بخشی از مقاله
چکیده —
اکثر توربینهاي بادي محور افقی روز دنیا از نوع دور متغیر میباشند. در این توربین ها، یکی از سه نوع ژنراتور، سنکرون روتور سیمبندي شده، سنکرون مغناطیس دایم و آسنکرون تغذیه دوگانه مورد استفاده قرار میگیرد. ژنراتور سنکرون روتور سیمبندي شده در توربینهاي دور پایین که بدون گیربکس هستند، به طور گسترده بهکار گرفته شده است. در این نوع ژنراتورها، امکان کتنرل ولتاژ سیمپیچ تحریک و در نیتجه تغییر شدت میدان الکترومغناطیسی وجود دارد. در نتیجه با تنظیم ولتاژ تحریک ژنراتور در سرعتهاي باد مختلف، بیشینه انرژي باد توسط توربین جذب میگردد. در این مقاله، کنترلگر ولتاژ تحریک ژنراتور سنکرون با هدف جذب بیشینه انرژي باد طراحی شده است.
همچنین کنترلگر زاویه گام براي تنظیم سرعت دورانی روتور در مقدار نامی در سرعتهاي باد بیشتر از نامی طراحی شده است. در ادامه، هر دو حلقه کنترلی ولتاژ تحریک ژنراتور و زاویه گام پرهها به طور همزمان در شبیهساز توربین بادي پیادهسازي شدهاند. با انجام آزمایشها به صورت سختافزار در حلقه در شرابط باد مغشوش، عملکرد حلقههاي کنترلی مورد تحلیل قرار گرفته است. در نهایت هر دو هدف اصلی در کنترل توربین بادي شامل تولید توان بیشینه در سرعتهاي باد کمتر از نامی و پایداري سرعت دورانی در سرعتهاي باد بیشتر از نامی به درستی محقق شدهاند. ساختار توربین بادي مورد آزمایش داراي ژنراتور سنکرون با ولتاژ تحریک کنترل شونده که از جدیدترین انواع ژنراتور در این کاربرد میباشد، بوده است.
واژههاي کلیدي —جذب بیشینه توان؛ کنترل ولتاژ تحریک؛ کنترل زاویه گام؛ شبیهساز سختافزار در حلقه
مقدمه
با توجه به روند افزایشی انرژي مصرفی در جهان و با در نظر گرفتن محدودیت در منابع سوختهاي فسیلی، در سالهاي اخیر تولیدکنندگان انرژي الکتریکی در جستجوي منابع انرژي جایگزین بودهاند .[1] یکی از منابع انرژي که مورد توجه بسیاري از کشورها و مراکز تحقیقاتی قرار گرفته است، انرژي هاي تجدیدپذیر از جمله بادي، خورشیدي، آبی و زمین گرمایی میباشد. با استناد بر گزارش ارایه شده در سال 2009 میلادي [2]، انرژي بادي در میان منابع انرژي تجدیدپذیر بیشترین رشد را داشته است و رشد بهکارگیري انرژي باد همچنان ادامه دارد. ادامه روند افزایشی بهرهگیري از انرژي باد به دو عامل افزایش توان تولیدي و کاهش هزینه هاي ساخت و بهرهبرداري توربینهاي بادي وابسته میباشد. در ادامه معیارهاي میزان انرژي تولیدي و هزینه ساخت، براي دو ساختار دور ثابت و دور متغیر در توربین هاي بادي محور افقی مورد بررسی قرار میگیرد.
میانگین توان تولیدي توربینهاي بادي در سرعتهاي باد بیشتر از نامی برابر ظرفیت نامی توربین میباشد. اما در محدوده سرعت هاي باد کمتر از نامی، توان تولیدي متغیر است و توان تولیدي توربینهاي بادي دور متغیر در سرعت هاي باد کمتر از نامی از انواع دور ثابت بالاتر میباشد. در [3] توضیح داده شده است که راندمان آیرودینامیکی توربینهاي بادي در سرعتهاي باد کمتر از نامی به سرعت دورانی روتور بستگی دارد و با تنظیم سرعت دورانی روتور در مقدار بهینه، توان تولیدي توربین افزایش پیدا می کند. اگر چه در گذشته، توربینهاي بادي دور ثابت به دلیل سادگی در اتصال به شبکه بیشتر از توربینهاي دور متغیر تولید شدهاند .[4]
یکی از عوامل تاثیرگذار بر هزینه ساخت توربینهاي بادي، وزن اجزاء مکانیکی می باشد. در صورت کاهش بارهاي وارده، امکان کمتر شدن وزن اجزاء وجود دارد. در ساختار دور ثابت، بارهاي مکانیکی ضربهاي زیادي به اجزاء مکانیکی وارد می شود و اجزاء بایستی ساختار قوي داشته باشند. در این ساختار، افزایش شدید سرعت باد منجر به افزایش لحظهاي گشتاور وارد بر سیستم انتقال قدرت میشود و تنشهاي وارد بر تمامی اجزاء توربین به صورت لحظهاي افزایش مییابد. حال آنکه در ساختار دور متغیر، روتور مقدار زیادي از انرژي ناشی از افزایش سرعت باد را با افزایش سرعت دورانی به انرژي جنبشی تبدیل می کند و از وارد شدن ضربههاي مکانیکی جلوگیري مینماید .[5] در نتیجه تنشهاي مکانیکی وارده در توربینهاي دور متغیر کاهش پیدا میکند و اجزاء مکانیکی سبکتر و ارزانتري مورد استفاده قرار میگیرد که توضیحات بیشتر را میتوان در [6] مطالعه نمود.
بنابر موارد مطرح شده، توربینهاي بادي دور متغیر قابلیت افزایش توان تولیدي و کاهش هزینههاي ساخت را دارا میباشند. در این توربینها معمولاً ژنراتورهاي سنکرون، سنکرون مغناطیس دایم و آسنکرون تغذیه دوگانه که قابلیت تولید توان در سرعتهاي دورانی مختلف را دارند بهکارگیري می-شود .[7] امروزه ژنراتورهاي سنکرون در توربینهاي بادي بزرگ بهکارگیري شدهاند. این ژنراتورها با ولتاژ تحریک کنترلپذیر، قابلیتهاي مناسب در کنترل سرعت دورانی و توان اکتیو و راکتیو دارا میباشند .[1] در [8] مدلسازي ریاضی و شبیهسازي نرمافزاري توربین بادي با ژنراتور سنکرون خود تحریک - کنترل ناپذیر - متصل به شبکه انجام شده است. در همین مقاله، با کنترل کانورتر در نقطه اتصال به شبکه، توان اکتیو و راکتیو کنترل شده است اما به مبحث کنترل ولتاژ تحریک ژنراتور سنکرون پرداخته نشده است.
در این مقاله، ابتدا بستر آزمایش مورد استفاده تشریح شده و مدلسازي توربین بادي ارایه گردیده است. در ادامه الگوریتم جذب بیشترین انرژي باد در سرعت هاي باد کمتر از نامی، با کنترل ولتاژ تحریک ژنراتور سنکرون طراحی و پیاده سازي شده است. همچنین در سرعتهاي باد زیاد، الگوریتم کنترل زاویه گام به گونه اي طراحی شده است که سرعت دورانی روتور در محدوده نامی کنترل شود. در نهایت کنترلر ولتاژ تحریک ژنراتور و زاویه گام در بستر آزمایش پیاده سازي شده و نتایج حاصل مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است.
معرفی بستر آزمایش
بستر آزمایش، شبیهساز توربین بادي به صورت سختافزار در حلقه میباشد. اجزاء اصلی شبیه ساز عبارتند از رایانه و کارت اکتساب داده، سروو موتور، گشتاورسنج، ژنراتور سنکرون، منبع تغذیه ولتاژ تنظیمشونده و باراهمی. محاسبات آیرودینامیکی روتور به صورت نرمافزاري انجام میشود و گشتاور محاسبه شده توسط سروو موتور به محور ژنراتور اعمال میگردد. ولتاژ تحریک ژنراتور توسط منبع تغذیه تنظیمشونده کنترل میگردد. همچنین کنترلگرهاي ولتاژ تحریک و زاویه گام در نرمافزار سیمولینک پیاده-سازي شدهاند. در شکل 1 تصویر شبیهساز نمایش داده شده است. همچنین مشخصات اجزاء این سیمولاتور در جدول 1 آورده شده است.
