بخشی از مقاله
چکیده
رشد آینده تولید توان الکتریکی به ترکیبی از تکنولوژیها شامل سوختهای فسیلی،آبی، هستهای، باد و خورشیدی نیاز دارد. به دلیل معایب سوختهای فسیلی و همچنین رو به اتمام رفتن آنها، بایستی سهم انرژیهای تجدیدپذیر در تولید کلی توان الکتریکی افزایش یابد. به دلیل اهمیت موضوع کنترل سیستمهای تولید توان از باد، در این مقاله نیروگاه بادی را با کنترل مناسب بهبود بخشیدهایم. در واقع، طرحی مؤثر و کارآمد برای افزایش قابلیت گذر از شرایط خطا - LVRT - برای ژنراتور سنکرون آهن ربای دائم - PMSG - همراه با سیستم توربین بادی تحت شرایط خطا ارائه میدهد. به منظور جلوگیری از افزایش ولتاژ dc از مقدار نامی، یک طرح کنترل ولتاژ لینک dc ارائه میشود. در این طرح، مبدل سمت ژنرانور از یک حلقه بسته مضاعف، یعنی حلقه جریان استاتور داخلی و حلقه ولتاژ لینک dc خارجی استفاده میکند. مبدل سمت شبکه همچنین دو حلقه بنامهای حلقه جریان شبکه داخلی و حلقه سرعت ژنراتور خارجی دارد. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که روش کنترل جدید میتواند قابلیت LVRT را بهبود بخشد. شبیهسازی در سیمولینک متلب انجام شده است.
واژههای کلیدی :ژنراتور سنکرون آهنربای دائم، LVRT ، تولید توان، منابع انرژی تجدیدپذیر، توربین بادی
-1 مقدمه
در سالهای اخیر با توجه به افزایش نگرانیها در مورد آلودگی هوا و همچنین بحران انرژیهای فسیلی و گران شدن روزافزون نفت و مشتقات آن، استفاده از انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژی مطرح در بسیاری از کشورهای جهان رو به فزونی گذاشته است .[1] استفاده وسیع از توربینهای بادی در شبکههای قدرت موجب میشود که این توربینها نقش اساسی و تعیین کنندهای در شبکه قدرت داشته باشند.[2] روند یکپارچهسازی توربین بادی منجر به افزایش سطح جریان خطا و کاهش ولتاژ در ترمینالهای ژنراتورهای توربین بادی میشود که ممکن است منجر به قطع سیستم توربین بادی گردد و در نتیجه روی پایداری سیستم قدرت در حین وقوع خطا و بعد از آن اثر میگذارد .[3] در صنعت تولید برق، LVRT یکی از مهمترین الزامات شبکه دارای توربین بادی میباشد که میتواند کار پشتیبانی ولتاژ شبکه را انجام دهد .[4] شکل 1، مثالی عملی از منحنی LVRT برای سیستم توربین بادی متصل به شبکه را نشان میدهد :[5]
براساس این شکل، اگر ولتاژ در سطحی بزرگتر از %20 مقدار نامی در پریود کمتر از 0,5 ثانیه باشد، سیستم توربین بادی باید متصل به شبکه باقی بماند. سیستم توربین بادی فقط زمانی مجاز به قطع شدن از شبکه هستند که پروفیل ولتاژ در ناحیه B باشد. سیستمهای ذخیرهساز انرژی [6] - ESS - ، برشدهنده ترمزی [7] - BC - ، ادوات فکتس [8] و چندین روش دیگر [9] روشهای مورد استفاده با استفاده از ابزار خارجی هستند. کنترل زاویه گام [10] و کنترلکنندههای کانورتر پشت به پشت [11] روشهایی براساس کنترلکننده اصلاحیافته هستند. دسته بندی اصلی روشهای ارتقا LVRT برای توربینهای بادی با ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم بصورت شکل 2 است.
روش مورد استفاده در این مقاله، استفاده از کنترلکنندههای کانورتر پشت به پشت اصلاح یافته میباشد. در واقع رابط الکترونیک قدرت بین ژنراتور و شبکه میتواند برای افزایش ظرفیت LVRT بکار گرفته شود. در روشهای قدیمی، ولتاژ لینک dc با کانورتر سمت شبکه کنترل شده و MPPT با کانورتر سمت ژنراتور انجام میشود. در مرجع [12]، میکائیل ساختار کنترلی را مطرح کرد که در آن ولتاژ لینک dc با کانورتر سمت ژنراتور کنترل می-گردد و MPPT با کانورتر سمت شبکه ارتقا مییابد. در این روش، وقتی در شبکه افت ولتاژ اتفاق میافتد و ولتاژ لینک dc از مقدار نامیش تغییر میکند، تولید توان در PMSG کاهش مییابد و در نتیجه کاهش توان ورودی به لینک dc را به همراه دارد. بنابراین ولتاژ لینک dc ثابت باقی میماند .[13] چون توان ژنراتور با اینورتر سمت شبکه کنترل میشود، جریان اکتیو میتواند محدود شود و جریان راکتیو به شبکه تزریق گردد. در این روش، قسمتهای مکانیکی توربین بادی با افزایش سرعت چرخش، اقدام به ذخیرهسازی انرژی میکند.
در این مقاله دو موضوع پررنگتر است. موضوع اول، انتخاب ساختار و اجزای سیستم تولید توان بادی با توان بالا از جمله ژنراتور و مبدل میباشد و موضوع دوم، مسئله انتخاب سیستم کنترل مناسب است که با دینامیک بالا بتواند اهداف سیستم تولید توان بادی با ساختار پیشنهادی را برآورده کند. به منظور جلوگیری از افزایش ولتاژ dc از مقدار نامی، یک طرح کنترل ولتاژ لینک dc ارائه میشود. در این طرح، مبدل سمت ژنرانور از یک حلقه بسته مضاعف، یعنی حلقه جریان استاتور داخلی و حلقه ولتاژ لینک dc خارجی استفاده میکند. مبدل سمت شبکه همچنین دو حلقه بنامهای حلقه جریان شبکه داخلی و حلقه سرعت ژنراتور خارجی دارد. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که روش کنترل جدید میتواند قابلیت LVRT را بهبود بخشد.
-2 مدل ریاضی ژنراتور سنکرون با آهنربای دائم و توصیف سیستم توربین بادی
ماشینهای سنکرون ماشینهایی هستند که در سرعتی ثابت، که قیقاًد سنکرون با فرکانس خط تغذیه است، کار میکنند. ژنراتور سنکرون آهن ربای دائم ژنراتوری است که در آن میدان تحریک به جای سیم پیچی، مغناطیس دائم است. معادلات دیفرانسیل حاکم که رفتار دینامیکی ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم را توصیف میکنند را می توان به صورت زیر نوشت :[14] یک توربین بادی با سرعت متغیر با ژنراتور سنکرون آهنربای دائم با مبدل PWM پشت به پشت، یک سیستم الکتریکی پیچیده است که شامل توربین بادی، ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم، مبدل سمت ژنراتور و مبدل سمت شبکه میشود که ساختاری به شکل زیر دارد:
