بخشی از مقاله
چکیده
مسئله بسیار مهم در توربین ژنراتورالقایی تغذیه دوسویه - DFIG - 1 متصل به شبکه، جبرانسازی توان راکتیو است که بر روی کیفیت ولتاژ و قابلیت اطمینان شبکه تأثیرگذار میباشد. ما در این پژوهش برای جبرانسازی توان راکتیو در ژنراتورهای DFIG، از کنترلر منطق فازی استفاده میکنیم. برای این منظور کار برروی یک توربین ژنراتور القایی دوسو تغذیه که به شبکه متصل شده انجام می شود. هدف از طراحی این کنترلر منطق فازی ایجاد یک خروجی Iq-ref میباشد که از طریق آن توان راکتیو تزریقی به شبکه کنترل میشود که این کار توسط ژنراتور انجام میگردد. در واقع هدف از جبرانسازی توان راکتیو، کنترل ولتاژ در مقدار قابل قبول میباشد . برای رسیدن به این هدف، کنترلر منطق فازی را بهگونهای طراحی مینماییم که با استفاده از دو ورودی ولتاژ و تغییرات ولتاژ که خروجی توربین ژنراتور است، به یک کنترلر منطق فازی داده شود و یک خروجی مناسب از کنترلر که همان Iq-ref است، گرفته میشود.
واژه های کلیدی:توان راکتیو، کنترلر منطق فازی، کنترل ولتاژ، DFIG
مقدمه
نگرانیهای زیستمحیطی جهانی و افزایش نیاز به استفاده از انرژی، همراه با پیشرفت پایدار در زمینه فناوریهای انرژی تجدیدپذیر باعث ایجاد قالبهای جدیدی برای استفاده عمومی از منابع انرژی تجدیدپذیر گشته است. در این میان، انرژی باد نسبت به سایر منابع تجدیدپذیر، رشد سریعتری را دارا بوده است .[1] بهکارگیری توربین بادی، سیستم تولید پراکنده را به سمت سیستمی با تولید متغیر سوق میدهد. همچنین این امر از قابلیت اطمینان سیستم تولید بهصورت قابل ملاحظهای میکاهد. بزرگترین مشکل در استفاده از انرژی باد، متغیربودن سرعت باد و درپی آن متغیر بودن توان تولیدی توربینهای بادی است .[2]
بهعلت ماهیت تغییرپذیری سرعت باد با زمان، کنترل سیستم غیرخطی توربین بادی مسئلهای مشکل جلوه مینماید. زیرا علاوهبر تغییرات دائم سرعت باد، مسأله برش باد توسط پرهها نیز موجباعمال ورودیکاملاً غیریکنواخت به سیستم میشود.[3] طراحی سیستم کنترلی برای توربین بادی یک مسأله پیچیده است، اولین دلیل این است که توربین بادی یک سیستم چندورودی-چندخروجی با پارامترهای بههم پیوسته میباشد. از طرف دیگر غیرخطی بودن سیستم و عدم قطعیتهای موجود در ورودیهای آن قیدهای فیزیکی حاکم بر متغیرهای سیستم طراحی یک کنترلر مناسب را مشکل میسازد.[4]
برای سیستمهای سرعت متغیر با محدوده تغییر سرعت +%30 تا -%30 سرعت سنکرون، ژنراتورالقایی تغذیه دوسویه میتواند راهحل مناسبی باشد. همچنین، توان مبدل الکترونیک قدرت در این سیستمها 20 الی%30 توان کل ژنراتور است که عاملی در پایین آوردن تلفات این مبدلها در مقایسه با انواع دیگر است که با توان کل ژنراتور کار میکنند. لذا قیمت و هزینه مبدلها نیز کاهش مییابد .[5]ژنراتورالقایی تغذیهدوسویه گزینهای جالب، با بازاریابی روبه فزونیبا تقاضا است. ژنراتور القایی تغذیهدوسویه، یک ژنراتور - سرعت متغیر با مبدل فرکانسی با ظرفیت کامل - است که استاتور بهطور مستقیم به شبکه سه فاز با فرکانس ثابت متصل است و سیمپیچی روتور با یک کانورتر منبع ولتاژ با کلیدهای با طبقات پشتبهپشت تک جهته تغذیه میشود.
عبارت تغذیه دوسویه به این واقعیت اشاره دارد که استاتور به شبکه قدرت، ولتاژ برای تغذیه بارها میدهد و ولتاژ روتور نیز بهوسیله کانورتر توان، ایجاد میشود. سرعت عملکرد این سسیستم در یک گستره وسیع اما محدود قراردارد. کانورتر اختلاف فرکانس الکتریکی مکانیکی را با تزریق جریان به روتور با یک فرکانس متغیر، جبران میکند. هم در طول عملکرد عادی و هم در طول خطاها، رفتار ژنراتور توسط کانورتر توان و کنترلکنندههای آن تنظیم میشود. کانورتر توان، متشکل از دو کانورتر است، کانورتر طرف شبکه و کانورتر طرف روتور، که هرکدام بهصورت مستقل کنترل میشود .[5]ایده اصلی آن است که کانورتر طرف روتور توانهای اکتیو و راکتیو را با کنترل اجزای جریان روتور کنترل میکند، در حالیکه کانورتر طرف خط، ولتاژ طرف DC را کنترل میکند تا از عملکرد کانورتر در ضریب توان واحد - توان راکتیو صفر - اطمینان حاصل شود.
بسته به شرایط کاری درایو، توان به روتور وارد میشود یا از آن خارج میشود. در شرایط فوق سنکرون، توان از روتور به طرف شبکه و درشرایط زیر سنکرون، توان از شبکه به طرف روتور جاری میشود .[5] در هر دو حالت، توان از استاتور به طرف شبکه میرود.همانطور که گفته شد، کانورتر طرف شبکه در ضریب توان واحد عمل میکند و خود را درگیر تبادل توان راکتیو نمیکند. البته در مورد شبکههای ضعیف، ژنراتورهای القایی تغذیهدوسویه ممکن است در صورت نوسان ولتاژ، بهمنظور تبادل توان راکتیو با شبکه، فرمان داده شود که البته قابلیت کنترل ولتاژ نه با توان کلی ژنراتور بلکه با محدوده سرعت و توان لغزشی مرتبط خواهد بود.[6]
شکل - 1 - ساختار مناسب برای بهکارگیری ژنراتور القایی تغذیهدوسویه، در نیروگاههای بادی را نشان میدهد.مطابق این شکل، مبدل بهکار رفته برای ژنراتورالقایی تغذیهدوسویه، مدار روتور را تغذیه میکند که طبیعتاً مرتبه توانی آن کسری از توان تبدیلشده توسط ژنراتور است، بهمین دلیل ژنراتورالقایی تغذیهدوسویه جزو ژنراتورهای سرعت متغیر با اتصال مستقیم به شبکه یا دارای مبدلی با مرتبه توانی کسری دستهبندی میشود.با بهکارگیری ساختار فوق، بسته به مرتبه ولتاژی و جریانی مبدل بهکار رفته، میتوان به کنترل سرعت چرخش روتور در محدودههای حول سرعت سنکرون پرداخت که برای این محدوده سرعت، ماشین توانایی تولید گشتاورهای موتوری یا ژنراتوری را تا حد مشخصی داراست. همچنین با بهکارگیری ساختار فوق، امکان کنترل و تنظیم توان راکتیو ژنراتور در مقادیر مطلوب وجود دارد.
در شکل - 1 - ، مدار استاتور ژنراتورالقایی تغذیهدوسویه، به شبکه متصل است؛ در حالیکه مدار روتور از طریق حلقههای لغزان روتور به ژنراتور وصل است.در این مقاله یک سیستم قدرتی که شامل شبکه و یک ژنراتور DFIG میباشد، در ابتدا شبیهسازی خواهد شد. ژنراتور القایی تغذیه دوگانه در حقیقت ژنراتورهای القایی روتور سیمپیچی هستند که استاتور آنها مستقماًی به شبکه متصل است و روتور آنها از طریق دو کانورتور الکتریک قدرت پشتبهپشت متصل میباشد. سپس باتوجه به ولتاژ dc مناسبی که برروی خازن کانورتور قرار میگیرد، از طریق کانورتور یک ولتاژ با دامنه و زاویه مناسب، جهت کنترل توان راکتیو، به روتور ژنراتور DFIG تزریق میشود. بنابراین با استفاده از منطق فازی ورودیهای مناسب را گرفته و پس از پردازش فازی و اعمال قوانین مربوط یک خروجی متناسب و لازم را ایجاد کرده که بتواند کنترل مورد نیاز روی توان راکتیو ژنراتور القایی دوسو تغذیه را انجام دهد.