مدلسازي توربین بادي
زنجیره تولید توان در توربینهاي بادي محور افقی از پرهها، سیستم انتقال قدرت و ژنراتور تشکیل میشود. پرهها، انرژي جنبشی باد را به انرژي دورانی تبدیل کرده و سیستم انتقال قدرت انرژي دورانی را به محور ژنراتور منتقل میکند. در ژنراتور، انرژي دورانی محور به انرژي الکتریکی تبدیل می شود. در این بخش، مدل آیرودینامیکی روتور و مدل ریاضی ژنراتور سنکرون با تحریک مجزا ارایه میگردد. مدل آیرودینامیکی روتور توان و گشتاور آیرودینامیکی توربین هاي بادي محور افقی گام متغیر از - 1 - و - 2 - محاسبه میشوند .[9] مقادیر Pa ، Cp ، ، ، ، R ، Vw ، Ta و Cq به ترتیب بیانگر توانآیرودینامیکی، ضریب توان، نسبت سرعت نوك، زاویه گام پره، چگالی هوا، β شعاع روتور، سرعت باد محیط، گشتاور آیرودینامیکی و ضریب گشتاور در واحد SI میباشند. گشتاور آیرودینامیکی در - 2 - ، عبارت غیرخطی است. با خطیسازي این عبارت، مدل خطی آیرودینامیکی مطابق - 3 - به دست میآید .[11] و این مدل در بخش طراحی کنترلر زاویه گام مورد استفاده قرار میگیرد. عبارتهاي Ta* ، KV، K و K به ترتیب معادل گشتاور آیرودینامیکی در شرایط پایدار خطی سازي شده، ضریب خطی سرعت باد، ضریب خطی زاویه گام و ضریب خطی سرعت دورانی روتور در دستگاه آحاد SI میباشند. منحنیهاي توان آیرودینامیکی-دور روتور براي توربین بادي نمونه با ظرفیت 3 کیلووات در شکل 2 ترسیم شده است. هر منحنی متناظر با سرعت باد مشخص و زاویه گام صفر میباشد
مدل ژنراتور سنکرون
معادلات دیفرانسیلی شارهاي الکترومغناطیسی حاکم بر ژنراتور سنکرون به طور کامل در [12] توضیح داده شده است. این معادلات به صورت مدل دینامیکی ماشین با وروديهاي ولتاژ سیمپیچهاي استاتور و ولتاژ سیمپیچ تحریک و با خروجی گشتاور مکانیکی، قابل ارایه میباشد . در این مدل، تغییرات سرعت دورانی محور ژنراتور به صورت عدم قطعیت در نظر گرفته میشود . و در شرایطی که خروجی ژنراتور به بار اهمی متصل شود، ولتاژ سیمپیچ تحریک تنها ورودي مدل میباشد. بنابراین مدل دینامیکی ژنراتور سنکرون به صورت یک سیستم یک ورودي-یک خروجی داراي عدم قطعیت مدلسازي میگردد.
براي تعیین مدل ریاضی ژنراتور سنکرون با ورودي ولتاژ تحریک و خروجی گشتاور مکانیکی آزمایشهاي متعددي بر روي سیمولاتور انجام گردید. در هر مرحله آزمایش، سرعت دورانی ژنراتور ثابت بود و ولتاژ تحریک به صورت پلهاي در سطوح مختلف تغییر داده شد و گشتاور مکانیکی ژنراتور اندازهگیري گردید. آزمایشها براي سرعتهاي دورانی ژنراتور از 1000 تا 1500 دور بر دقیقه به طور مجزا صورت پذیرفته و داده-هاي به دست آمده با بهرهگیري از روش شناسایی سیستم مورد تحلیل قرار گرفت. دادههاي حاصل از آزمایشها با بهرهگیري از ابزار شناسایی سیستم در نرمافزار MATLAB نسخه R2011b تحلیل شده و توابع تبدیل با کمترین میزان خطا براي هر مرحله از آزمایشها شناسایی شدهاند . نتیجه تحلیلهاي صورت گرفته، تابع تبدیل گشتاور مکانیکی به ولتاژ تحریک را مطابق - 4 - به دست میدهد.
