بخشی از مقاله
چکیده
امروزه نفوذ انرژيهاي تجدیدپذیر در سیستمهاي قدرت باعث ایجاد مشکلاتی شده است که به عنوان نمونه میتوان به عملکرد توربینهاي بادي داراي ژنراتورهاي القایی از دو سو تغذیه در هنگام بروز افت ولتاژ در سیستم قدرت اشاره کرد. در طی بروز خطا در شبکه الکتریکی، جریان سیمپیچهاي استاتور افزایش مییابد و به دلیل تزویج مغناطیسی میان سیم-پیچهاي رتور و استاتور این جریان در سیمپیچهاي رتور و مبدل الکترونیک قدرت طرف رتور نیز ظاهر میگردد و در نتیجه منجر به آسیب دیدن سیمپیچهاي رتور و مبدل طرف رتور میگردد.
به همین علت لازم است که در هنگام وقوع افت ولتاژ در سیستمهاي قدرت، این توربینها از شبکه خارج گردند. این مقاله یک روش جدید را نشان میدهد که در آن از سیستم انرژي خازنی کنترلشده با منطق فازي استفاده شده است. این سیستم، توان اکتیو و راکتیو را در نقطه اتصال توربین بادي به شبکه کنترل میکند. نتایج شبیه سازي نشان میدهد که سیستم انرژي خازنی، پایداري گذرا را افزایش داده و به ژنراتور توربین بادي کمک میکند تا در هنگام خطا در سیستم باقی بماند.
-1 مقدمه
به دلیل آلودگی محیط زیست و کمبود انرژي فسیلی تمایل به سمت تکنولوژيهاي براي تولید انرژي الکتریکی از منابع انرژي تجدیدپذیر افزایش یافته است. در میان انواع انرژيهاي تجدیدپذیر ، انرژي باد بخاطر مسایل اقتصادي و پاك بودن بیشتر مورد توجه قرار گرفته است، به گونهاي که انتطار می-رود تا سال 2020 ، 20 درصد انرژي کل جهان از انرژي باد تامین گردد .[1] دو نوع تکنولوژي براي تولید انرژي باد در بازارهاي جهان موجود است که یکی ژنراتورهاي بادي سرعت ثابت و دیگري ژنراتورهاي بادي سرعت متغیر است.
ژنراتورهاي القایی بخاطر هزینه نگهداري کم و فاقد جاروبک بودن و ساختار ساده و مزایاي دیگر گوي سبقت را ربوده است. در سال 2004 حدود 60 درصد فروش بازار جهانی مختص به فروش ژنراتورهاي بادي سرعت متغیر بوده است.
در این میان ژنراتورهاي القائی از دو سو تغذیه - DFIG١ - به عنوان ژنراتور بادي سرعت متغیر بیشتر مورد استفاده قرار گرفته شده است .[2] در مدل DFIG ، ژنراتور القایی از طریق پایانههاي استاتور به شبکه الکتریکی وصل شده است و رتور عملکرد بدون وقفه توربین بادي داراي DFIG متصل به شبکه الکتریکی با استفاده از سیستم انرژي خازنی آن توسط یک مبدل الکترونیک قدرت AC / DC /AC فرکانس متغیر - VFC١ - به شبکه وصل شده است.
ظرفیت این مبدل براي کنترل کامل ژنراتور حدود 20 تا 30 درصد ظرفیت کل DFIG میباشد. VFC شامل یک مبدل طرف رتور RSC - ٢ - و یک مبدل طرف شبکه GSC - ٣ - است که از طریق یک خازن لینک DC به صورت پشت به پشت به هم وصل شدهاند. ایراد اصلی توربینهاي بادي سرعت متغیر به خصوص توربینهایی که داراي DFIG هستند، عملکرد آنها در هنگام بروز اتصال کوتاه در سیستم قدرت میباشد.
اتصال کوتاه در سیستم قدرت - حتی اگر از محل توربین بادي دور باشد- باعث ایجاد افت ولتاژ در نقطه اتصال توربین بادي به سیستم قدرت میگردد و در نتیجه، جریان در سیمپیچهاي استاتور افزایش مییابد و به دلیل تزویج مغناطیسی میان سیم-پیچهاي رتور و استاتور این جریان در سیمپیچهاي رتور و مبدل طرف رتور نیز ظاهر میشود و منجر به آسیب دیدن آنها میگردد. تا چند سال پیش به خاطر سهم کم انرژي باد در تامین انرژي الکتریکی، هنگامی که یک حالت غیر عادي در ولتاژ شبکه اتفاق میافتاد ، توربینها را از شبکه خارج می-کردند، اما با افزایش ظرفیت انرژي باد در سیستم قدرت در سالهاي اخیر، قطع ناگهانی توربینهاي بادي از سیستم قدرت منجر به خاموشیهاي عظیم و ناپایداري در سیستم قدرت میگردد.
در مرجع [3] براي اینکه ژنراتور توربین بادي هنگام بروز اتصال کوتاه در شبکه الکتریکی به عملکرد عادي خود ادامه دهد پیشنهاد شده است که RSC موقع رخ دادن خطا در شبکه، براي حفاظت در برابر اضافه جریان رتور قفل شده و مدار رتور از طریق یک مقاومت خارجی به نام Crow-bar اتصال کوتاه گردد در این هنگام DFIG به ژنراتور القایی معمولی تبدیل شده و شروع به جذب توان راکتیو میکند و توربین بادي به عملکرد خود با تولید کم توان اکتیو ادامه می-دهد در این تحقیق GSC همانند STATCOM٤ توان راکتیو و ولتاژ را در نقطه اتصال به شبکه کنترل میکند.
همچنین، براي جلوگیري از افزایش سرعت توربین، کنترلکننده زاویه گام پره٥ فعال شده و وقتی که خطا رفع شد و ولتاژ و فرکانس به حالت پایدار رسید، RSC دوباره شروع به کار کرده و مقاومت خارجی از مدار رتور خارج میشود و DFIG به شرایط عملکرد عادي خود باز میگردد. اما در شبکههاي قدرت ضعیف در هنگام خطا، GSC به دلیل داشتن توان کم، نمی-تواند توان راکتیو لازم را تامین کند و در نتیجه احتمال فروپاشی ولتاژ وجود دارد. بنابراین بایستی بلافاصله توربین بادي براي جلوگیري از چنین اتفاقاتی از شبکه خارج شود و وقتی که شرایط به حالت نرمال رسید، دوباره به شبکه وصل شود. مسئله پایداري ولتاژ چنین سیستمهایی میتواند با استفاده از ادوات FACTS موازي بهبود یابد
کاربرد STATCOM در مرجع [5] مورد بحث قرار گرفته است اما کاربرد STATCOM هاي قدیمی تنها در تامین توان راکتیو محدود شده است. براي غلبه بر این مشکل در مرجع [6] از سیستم ترکیبی STATCOM با سیستم ذخیره انرژي باطريBESS - ٦ - STATCOM / استفاده شده است که قابلیت کنترل توان اکتیو و راکتیو را دارد. اما BESS مبتنی بر فرآیندهاي شیمیایی است، بنابراین داراي مشکلاتی از قبیل سرعت پاسخ کم و عمر کارکرد کوتاه میباشد.
براي غلبه بر این مشکلات ما در این مقاله از یک سیستم انرژي خازنیECS - ٧ - استفاده کردهایم که از قطعات الکترونیک قدرت و خازن دولایه الکتریکی تشکیل شده است .
این سیستم به دلیل نداشتن عناصري همچون نیکل، کادمیم و فسفر انرژي پاکتري نسبت به باطريها محسوب میشود و تقریباً داراي سیکل کاري نامحدود وتلفات خیلی ناچیز میباشد و داراي قابلیت کنترل هر دو توان اکتیو و راکتیو را دارد. ECS به صورت موازي با شینی که توربین بادي از طریق آن به شبکه متصل شده است، قرار میگیرد.
بنابراین در هنگام بروز اتصال کوتاه در سیستم قدرت توان راکتیو مورد نیاز ژنراتور را تامین کرده و از ناپایداري ولتاژ در شینی که توربین بادي به آن عملکرد بدون وقفه توربین بادي داراي DFIG متصل به شبکه الکتریکی با استفاده از سیستم انرژي خازنی وصل شده است جلوگیري میکند و وقتی که اتصال کوتاه رفع شد و ولتاژ و فرکانس در شبکه به حالت عادي بازگشت،RSC شروع به کار کرده و ژنراتور توربین بادي دوباره به صورت DFIG به عملکرد خود ادامه میدهد. درستی روش فوق با شبیه سازي یک سیستم قدرت نمونه در نرم افزار MATLAB / SIMULINK مورد تایید قرار گرفته شده است.
-2 مدل DFIG و کنترلکنندهها
ساختمان اصلی یک DFIG در شکل 1 نشان داده شده است توربین بادي توسط یک سیستم مکانیکی به DFIG وصل شده است این سیستم مکانیکی شامل یک محور سرعت پایین ویک محور سرعت بالا است که توسط یک جعبه دنده از هم مجزا شدهاند. ژنراتور القایی رتور سیمپیچیشده در این ساختار، از هر دو طرف رتور و استاتور شبکه الکتریکی را تغذیه میکند.
در این ماشین استاتور مستقیما" به شبکه الکتریکی وصل شده است؛ در حالی که رتور توسط یک مبدل الکترونیک قدرت AC/DC/AC فرکانس متغیر به شبکه وصل شده است. به منظور تولید توان در فرکانس و ولتاژ ثابت براي یک شبکه الکتریکی در محدوده سرعت بین سرعت فوق سنکرون و سرعت زیر سنکرون، لازم است که توان انتقالی میان رتور و شبکه هم از لحاظ مقدار و هم از لحاظ جهت کنترل گردد. مبدل فرکانس متغیر از دو مبدل مدولاسیون پالس عرضی - PWM١ - تشکیل شده که شامل مبدل RSC و GSC میباشد.
این مبدلها از طریق یک خازن لینک DC و به صورت پشت به پشت به هم وصل شدهاند. سیستم Crow-bar براي اتصال کوتاه کردن مدار رتور در هنگام خطا به منظور حفاظت سیمپیچهاي رتور و RSC در برابر اضافه جریان سیمپیچهاي رتور استفاده میشود
مقدار مقاومت Crow-bar باید طوري انتخاب گردد که کیفیت توان را بهبود ببخشد بنابراین اثر مستقیم بر روي کیفیت توان دارد و بایستی در انتخاب آن دقت کرد .[9] در این مقاله این مقدار حدود بیست برابر مقاومت رتور در نظر گرفته شده است.
شکل :1 ساختار ژنراتور القایی دو سو تغذیه - DFIG -
معمولا در DFIG از سه عدد کنترلکننده RSC ,GSC وزاویه گام پره استفاده میشود. هدف از کنترل کردن RSC
کنترل توان اکتیو وراکتیو استاتور است که با Ps و Qs نشان داده شده است. وقتی که DFIG به یک سیستم قدرت ضعیف وصل شده باشد که در آن از هیچ نوع جبران کننده توان راکتیو استفاده نشده است، میتوان با کنترل توان راکتیو توسط RSC ولتاژ استاتور را در یک محدوده مخصوص ثابت نگه داشت.
هنگامی که DFIG یک شبکه قدرتمند را از نظر توان راکتیو تغذیه میکند، میتوان براي سادگی، مقدار Qs را در صفر تنظیم کرد. براي کنترل توان اکتیو از منحنی مشخصه توان - سرعت استفاده میشود که به منحنی مشخصه جذب معروف است .[10] این مشخصه به وسیله منحنی ABCD درشکل 2 نشان داده شده است. در این منحنی ابتدا سرعت توربین اندازهگیري شده سپس توان مکانیکی مربوط به همان سرعت به عنوان توان مرجع براي حلقه کنترل توان اکتیو استفاده میشود
