مقاله توربین های بادی سرعت متغیر با ژنراتور سنکرون ( مروری بر مطالعات انجام شده ، ساختارهای مختلف و مسائل فنی )

بخشی از مقاله

توربين هاي بادي سرعت متغير با ژنراتور سنکرون(مروري بر مطالعات انجام شده ، ساختارهاي مختلف و مسائل فني )
چکيده - هدف اين مقاله مروري بر توربين هاي بادي سرعت متغير با ژنراتور سنکرون ، نحوه ي عملکرد آنها و مسائل مرتبط با اين نوع توربين ها ميباشد. امروزه توربين هاي بادي با ساختارهاي مختلف در حال ساخت و استفاده در دنيا هستند. يکي از انواع توربين هاي بادي ، توربين بادي سرعت متغير با ژنراتور سنکرون ميباشد که با ساختارهاي مختلفي چون محور محرک مستقيم يا محور داراي جعبه دنده و هم چنين با ژنراتور سنکرون مغناطيس دائم يا ژنراتور سنکرون با روتور سيم پيچي شده مورد استفاده قرار ميگيرد. در اين مقاله اين ساختارهاي مختلف بررسي شده و همچنين مبدل هاي الکترونيک قدرت مورد استفاده در اين نوع توربين ها مورد بحث قرار خواهند گرفت ؛ مقايسه اي بين انواع توربين هاي بادي انجام پذيرفته و در نهايت مسائل روز اين نوع توربين ها بررسي مي شوند.
واژههاي کليدي - توربين بادي سرعت متغير، ژنراتور سنکرون با روتور سيم پيچي شده ، ژنراتور سنکرون مغناطيس دائم ، مبدل الکترونيک قدرت ، محور محرک مستقيم .

١- مقدمه
فناوري توربين هاي بادي ، يکي از سريع ترين پيشرفت ها را در ميان فناوري هاي انرژي هاي نو در چند سال اخير داشته و تمام عوامل نشان دهندهي ادامه اين رشد در سال هاي آينده است [١].
توربين هاي بادي به شکل گسترده اي و با ساختارهاي متفاوتي در دنيا مورد استفاده قرار مي گيرند. به طور کلي ميتوان توربين هاي بادي را به دو نوع سرعت ثابت و سرعت متغير تقسيم کرد [٢]. در توربين بادي سرعت ثابت ، ژنراتور به طور مستقيم به شبکه متصل ميشود و در نوع سرعت متغير، ژنراتور به کمک تجهيزات الکترونيک قدرت کنترل ميشود. دلايل زيادي براي استفاده از توربين هاي بادي سرعت متغير وجود دارد که از ميان آنها ميتوان به امکان کاهش تنش هاي ساختار مکانيکي ، غيرعملي بودن استفاده از توربين هاي بادي سرعت ثابت در توان هاي بالا، کاهش نويز شنوايي ، افزايش توليد انرژي ساليانه ، کاهش پيچيدگي سيستم کنترل زاويه پره و امکان کنترل توان حقيقي و واکنشي اشاره کرد [٢] تا [٥]. يکي از انواع توربين هاي بادي سرعت متغير توربين بادي با ژنراتور سنکرون است که خود ساختارهاي مختلفي مانند 4 محور محرک مستقيم (DD)٣ يا محور داراي جعبه دنده (GD) و هم چنين با ژنراتور سنکرون مغناطيس دائم (PMSG)٥ يا ژنراتور سنکرون با روتور سيم پيچي شده (WRSG)٦ دارد. اين مقاله مروري بر عملکرد و مسائل مرتبط با توربين بادي سرعت متغير با ژنراتور سنکرون را ارائه ميدهد. بخش هاي ديگر مقاله به صورت زير تنظيم شدهاند: بخش ٢ عوامل مؤثر در انتخاب ژنراتور براي توربين هاي بادي را بررسي ميکند. در بخش ٣ انواع توربين هاي بادي سرعت متغير با ژنراتور سنکرون بررسي شده و در بخش ٤ در مورد ساختار الکترونيک قدرت اين توربين ها بحث ميشود. در بخش ٥ مقايسه اي بين اين نوع توربين سرعت متغير و ساير توربين هاي بادي انجام پذيرفته و در بخش ٦ مروري بر گذشته و مسائل حال و آينده اين نوع توربين ها انجام يافته است و در بخش ٧ نيز خلاصه اي از نکات مهم مقاله و نتيجه گيري ارائه ميشود.
٢- عوامل مؤثر در انتخاب ژنراتور براي توربين هاي بادي
در توربين هاي بادي ميتوان از هر دو نوع ژنراتور سنکرون و ژنراتور القائي استفاده کرد. مهمترين شاخص هاي ارزيابي ژنراتورها نسبت به مناسب بودن آنها براي توربين بادي را ميتوان به صورت زير خلاصه کرد [٦]:
١- پاسخ ديناميکي در عملکرد با شبکه فرکانس ثابت
٢- محدوده ي سرعت
٣- قابليت کنترل توان حقيقي
٤- نيازمندي هاي توان واکنشي
٥- اختلالات شبکه
٦- سنکرون سازي ژنراتور و شبکه
٧- قطع بار ناگهاني
٨- بازدهي ژنراتورها
٩- هزينه ها
١٠- تعميرونگهداري و قابليت اطمينان
در مقايسه بين ژنراتور سنکرون و القائي، ژنراتور سنکرون در برخي شاخص ها مانند نيازمندي هاي توان واکنشي يا قطع بار ناگهاني عملکرد بهتري دارد هرچند که در شاخص هايي مانند پاسخ ديناميکي در عملکرد با شبکه فرکانس ثابت يا سنکرون سازي ، ژنراتور القايي بهتر ميباشد؛ با اين حال در شاخص هايي مانند بازدهي يا اختلالات شبکه با وجود مبدل توان، اين ژنراتورها داراي عملکرد مشابهي خواهند بود.
٣- عملکرد توربين بادي سرعت متغير با ژنراتور سنکرون
در توربين هاي بادي با ژنراتور سنکرون از مبدل الکترونيک قدرت با تواني برابر توان نامي ژنراتور براي اتصال ژنراتور به شبکه استفاده ميشود. محور توربين ميتواند داراي جعبه دنده باشد يا به صورت مستقيم روتور را به ژنراتور متصل کرد. حذف جعبه دنده به علت استفاده از ژنراتورهاي چندقطبي که ميتوانند در سرعت هاي کم مانند سرعت باد انرژي لازم را توليد نمايند و هم چنين به علت به کارگيري مبدل هاي با توان کامل امکان پذير ميباشد. در اينجا مروري بر ساختارهاي مختلف توربين هاي بادي سرعت متغير با ژنراتور سنکرون داريم [٢] و [٧] و [٨].
٣-١ توربين بادي سرعت متغير با ژنراتور سنکرون روتور سيم پيچي شده و محور محرک مستقيم
ساختار اين نوع توربين بادي در شکل ١ نشان داده شده است .

شکل ١- توربين بادي سرعت متغير با ژنراتور سنکرون روتور سيم پيچي شده و محور محرک مستقيم
در اين توربين بادي از يک مبدل کوچک براي تغذيه سيم پيچ 2 ميدان ژنراتور استفاده ميشود.
٣-٢ توربين بادي سرعت متغير با ژنراتور سنکرون روتور سيم پيچي شده و محور داراي جعبه دنده
ساختار اين نوع توربين بادي در شکل ٢ نشان داده شده است .

