بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به افزایش تقاضای انرژی الکتریکی استفاده از منابع تجدیدپذیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله سیستم تبدیل انرژی باد مدنظر قرار میگیرد. استفاده از مبدلهای الکترونیک قدرت برای اتصال این سیستم به بار ضروری میباشد. مبدلهای الکترونیک قدرت مورد استفاده در این سیستم هیبریدی مبدلهای dc-dc و اینورترها هستند. اینورترهای براساس منابع امپدانسی بهعنوان یک مبدل تک-مرحلهای وظایف مبدل dc-dc و اینورتر را به صورت همزمان انجام میدهند. در این مقاله از یک اینورتر شبه منبع امپدانس پنج سطحه برای تغذیهبار خانگی توسط توان باد استفاده میشود که در آن باتری سیستم تبدیل انرژی باد مستقیماً به یکی از خازنهای شبکهی شبه امپدانسی متصل میگردد. نتایج شبیهسازی در محیط شبیهساز نرمافزار متلب توانایی سیستم پیشنهادی را برای تغذیه بار نمونه اثبات میکند.
کلید واژه - توربین بادی کوچک، اینورتر شبه منبع امپدانس، سلف تزویج، بار خانگی
-1 مقدمه
امروزه تقاضا برای مصرف انرژی الکتریکی با رشد قابل ملاحظهای همراه شده است. بنابراین، با توجه به محدود بودن منابع سوختهای فسیلی و چرخهی برگشت ناپذیر آنها، نیاز به استفاده از منابع پشتیبان بیشتر احساس میشود. منابع تجدیدپذیر گزینهی مناسبی برای رفع این نیاز محسوب میشوند .[2-1] این منابع انرژی رایگان به علت ماهیت مطابق با محیط زیست، بسیار سودمند هستند. معمولترین منابع تجدیدپذیر، انرژی بادی است که در کشور ما نیز شرایط بهرهبرداری از آن فراهم میباشد. در این سیستمها، ژنراتورهای سنکرون در سیستمهای تبدیل انرژی باد سرعت متغیر، بستر توجهات فراوان گردیده است. استفاده از ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم در سیستمهای تبدیل انرژی باد، موجبات کاهش هزینههای نصب و نگهداری را فراهم مینماید .[3]
علاوه بر توربوژنراتور بادی که حضور آنها در سیستمهای تبدیل انرژی باد انکارناپذیر است، از مهمترین اجزای تشکیل-دهندهی آنها میتوان به مبدلهای dc-dc، اینورترها و باتریها اشاره کرد. یکسوساز دیودی نیز به عنوان مبدل ac-dc غیرقابل کنترل در سیستم بادی بهکار میرود. این یکسوساز به خروجی ژنراتور متصل میگردد و به دلیل ماهیت تناوبی توان سیستمبادی استفاده از آن الزامی است. غیر قابل کنترل بودن این یکسوساز توسط مبدل dc-dc متصل به آن جبران میگردد. معمولترین مبدل dc-dc در سیستمهای تبدیل انرژی باد، چاپر افزاینده است []،3 ولی اخیراً استفاده از شبکهی امپدانسی به عنوان جایگزینی برای چاپر افزاینده معرفی شده است.
