرعت پایین - و دیگری روتور ژنراتور - محور سرعت بالا - هستند. معادلات مدل به صورت پریونیت در زیر آورده شده است :
در این روابط Tm گشتاور مکانیکی محور ژنراتور، Tg گشتاور الکتریکی ژنراتور، Hw ثابت اینرسی روتور توربین بادی، Hg ثابت اینرسی ژنراتور، s زاویه چرخش محور، w سرعت روتور توربین، r سرعت روتور ژنراتور، s سرعت سنکرون، Km ضریب سختی، Dm ضریب دمپینگ مکانیکی می-باشد.
مدل کنترلر توان اکتیو و راکتیو DFIG زیر آمده است:
شکل :1 ساختار کنترلر های توان اکتیو و راکتیو
مدل DFIG و کنترلر آن
مدل دینامیکی DFIG بر اساس تئوری دومحوری میباشد. در تحلیلها و روابط زیر قرارداد ژنراتور برای استاتور اعمال شده، در حالیکه برای روتور قرارداد موتور اعمال شده است. مدل الکتریکی DFIG در روابط زیر آورده شده است که مقادیر طرف روتور به طرف استاتور انتقال داده شده است .
- معادلات ولتاژ - معادلات شار و جریان
در این روابط s استاتور، r روتور، d محور d ، q محور q و ω سرعت سنکرون میباشد.
روابط زیر توان اکتیو و راکتیو استاتور را نشان میدهد که مستقل از جریان تحریک و گشتاور جریان روتور کنترل میشود.
شکل :2 ساختار کنترلر ولتاژ لینک DC در DFIG - کنترل [9] - GSC
مدل کنترل زاویهی پره
برای سرعت های متغیر توربین ژنراتورهای بادی باید از کنترلر زاویهی پره استفاده شود. وقتی سرعت باد از مقدار نامی بیشتر باشد، به وسیلهی تنظیم توان آیرودینامیک تولید شده توسط روتور میتواند کنترل شود تا از مقادیر حد طراحی تجاوز نکند .[10] معمولا سرعت باد، سرعت ژنراتور و توان اکتیو ژنراتور ورودیهای کنترلر زاویهی پره میباشد