شکل ٢- توربين بادي سرعت متغير با ژنراتور سنکرون روتور سيم پيچي شده و محور داراي جعبه دنده در اين ساختار به علت استفاده از ژنراتور چندقطبي ميتوان جعبه دنده را حذف کرد که باعث کاهش قابل توجه هزينه و تعمير و نگهداري هاي مرتبط با جعبه دنده ميشود.
٣-٣ توربين بادي سرعت متغير با ژنراتور سنکرون مغناطيس دائم و محور محرک مستقيم
ساختار اين نوع توربين بادي در شکل ٣ نشان داده شده است .

شکل ٣- توربين بادي سرعت متغير با ژنراتور سنکرون مغناطيس دائم و محور محرک مستقيم
عملکرد اين توربين به دانش خوبي از پارامترهاي ژنراتور که با دما و فرکانس تغيير ميکنند، بستگي دارد.
٣-٤ توربين بادي سرعت متغير با ژنراتور سنکرون مغناطيس دائم و محور داراي جعبه دنده
ساختار اين نوع توربين بادي در شکل ٤ نشان داده شده است .
اين ساختار بيشتر در کاربردهاي با توان کم استفاده ميشود.

شکل ٤- توربين بادي سرعت متغير با ژنراتور سنکرون مغناطيس دائم و محور داراي جعبه دنده
در ساختارهاي داراي جعبه دنده، ميتوان از جعبه دندههاي با نسبت دنده کمتر استفاده کرد؛ به عبارت ديگر کار جعبه دنده در توربين هاي با ژنراتور القائي را بين ژنراتور و جعبه دنده تقسيم کرد که ميتواند باعث هزينه کمتر شده و از وزن ژنراتور سنکرون نيز بکاهد.
٤- مبدل الکترونيک قدرت
پيشرفت هاي الکترونيک قدرت و امکان کاربرد آن در حوزه ي انرژي باد، امکان استفاده از توربين هاي بادي سرعت متغير را فراهم آورده است [٧]. همان طور که در شکل هاي ١ تا ٤ ديده ميشود در اين نوع توربين هاي بادي ، از مبدل هاي الکترونيک قدرت با توان کامل استفاده ميشود. مهمترين مزيت توربين هايي که از مبدل با توان کامل استفاده ميکنند در جداکردن کامل توربين و شبکه از يکديگر و امکان کنترل جداگانه جريان شبکه و گشتاور ژنراتور است . براي تنظيم توان حقيقي و واکنشي توليدي ، اندازه ي مبدل بايد ١.٢ برابر توان نامي توربين بادي با WRSG باشد [٢] و [٥] و .[9]
در پيشرفت هاي اوليه ي مبدل توان براي توربين هاي بادي ، پل ديودي سه فاز يا يکسوساز سه فاز کنترل شده فاز و يک متناوبساز کموتاسيون خط يا بار، مورد استفاده قرار ميگرفتند [٢]. مهمترين مسائل مربوط به اين مبدل ها عبارتند از: ضريب توان خط پائين ، اعوجاج هارمونيکي بالا در خط و جريان ماشين و عملکرد ديناميکي ضعيف [٥] و [١٠]. در طراحي هاي جديد توربين بادي ١ به دليل کاهش اعوجاج هارمونيکي و افزايش قابليت مبدل PWMکنترل سيستم و همچنين افزايش عملکرد ديناميکي مورد استفاده قرار ميگيرد [٢]. امروزه مبدل پشت به پشت چهار ربعي -PWM ٢ که در شکل ٥ نشان داده شده است به طورگسترده در VSI
توربين هاي بادي مورد استفاده قرار ميگيرد [١١] تا [١٣]. مبدل PWM نوسانات گشتاور ژنراتور را کاهش داده و در نتيجه کيفيت
توان خروجي را بهبود ميبخشد[٧] و [١٤].

شکل ٥- مبدل پشت به پشت چهار ربعي PWM-VSI.
به طور کلي مبدل متصل به ماشين الکتريکي را مبدل سمت ماشين و مبدل متصل به شبکه را مبدل سمت شبکه مينامند.
مبدل سمت ماشين ، عملکرد ماشين الکتريکي را کنترل کرده و گشتاور الکترومغناطيسي را تنظيم ميکند و مبدل سمت شبکه ، ولتاژ لينک dc بين دو مبدل و توان واکنشي جذب شده از شبکه 3 توسط مبدل را تنظيم ميکند [٢]. افزايش ظرفيت توربين هاي بادي ميتواند منجر به مقادير بالاي ولتاژ باس dc شود. اين مقادير ميتوانند از ظرفيت تحمل ولتاژ تجهيزات قدرت در دسترس، به خصوب براي ساختارهاي داراي مبدل توان با ظرفيت کامل تجاوز کنند. براي اين کار ميتوان از فناوري جديد کليدهاي با ولتاژ نامي بالا و يا از اتصال متوالي کليدهايي با توان نامي کمتر استفاده کرد که هر دو راه مشکلات مربوط به خود را دارند. در رور اول قيمت بالاي کليدها ميتواند منجر به غيراقتصادي شدن مبدل گشته و در رور دوم با مشکلات تکنيکي مانند تقسيم ولتاژ برابر روبرو مي - باشيم [١٦]. رويکرد ديگري براي اجتناب از مشکلات بيان شده استفاده از مبدل منبع ولتاژي چندرده اي ٣ به جاي مبدل منبع ولتاژي دورده اي است [١٧] و [١٨]. اما به نظر ميرسد که استفاده از مبدل هاي چندرده اي در توربين هاي بادي بزرو جالب توجه تر باشد [١٥].
دو ساختار مبدل براي توربين بادي با PMSG و محور محرک مستقيم ارائه شده است [٢] و [٧]؛ در ساختار اول ، ميتوان از يکسوساز پل ديودي در مبدل سمت ماشين استفاده کرد که باعث هزينه ي کمتري ميشود. شکل ٦ انواع حالت هاي استفاده از پل ديودي را نشان مي دهد. در ساختار دوم ، در هر دو مبدل سمت ماشين و شبکه از مبدل PWM استفاده شده است که در شکل ٧
نشان داده شده است .

شکل ٦- توربين بادي با PMSG و انواع يکسوسازهاي ديودي

شکل ٧- توربين بادي با ژنراتور سنکرون مغناطيس دائم و مبدل PWM
معمولات توربين بادي نشان داده شده در شکل ٦-ج (مبدل سمت ماشين داراي يکسوساز سه فاز و به دنبال آن چاپر بوست ) براي توربين هاي بادي کوچک (ظرفيت هاي کمتر از ٥٠ کيلووات ) طراحي ميشوند [٢] و [٩].
مزيت ساختار شکل ٧ نسبت به ساختار شکل ٦، امکان استفاده از کنترل جهت ميدان ميباشد که به ژنراتور امکان کار در نزديکي نقطه کار بهينه آن را براي حداقل کردن تلفات ژنراتور و مبدل را مي دهد [١٩].
٥- مزايا و معايب اين نوع توربين ها در مقايسه با ساير توربين هاي بادي
مهمترين وييگي اين نوع توربين ها امکان حذف جعبه دنده مي - باشد. حذف جعبه دنده باعث کاهش هزينه هاي روغنکاري ، تعميرونگهداري و نصب شده و بازدهي سيستم را بالا ميبرد [٢٠]
و [٢١]. ساختار DD ميتواند بدون هيچ جبرانسازي توان واکنشي کار کرده و عملکرد آن به طور کامل بر طبو راهنماي اتصال شبکه براي نيروگاه هاي بادي است [٢٢]. WRSG داراي برخي مزاياي مهم ميباشد که از آن جمله ميتوان به موارد زير اشاره کرد:
 بازدهي ماشين معمولات بالاست چون از تمام جريان استاتور براي ساخت گشتاور الکترومغناطيسي استفاده ميشود.
