بخشی از مقاله
چکیده
در دنیای امروزی با وجود منابع انرژی تجدید پذیر از جمله انرژی باد در سیستم های قدرت، ما را با مشکلات جدیدی روبرو ساخته است. یکی از این مشکلات، عملکرد توربین های بادی مجهز به ژنراتور القایی از دو سو تغذیه - 1 - DFIG در طی بروز اتصال کوتاه در شبکه قدرت می باشد اتصال کوتاه روی سیستم قدرت حتی اگر از محل توربین دور باشد باعث ایجاد افت ولتاژ در نقطه اتصال توربین بادی به شبکه می شود این امر باعث افزایش جریان در سیم پیچ های استاتور می شود و به خاطر کوپل مغناطیسی بین استاتور وروتور، این جریان در مدار روتور و مبدل الکترونیک قدرت نمایان می شود.
به همین علت در توربین های بادی مجهز به DFIG، هنگامی که یک حالت غیر عادی در ولتاژ شبکه شناسایی شود، از سیستم قدرت جدا می شوند . در این مقاله روشی جدید برای عملکرد بدون وقفه توربین بادی مجهز به DFIG در طی بروز اتصال کوتاه در شبکه با استفاده از جبران ساز راکتیو سنکرون STATCOM ارایه شده است سپس درستی روش با شبیه سازی سیستم قدرت نمونه در محیط MATLAB و مقایسه نتایج به دست آمده با سایر روش ها تأیید می شود.
-1مقدمه
امروزه نگرانی های جهانی در مورد آلودگی های زیست محیطی و کمبود انرژی های موجود باعث افزایش علاقه در استفاده از تکنولوژی منابع تجدید پذیر برای تولید انرژی شده است. در میان منابع انرژی تجدیدپذیر ، استفاده از انرژی باد به سرعت در آمریکا و اروپا رشد پیدا کرده است . مجموع ظرفیت نصب شده توربین های بادی تا پایان سال 2009 میلادی به بیش از 25000 مگاوات خواهد رسید . در اروپا تولید انرژی بادی در حدود 3/3 درصد از مصرف انرژی الکتریکی را تشکیل می دهد اما در بعضی از این کشورها سهم تأمین انرژی الکتریکی از انرژی باد بیشتر و به صورت زیر است: دانمارک 23درصد ، اسپانیا 8 درصد و آلمان 4/3 درصد.2 - VFC - امروزه انواع زیادی از سیستم های توربین بادی 1 - WTS - در بازار رقابت می کنند که آن ها را به دو گروه اصلی می توان تقسیم کرد.
گروه اول، توربین های بادی سرعت ثابت هستند که ژنراتور به طور مستقیم به شبکه متصل شده است در واقع هیج گونه کنترل الکتریکی برای این سیستم وجود ندارد به علاوه تغییرات سریع در میزان سرعت باد به سرعت روی بار القار می شود - به علت تغییرات توان - این تغییرات برای توربین بادی که به سبستم قدرت متصل است خوشایند نیست و باعث ایجاد فشار های مکانیکی روی توربین می شود و عمر توربین در آن سرعت بهینه کار می کند، از این رو توربین بادی سرعت ثابت اغلب خارج از عملکرد بهینه خود کار می کند و به طور معمول ماکزیمم توان از باد گرفته نمی شود.
گروه دوم، توربین بادی سرعت متغیر هستند. در این نوع ژنراتور به طور مستقیم به شبکه متصل نمی شوند. نوع سرعت متغیر توربین بادی قابلیت کنترل سرعت روتور را فراهم می کند این کار به ما اجازه می دهد تا توربین بادی نزدیک نقطه بهینه خود کار کند. بیشتر توربین های بادی با بازه توان بیشتر از 1/5 مگا وات از نوع سرعت متغیر می باشند. مزایای توربین سرعت متغیر نسبت به نوع سرعت ثابت به صورت زیر است:
1. تولید انرژی سالیانه افزایش می یابد چون سرعت توربین می تواند به عنوان تابعی از سرعت باد باری ماکزیمم کردن توان خروجی تنظیم شود.
2. تغییرات توان خروجی از شرایط لحظه ای در سیستم های مکانیکی و باد مجزا می شود.
3. کیفیت توان به علت کاهش نو سانات توان خروجی بهبود می یابد
4. سروصدا کاهش می یابد
5. پیچیدگی ها کنترل مکانیکی کاهش می یابد. چون ثابت زمانی کنترل مکانیکی در توربین های سرعت متغیر می تواند طولانی تر شود به خاطر آن که در این نوع توربین ها کنترل الکتریکی فراهم است و پاسخ آن بسیار سریع تر کنترل مکانیکی است از این رو نیاز کمتری به عملکرد سریع کنترل مکانیکی داریم. یکی از انواع توربین های سرعت متغیر ، توربین های بادی مجهز به ژنراتور القایی از دو سو تغذیه DFIG است. امروزه اکثر توربین های بادی به DFIG مجهز شده اند. در این نوع ژنراتور القایی روتور سیم پیچی از طریق استاتور به شبکه قدرت متصل می شود و روتور از طریق مبدل الکترونیک قدرت ac/dc/ac فرکانس متغیر با توان نامی در حدود 30-25 درصد توان نامی ژنراتور به شبکه قدرت متصل می شود.
