بخشی از مقاله
چکیده
باد به عنوان یک منبع انرژی تجدید پذیر برای تولید انرژی الکتریکی به شکل قابل ملاحظهای مورد توجه قرار گرفته است، به این خاطر که هزینه های آن در مقایسه با سایر انرژیهایی که به طور معمول برای تولید قدرت مورد استفاده قرار میگیرند مناسب است. امروزه با گسترش توجه و استفاده از انرژی باد در سیستمهای قدرت، ساختارهای مختلفی برای استفاده از این انرژی تجدیدپذیر و پاک، ایجاد و توسعه داده شده است.
یکی از مشکلات عمده سیستم های تبدیل انرژی باد، قدرت خروجی نوسانی آن می باشد. نوسان توان می تواند دلیلی بر انحراف فرکانس باشد که بی ثباتی سیستمهای قدرت را در بر دارد. در نتیجه انرژی باد منبع انرژی قابل کنترلی نیست که در آن بتوان توان خروجی را بر اساس تقاضای بار تنظیم کرد. یکی از ساختارهایی که اخیراً در کانون توجهات بوده و عملکرد مناسبی دارد، استفاده از ژنراتور مغناطیس دائم متصل به مبدل پشت به پشت قدرت1 و با حضور خازن لینک DC و ذخیرهساز انرژی میباشد.
برای اینکه ژنراتور توربین بادی به طور موثر کار کند ماکزیمم توان قابل دسترس باید از باد استخراج شود. ماکزیمم توانی که میتوان از باد گرفت بستگی به سرعت باد و ویژگی های توربین بادی دارد. سرعت ژنراتور سرعت باد را دنبال می کند تا ماکزیمم توان استخراج شود. مبدل سمت ژنراتور سرعت ژنراتور را کنترل میکند و مبدل سمت شبکه توان اکتیو و راکتیو تحویل داده شده به شبکه را تنظیم میکند.
ذخیره ساز انرژی تفاوت بین توان تقاضا شده و توان قابل دسترس ژنراتور را فراهم میکند. در این پروژه این سیستم مورد بررسی قرار میگیرد و تمامی اجزای سیستم مدلسازی دینامیکی میشود. عملکرد مدلهای دینامیکی با مدلهای اصلی مقایسه می-شود و چگونگی کنترل توان توسط ذخیره ساز مورد بررسی قرار میگیرد. استراتژی کنترل بر این اساس طراحی شده است که توان را بین ژنراتور توربین بادی ، ذخیره ساز انرژی و شبکه اداره میکند. همچنین ولتاژ لینک DC و بار را ثابت نگه می-دارد.
مقدمه
پیشگفتار
نگرانی های جهانی درباره ی انرژی پایدار و مشکلات محیطی نیروگاه های برق سنتی انگیزه ها را برای استفاده بیشر از انرژی های تجدید پذیر فراهم کرد. اگرچه منابع انرژی های تجدید پذیر حاصل از طبیعت است و در مواردی صرفه ی اقتصادی دارند اما استفاده آنها در سیستم های برقی با چالش های فنی زیادی مواجه شده است. چالش های فنی اصلی شامل کیفیت توان ، قابلیت اطمینان ، نگهداری و حفاظت است.
باد به عنوان یک منبع انرژی تجدید پذیر برای تولید انرژی الکتریکی به شکل قابل ملاحظه ای مورد توجه قرار گرفت، به این خاطر که هزینههای آن در مقایسه با سایر انرژیهایی که به طور معمول برای تولید قدرت مورد استفاده قرار میگیرند مناسب است. باد ارزان و از منابع فراوان انرژی است از این رو یک انرژی مطمئن و مقرون به صرفه به حساب می آید.
اما انرژی باد در طبیعت تغییرات زیادی دارد و انرژی حاصل از آن شامل محدوده بزرگی از تغییرات می باشد. یکی از مشکلات عمده سیستم های تبدیل انرژی باد قدرت خروجی نوسانی آن می باشد. نوسان توان می تواند دلیلی بر انحراف فرکانس باشد که بی ثباتی سیستمهای قدرت را در بر دارد. در نتیجه انرژی باد منبع انرژی قابل کنترلی نیست که در آن بتوان توان خروجی را بر اساس تقاضای بار تنظیم کرد. به بیان دیگر سیستم تبدیل انرژی باد در پخش بار اقتصادی1 نمیتواند نقشی داشته باشد.