 مزيت اصلي بکارگيري WRSG قطب برجسته ، امکان کنترل مستقيم ضريب توان ماشين مي باشد؛ در نتيجه ميتوان جريان استاتور را در هر شرايط بهره برداري حداقل کرد [٧] و [٩].
 گام سيم پيچي اين ژنراتور مي تواند از ماشين القائي کمتر باشد. اين مشخصه مي تواند براي حذف جعبه دنده و بدست آوردن ماشين چند قطبي سرعت پائين بسيار مهم باشد .[23]
وجود سيم پيچ در روتور اين ژنراتور در مقايسه با PMSG، ممکن است يک ايراد اين نوع ژنراتور باشد [٢].
مهمترين ايرادات توربين بادي با PMSG، از بين رفتن خواب مغناطيسي مواد مغناطيس دائم ، عدم امکان کنترل ضريب توان ماشين و هزينه ي بخش مغناطيس دائم بوده که قيمت ماشين را بالا ميبرد [٥] و [١٠].
در مقايسه با ژنراتور سنکرون ، ژنراتور القايي دوتغذيه اي (DFIG)٢ داراي مزاياي زير ميباشد:
 کاهش هزينه ي مبدل ، زيرا در ژنراتور القائي دوتغذيه اي ، توان مبدل حدود ٢٥% توان کل سيستم مي باشد [٤].
 کاهش هزينه فيلتر متناوبساز، به دليل اين که فيلترهاي DFIG براي ٢٥% توان کل سيستم طراحي ميشوند و هارمونيک هاي متناوبساز DFIG بخش کوچکتري از هارمونيک هاي کل سيستم را تشکيل ميدهند [٤].
FIG  پاسخ پايدار و بهتري در مواجهه با اغتشار خارجي دارد [٩].
البته در کنار مزاياي DFIG ميتوان به ايراد آن يعني داشتن حلقه هاي لغزان که نياز به تعمير و نگهداري بيشتري دارند نيز اشاره کرد[٢]. در کنار اين مشکل ، اخيرتا توربين هاي بادي با DFIG توسط نيازمندي هاي سخت شبکه محدود شدهاند.
در توربين هاي بادي کوچک و متوسط ميتوان از PMSG يا ژنراتور القائي روتور سيم پيچي شده استفاده کرد زيرا PMSG امکان بازدهي بالاتر و قطر پره کمتر را مي دهد. در توربين هاي بادي با اندازه ي بزرو، WRSG و DFIG مناسبند [٢] و [٧].
خلاصه اي از مزايا و معايب انواع ژنراتورهاي مورد استفاده در توربين هاي بادي در جدول ١ ارائه شده است .
٦- گذشته ، حال و آينده ي اين نوع توربين ها
از اوايل دهه ي ١٩٨٠ ميلادي و با پيشرفت هاي مکانيکي ، توليد برا به کمک توربين هاي بادي افزايش يافت . در اوايل دهه ي
١٩٨٠ م. توربين هاي بادي با اندازه حدود kW ١٠٠ در دسترس بودند که با پيشرفت هاي به وجود آمده ، در طي دهه ي ١٩٩٠ م. به kW ١٠٠٠ و امروزه به حدود MW ٦ رسيدهاند [٢٤]. تا انتهاي دهه ي ١٩٩٠ م. اکنر توليدکنندگان توربين هاي بادي ، توربين هاي سرعت ثابت با جعبه دنده چندمرحله اي و ژنراتور القائي قفس - سنجابي استاندارد توليد ميکردند که به طور مستقيم به شبکه متصل ميشدند. از انتهاي دهه ي ١٩٩٠ م. بيشتر توليدکنندگان توربين هاي بادي به ساخت توربين هاي سرعت متغير براي سطوف توان تقريبات MW ١.