بخشی از مقاله
چکیده
از مهمترین چالشهای سیستمهای قدرت، ایجاد تعادل بین توان تولیدی و توان مصرفی و در نتیجه پایداری فرکانس است. به علت تغییرات مداوم بار در شبکه، نیاز به تنظیم پیوسته توان تولیدی متناسب با توان مصرفی بار داریم تا بتوانیم فرکانس را در مقدار نامی آن حفظ کنیم. یکی از مسایل مهم در کنترل فرکانس شبکههای امروزی، افزایش ضریب نفوذ انرژیهای بادی در شبکه است و با توجه به تبعات عدم مشارکت این توربینها در تنظیم فرکانس شبکه، کنترل فرکانس در توربینهای بادی ضروری به نظر میرسد.
در این مقاله، سیستم کنترل فرکانس و چگونگی اعمال این کنترل در توربینهای بادی سرعت متغیر شامل ژنراتور القایی دوسو تغذیه به منظور رسیدن به پاسخ فرکانسی مطلوب تشریح شده است. تعیین ضرایب کنترل فرکانس و نقطه کار در توربین های بادی از اهمیت بالایی برخوردار است و تنظیم نادرست این ضرایب و نقاط کار میتواند به ناپایداری فرکانسی توربین و یا شبکه منجر شود.
در این مقاله نقاط کار مختلف توربین بادی، شیوههای کنترل فرکانس مرسوم و تاثیر آنها بر روی پاسخ فرکانسی مورد بررسی قرار گرفته و در انتها کنترل ترکیبی مناسب جهت پایداری فرکانسی توربینهای بادی سرعت متغیر شامل ژنراتور القایی دوسو تغذیه پیشنهاد و در محیط سیمولینک متلب شبیه سازی شده است. نتایج بدست آمده نشان از تاثیر مثبت این روش بر پاسخ فرکانسی پس از وقوع اغتشاش دارد.
-1 مقدمه
امروزه استفاده از انرژی الکتریکی جهت تامین تقاضای مصرف کنندهها اهمیت شایانی یافته است. با توجه به این که استفاده از انرژیهای فسیلی از جمله نفت و گاز و زغال سنگ مسائل و مشکلات متعددی دارند. لذا چرخ تمدن بشری که بستگی مستقیمی به انرژی دارد با مشکل روبرو خواهد شد. این امر سبب گردیده که کشورهای توسعه یافته صنعتی با جدیت هر چه تمامتر جهت استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر اقدام کنند.
نظر به این که دانشمندان و محققین از کاهش ذخیره سوخت های فسیلی در اواخر قرن 21 خبر میدهند، قبل از فرا رسیدن بحران انرژی لازم است که پژوهشگران به بررسی و تحقیق در خصوص استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر مانند باد بپردازند. با توجه به وابستگی سیستمهای تبدیل انرژی سوختهای فسیلی مانند نیروگاههای حرارتی به منابع انرژی اولیهای مانند نفت و یا گاز طبیعی به جای مطرح شدن مسایل صرف اقتصادی برای توسعه منابع انرژی، توسعه پایدار منابع انرژی قابل دقت و بررسی است. توسعه پایدار به این معنا که استفاده از منابع طبیعی از جمله انرژی به نحوی باشد که امکان بهره برداری برای نسلهای آینده وجود داشته باشد.
بطور کلی، تخمین زده شده است که منابع بادی قابل بهره گیری واقع در خشکی برای اتحادیه اروپا قادر به تولید و بازدهی 600 تراوات ساعت باشد. منبع بادی در آبهای دریایی تا 3000 تراوات ساعت ارزیابی شده است. که به همین دلیل اخیرا مزارع بادی دریایی بزرگ در شبکههای قدرت قرار گرفتهاند.
تاثیر انرژی باد بر روی فرکانس سیستم یکی از مسائل بسیار مهم است زیرا:
اولاَ: نیروی باد غیر قابل پیش بینی بوده و نوسانات بسیار زیادی دارد که میتواند پیامدهایی را در شرایط پایداری فرکانس در سیستم قدرت داشته باشد به طوریکه هرچه نفوذ باد در سیستم قدرت افزایش مییابد تصادفی بودن ونوسانات انرژی باد نیز افزایش یافته و متعاقبا موجب افزایش نوسانات فرکانس در سیستم قدرت میشود
ثانیا: مزارع بادی مدرن که عمدتا از نوع توربین های بادی سرعت متغیر - VSWT - هستند که از تکنولوژی الکترونیک قدرت بصورت کانورتر پشت به پشت4 به منظور اتصال به شبکه استفاده مینماید؛ بنابراین سرعت چرخش توربین بادی از فرکانس شبکه جدا میگردد که در نتیجه تغییرات فرکانس شبکه توسط روتور ژنراتور دیده نمیشود؛ بنابراین اینرسی ظاهری سیستم قدرت با افزایش انرژی بادی کاهش مییابد
این تاثیر در نوسانات فرکانس در سیستمهای قدرت کوچک یا ایزوله که با سیستمهای دیگر ارتباطی ضعیف یا بدون ارتباط هستند بسیار مهم خواهد بود
در این تحقیق پس از ارائه مدل ژنراتور القایی دوسوتغذیه ، انواع کنترلهای مرسوم در زمینه کنترل اولیه فرکانس بررسی میشود ، در ادامه روشی نوین جهت بهبود پاسخ فرکانسی توربینهای بادی سرعت متغیر شامل ژنراتور القایی دوسوتغذیه ارائه خواهد شد.
-2توربین بادی سرعت متغیر با ژنراتور دوسو تغذیه
توربینهای بادی سرعت متغیر، اغلب از ژنراتور القایی دو سو تغذیه استفاده میکنند که شامل یک ژنراتور القایی روتور سیم پیچ شده و یک کانورتر - AC/DC/AC - PWM تغذیه میشود. سیم پیچی استاتور بطور مستقیم با شبکه در ارتباط است در حالیکه روتور سیم پیچ شده بوسیله کانورتر الکترونیک قدرت از طریق حلقههای لغزان تغذیه میشود تا قادر به کاربری در سرعتهای مختلف در پاسخ به تغییرات سرعت باد باشد.
در واقع، مفهوم کلی آنست که این کانورتر فرکانس به عنوان واسط میان ژنراتور القایی فرکانس متغیر و شبکه ثابت در نظر گرفته میشود. خازن DC بین کانورتر سمت روتور و استاتور امکان ذخیره انرژی بیشتر را برای تولید بیشتر فراهم میآورد . به منظور کنترل کامل جریان شبکه، ولتاژ لینک DC بایستی به سطحی بیشتر از دامنه ولتاژ خط به خط شبکه تقویت گردد.
تکنولوژی DFIG این امکان را میدهد که ماکزیمم انرژی را در سرعتهای پایین از باد دریافت دارد در حالیکه فشارهای مکانیکی را در طی تندباد به حداقل میرساند.سرعت بهینه توربین، انرژی مکانیکی حداکثر را متناسب با سرعت باد فراهم می آورد. مزیت دیگر DFIG، توانایی کانورتر الکترونیک قدرت در جذب یا تولید توان راکتیو میباشد. بنابراین نیاز به نصب بانک خازنی همچون ژنراتور القایی قفس سنجابی را ندارد.
شکل ساختار توربین بادی سرعت متغیر با ژنراتور القایی دوسو تغذیه را نشان میدهد.
شکل-1 ساختار توربین بادی سرعت متغیر با ژنراتور القایی دوسو تغذیه
کنترل فرکانس در سیستم های قدرت معمولا به شکل کنترل اولیه و ثانویه میباشد . سیستم قدرت نوین نیازمند مشارکت فعال تولید توان باد در کنترل اولیه و ثانویه فرکانس خواهد بود. اگرچه ژنراتورهایی که با استفاده از مبدلهای الکترونیک قدرت به شبکه متصل هستند پاسخ فرکانسی را فراهم نمیآورند، این قابلیت را می توان با اضافه کردن یک کنترل مکمل به کانورترهای قدرت بدست آورد.
