بخشی از مقاله
چکیده:
استفاده وسیع از توربینهای باد برای تولید انرژی الکتریکی در حجمهای بالا و نو بودن این تحقیقات در سطح مراکز علمی تحقیقاتی جهان و توجه داخلی به آینده این صنعت، موجب شد که برای این تحقیق موضوعی در این زمینه انتخاب شود. از میان موارد مختلفی که قابل بررسی بود مانند باد، توربین، ژنراتور، اتصال به شبکه، مزارع باد و موارد دیگر، بررسی نوع بسیار جدید ژنراتورهای القایی تغذیه دوگانه متصل به توربین باد که امروزه در صدر تحقیقات قرار دارد انتخاب شد تا به تفصیل مورد بررسی قرار بگیرد.
این ماشین در تحقیقات داخل کشور تابهحال بررسی نشده است اما در سطح جهان این بررسیها چند سالی است که شروع شده و همچنان ادامه دارد و تقریباً به نقطه مطلوبی از نظر مدلسازی ریاضی رسیده است. در مورد کنترلکنندهها نیز تحقیقات انجام گرفته تنها بر روی کنترلکننده-های تناسبی انتگرالی معمولی بود و آخرین کار انجام شده از یک کنترل کننده تطبیقی چند پله استفاده کرده بود.
با توجه به غیرخطی بودن منحنی عملکرد بهینه توربین باد و غیرخطی بودن ماشین القایی، حدس زده شد که استفاده از کنترلکننده فازی نتیجه بسیار بهتری خواهد داشت. مسیر تحقیقات مطابق با طرح پیشنهادی انجام گرفته است. بدین صورت که در فصل اول مفصلاً باد و سیستم تبدیل انرژی باد به انرژی الکتریکی مرور شده است و منحنی عملکرد بهینه توربین باد و سناریوی کنترل آن مشخص شده است.
.1مقدمه:
منابع انرژی های سنتی، سوخت های فسیلی و برق حاصل از شکافت هسته ای و انرژی آبی - بزرگ - - نیروگاه های برق آبی - عملاً بر تصویر عرضه انرژی جهان تسلط دارند. دیگر منابع انرژی هنوز به مقدار کافی توسعه پیدا نکرده اند. در بین این انرژی ها گروهی از انرژی ها هستند که به آنها عنوان انرژ های نوین و تجدید پذیر داده شده است.
انرژی باد نظیر سایر منابع انرژی تجدیدپدیر، بطور گسترده ولی پراکنده در دسترس می باشد. قبل از انقلاب صنعتی بعنوان یک منبع انرژی به میزان زیاد مورد بهره برداری قرار می گیرفت ولی انقلاب صنعتی سوخت های فسیلی به دلیلی ارزانی و قابلیت اطمینان بالا جایگزین انرژی باد شدند. با این وجود بحران نفتی باعث ایجاد تمایلات جدیدی در زمینه تکنولوژی انرژی باد جهت تولید برق منصل به شبکه، پمپاژ آب و تأمین انرژی الکتریکی نواحی دورافتاده گردید.
در سالهای اخیر مشکلات زیست محیطی و مسأله تغییر آب و هوای کرده زمین به علت استفاده از منابع انرژی متعارف این علایق را تشدید کرده است. همچنین اخیراً مشخص شده که توربین های بادی بخصوص در ابعاد بزرگ و تعداد زیاد در اماکنی که چشم انداز از اهمیت زیادی برخوردار است، باعث بهم خوردن شدید منظره می شوند. گاه صدای آنها نیز مسأله ساز است.
اولین آسیای بادی جهت تولید الکتریسیته در سال 1890برای کارهای روستایی و کشاورزی در آمریکا ساخته شد، در همین زمان در دانمارک فردی به نام پروفسور لاکور - La Cour - یک آزمایشگاه تحقیقاتی تاسیس نمود و تا زمان مرگ خود به سال 1907به تحقیقاتی در این زمینه پرداخت. آسیای او روتوری به قطر 22/8متر و پرههایی به عرض 2/5متر داشته و دو دینام به قدرت 9 kW را تغذیه مینمود. [1]امروزه با توجه به پیشرفتهای صورت گرفته در این زمینه انواع و اقسام توربینها در اندازههای از چندین کیلووات تا چند مگاوات ساخته شده و مورد بهرهبرداری قرار میگیرند.
اصولا توربینها به سه دسته کوچک، متوسط و بزرگ تقسیم میشوند که به ترتیب در اندازههای کمتر از 25کیلووات، 25کیلووات، تا 150کیلووات، و از 150کیلووات، تا بیش از2 مگاوات بصورت متصل یا جدا از شبکه در حال کار میباشند. قطر بهینه روتورها بین 60تا 100متر بوده، توان بهینه آنها نیز بین 1تا 3مگاوات و طول عمر متوسط توربینها نیز بین 20تا 30سال محاسبه شدهاست.