٥ مشغول شدند. براي اين کار از DFIG استاندارد و کم هزينه به همراه جعبه دنده چندمرحله اي و مبدل توان براي سيم پيچ روتور استفاده کردند. از سال ١٩٩١ م. برخي توليدکنندگان توربين هاي بادي ، سيستم هاي ژنراتور بدون دنده را پيشنهاد دادند که ژنراتورهاي محرک مستقيم (DDG)1 ناميده شدند. هدف از توليد اين نوع ژنراتورها کاهش خرابيهاي جعبه دنده و مشکلات کمتر تعميرونگهداري بود[٢٥]. با افزايش سطن توان و کاهش سرعت ، DDG بزرو و بسيار گران ميشوند به همين دليل استفاده از PMSG و جعبه دنده يک مرحله اي پيشنهاد شده است که به سيستم مالتي برد٢ معروف است [٢٦] و [٢٧]. امروزه توربين هاي بادي توسط توليدکنندگان زيادي در سراسر جهان ساخته ميشوند و ژنراتورهاي مختلف و ساختارهاي مختلف الکترونيک قدرت مورد استفاده قرار ميگيرند. در حال حاضر پيشرفت هاي اصلي فناوري توربين هاي بادي بر روي کاهش هزينه و افزايش قابليت اطمينان تمرکز يافته است . علاوه بر اين ، توجه اصلي توليدکنندگان توربين هاي بادي ، افزايش ظرفيت توليد توربين بادي نيز ميباشد [١٥].
توربين بادي با WRSG و محور محرک مستقيم ، سنگين ترين و گرانترين گزينه ي توربين هاي سرعت متغير ميباشد. تنها توليدکننده موفو اين نوع توربين ها از نظر اقتصادي و چهارمين توليدکننده بزرو توربين هاي بادي در دنيا، شرکت آلماني
Enercon ميباشد که البته مدعي مزاياي ديگري براي اين نوع توربين ها نيز هست که از آن جمله مي توان به امکان کنترل کامل توان واکنشي توسط توربين هاي اين شرکت مانند ترکيبي از يک نيروگاه معمولي و STATCOM اشاره کرد. اين شرکت دارنده ي اولين گواهي مطابقت وييگيهاي توربين بادي با نيروگاه هاي معمولي در دنيا ميباشد [٢٨] و [٢٩]. شکل ٦ نمونه اي از اين توربين را نشان ميدهد. اين نوع توربين ها بيشتر در کشور آلمان استفاده ميشوند و البته هم اکنون بازارهايي در ساير کشورها مانند انگلستان پيدا کرده اند. شرکت GE Energy يکي ديگر از بزرگترين توليدکنندگان توربين - هاي بادي در سال ٢٠٠٧ م. طراحي توربين هاي بادي خود را به 5 توربين بادي سرعت متغير با PMSG و محور داراي جعبه دنده تغيير داده است [٣٠]. ساير توليدکنندگان اين نوع توربين ها در دنيا مانند شرکت هاي DeWind،Lagerwey ،Clipper ،Zephyros ، The Switch،Mitsubishi ،Mtorres و ... بيشتر به توليد توربين هاي بادي با PMSG (با محور محرک مستقيم يا داراي جعبه دنده) مشغول هستند [٢٩] تا [٣٧]. جدول ٢ ژنراتورهاي استفاده شده در توربين هاي بادي در سال هاي اخير را نشان ميدهد. امروزه به دليل قابليت هاي توربين بادي با PMSG -مانند بهبود قابليت تسلط بر خطاي شبکه ٣، بهبود بازدهي در سرعت هاي پائين و نياز کمتر به تعميرونگهداري - از اين نوع توربين هاي بادي بيشتر استفاده ميشود و توليدکنندگان توربين ها به سمت توليد اين نوع توربين متمايل شدهاند. در شکل هاي ٧ و ٨ نمونه اي از توربين هاي بادي با PMSG نشان داده شده است .