بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله، در ابتدا به بررسی سیستمهای ژنراتور القایی پرداخته سپس به بررسی روشهای کنترلی انجام شده، در زمینهی موضوع مورد نظر پرداخته میشود. در ادامه، ضمن بررسی مدل ریاضی یک ژنراتور تغذیهی دوگانه، یک روش کنترل غیرخطی، بر مبنای روش فیدبک خطیساز، برای یک ژنراتور القایی با تغذیهی دوگانه بررسی میشود. فیدبک خطیساز، یک روش برای تبدیل کردن سیستم اصلی به یک مدل معادل ساده و از بین بردن غیرخطیهای مشخصهی سیستم، میباشد.
بنابراین، کنترلکنندهی سیستم، میتواند توسط نظریهی کنترل خطی، طراحی شود. در این مقاله، یک روش کنترل جدید، برای ژنراتور القایی با تغذیهی دوگانه بررسی میشود که با استفاده از روش فیدبک خطیساز، طراحی میشود. بهبود عملکرد را میتوان با استفاده از نتایج شبیهسازی در انتها مشاهده کرد . نرمافزار مورد استفاده برای شبیهسازیها و بررسی نتایج، MATLAB میباشد. نتایج شبیهسازی، عملکرد درست کنترلکننده را نشان میدهند.
.1 مقدمه
ژنراتورهای توربین بادی، میتوانند به دو دسته بر اساس سرعت چرخش تقسیم شوند که شامل سرعت ثابت و سرعت متغیر میشوند. ژنراتورهای توربین بادی سرعت ثابت، طراحی ساده دارند و به شکل مستقیم به شبکهی قدرت، متصل هستند. در حالی که ژنراتورهای توربین بادی سرعت متغیر، از مبدلهای الکترونیک قدرت، برای اتصال به شبکهی قدرت استفاده میکنند.
چند نوع ژنرتور سهفاز وجود دارد، که میتواند در توربینهای بادی استفاده شود. از قبیل :
▪ ژنراتور القایی قفس سنجابی
▪ ژنراتور القایی روتور سیمپیچی - تغذیه دوگانه و لغزش دینامیکی کنترل شده -
▪ ژنراتور سنکرون
رایجترین ماشین الکتریکی که در سیستمهای توربین بادی استفاده میشوند، ژنراتورهای القایی هستند، زیرا ساختار سادهای دارند، دارای قابلیت اطمینان بالا و همچنین وزن کم و مقرون بصرفه هستند. ایراد اصلی آنها، نیاز به یک جریان مغناطیسکنندهی راکتیو است تا یک میدان مغناطیسی دوار را تولید کند که میتواند با اتصال ژنراتور به شبکهی توان اصلی، ایجاد شود. به محض اتصال، ژنراتور میتواند به صورت خودتحریک عمل کند . ترجیح داده میشود که توان راکتیو توسط یک منبع خارجی فراهم شود، مانند یک بانک خازنی، نه اینکه از شبکهی توان اصلی تامین شود.
مقدار توان اکتیو تولید شده توسط ژنراتور القایی، متناسب است با لغزش، که به معنای اختلاف بین سرعت زاویهای روتور و سرعت زاویهای میدان استاتور است. سرعت روتور وابسته به گشتاور تولید شده توسط توربین است. هنگامی که سرعت باد، خیلی کم و پایینتر از مقدار سرعت قطع است، توربین نمیتواند گشتاور کافی را تولید کند و ژنراتور، رفتاری شبیه به موتوری دارد که جریان را از شبکه میگیرد. برای جلوگیری از این وضعیت، شبکه از توربین بادی، قطع میشود.
روتور یک ماشین القایی، ممکن است از دو نوع باشد: قفس سنجابی و یا روتور سیمپیچی. روتور قفس سنجابی، با استفاده از یک سری ستون در شیارهایی نزدیک سطح روتور طراحی میشود که با حلقههای انتهایی در هر انتهای روتور، اتصال کوتاه میشوند. توربین بادی روتور قفس سنجابی، به صورت مستقیم به شبکه متصل میشود و تاثیر بین توان اکتیو، توان راکتیو، ولتاژ ترمینال و سرعت روتور، یک رابطهی شدید را دنبال میکند. فرض میشود که ژنراتور در یک سرعت ثابت کار میکند، زیرا بیشینهی تغییرات در سرعت روتور، در حدود %2 است.
به علاوه، نظر به این که توربین بادی، توان اکتیو بیشتری تولید میکند، ژنراتور توان راکتیو بیشتری را از منبع خارجی جذب میکند. به دلیل این که، سرعت باد به صورت پیوسته تغییر میکند، جبرانسازی توان راکتیو، باید به صورت دینامیکی انجام شود. ژنراتورهای قفس سنجابی، به علت طرحبندی بسیار ساده، که اجازه میدهند عملکردشان دارای قابلیت اطمینان بالاتر و ساختمان مقاوم تری داشته باشند، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.
ژنراتورهای روتور سیمپیچی شده، ماشینهایی هستند که شامل یک هستهی روتور طراحی شده با سه فاز سیمپیچی به جای ستونها هستند، اما با همان تعداد قطبهای استاتور. ویژگی استفاده از سیمپیچ به جای میلهها، این است که سیمها میتوانند خارج شوند و به صورت خارجی و از طریق حلقههای لغزش و جاروبکها، یا توسط مبدل الکترونیک ، متصل شوند، که باعث میشود تا جریان عبوری از سیمها، قابل کنترل باشند. رایجترین شکل ژنراتورهای روتور سیمپیچی، DSIG ها و DFIG ها هستند.
تعداد زیادی از توربینهای بادی مدرن، با استفاده از ژنراتورهای تغذیهی دو سویه، تجهیز شدهاند، که استاتور آنها، به طور مستقیم به شبکهی برق متصل است، به این معنی که به طور همزمان با فرکانس شبکه کار میکند و روتور سه فاز سیمپیچی شده، از طریق مبدل منبع ولتاژ پشت به پشت*و یک ترانسفورماتور، مطابق شکل 1، متصل میشود.
در سال 1393، کنترل توربین بادی با ژنراتور القایی دوگانه، جهت استحصال حداکثر توان قابل جذب[1]، مورد بررسی قرار گرفته است. در این مقاله، از یک الگوریتم شبکه عصبی تعمیم یافته جهت تخمین سرعت باد استفاده می شود و حداکثر توان قابل جذب از هر سرعت باد مشخص از طریق یک جدول نظاره محاسبه می شود .در نهایت، کنترل برداری از کنترلر PI برای محاسبه ولتاژ کنترل روتور استفاده می کند تا توان اکتیو و راکتیور را کنترل و بیشترین توان از توربین بادی حاصل شود .نتایج شبیه سازی برای توربین بادی 1/5 مگاواتی نشان دهنده تأثیر این تکنیک جدید جهت جذب بیشترین توان است .همچنین، در نتیجه این روش، طیف هارمونیکی جریان استاتور قابل قبولی دارد که نشان دهنده کیفیت توان تولیدی میباشد.
در سال 2013، در بیست و هشتمین کنفرانس بینالمللی 1392 تهران- ایران، مقالهای تحت عنوان بهبود قابلیت گذر از خطای توربین بادی دارای ژنراتور القایی تغذیه دوگانه با استفاده از جبرانکننده توان راکتیو منتشر شد. یکی از مهمترین معایب این ژنراتورها، حساسیت آنها به افت ولتاژ می باشد. به طوری که با بروز خطا در شبکه و افت ولتاژ ناشی از آن، جریان استاتور افزایش مییابد و به علت کوپل مغناطیسی که بین روتور و استاتور وجود دارد، این جریان به روتور منتقل شده و می تواند با تاثیر به مبدل های الکترونیک قدرت بکار رفته در روتور و افزایش ولتاژ لینک DC منجر شود. در این مقاله اثرات - Static VAR compensator - SVC بر روی عملکرد ژنراتور القایی تغذیه دوگانه هنگام بروز خطا بررسی شده است.
نتایج نشان میدهند، که وجود SVC، افت ولتاژ ناشی از خطا را کاهش می دهد، که این امر سبب کاهش جریان روتور و افزایش قابلیت گذر از خطای ژنراتور DFIG میشود.[2] میتوان گفت نتیجه در حالت دائم، روش کنترل مستقیم توان نسبت به روش کنترل برداری برتری دارد. [3] در سال 2009 کنترل DFIG در توربین بادی با سرعت متغیر، مورد بررسی قرار میگیرد. ضریب توان پایین، در برخی ماشینهای با سرعت ثابت، باعث افزایش توان راکتیو، می شود که نتیجهی آن، فشار زیاد بر روی شبکهی انتقال است. با استفاده از راهبرد سرعت متغیر و استفاده از یک مبدل قدرت متصل با DFIG توان راکتیو، قابل کنترل خواهد بود.
