بخشی از مقاله
چکیده
گسترش نیروگاههاي بادي متصل به شبکه موجب نگرانیهایی در مورد ضعف آنها در اغتشاشات منجر به تعقر ولتاژ شده است. ژنراتورهاي القایی دو سو تغذیه به تغییرات ناگهانی ولتاژ استاتور بسیار حساس می باشند. در شرایط بروز خطا، جریان روتور و ولتاژ لینک DC مبدلها به صورت ناگهانی افزایش شدیدي خواهد داشت. افزایش جریان و ولتاژ مذکور، باعث وارد شدن آسیب شدیدي به مبدلها میگردد. در این مقاله دو روش براي کاهش جریان و ولتاژ در حد استاندارد ارائه شده است. صحت روشها توسط نتایج شبیه سازي PSCAD/EMTDC براي یک توربین بادي 1/3مگا واتی ساخت شرکت زیمنس تأیید شده است.
کلمات کلیدي: توربین بادي، ژنراتور القایی دو سو تغذیه - DFIG - ، جزیره شدن، گذر از کاهش ولتاژ - - LVRT، سیستم حفاظتی
.1 مقدمه
با افزایش قیمت سوخت و جدي شدن مسائل زیست محیطی، گرایش به استفاده از منابع انرژي تجدیدپذیر فزونی یافته و درصد استفاده از این منابع نیز سال به سال گسترش مییابد. بهطوري که تا سال 2020، پیشبینی میشود 20 درصد انرژي الکتریکی تولید شده، از طریق منابع بادي فراهم شود.[1]تاریخچه استفاده از انرژي باد به قرنها قبل باز میگردد. در ایران نیز مناطقی از استان خراسان آثاري از آسیابهاي بادي با قدمت دو هزار سال به چشم میخورد. با این وجود بیش از سه دهه از زمان تولید برق با انرژي باد نمیگذرد. در طول این مدت کوتاه مطالعات گستردهاي در زمینههاي مختلف در مورد نیروگاههاي بادي انجام شده است. افزوده شدن انرژيهاي تجدیدپذیر به شبکههاي قدرت به طور قابل توجهی روبه رشد است. از میان گزینههاي مختلف، انرژي بادي، منتخبترین گزینه براي تولید انرژي الکتریکی در سالهاي آینده است. افزایش نیروگاههاي بادي در شبکههاي قدرت موجب افزایش تاثیر آنها در کل سیستم میشود، بنابراین به عنوان مثال بررسی پایداري نیروگاههاي بادي متصل به شبکه و قابلیتهاي کنترلی آنها لازم بهنظر میرسد استفاده از ژنراتورهاي القایی در سیستمهاي تبدیل انرژي باد در حال افزایش است، که این به دلیل ارزانی، استحکام و نیاز کم به نگهداري است. درمقایسه با ژنراتورهاي القایی مرسوم، ژنراتور القایی دو سو تغذیه به خاطر مزایاي زیر برتري دارد:[2]
- 1 قابلیت کارایی دینامیکی در رنجهاي سرعت زیر سنکرون و فوق سنکرون
- 2 ظرفیت تولید توان اکتیو فرکانس ثابت
- 3 کنترل مجزاي توان اکتیو و راکتیو
- 4 پایینتر بودن توان نامی کانورترهاي مورد استفاده
- 5 قابلیت کنترل توان راکتیو و در نتیجه ولتاژ
در حال حاضر اکثر نیروگاههاي بادي به ژنراتور دو سو تغذیه - - DFIG متصل هستندDFIG .[3] یک ژنراتور القایی روتور سیم پیچی میباشد که در آن، استاتور مستقیم و روتور از طریق مبدل پشت به پشت به شبکه اتصال یافته است.[4] مبدل پشت به پشت از دو مبدل ولتاژ تشکیل شده است که یکی از آنها به روتور - - RSC و دیگري به شبکه - - GSC اتصال مییابد. مبدل طرف شبکه با فرکانس شبکه کار میکند. هدف کنترل این مبدل ثابت نگهداشتن ولتاژ لینک DC، اتصال میانی است. این کنترل از طریق مولفههاي d و q جریان انجام میشود. اما فرکانس مبدل طرف روتور با سرعت توربین تغیر میکند. هدف کنترل مبدل طرف روتور، کنترل گشتاور الکتریکی و جریان تحریک روتور است. جریان تحریک روتور با مولفه d جریان کنترل میشود.