مبدل منبع امپدانس که برای اولین بار در سال 2003 توسط آقای Z. Peng ارائه شده است. از یک شبکهی امپدانسی برای اتصال به مدار قدرت بهره میگیرد .[4] عمدهترین مزایای مبدل منبع امپدانس، وجود امکان پالسدهی همزمان کلیدهای روی یک ستون، حذف زمان مرده و کاهش اعوجاج هارمونیکی، قابلیت اطمینان و بازدهی بالا میباشد .[5] به دنبال آن، مبدل شبه منبع امپدانس در سال 2008 ارائه شده است. این مبدل علاوه بر دارا بودن خاصیتهای مبدل منبع امپدانس معمولی، دارای ویژگیهایی چون ثبات جریان ورودی و کاهش ولتاژ یکی از خازنهای شبکهی امپدانسی میباشد .[6] مبدل منبع امپدانس ترانسفورمری، که در سال 2011 پیشنهاد شده است، از ترانسفورمر به عنوان جایگزینی برای سلف استفاده میکند. در این مبدل، علاوه بر کاهش تعداد خازنها به یک، قابلیت بالای افزایندگی ولتاژ وجود دارد .[7]
پس از آن، مبدل منبع امپدانسدر سال 2013 ارائه شده است. این ساختار دارای تجهیزات کم و قابلیت افزایش ضریب افزایندگی به دلیل وجود ترانسفورمر درساختار آن میباشد .[8] مرجع [9] مبدل منبع Y را در سال 2014 ارائه کرده است. در این ساختار قابلیت افزایش بالای بهره ولتاژ با زمان اتصال کوتاه کم فراهم میباشد. این مزیت با به کارگیری ترانسفورمر سه سیمپیچه حاصل میشود.در این مقاله ساختار جدیدی برای سیستم تبدیل انرژی باد براساس مبدل شبه منبع امپدانسی ارائه میشود. از این ساختار میتوان برای تغذیه بار خانگی توسط سیستم بادی کوچک استفاده نمود. نتایج شبیهسازی عملکرد مناسب این ساختار را برای تغذیه یک بار خانگی اثبات میکند.
-2 توربین بادی
بادی را در سرعتهای مختلف باد نمایش میدهد. از شکل مذکور مشخص است که حداکثر توان، بسته به میزان سرعت باد، در سرعتهای مختلف روتور رخ میدهد.توان خروجی توربین بادی مطابق رابطهی زیر میباشد : - 1 -
که در آن سطح جاروب شده توسط پره ها، چگالی هوا، سرعت باد و ضریب توان توربین میباشد. ضریب توان توربین بیانگر بازده و کارایی توربین است و به - زاویهی پیچ توربین - و - نسبت سرعت نوک پره ها - وابسته است:
و از رابطهی زیر قابل محاسبه است :[10]
که سرعت مکانیکی روتور و شعاع پرهها میباشد. برای هر زاویهی ، حداکثر ضریب تواندر یک ثابت رخ میدهد که آن را با نام نسبت سرعت نوک بهینهی پره میشناسند. مطابق رابطهی - 3 - ، سرعت بهینهی روتور ، که حداکثر توان توربین را فراهم میکند، از رابطهی زیربه دست میآید: - 4 -
از اینرو با کنترل سرعت روتور، توان خروجی ژنراتور کنترل می-شود .[10]شکل - 1 - رابطهی بین سرعت روتور و توان خروجی توربین
-3 مبدل منبع امپدانس
مبدل شبه منبع امپدانس در دو مد کار میکند: حالت اتصال کوتاه - ST - و حالت غیر اتصال کوتاه . - non ST - در واقع شبکه-ی شبه امپدانسی در حالت اتصال کوتاه انرژی را در خود ذخیره میکند و در حالت غیر اتصال کوتاه به شبکه یا بار تحویل می-دهد . مدار قدرت مبدل شبه منبع امپدانس در شکل - 2 - نمایش داده شده است .[6]برای این مبدل، در حالت اتصال کوتاه، شبکهی شبه امپدانسی اتصال کوتاه شده و دیود خاموش میشود. بنابراین:
- 5 - در حالت غیر اتصال کوتاه نیز دیود روشن شده و روابط حاکم برمدار به صورت زیر بهدست میآید: - 6 -
با در نظر گرفتن میانگین صفر برای ولتاژ هر دو سلف موجود در مدار در حالت دائم، مقادیر ولتاژ خازنها قابل محاسبه است:
همچنین، دامنهی ولتاژ خروجی شبکهی شبه امپدانسی و ضریب افزایندگی به صورت زیر است:
-4 ساختار ارائه شده برای تغذیهی بار خانگی توسط توربین بادی کوچک
شکل - 3 - نمای ساختار ارائه شده برای تغذیهی بار خانگی توسط توربین بادی کوچک را نمایش میدهد. اینورتر استفاده شده در این ساختار، اینورتر شبه منبع امپدانس پنجسطحه با سلفهای تزویج میباشد.
همچنین، با توجه به شکل - 4 - داریم:
مطابق روابط فوق و با فرض، رابطهی زیر قابل محاسبه است:
با توجه به شکل - 4 - و رابطهی - 14 - ولتاژ بار به صورت زیر به-دست میآید:
