بخشی از مقاله
چکیده
ژنراتور رلوکتانسی تغذیه دوبل بدون جاروبک - BDFRG - به دلیل ساختار بدون جاروبک و استفاده از مبدل کسر توان نامیژنراتور، به عنوان یک گزینه جدید برای کاربرد نیروگاه بادی مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله، یک استراتژی کنترل توان برای سیستم توربین بادی BDFRG – با در نظر گرفتن اثر برشی باد و سایه برج توربین پیشنهاد شده است. استراتژی کنترل توان پیشنهادی کل ناحیه تغییرات سرعت باد، شامل ناحیه دریافت بیشینه توان از باد - MPPT - ، ناحیه سرعت ثابت، و ناحیه توان ثابت را در بر میگیرد. مدل سیستم در نرمافزار MATLAB/Simulink شبیهسازی شده است. نتایج شبیهسازی عملکرد مناسب استراتژی کنترل توان پیشنهادی را در هر سه ناحیهعملکرد سیستم با در نظر گرفتن اثر برشی باد و سایه برج توربین نشان میدهد.
کلید واژه- ژنراتور رلوکتانسی تغذیه دوبل بدون جاروبک، توربین بادی، اثر برشی باد، سایه برج توربین.
-1 مقدمه
امروزه ژنراتور رلوکتانسی تغذیه دوبل بدون جاروبک - BDFRG - به عنوان یک گزینه مناسب برای کاربرد نیروگاه بادی مطرح است .[2 ,1] استاتور BDFRG دو سیمپیچ سه فاز ایزوله از هم را در خود جای داده است: سیمپیچ اولیه - قدرت - و سیمپیچ ثانویه - کنترل - ، که با ولتاژها و فرکانس های متفاوتی تغذیه میشوند. سیمپیچ اولیه P1 زوج قطب دارد و بهطور مستقیم به شبکه وصل است و سیمپیچ ثانویه دارای P2 زوج قطب بوده و از طریق یک مبدل پشتبهپشت به شبکه وصل میشود. روتور BDFRG از نوع رلوکتانسی است و تعداد قطبهای برجسته آن، Pr، با مجموع زوج قطبهای دو سیمپیچ استاتور برابر است .[2]
BDFRG از مبدل با کسر توان نامی ژنراتور استفاده میکند و حذف حلقه لغزان و جاروبک برتری آشکاری به این ژنراتور داده است. هزینه قابلقبول ، قابلیت اطمینان بالا، ساختار بدون جاروبک، بهعلاوه کارایی قابل مقایسه آن با ژنراتورهای به کار گرفتهشده در نیروگاه بادی، مانند ژنراتور القایی تغذیه دوبل - DFIG - ، اصلیترین علل توجه به این ژنراتور است .[3] از طرفدیگر، BDFRG در مقایسه با ژنراتور القایی تغذیه دوبل بدون جاروبک - BDFIG - ، از نظر استحکام مکانیکی بهتر بوده - به دلیل روتور فاقد قفس - ، و قابلیت کار در سرعتهای بالاتری را دارد. همچنین، چون در روتور BDFRG جریان وجود ندارد، تلفات روتور آن خیلی پایینتر است .[2] سادگی مدل و کنترل، از دیگر مزایای BDFRG نسبت به BDFIG است.
در مقالات روشهای کنترل متفاوتی ازجمله کنترل اسکالر [4]، کنترل برداری [6 ,5]، کنترل مستقیم گشتاور [7]، کنترل مستقیم توان [3] و کنترل هیسترزیس [8] برای کنترل BDFRG ارائه شده است. در یک سیستم توربین بادی - ژنراتور، سیستم کنترل شامل کنترل مرتبه پایین سیستم - کنترل ژنراتور - و کنترل مرتبه بالای سیستم - کنترل توربین بادی - است. به عبارت دیگر، توربین و ژنراتور بهطور یکپارچه کنترل میشوند. در مورد BDFRG نیز، در بخشی از مقالات به کنترل این ژنراتور در وضعیت اتصال به توربین بادی پرداخته شده است و سیستم با هدف دریافت بیشینه توان از باد - MPPT - کنترل شده است .[12-9] در [13] نیز یک استراتژی کنترل توان برای سیستم توربین بادی - BDFRG در کل ناحیه تغییرات سرعت باد پیشنهاد شده است.