.2 معادلات توربین بادي
DFIG ها امکان تزریق جریان سه فاز به سیمپیچی روتور را میدهند. این کار با مجموعهاي از حقلههاي لغزشی تحقق می یابد. برخلاف ماشین القایی قفس سنجابی، که در آن جریا هاي روتور با میدان مغناطیسی دوار جریان استاتور تولید می شود، DFIG گزینه ي دیگري براي ایجاد جریان مستقل در روتور دلخواه تأمین می کند. این درجهي آزادي اضافی میتواند براي کنترل توانهاي اکتیو و راکتیو در یک بازهي وسیعی از سرعت استفاده شود. معادلات توربین بادي به صورت زیر است:
.3 طرز کار DFIG
در ژنراتور القایی دو سو تغذیه نیروي مکانیکی در شفت ماشین تبدیل به نیروي الکتریکی می شود که با استفاده از سیم پیچهاي استاتور و روتور براي شبکه برق AC تهیه می شود. علاوه بر این، ماشین مانند یک ژنراتور سنکرون عمل می کند با سرعت سنکرونی - مانند سرعت درشفت ژنراتوري که باید براي تولید نیرو در فرکانس شبکه برقac ، بچرخد - که بتواند با فرکانس AC تغذیه جاري به سیم پیچ هاي روتور تنظیم شود . در ژنراتور سنکرون سه فاز، هنگامی که یک منبع خارجی نیروي مکانیکی - مانند یک محرك اصلی - باعث چرخش روتور ژنراتور می شود، میدان مغناطیسی استاتیک که با جریان DC تغذیه میشود، سیم پیچ روتور ژنراتور را در همان سرعت روتور می چرخاند.
که Fstator، فرکانس ولتاژهاي القا شده AC در سیم پیچ هاي استاتور ژنراتور القایی دو سو تغذیه است. Nrotor، سرعت ژنراتور القایی دو سو تغذیه است. Npoles، تعداد قطب هاي ژنراتور القایی دو سو تغذیه در هر فاز است. با استفاده از معادله - 5 - ، این امکان وجود دارد که مشخص شود، وقتی که در سرعت روتور ژنراتور - Nrotor - ، مساوي با سرعت سنکرون ژنراتور - - Ns است، فرکانس ولتاژهاي AC القا شده سیم پیچ هاي استاتور ژنراتور - Fstator - مساوي با فرکانس برق AC شبکه - Fnetwork - باشد. این بدان معنی است که میدان مغناطیسی دوار با عبور از سیم پیچ هاي استاتور ژنراتور نه تنها با توجه به چرخش روتور ژنراتور، بلکه با توجه به اثر چرخشی جریان AC تزریق شده به سیم پیچ هاي روتور ژنراتور می چرخد. بنابراین در یکDFIG، هردو سرعت چرخش روتور و فرکانس جریان سیم پیچهاي روتور براي تعیین سرعت چرخش میدان مغناطیسی موثر هستند و با عبورراز میان سیم پیچ هاي استاتور ولتاژ متناوب القاء شده در سیم پیچ هاي استاتور با فرکانس جریانAC تغذیه می شوند.
با در نظر گرفتن اصول عمل ژنراتورهاي القایی تغذیه دوسو تغذیه، به این ترتیب، زمانی که میدان مغناطیسی در روتور در همان جهت به عنوان روتور ژنراتور می چرخد، سرعت روتور و سرعت میدان روتور، میدان مغناطیسی متناسب با Frotor نیز اضافه می شود. برعکس، هنگامی که میدان مغناطیسی در روتور در جهت مخالف روتور ژنراتور میچرخد، سرعت روتور و سرعت میدان روتور، میدان مغناطیسی روتور از یکدیگرکم میشوند - شکل . - 1 بنابراین، ژنراتور القایی دو تغذیهاي به این نکته اشاره دارد، که ولتاژ استاتور از شبکه اعمال شده و ولتاژ روتور به وسیله کانورترهاي قدرت اعمال میشود، این سیستم اجازه بهرهبرداري در یک رنج تغییر سرعت وسیع را میدهد. کانورتر اختلاف بین سرعت مکانیکی و الکتریکی را به وسیله تزریق جریان با فرکانس متغییر جبران میکند.[5]