VFC شامل مبدل طرف روتور 3 - RSC - و مبدل طرف شبکه 4 - GSC - است که به طور پشت به پشت از طریق یک خازن اتصال dc به هم متصل شده اند ایراد اصلی توربین های بادی سرعت متغیر به خصوص توربین هایی که به DFIG مجهز اند ، عملکرد آن ها در طی بروز اتصال کوتاه در شبکه است اتصال کوتاه روی سیتم قدرت حتی اگر از محل توربین بادی دور باشد باعث ایجاد افت ولتاژ در نقطه اتصال توربین بادی با شبکه قدرت می شود این امر باعث افزایش جریان در سیم پیچ استاتور می شود به خاطر کوپل مغناطیسی بین استاتور وروتور، این جریان در مدار روتور و مبدل الکترونیک قدرت دیده می شود. چون ظرفیت مبدل 30-25 در صد ظرفیت ژنراتور است.
این جریان منجر به آسیب دیدن مبدل می شود تا پنج سال پیش ، بیشتر اپراتور های شبکه نیاز نداشتند تا توربین های بادی در هنگام اتصال کوتاه، شبکه را تغذیه کنند و هنگامی که یک حالت غیر عادی در ولتاژ شبکه شناسایی می شد ، آن ها را از شبکه جدا می کردند . با افزایش ظرفیت انرژی بادی در سیستم قدرت در سال های اخیر و افزایش سهم آن ها در تأمین توان در سیستم قدرت از دست دادن ناگهانی و بزرگ توربین های بادی در طی بروز اتصال کوتاه در شبکه می تواند باعث خاموشی های وسیع و ناپایداری در سیستم قدرت شود.
در مرجع ، یک روش برای عملکرد بی وقفه در طی بروز اتصال کوتاه در شکبه برای توربین بادی مجهز به DFIG ارایه شده است . در این روش RSC در زمان اتصال کوتاه قفل می شود و مدار روتور از طریق یک مدار crow-bar اتصال کوتاه می شود. در این حالت DFIG تبدیل به ژنراتور القایی معمولی می شود و شروع به کشیدن توان راکتیو می کند توربین به عملکرد خود ادامه می دهد و GSC می تواند برای تأمین توان راکتیو کنترل شود هنگامیکه خطا رفع شد و ولتاژ و فرکانس در شبکه دوباره به حالت عادی بازگشت RSC شروع به کار کرده و سیستم توربین بادی به عملکرد نرمال خود باز میگردد در ارین روش اگر شبکه قدرتی که توربین بادی به آن متصل است ضعیف باشد GSC نمی تواند توان راکتیو کافی را هم برای شبکه وهم برای ژنراتور القایی تامین کند چون ظرفیت توانی آن 30-25 درصد توان نامی ژنراتور است.
این مسئله می تواند منجر به ناپایداری ولتاژ در باسی که توربین بادی به آن متصل است شود، درنتیجه RSC نمی تواند شروع به کار کند وتوربین بادی از شبکه قدرت جدا می ماند. در مرجع ، یک روش برای عملکرد بی وقفه DFIG در طی بروز اتصال کوتاه در شبکه قدرت ارایه شده است دراین روش با ایجاد یک مسیر کنار گذر در مدار روتور از طریق مقاومت ، جریان در روتور محدود می شود. به خاطر آن که ژنراتور و مبدل الکترونیک قدرت در این روش در طی بروز اتصال کوتاه به شبکه قدرت متصل می ماند، بهره برداری سنکرون در طی اتصال کوتاه و بعد از آن فراهم می باشدوعملکرد نرمال می تواند فوراً بعد ازرفع اتصلاً کوتاه ادامه یابد.
در مرجع از یک کنترلر غیر خطی باری محود کردن اضافه جریان در مدار روتوراستفاده شده است در این روش نشان داده شده است که به خاطر ضعف در نقطه بهره برداری کنترلر تناسبی انتگرالی - PI - به کار رفته در مبدل های الکترونیک قدرت جریان در مبدل الکترونیک قدرت سمت روتور - RSC - در هنگام بروز اتصال کوتاه در شبکه قدرت از مقدار مجاز خود تجاوز می کند . سپس یک کنترلر غیر خطی طراحی می کند که نشان می دهد جریان مبدل حتی در سطح ولتاژ پایین روی مقدار مجاز خود باقی می ماند.