اما تاکنون اثر برشی باد - افزایش سرعت باد با افزایش ارتفاع از زمین - و سایه برج توربین - تغییر توزیع بادبه علت حضور برج توربین - در سیستم توربین بادی - BDFRG در نظر گرفته نشده است. این در حالی است که، در یک توربین بادی سه پره، به دلیل اثر برشی باد و سایه برج توربین، گشتاور و توان توربین بادی با فرکانس سه برابر سرعت زاویهای توربین نوسان میکنند .[14]در این مقاله اثر برشی باد و سایه برج توربین در مدل سیستم لحاظ شده است، و استراتژی کنترل توان پیشنهادی در [13] برای سیستم توربین بادی - BDFRG با در نظر گرفتن اثر برشی باد و سایه برج توربین توسعه یافته است. روش کنترل پیشنهادی کل ناحیه عملکرد سیستم توربین بادی - BDFRG، شامل: ناحیه MPPT، ناحیه سرعت ثابت و ناحیه توان ثابت، را در برمیگیرد. در ناحیه MPPT برای دریافت بیشینه توان از باد از روش فیدبک توان توربین، که یک روش با پاسخ سریع است استفاده شده است.
در ناحیه سرعت ثابت، سرعت BDFRG به بیشینه مقدارش کنترل شده است. در ناحیه توان ثابت، با کاهش سرعت BDFRG از افزایش توان توربین به بیش از مقدار نامی ممانعت به عمل میآید. از آنجا که روش پیشنهادی بر مبنای توان توربین است، از یک رؤیتگر توان توربین استفاده شده است. برای اینکه نوسانات توان توربین ناشی از اثر برشی باد و سایه برج توربین باعث ناپایداری سیستم کنترل نشود، یک میانگینگیر با فرکانس سه برابر سرعت زاویهای توربین در خروجی رؤیتگر به کار گرفته شده است. در نهایت، مدل سیستم توربین بادی - BDFRG در نرمافزار MATLAB/Simulink شبیهسازی شده و عملکرد سیستم با روش کنترل پیشنهادی مورد بررسی قرار گرفته است.
-2 مدل ژنراتور رلوکتانسی تغذیه دوبل بدون جاروبک
مدل بردار فضایی BDFRG در چارچوب مرجع چرخان دلخواه در سرعت ، با معادلات زیر بیان میشود :[15 ,2]
که vp، vs، ip، is، λp و λs به ترتیب بردارهای ولتاژ اولیه، ولتاژ ثانویه، جریان اولیه، جریان ثانویه، شار اولیه و شار ثانویه در چارچوب مرجع چرخان میباشند. Rp، Rs، Lp، Ls و Lps به ترتیب مقاومت اولیه، مقاومت ثانویه، اندوکتانس اولیه، اندوکتانس ثانویه و اندوکتانس متقابل اولیه – ثانویه است. گشتاور الکتریکی BDFRG از معادله زیر به دست میآید :[15]
-3 مدل توربین بادی با در نظر گرفتن اثر برشی باد و سایه برج توربین
گشتاور توربین بادی با در نظر گرفتن اثر برشی باد و سایه برج توربین، از معادله زیر به دست میآید .[16]که Tt_class گشتاور کلاسیک توربین است، که از معادله - 7 - بهدست میآید :[17]
که ρ چگالی هوا، R شعاع توربین بادی، Cp ضریب تبدیل توان توربین و vw سرعت باد است. Cp تابعی از نسبت سرعت نوک پره،λ ، است که به صورت زیر تعریف میشود :[17]
که ωt سرعت زاویهای مکانیکی توربین است، و Tt_ws و Tt_ts به ترتیب گشتاور ناشی از در نظر گرفتن اثر برشی باد و سایه برج توربین را نشان میدهند و برابرند با :[16 ,14]
که H، X، و a به ترتیب ارتفاع هاب، فاصله پره تا مرکز برج، وشعاع برج هستند. همچنین ضریب برشی باد و θt زاویه پره توربین است. θb نیز برای b = 1, 2, 3 برابراست با:
اثر سایه برج توربین برای θb بین 90 و 270 درجه - زمانی که پره از مقابل برج توربین عبور میکند - اعمال میشود .[16 ,14] توان خروجی توربین نیز، Pt، از ضرب گشتاور توربین در سرعت زاویهای مکانیکی توربین به دست میآید:
با در نظر گرفتن ضریب جعبهدنده، N، گشتاور مکانیکی، Tm، و سرعت زاویهای مکانیکی، ωm، در سمت ژنراتور به صورتزیر به دست میآیند :[17]
در نهایت، مدل تک-جرم سیستم توربین بادی - ژنراتور، به صورت زیر است :[18]
که Jt و Jm به ترتیب اینرسی توربین و ژنراتور هستند.
