بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله چگونگی ساخت یک امولاتور پیشرفته به منظور شبیه سازي مشخصه هاي استاتیکی و دینامیکی یک سیستم تبدیل انرژي بادي را تشریح مینماید. این سیستم شامل یک موتور dc سه کیلوواتی میباشد که توربین بادي را شبیه سازي مینماید و یک ژنراتور سنکرون را به حرکت در میآورد.مدل پیادهسازي شده در محیط MATLAB/Simulink،پروفایل باد را تامین و گشتاور خروجی یک توربین بادي را بااستفاده از مشخصه هاي دینامیکی یک توربین بادي واقعی محاسبه مینماید. این مشخصهها به منظور دستیابی به نتایج دقیق تر جبران سازي شده اند. گشتاور محاسبه شده با کنترل حلقه بسته جریان آرمیچر و از طریق یک مبدل یکسوساز تکفاز نیمه کنترل شده بر روي محور موتور dc پیادهسازي میگردد. همچنین، کارایی سیستم ارائه شده به کمک برخی ایده هاي جدید پیشنهادي افزایش یافته است. این مقاله گزارشی از اصول عملکرد، تحلیل تئوري، نحوه ساخت و نتایج حاصل از آزمایش هاي مختلف بر روي امولاتور ساخته شده میباشد.
واژههاي کلیدي: توربین بادي، امولاتور، گشتاور نوسانی، جبرانسازي اینرسی، پهناي باند شبیه سازي، تخمین گشتاور دینامیکی
-1 مقدمه
در سالهاي اخیر در زمینه تکنولوژي باد ایده نوین بکارگیري امولاتورهاي توربین بادي - 1 - WTE کانون توجه بوده است. این امولاتورها براي مطالعه پدیده هاي حالت ماندگار و دینامیکی مرتبط با سیستم تبدیل انرژي بادي در یک محیط کنترل شده بدون وابستگی به منابع طبیعی باد و توربین هاي بادي واقعی مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین این امولاتورها میتوانند به عنوان یک ابزار آموزشی براي یادگیري رفتار، عملکرد و کنترل توربین بادي بکارگرفته شوند. در چند سال گذشته مطالعات گوناگونی بر روي امولاتورهاي توربین بادي صورت گرفته است. در کار مراجع [3-1] موتورهاي dc با تحریک جداگانه، کنترل شده با جریان آرمیچر مورد استفاده قرار گرفته اند.
مرجع [1] یک امولاتورتوربین بادي با استفاده از معادله گشتاور الکترومغناطیسی ماشین dc ارائه نموده است. در این روش جریان هاي میدان و آرمیچر به گونه اي کنترل می شوند که ماشین dc مشخصه هاي استاتیکی یک توربین بادي با زاویه پره هاي ثابت را ایجاد نماید. در مرجع [4] از یک موتور dc کنترل شده توسط میکروپروسسور براي تامین گشتاور محور استفاده گردیده است. این امولاتور تنها رفتار حالت ماندگار یک توربین بادي واقعی را پوشش می دهد. در این مطالعات، تاثیر سایه برج1 واینرسی بسیار بزرگتر توربین نسبت به اینرسی محور موتور dcمنظور نگردیده اند .[5]
در مرجع [6] براي نخستین بار موتورالقایی کنترل شده با اینورتر IGBT به عنوان امولاتور توربین بادي مورد استفاده واقع شده است. مقادیر جریان آرمیچر و فرکانس به گونه اي کنترل می گردند که محور ماشین القایی مشخصه هاي حالت ماندگار یک توربین بادي با زاویه پره هاي ثابت را ایجاد نماید. به منظور انجام یک مطالعه دقیق بر روي رفتار توربین بادي درنظرگرفتن اثر سایه برج و اینرسی بسیار بزرگ توربین الزامی است. براي نخستین بار اثر سایه برج توربین بادي به مدلسازي ارائه شده در [7] اضافه گردید. امولاتور، گشتاور متوسط و گشتاور نوسانی توربین ناشی از اثر سایه برج را بدون در نظرگرفتن اثر اینرسی بزرگ توربین تولید می نماید.
مرجع [8] نوسانات گشتاور ناشی از سایه برج و نوسانات ناشی از تغییرات سرعت باد را مدلسازي نموده است اما در لحاظ کردن تاثیرات دینامیکی اینرسی بزرگ توربین که در سیستم هاي واقعی ملاحظه می گردد ناموفق بوده است. همچنین مدل ارائه شده آنها نیازمند اندازه گیري گشتاور براي تعیین میزان جبران سازي مورد نیاز براي شبیه سازي گشتاور محور توربین بادي می باشد. بعلاوه مشخصه هاي حالت ماندگار توربین واقعی آنگونه که درچکیده ادعا شده بود حاصل نشده است. در [9] اگر چه تاثیرات دینامیکی سایه برج و اینرسی بزرگ توربین مدلسازي شده است، لیکن اثر نسبت تبدیل جعبه دنده بر روي اینرسی و گشتاور مورد غفلت قرار گرفته است؛ به عبارت دیگر نسبت تبدیل جعبه دنده واحد فرض شده که در عمل رخ نمیدهد.
موتور dc مغناطیس دائم در مرجع [10] مورد استفاده قرار گرفته است. مقاله مذکور یک مدل بهبود یافته ارائه می نماید که گشتاور نوسانی ناشی از تاثیرات گرادیان باد و سایه برج و اینرسی سیستم مکانیکی توربین بادي را لحاظ می نماید. مدل مکانیکی محور یک توربین بادي واقعی بطور مشخصی نسبت به سیستم امولاتور که در آن محور توربین بادي واقعی با محور توربین dc جایگزین شده است متفاوت می باشد. بدیهی است که این دو سیستم در ضرائب اصطکاك و الاستیسیته با یکدیگر اختلاف دارند. لذا معادلات دینامیکی ارائه شده در [10] براي محور گردان نه تنها دقت دینامیکی امولاتور را بهبود نمی بخشد بلکه ممکن است به نتایج بسیاربدتري نسبت به حالت صرفه نظرکردن از اصطکاك والاستیسیته منجر گردد.
از طرف دیگر مدلسازي الاستیسیتهمحور توربین با فرض وجود یک کوپلینگ صلب میان ژنراتور و موتور فاقد هرگونه مزیت می باشد. همچنین اثر اینرسی بزرگ توربین بطور شفاف در معادلات دینامیکی امولاتور ارائه نشده است. مقالات اخیر نیز، که از موتور [11] dc و یا ac[12] بهره می برند، بدون توجه به مسائل دینامیکی ذکر شده،تنها به دنبال ایده هاي جدیدي براي کنترل نیروي محور موتوربراي تحقق مشخصات حالت دایم توربین بادي هستند.امولاتور توربین بادي توصیف شده در این مقاله درنظر دارد تا رفتار دینامیکی روتور توربین بادي، محور مکانیکی و جعبه دنده را در شرایط دینامیکی باز تولید نماید. تنظیم مرجع گشتاور تولیدي شامل تاثیرات گرادیان باد و سایه برج بوده که نتیجه آن گشتاور نوسانی است. بعلاوه اثر اینرسی بزرگ محور توربین بگونه موثري مدلسازي شده است.
رفتار حالتماندگار یک توربین بادي واقعی نظیر مشخصههاي وPm-n بصورت قابل ملاحظه اي با توربین هاي بادي واقعیمطابقت دارند. امولاتور معرفی شده در این مقاله شامل
چندین بخش مهم میباشد. این بخشها عبارتند از: مدلسرعت متغیر باد، مدل اینرسی توربین، مدل گرادیان باد، مدل سایه برج و مشخصه هاي حالت ماندگار. یکی از مهمتریناهداف این مقاله ارائه راهی ساده براي توصیف رفتارهاي یک توربین بادي واقعی شامل نوسانات گشتاور ناشی از گرادیان باد و سایه برج، نوسانات ناشی از سرعت متغیر باد و آثاردینامیکی اینرسی بزرگ توربین براي مهندسین برق و محققین علاقمند میباشد. براي این منظور از نرم افزار MATLAB/Simulink که شامل تمامی بلوك هاي مورد نیاز با جزئیات ضروري جهت مدلسازي دینامیکی یک توربین بادي واقعی میباشد، به همراه جعبه ابزارWindows Target که ابزارهاي کافی جهت تبادل دادهها با واسطه سخت افزاري را فراهم می نماید، بهره گیري شدهاست.
-2 تصویر کلی امولاتور
امولاتور توربین بادي نماینده یک سیستم مبدل انرژيبادي - توربین بادي - نظیر شکل - 1 - میباشد. سیستم آزمایشگاهی با جایگزین نمودن باد، پره ها، جعبه دنده و روتور توربین با کامپیوتر، مبدل ac به dc - درایو - dc و موتور dc، بصورت نشان داده شده در شکل - 2 - پیادهسازي گردیده است. برنامه کامپیوتري پیادهسازي شده در محیط Matlab/Simulink با استفاده از مدل گرادیان باد، مدل سایه برج، مدل اینرسی بزرگ توربین، مشخصه هاي حالت ماندگارتوربین تحت مطالعه و مدل باد متغیر، سیستم مبدل توان dc را به منظور شبیه سازي گشتاور واقعی توربین بادي کنترل مینماید. در چند زیر بخش آتی مدلهاي مذکور به همراه اجزا سخت افزار کامپیوتري و اجزاي محرکه dc و روش کنترلی مورد استفاده بطور خلاصه تشریح میگردد.
-1-2 گشتاور نوسانی
به منظور افزایش قابلیت اطمینان و پرهیز از تاخیر زمانی تجهیزات اندازه گیري گشتاور و همچنین کاهش هزینه، گشتاور موتور dc تخمین زده میشود. با توجه به اینکه این گشتاور از روي جریان موتور dc محاسبه میگردد، جهت افزایش دقت محاسبات گشتاور، تلفات موتور dc نظیر تلفات مسی و چرخشی به قدرت محاسبه شده پروفیل باد، مطابق با شکل - 3 - افزوده میشود. نوسانات گشتاور و متعاقباً نوسانات توان، از تغییرات متناوب - دوره اي - سرعت باد در ارتفاع هاي مختلف ناشی میشود. نوسان گشتاور و توان به دلیل مواجهه هر پره در یک چرخش کامل با سرعتهاي متفاوت باد بوجودمیآید.
به عنوان نمونه یک پره که به سمت بالا حرکت میکند، نسبت به یک پره که به سمت پائین حرکت مینماید،با بادهاي سریعتري برخورد مینماید. در هر دوران به علتعبور سه پره از مینیمم و ماکزیمم باد، گشتاور سه مرتبه دچارنوسان میگردد. براي تعیین ساختارهاي کنترلی و مسائل کیفیت توان، گشتاور دینامیکی پره هاي یک توربین بادي میبایست تعیین گردد. لذا مدلسازي گرادیان باد و سایه برج که نوسانات 1P و 3P را سبب میگردند براي یک امولاتور توربین باد مناسب بسیار داراي اهمیت بوده و بصورت رابطه
- 1 - بیان میگردد :[10]
که در رابطه فوق A1=0.2، A3=0.4 بوده و Tmill و Tmech بهترتیب گشتاور متوسط و ایرودینامیک توربین بادي می باشند.توان و گشتاور متوسط حاصل از یک توربین بادي تابعی از سرعت باد - - u، سرعت چرخشی محور - - ωmill، نسبت سرعت نوك پره - - λ، ضرائب توان و گشتاور - Cp & Cq - بصورت روابط - 2 - و - 3 - میباشند:
