بخشی از مقاله
چکیده -
با افزایش سطح نفوذ انرژی باد به شبکه، توجه به کیفیت توان موضوع مهمی شده است و یکی از مهمترین جنبههای کیفیت توان، فلیکر و هارمونیک ها هستند. عوامل مختلفی در انتشار فلیکر و ایجاد نوسانات توان ناشی از توربینهای بادی به شبکه، موثر هستند برای مثال مشخصات باد همچون اثرات سایه برج و سرعت متوسط باد، نوع توربین مورد استفاده و شرایط شبکه شامل نسبت ظرفیت اتصال کوتاه شبکه و زاویه امپدانس شبکه.
در این مقاله روش کنترل گشتاور ژنراتور مطرح شده است که میتواند نوسانات توان را با اضافه کردن یک فیلتر در حلقه کنترل جریان کاهش دهد. کلیه جنبههای آیرودینامیکی، مکانیکی و الکتریکی یک مزرعه بادی متصل شده به شبکه با استفاده از نرمافزارهای FAST و Matlab/Simulink مدل می گردد و نتایج شبیهسازی صحت عملکرد روش پیشنهادی را در بهبود نوسانات توان نشان میدهد.
-1 مقدمه
فلیکر یک احساس بصری از کم و زیاد شدن میزان روشنایی می باشد و ممکن است از فردی به فرد دیگر تغییر کند که میتواند باعث نارضایتی فرد زیر نور لامپ و آسیب رسیدن به تجهیزات الکترونیکی و بارهای حساس شود .[1] فلیکر، نوسانات ولتاژی است که فرکانس این نوسانات بین صفر تا 30 هرتز میباشد و سبب میشود که دامنه ولتاژ بین 0/9 تا 1/1 پریونیت نوسان کندو معمولاً فلیکر در سیستمهایی رخ میدهد که نسبت به تامین مقدار توان مورد نیاز بار، ضعیف هستند.
در توربینهای بادی متصل شده به شبکه در هنگام عملکرد پیوسته عوامل مختلفی از قبیل مشخصات باد - سرعت متوسط باد، شدت تلاطم و سایه برج و ... - و شرایط شبکه - ظرفیت اتصال کوتاه شبکه 1SCR، زاویه امپدانس شبکه و نوع بار - در انتشار فلیکر و ایجاد نوسانات توان اثر میگذارند
همچنین نوع توربین بادی مورد استفاده هم بر روی انتشار فلیکر موثر است به طوری که توربین های بادی سرعت متغیر از نظر انتشار فلیکر نسبت به توربینهای بادی سرعت ثابت عملکرد بهتری دارند .[3] تعدادی تحقیقات در زمینه اندازهگیری، آنالیز و کاهش فلیکر و نوسانات توان در سیستمهای تبدیل انرژی باد منتشر شده است .[7-2] رایجترین روش مورد استفاده برای کاهش فلیکر و نوسانات توان، جبران توان راکتیو با استفاده از کنترل زاویه امپدانس شبکه و زاویه ضریب قدرت است.
با کنترل زوایای ضریب قدرت و امپدانس شبکه، نوسانات ولتاژ و نتیجتاً سطح فلیکر در [4] کاهش یافته است. اما این تکنیک در شبکههای توزیعی که دارای زاویه امپدانس کوچک هستند با محدودیت هایی مواجه هستند. زمانی که سرعت باد بالا و زاویه امپدانس کوچک است مقدار توان راکتیو مورد نیاز برای کاهش فلیکر زیاد است که برای کانورتر طرف شبکه، تولید این مقدار توان راکتیو مشکل است. در [5]، روش کنترل گام مستقل پیشنهاد شده است که متناسب با توان اکتیو ژنراتور و زاویه سمت توربین، یک افزایش گام برای هر پره ایجاد می کند و نوسانات توان را کاهش میدهد.
یکی از وسایلی که قابلیت تولید یا جذب توان راکتیو با استفاده از ادوات FACTS را دارد 2STATCOM میباشد. با استفاده از STATCOM میتوان انتشار فلیکر را در نقطه اتصال مشترک کاهش داد و همچنین ولتاژ ترمینال را در آن نقطه تنظیم کرد .[6] در[7]، روش کنترل توان اکتیو توسط تغییر ولتاژ لینک DC کانورتر back to back برای کاهش فلیکر ارائه شده است که از یک سیستم ذخیره ساز انرژی - ابر خازن - برای جذب نوسانات توان اکتیو ژنراتور استفاده میکند و سیستمکنترل آن نسبتاً پیچیده و هزینه آن نیز زیاد است.
در مقاله حاضر روش کنترل گشتاور ژنراتور 3GTC برای کاهش نوسانات توان مطرح شده است که می تواند نوسانات برق را با اضافه کردن یک فیلتر میاننگذر - 4BRF - کاهش دهد. لازم به ذکر است در مقایسه با [2] که فلیکر تولید شده از یک توربین 1/5 مگاواتی درنظرگرفته شده است، در اینجا یک مزرعه بادی شامل سه توربین متصل شده به یک شبکه با نسبت ظرفیت اتصال کوتاه کوچک مورد مطالعه و بررسی قرار میگیرد.
در ادامه، ابتدا یک نمای کلی از توربین بادی در بخش دوم شرح داده می شود. در بخش سوم، روشهای کنترلی برای کنترل توربین معرفی می شوند. عوامل ایجاد نوسانات توان در بخش چهارم بررسی شده و طرح GTC برای نوسانات توان ارائه میشود. نتایج شبیهسازی و اثربخشی روش کنترل پیشنهادی بر روی کاهش نوسانات توان در بخش پنجم ارائه میشود ونهایتاً مقاله در بخش ششم نتیجهگیری میشود.
-2 مدل توربین بادی سرعت متغیر
طرح ساده ای از اجزای اصلی توربین بادی با 5DFIG در شکل 1 مشاهده میشود .[8] ژنراتور القایی تغذیه دوگانه در واقع یک ماشین القایی با رتور سیمبندی است که سیمپیچی استاتور آن به طور مستقیم به شبکه سه فاز متصل شده است و سیمپیچی رتور آن از طریق حلقه های لغزان به مبدل الکترونیک قدرت back to back متصل شده است.
شکل:1 سیستم توربین بادی با DFIG
از آن جایی که مبدل الکترونیک قدرت تنها کسری از کل توان - حدود %30-%20 توان نامی - را از خود عبور میدهد، تلفات و هزینه سیستم کاهش مییابد. برای شبیهسازی بخشهای مختلف سیستم توربین بادی از دو نرمافزار 6FAST و Matlab/Simulink استفاده شده است که FAST برای شبیهسازی بخش های آیرودینامیکی و مکانیکی توربین بادی استفاده میشود و سایر بخشها از قبیل DFIG، کانورتر، کنترلرها و شبکه توسط Matlab/Simulink شبیهسازی میگردد.
-3 سیستم کنترل
-1-3 کنترل ژنراتور القایی تغذیه دوگانه
عملکرد توربینهای بادی مجهز با DFIG به طور کامل وابسته به سیستمهای کنترل به کار رفته برای کانورترهای طرف رتور و طرف شبکه است. رایجترین الگوریتم کنترل DFIG، کنترل برداری با کنترلرهای تناسبی- انتگرالی است. از مزایای آن میتوان به نوسان کم توان خروجی و فرکانس سوئیچینگ پایین اشاره کرد. معایب آن، نیاز به انتقال پارامترها به قاب مرجع سنکرون، حساس به تغییر پارامترهای ماشین - از قبیل اندوکتانس و مقاومت ماشین و ... - ، محاسبات آنلاین با توجه به استفاده از روش PWM و تنظیم بهرههای کنترلکننده PI میباشد
در سال 1985 روش کنترل گشتاور مستقیم 7DTC به عنوان یک جایگزین برای کنترل برداری معرفی شد که پیچیدگی روش کنترل برداری را کاهش میدهد .[10] مزایای روش گشتاور مستقیم شامل پاسخ دینامیکی سریع، مقاوم در برابر تغییر پارامترهای ماشین، کاهش محاسبات و اجرای ساده آن میباشد و معایب آن نیز نوسانهای قابل توجه در گشتاور و توان خروجی در حالت ماندگار و فرکانس سوئیچینگ متغیر است.
بر اساس اصول DTC، روش کنترل توان مستقیم - 8DPC - پیشنهاد شده است که توانهای اکتیو و راکتیو را توسط انتخاب بردار ولتاژ مناسب از جدول Look Up کنترل میکند و همانند روش DTC در برابر تغییر پارامترهای ماشین حساس نیست و نوساناتی نیز در توانهای اکتیو و راکتیو ایجاد میکند. در [11]، روش 9 CVDPC که ترکیبی از هر دو روش کنترل برداری و کنترل توان مستقیم است ارائه شده است. این روش مزایای هر دو روش از قبیل حساس نبودن به تغییر پارامترهای ماشین، محاسبات کمتر، اجرای ساده و اعوجاج هارمونیکی کمتر را دارد. به طور کلی توربینهای بادی یک سیستم غیرخطی هستند و برای مقابله با غیرخطی بودن سیستم میتوان از روشهای کنترل غیرخطی مانند کنترل مد لغزشی استفاده کرد که دارای پاسخ دینامیکی سریع هستند و در برابر تغییر پارامترها حساس نیستند. اما عیب عمده آنها این است که سروصداهای نامطلوبی در خروجی کنترل ایجاد میکند.
در مقاله حاضر، از روش کنترل برداری برای کنترل توربین بادی استفاده می شود. دو طرح کنترل برداری برای کانورترهای طرف رتور و شبکه در شکلهای 2 و 3 نشان داده شده است .[12] هدف کنترل برداری برای کانورتر طرف رتور، استخراج حداکثر توان از باد و همچنین کنترل مستقل توان اکتیو و راکتیو از طریق جریان رتور است. کنترل کانورتر طرف شبکه نیز به منظور ثابت نگه داشتن ولتاژ لینک DC و تنظیم ضریب توان در مقدار واحد انجام میشود.
-2- 3 کنترل توان آیرودینامیکی
توان مکانیکی خروجی از توربین مطابق با - 1 - ، علاوه بر سرعت باد و چگالی هوا، به شعاع مساحت جاروب شده توسط پرهها، زاویه گام و سرعت چرخش توربین بستگی دارد .[13]
که در آن Vw سرعت باد، زاویه گام، A مساحت جاروب شونده توسط توربین، چگالی هوا، نسبت سرعت نوک، Cp - , - ضریب توان توربین است که تابعی از زاویه گام و میباشد. در سرعتهای بالای باد، کنترل توان به سه طریق انجام میشود: کنترل پسیو استال، کنترل گام و کنترل اکتیو استال. کنترل گام، رایجترین روش کنترل توان آیرودینامیکی برای توربینهای بزرگ است. در سیستم کنترل گام، پرهها میتوانند حول محور طولی خود بچرخند و بازه این تغییر زاویه بین 0 تا 90 درجه است. در سرعتهای باد بالاتر از سرعت نامی، زاویه گام بهگونهای تنظیم میشود که توان ژنراتور از مقدار نامی فراتر نرود و ژنراتور دارای اضافه بار نشود. همچنین به وسیله زاویه گام از چرخش توربین در سرعتهای خیلی بالاتر از سرعت نامی که به سیستم مکانیکی آسیب میرساند جلوگیری میشود.
-4 انتشار نوسانات توان
این بخش بر روی نوسانات توان توسط توربینهای بادی
سرعت متغیر با DFIG در هنگام عملکرد پیوسته تمرکز دارد. در توربینهای بادی متصل شده به شبکه در هنگام عملکرد پیوسته عوامل مختلفی در ایجاد نوسانات توان اثر میگذارند از قبیل مشخصات باد - سرعت متوسط باد، Wind shearو سایه برج - ، شرایط شبکه - نسبت ظرفیت اتصال کوتاه شبکه، زاویه امپدانس شبکه - و نوع توربین بادی.
شکل:2 ساختار کنترل برداری کانورتر طرف شبکه
شکل:3 ساختار کنترل کانورتر طرف رتور
توربین سمت چپ شکل 4 موقعیت رتور را زمانی که یکی از تیغه ها از مقابل برج عبور میکند، نشان میدهد. همانطور که دیده میشود در این لحظه، هیچ یک از دو تیغه دیگر در بالاترین نقطه، جایی که سرعت باد بیشترین مقدار را دارد، قرار ندارند. هر دو عامل اثر سایه برج و افت باد در توان سهیم هستند. در مقابل توربین سمت راست شکل 4، یکی از تیغهها در - بالاترین مکان - معرض بیشترین سرعت باد است که در این حالت، توان در مقدار ماکزیمم خود خواهد بود. به طور کلی، برای یک توربین 3 پرهای شاهد 3 بار افت سرعت باد در هر چرخش خواهیم بود. این امر سبب میگردد که در توان خروجی توربین شاهد نوساناتی با فرکانس 3p باشیم.