-4 استراتژی کنترل
در استراتژی کنترل توان پیشنهادی، توان توربین به شکلی کنترل میشود که منحنی توان ایدهآل توربین را دنبال کند. این منحنی که در شکل 1 نشان داده شده است [19]، شامل سه ناحیه عملکرد متفاوت به شرح زیر است:
· ناحیه :I ناحیه MPPT با هدف جذب بیشینه توان از باد، زمانی که سرعت باد بین vw_min - کمترین سرعت باد که توربین شروع به کار میکند - و vw_ωN - سرعت باد که BDFRG به بیشینه سرعتش میرسد - تغییر میکند.
· ناحیه :II ناحیه سرعت ثابت با هدف جلوگیری از افزایش سرعت BDFRG به فراتر از مقدار بیشینه، زمانی که سرعت باد بین vw_ωN و vw_N - سرعت باد که توربین به توان نامیاش میرسد - تغییر میکند.
· ناحیه :III ناحیه توان ثابت با هدف ممانعت از افزایش توان توربین به بیش از مقدار نامی، زمانی که سرعت باد بین vw_N و vw_max - بیشترین سرعت باد که توربین از مدار خارج میشود - تغییر میکند.
بلوک دیاگرام استراتژی کنترل پیشنهادی برای سیستم توربین بادی - BDFRG با در نظر گرفتن اثر برشی باد و سایه برج توربین در شکل 2 نشان داده شده است. ابتدا توان خروجی توربین بادی، توسط یک رؤیتگر [13] رؤیت میشود، .Pt_obs از آنجا که به دلیل در نظر گرفتن اثر برشی باد و سایه برج توربین در مدل، توان خروجی توربین نوسانی خواهد بود، مقدار میانگین توان رؤیت شده، Pt_mean، محاسبه شده و از آن برای محاسبه مقدار مرجع سرعت زاویهای BDFRG، ωm_ref، استفاده میشود. چون توربین بادی مورد مطالعه دارای سه پره است، فرکانس میانگینگیری سه برابر فرکانس چرخش توربین انتخاب شده است. در ناحیه MPPT، سرعت زاویهای بهینه BDFRG طبق معادله - 21 - به دست میآید :[13 ,12]
در این ناحیه، Pt، از مقدار نامیاش، Pt_max، کوچکتر است، بنابراین ωm_ref با ωm* برابر است. با افزایش سرعت باد در ناحیه MPPT، سرعت زاویهای BDFRG، افزایش مییابد. به محض اینکه سرعت باد به vw_ωN میرسد، سرعت زاویهای بهینه، که از طریق معادله - 21 - به دست میآید، به حد بالای خود، ωm_max، میرسد. برای سرعتهای باد بیشتر از vw_ωN، اگرچه توان توربین با افزایش سرعت باد افزایش مییابد، سرعت زاویهای BDFRG ثابت نگه داشته میشود و ωm_ref با حد بالای - ωm_max - ωm* برابر است. زمانی که سرعت باد به vw_N میرسد، توان توربین نیز به Pt_max میرسد. اگر کنترلکننده اضافی وجود نداشته باشد، با افزایش سرعت باد، توان توربین از Pt_max فراتر میرود. بنابراین در این ناحیه، هدف استراتژی کنترل، حفظ توان توربین در Pt_max است. این کار با وادار کردن سیستم، به کار در سرعتهای پایینتر از ωm_max محقق میشود. به این منظور، یک کنترلکننده PID که با افزایش توان توربین از مقدار Pt_max فعال میشود، مورد استفاده قرار میگیرد.
