بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، تاثیر جنبه های آیرودینامیکی توربین بادی - از جمله، سایه برج، Wind Shear، خطای - Yaw بر نوسانات ولتاژ سیستم هیبریدی توربین بادی B دیزل B پیل سوختی/ الکترولایزر بررسی شده است. برای مدلسازی دقیق رفتار مکانیکی و آیرودینامیکی توربین بادی از مجموعه نرم افزارهای FAST، AeroDyn، و برای شبیه سازی قسمت های الکتریکی توربین بادی، دیزل ژنراتور، سیستم ذخیرهساز و کنترل-کنندههای مورد نظر از نرم افزار Simulink در محیط MATLAB بهره برده شده است.
هدف اصلی از استفاده سیستم پیل سوختی B الکترولایزر کاهش اثرات آیرودینامیکی توربین بادی بر نوسانات ولتاژ در شبکه مستقل می باشد. نتایج شبیه سازی نشان میدهد که سیستم ذخیره ساز هیدروژنی به همراه مجموعه ای از ادوات الکترونیک قدرت و کنترل کنندهها، توانسته نوسانات توان و ولتاژ ایجاد شده ناشی از خطای Yaw
توربین بادی سرعت ثابت را کاهش دهد.
-1 مقدمه
امروزه افزایش هزینه تولید انرژی الکتریکی از منابع انرژی متداول مانند زغال سنگ، نفت خام و گاز طبیعی و همچنین اثرات مخرب زیست محیطی این نیروگاهها سبب افزایش تقاضا برای سیستمهای انرژی سازگار با محیط زیست بویژه انرژی باد شده است.[ 1] اگر چه تحقیقات قابل توجهی در این زمینه انجام شده است، اما قبل از تبدیل شدن انرژی باد به یک منبع انرژی اصلی، نیاز است که مشکلات و محدودیتهای متعدد و مربوط به آن حل و فصل شوند.
یکی از مشکلات مرتبط با سیستم های تولید انرژی بادی، نوسانات توان تولیدی به دلیل طبیعت احتمالاتی باد و پدیدههای آیرودینامیکی توربین بادی می باشد، این نوسانات توان در شرایط بالا بودن سهم مزارع بادی در تامین توان مورد نیاز شبکه الکتریکی میتواند سبب ایجاد مشکلاتی در پایداری و کیفیت توان شبکههای ضعیف یا مستقل گردد
این امر در مورد توربین های سرعت ثابت بدلیل استفاده از ژنراتورآسنکرون و اتصال مستقیم ژنراتور به شبکه بیش از سایر توربین های بادی مورد توجه است.[3] زیرا در این نوع از توربین های بادی نوسان باد باعث ایجاد نوسانات شدید در توان های اکتیو تولیدی و راکتیو مصرفی ژنراتور می شود. این نوسانات توان نیز می تواند موجب ایجاد نوسانات ولتاژ در شبکه الکتریکی گردند.
بنابراین برای رفع این مشکل میتوان از سیستمهای ذخیره انرژی و هیبریدی استفاده کرد به گونهای که بهرهبرداری پایدار در سیستمهای مستقل به واحدهای تولیدکننده از جمله دیزل ژنراتور و واحدهای ذخیرهساز انرژی چون سیستم هیدروژنی متکی است
در این مطالعه، یک سیستم هیبریدی مستقل، متشکل از توربین بادی، دیزل ژنراتور، سلول سوختی و الکترولایزر مطابق با شکل - - 1 بررسی شده است.
سیستم ترکیبی پیل سوختی B الکترولایزر برای کنترل نوسانات ولتاژ و توان اکتیو ناشی از پدیدههای آیرودینامیکی - سایه برج، Wind Shear، خطای - Yaw توربین بادی سرعت ثابت در سیستم هیبریدی توربین بادی و دیزل ژنراتور پیشنهاد شده است. همچنین برخلاف مطالعات قبلی انجام شده در این زمینه، یک مدل دقیق الکترومکانیکی برای توربین بادی توسط نرم افزارهای FAST، AeroDyn و Simulink ارائه شده است. سیستم مورد مطالعه متشکل از توربین بادی سرعت ثابت دو پره پشت به باد با توان نامی 275KW در ولتاژ نامی 480 ولت و ژنراتور سنکرون قطب برجسته 300KVA به همراه موتور دیزل و همچنین سیستم ترکیبی پیل سوختی _ 45KW الکترولایزر100KW میباشد.
شکل:1 ساختار سیستم هیبرید مورد مطالعه
همچنین از یک خازن 75KVAR جهت اصلاح ضریب توان توربین بادی در توان نامی استفاده شده و سیستم برای حداکثر بار 150×2KW طراحی گردیده است. پارامترهای مختلف سیستم در [5] ارائه شده اند.
-2 شبیهسازی دیزل ژنراتور
سیستم دیزل ژنراتور مطابق شکل - - 1 شامل ژنراتور سنکرون، دیزل موتور، تنظیم ولتاژ اتوماتیک ، گاورنر و بار محلی بوده که توسط بلوکهای سیمولینک نرمافزار MATLAB مدل شدهاند. همانطور که در شکل - - 1 مشاهده میشود، خروجیهای ولتاژ و سرعت ژنراتور سنکرون بعنوان ورودیهای برگشتی به سیستم کنترلی استفاده میشوند که سیستم کنترلی شامل بلوک گاورنر برای کنترل فرکانس و بلوک تحریک جهت کنترل ولتاژ سیستم میباشد.[2] بنابراین با کنترل سوخت موتور و تحریک ژنراتور سنکرون، انرژی الکتریکی، در محدوده فرکانس و ولتاژ مورد نظر - f=60HZ و - VL_L=480V تولید میگردد. در سیستم هیبریدی ارائه شده، از دیزل ژنراتور برای تنظیم فرکانس شبکه و تعادل توان در مقابل تغییرات ناگهانی بار و نوسانات شدید باد استفاده شده است.
-3 شبیه سازی توربین بادی
اتصال توربین های بادی به شبکه می تواند مولفه های کیفیت توان را تحت تاثیر قرار دهد بنابراین در نظر گرفتن جنبه های مکانیکی و آیرودینامیکی در مدل سازی توربین بادی بسیار مهم است زیرا نیروهای آیرودینامیکی اعمال شده بر توربین بادی می توانند باعث ایجاد لرزش در اجزای مکانیکی توربین و ایجاد نوسان در گشتاور و توان تولیدی گردند.[2] لذا در این مطالعه یک مدل الکترودینامیکی دقیق با در نظر گرفتن پدیدههای آیرودینامیکی و مکانیکی توربین بادی سرعت ثابت، توسط نرم افزارهای FAST، AeroDyn، Turbsim و Simulink ارائه شده است.
نرم افزار FAST یک نرم افزار پیچیده مکانیکی برای مدلسازی انواع توربینهای محور افقی رو به باد و پشت به باد ، با دو یا سه پره میباشد. در این نرمافزار توربین بادی به صورت ترکیبی از اجزای مکانیکی صلب و انعطاف پذیر که بوسیله چندین درجه آزادی به یکدیگر متصل شدهاند، مدل میشود.
نرم افزارFAST برای محاسبه نیروهای آیرودینامیکی از نرمافزار AeroDyn استفاده میکند[7]، این نرم افزار میتواند تمامی جنبه های آیرودینامیکی یک سیستم تبدیل انرژی باد شامل اختلاف بین جهت مسیر باد و محور توربین - - yaw error ، تغییرات سرعت باد نسبت به ارتفاع - - Vshear، تغییرات سرعت باد درعرض دیسک توربین - Hshear - و مقدار کاهش سرعت باد محلی - - Tower Shadow بدلیل ممانعت برج را بطور دقیق مدل کند.[2] این جنبهها در ادامه توضیح داده خواهند شد.
-1-3 اثر سایه برج - - Tower Shadow
توزیع سرعت باد در اثر حضور برج تغییر مییابد به گونهای که در توربینهای رو به باد، باد بطور مستقیم در مقابل برج منحرف شده و گشتاور برای پرهای که در مقابل برج قرار می گیرد کاهش مییابد. بطور مشابه سرعت باد در پشت برج به دلیل انسداد برج در توربینهای بادی پشت به باد کاسته شده است که این پدیده سبب نوسانات گشتاور میشود. با توجه به تغییرات باد اعمالی به پرهها در محل برج به این پدیده اثر سایه برج گفته میشود.
-2-3 تغییرات سرعت باد نسبت به ارتفاع - Vertical - Wind Shear
تغییرات سرعت باد در ارتفاع بدلیل افزایش سرعت باد نسبت به ارتفاع اتفاق میافتد - طبق شکل - - 2 - ، زیرا سبب می شود که سرعت باد در پرههای بالا دست بیشتر از پایین دست شود که منجر به نوساناتی در توان و گشتاور میگردد.
-3-3 خطای - Yaw Error - Yaw
انحراف محور روتور و جهت وزش باد به اندازه - - - مطابق با شکل - 3 - حول محور عمودی yaw توربین بادی، بعنوان خطای Yaw شناخته میشود. عملکرد توربین بادی در حضور این خطا باعث بوجود آمدن مولفه باد عمود بر محور دیسک روتور توربین بادی بنام باد متقابل - cross wind - میشود.
شکل :2 تغییرات سرعت باد نسبت به ارتفاع برای توربین بادی پشت به باد و رو به باد
شکل:3 نمایش خطای انحراف
تغییرات نیروهای آیرودینامیکی ناشی از این باد متقابل سبب ایجاد ارتعاشاتی در ساختار مکانیکی - پرهها - و تغییراتی در توان خروجی میشود . در مرجع [2] ، نشان داده شده است که تاثیر خطایYaw بر کیفیت توان بیشتر از سایر جنبه های آیرودینامیکی از جمله اثر سایه برج و تغییرات سرعت باد نسبت به ارتفاع میباشد، بنابراین در این مطالعه از سیستم ذخیره ساز به منظور کاهش اثر خطای Yawتوربین بادی بر نوسانات ولتاژ سیستم هیبریدی استفاده شده است.
-4 سیستم ذخیره ساز هیدروژنی
سیستم هیدروژنی شامل پیل سوختی و الکترولایزر می باشد. پیل سوختی یک سیستم الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت - هیدروژن - را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. در میان انواع پیلهای سوختی با توجه به نوع الکترولیت آنها [8]، پیل سوختی پلیمری - - PEMFC به دلایلی همچون ظرفیت توانی بالا، دمای عملکرد پایین، سرعت نسبتا بالا در پاسخگویی به تغییرات بار بسیار مورد توجه قرار گرفته است
پیل سوختی در سیستم مذکور، کسری توان تولیدی توربین بادی نسبت به مقدار مورد نیاز را از طریق تبدیل هیدروژن به الکتریسته فراهم میآورد. در این تحقیق برای مدلسازی رفتار پیل سوختی پلیمری از مدل دقیق ارائه شده توسط [9]، برای پشته پیل سوختی SR_12 تولید شرکت AVISTA، با پوشش تمامی جنبههای دینامیکی داخل سلول استفاده شده است. در این مطالعه، پیل سوختی از 48 سلول سری شده پشته 500W، مطابق با اطلاعات [9]، تشکیل شده است. شکل - 4 - نمودار تغییرات ولتاژ - جریان این پیل سوختی را نمایش میدهد.
یکی از اجزای بسیار مهم در سیستمهای هیبریدی بر پایه هیدروژن وجود الکترولایزر میباشد. الکترولایزر ابزاری الکتروشیمیایی میباشد که عملکردی معکوس پیل سوختی دارد. در سیستمهای هیبریدی، زمانی که توان تولیدی بیشتر از مقدار برنامهریزی شده باشد، الکترولایزر مقدار مازاد توان را دریافت می کند و به تولید هیدروژن میپردازد و در شرایط کمبود توان، پیل سوختی هیدروژن ذخیره شده در تانک را برای تولید مجدد توان الکتریکی استفاده میکند. در این تحقیق برای شبیهسازی الکترولایزر قلیایی از مدل ریاضی ارائه شده توسط [10] استفاده شده است. این مدل رفتار دینامیکی حرارتی و الکتروشیمیایی داخل سلولهای الکترولایزر را در نظر میگیرد. در این تحقیق، الکترولایزر یک آرایه 100KWبوده که از 160 سلول سری تشکیل شده است.
-5 ادوات الکترونیک قدرت و کنترل کننده ها مورد استفاده در سیستم پیشنهادی
در سیستم هیبریدی مستقل جهت اتصال مجموعه ذخیرهساز هیدروژنی به شبکه از مجموعه ادوات الکترونیک قدرت استفاده شده است. زیرا این مجموعه توان الکتریکی DCتولید میکند که به منظور اتصال آن به شبکه باید از یک مبدل الکترونیک قدرت مناسب - بعنوان مثال یک اینورتر شبکه - AC استفاده شود. همانطور که در شکل - 5 - مشاهده میشود سیستم ترکیبی پیل سوختی - الکترولایزر بصورت موازی به ترتیب توسط مبدلهای افزاینده و کاهنده به سمت DC اینورتر - خازن لینک - DC متصل شدهاند و سپس از طریق یک کانورترVSC انرژی الکتریکی تولیدی - مصرفی - توسط پیل سوختی - الکترولایزر - به - از - شبکه انتقال می یابد - دریافت می شود - .
از مبدل های افزاینده و کاهنده برای کنترل جریان آرایه های پیل سوختی و الکترولایزر بهره گرفته شده است. شکل - - 6کنترل کننده مربوطه را نمایش می دهد.