به دلیل در دسترس بودن روزافزون مواد مغناطیس دائم با انرژی بالا، تحقیق و علاقه زیادی در زمینه ژنراتورهای بادی با تحریک مغناطیس دائم پدید آمده است. ژنراتورهای AC با روتورهای مغناطیس دائم میتوانند پتانسیل بهره بالاتر در عمل و ساختار ساده و مستحکم در طراحی را به خاطر عدم حضور سیمبندیهای تحریک و جریان میدان DC عرضه کنند.
به طور معمول ژنراتورهای توربین بادی بهترین عملکردشان در سرعتهای بالاست و نیاز به جعبه دنده دارد. یک ژنراتور مغناطیس دائم چند قطبی که به شبکه از طریق مبدل قدرت وصل است میتواند در سرعتهای پایین هم عمل کند و در این حالت به جعبه دنده هم نیازی ندارد. ساختارهای راه اندازی مستقیم2 به دلیل این که ژنراتور با راه اندازی مستقیم دارای اندازه کوچکتر و هزینه نصب و نگهداری پایین تر، کنترل پذیری ساده تر و پاسخ سریع به تغییرات بار و نوسانات باد است،بیشتر به کار گرفته میشود.
روش های متفاوتی برای مشکل تغییر توان برای سیستمهای بادی مطرح شده است. این روشها عموما بر اساس استفاده از وسایل ذخیره ساز انرژی یا منابع کمکی است. Joos و Abbey کاربرد ابر خازنها به عنوان وسایل ذخیره ساز انرژی برای سیستمهای تبدیل انرژی بادی را مورد مطالعه قرار دادند.
استفاده از باتری به عنوان وسیله ذخیره ساز انرژی نسبت به سایر روشها عملی تر به نظر می آید. باتری ها معمولا قیمت معقولی دارند و میتوانند انرژی را برای دوره زیادی ذخیره کنند. اما کارایی آنها نگرانیهای محیطی به وجود آورده است.
روشی که در اینجا به آن می پردازیم بدین صورت است که توان در باس DC که در آن ژنراتور توربین بادی و منبع کمکی کوپل شده اند مدیریت می شود که در حقیقت سیستم تبدیل انرژی بادی با ذخیره ساز انرژی سیستمی یکپارچه را ارائه می کند. ذخیره ساز انرژی برای سیستم تبدیل انرژی بادی در نوسانات قدرت باد و یا تغییرات بار به عنوان یک منبع کمکی عمل میکند.
استراتژی کنترل بر این اساس طراحی شده است که توان را بین ژنراتور توربین بادی، ذخیره ساز انرژی و شبکه اداره می کند. بنابراین به طور کلی سیستم تبدیل انرژی بادی به منبع انرژی قابل ارسال تبدیل میشود، به دیگر کلام توان تولید شده از سیستم های تبدیل انرژی بادی همانند نیروگاههای قدرت رایج میتواند از مرکز دیسپچینگ1 کنترل شود. مدل دینامیکی کلی برای سیستم تبدیل انرژی بادی و نیز طراحی سیستمهای کنترلی ارائه و استفاده میشود.
معرفی سیستم
شکل1-1 بلوک دیاگرام سیستم تبدیل انرژی بادی با ذخیره ساز انرژی را نشان میدهد.
شکل1-1 نمای کلی سیستم تبدیل انرژی باد با ذخیره ساز انرژی
این سیستم شامل توربین بادی، ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم2، یکسوساز با مدولاسیون 3 PWM، یک مدار DC واسط شامل خازن، یک اینورتر با مدولاسیون PWM و ذخیره ساز انرژی که شامل منبع و مبدل است.
توربین بادی انرژی جنبشی موجود در باد را تبدیل به انرژی مکانیکی می کند که ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم را به حرکت در می آورد.