مدل توربین بادی و ژنراتور القایی
قبل از ارائه ایده پیشنهادی در این بخش روابط مهم مدل توربین بادی و ژنراتور القایی مورد استفاده در این مقاله بطور خلاصه یادآوری میکنیم.
مدل توربین بادی
معادلات حاکم بر سیستم بادی بهشرح زیر میباشد:
در این رابطه P توان مکانیکی و بهصورت معادله - 1 - است:[7]
که در آن چگالی هوا، R شعاع روتور، Cp ضریب توان و نسبت تغییرات سرعت می باشد که از رابطه ی زیر بدست می آید:[7] که در آن v سرعت باد است.
مدل ژنراتور القایی:
معادلات ولتاژ رتور و استاتور ژنوراتور القایی DFIG بر روی محور dq به صورت معادله - 3 - تا - 6 - می باشد:[7]
کنترلکننده پیشنهادی جهت جبرانسازی توان راکتیو شبکه توسط توربین- ژنراتور بادی:
شکل - 2 - حلقههای کنترلی داخلی DFIG را نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود، Iq- ref براساس Pref، P و Ploss ساخته میشود و در حالتیکه از DFIG بهعنوان کنترلکننده توان راکتیو خروجی آن استفاده شود، ولتاژ خروجی ساخته خواهد شد. همانطور که در شکل - - 2 مشاهده میشود، دو حالت کنترلی برای جبرانسازی توان راکتیو توسط توربین- ژنراتور بادی از دو سو تغذیه وجود دارد. حالت اول کنترل ولتاژ است که توربین- ژنراتور بادی در شرایط مختلف شبکه ولتاژ ثابتی را ارائه میدهد. این حالت بیشتر در شبکههایی مورد توجه قرار میگیرد که دارای قابلیت جزیرهای شدن را دارند. در این حالت ولتاژ مرجع - Vref - بااستفاده از ولتاژ و جریان اندازهگیری شده خروجی ژنراتور در نقطه ی کوپل مشترک pcc ساخته میشود. حالت دوم کنترل توان راکتیو توسط توربین- ژنراتور بادی، جبرانسازی Var میباشد که در سیستمهای قدرت بهطور معمول از این روش استفاده میگردد. در این حالت علاوهبر در دست داشتن Qref، نیاز به ساختن و کنترل Iqref نیز میباشد. در حالت عادی که Iqref توسط توربین- ژنراتور بادی ساخته میشود، از سیگنالهای V، I، r ، Ir، Is و Igc استفاده می شود.
دراین مقاله پیشنهاد میگردد که Iq-ref بهدست آمده در شکل - - 2، ابتدا از طریق یک کنترلکننده فازی که جهت کنترل ولتاژ خروجی DFIG مورد استفاده قرار میگیرد، ساخته شود. شکل - - 3 این امر را نشان میدهد. بهمنظور جبرانسازی توان راکتیو موردنیاز، یک کنترلکننده با قابلیت تولید Iqref طراحیشده است. کنترلکننده بهصورتی طراحیشده است که از ولتاژ ژنراتور استفادهشده و ولتاژ یک فاز شین 575 ولت را که همان فاز - A - است، بهعنوان ولتاژ مورد بررسی استفاده میکنیم. باتوجه به اینکه ولتاژ مرجع 1pu است مقادیر ولتاژ فاز - A - را با ولتاژ مرجع مقایسه و تفاضل ولتاژ فاز A را با تغییرات تفاضل ولتاژ فاز - A - بهصورت دو ورودی به کنترلر منطق فازی میدهیم. درنهایت خروجی کنترلر بهصورت Iqref میباشد که به DFIG داده میشود.