به لطف تحقیقات فراوان به عمل آمده در زمینه ساخت نیروگاههای بادی هزینه ساخت این نیروگاهها از 2000 تا 3000 $/kW در سال 1980 به کمتر از 500 $/kW در آغاز قرن بیستویکم و هزینه تولید آنها نیز از تا 40 cent/kWh در سال 1980 به کمتر از 4 cent/kWh کاهش یافته است. [1] همچنین برای تعمیر و نگهداری آنها نیز رقمی حدود 1 cent/kWh میباشد.[1] از جمله دلایل کاهش این هزینهها میتوان به استفاده از کامپوزیتهای مقاوم و ارزان قیمت جهت ساخت توربینهای بزرگ، کاهش قیمت ادوات الکترونیک قدرت، استفاده از ژنراتورهای دور متغیر جهت استفاده از حداکثر توان باد، افزایش ضریب دسترسی واقتصادیتر شدن این نیروگاهها با افزایش ×اندازه آنها و ... نام برد. [1]
-2 طراحی سیستم WTDFIG به روش کنترل مستقیم گشتاور کنترل
در این مقاله سیستم کنترل ژنراتور القایی تغذیه دوگانه را هنگام اتصال به توربین باد برای جذب حداکثر توان و پرهیز از شرایط نامطلوب عملکردی طراحی و شبیهسازی خواهیم کرد. سیستم کنترلی مورد نظر مطابق روش کنترل مستقیم گشتاور طراحی شده است. کنترلکنندهها نیز ابتدا کنترل-و در انتها کنترلکننده فازی با یکدیگر - PI - کنندههای تناسبی انتگرالی مقایسه میشود در این قسمت این روش کنترلی روی یک نمونه عددی شبیه-×سازی میشود.
در سناریوی کنترل انتخابی، زاویه پره-شکل 3 ها سه ناحیه مختلف را دارند. ابتدا ناحیهای که به آن ناحیه حداکثر توان گفته میشود و سرعت وزش باد بین سرعت قطع پایین و سرعت نامی است. در این محدوده مطلوب آن است که زاویه پرهها صفر باشد تا بیشترین توان از باد جذب شود. در این محدوده میزان سیگنال فرمان توان نیز متناسب با سرعت وزش باد بر حسب پریونیت است.
ناحیه عملکردی دوم، سرعتهای پایینتر از سرعت قطع پایین است. پیش از این نیز توضیح دادیم که به علت راهاندازی بسیار بدرفتار ماشین القایی بهتر است که وقتی سرعت باد از سرعت قطع پایین کمتر میشود برای مدتی - مثلاً چند دقیقه - توربین همچنان در سرعت حداقل گردش کند و اگر بعد از این مدت باز هم سرعت باد کافی نبود توربین متوقف شود. در این زمان میانی لازم است که گشتاوری به توربین وارد نشود به همین علت زاویه پرهها باید به گونهای ×تغییر کند که توان قابل جذب از باد صفر شود.
اما در بالاتر از سرعت نامی، مفصلاً بحث کردیم که مطلوب ثابت ماندن سرعت دوران و گشتاور الکترومغناطیسی است. اما برای آنکه این امر ممکن شود لازم است که زاویه پرهها افزایش یابد تا توان قابل جذب از باد با افزایش آنچه در مورد کنترل زاویه پرهها اهمیت و تازگی دارد، در نظر گرفتن محدودیت تغییرات زاویه و همچنین محدودیت سرعت تغییرات زاویه پره-هاست که در این مقاله لحاظ شده است. حال به بررسی روش کلید زنی مورد ×نظر رسیده باید روش مورد نظر اتخاذ شود.
حلقه کنترل شار رتور است. پیش از این توضیح دادیم که کنترل شکل 1 شار و تنظیم آن در حداکثر مقدار ممکن آن مستقیماً بر افزایش سرعت پاسخ گشتاور اثر دارد پس وجود این حلقه کنترل ضروری است. از طرف دیگر به جهت تغییر تغذیه رتور، شار استاتور چندان تغییر نخواهد کرد به همین خاطر کنترل شار رتور اولویت دارد. میزان مطلوب شار در واحد مبنا 1 پریونیت است - رابطه - 1 و در در این سیستم توسط کنترل دامنه ولتاژ تغذیه ×رتور کنترل میشود.
حلقه کنترل سرعت گشتاور است. با افزودن حلقه کنترل سرعت شکل 2 پاسخ سیستم کنترلی افزایش یافته و اطمینان عملکرد آن نیز تضمین می-شود. در این حلقه کنترلی استفاده از کنترلکننده انتگرالی مناسب بعلت تضعیف پاسخ گذرا مناسب نیست. در ضمن به خطا با وجود انتگرالگیر حلقه کنترل شگتاور قطعاً صفر خواهد شد پس نیازی هم به استفاده از انتگرالگیر ×در حلقه کنترل نیست.
