بخشی از مقاله
چکیده - هدف از اصلی این مقاله، کنترل یک توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی از دو سو تغذیه، برای دریافت حداکثر توان قابل استحصال از باد، می باشد. در کنار این هدف، سیستم کنترل به گونه ای عمل می کند که، در شرایطی که ولتاژ استاتور ژنراتور دارای مولفه های تقارن منفی است، جریان روتور متقارن باشد، به این معنا که مولفه های توالی منفی آن صفر شود.
برای رسیدن به این اهداف کنترلی، از روش کنترل لغزشی، که یکی از روش های کنترل غیرخطی می باشد، استفاده شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی روش پیشنهادی در نرم افزار سیمولینک متلب، در مقایسه با روش های کلاسیک کنترل توربین بادی از جمله PID کنترلر، نشان می دهد که رسیدن به اهداف کنترلی گفته شده در روش پیشنهادی با خطای کمتر صورت می گیرد. همچنین استفاده از روش کنترل لغزشی باعث پایداری سیستم و مقاوم بودن آن در برابر عدم قطعیت های موجود در سیستم می شود.
-1 مقدمه
طی سالیان گذشته سوخت های فسیلی به عنوان اصلی ترین منبع برای تولید برق شناته می شدند. با کاهش منابع این سوخت ها و همچنین اثرات مخرب آنها بر محیط زیست، ضرورت استفاده از منابع تجدیدپذیرف برای تولید برق بیش از پیش افزایش یافت. در میان منابع تجدیدپذیر، انرژی باد، بدلیل در دسترس بودن آن در اکثر نقاط زمین، به اصلی ترین منبع برای تولید برق تبدیل شده است.
توربین های بادی طی سال های اخیر دچار تغییرات زیادی شده اند و از توربین های با سرعت ثابت به انواعی با سرعت متغیر، تکامل یافته اند. در کنار این تغییرات، سیستم کنترل ژنراتورهای بادی نیز دچار تغییر شده است. اولین ایده برای کنترل سرعت چرخش ژنراتورهای القایی، استفاده از مقاومت متغیر در روتور ژنراتور می باشد. در مقاله ی [1] کنترلر هایی مبتنی بر این روش آورده شده است.
اساس کار تمامی این مقالات بر این اساس است که، با تغییر مقاومت موجود در روتور، لغزش ژنراتور را کنترل کرده و در نتیجه در یک بازه ی مشخص سرعت چرخش توربین کنترل شود. یکی از مهمترین معایب این روش بالا بودن تلفات در روتور است، که باعث می شود راندمان ژنراتور شدیدا کاهش پیدا کند، همچنین این بالا رفتن تلفات روتور موجب می شود نتوان به بازه ی بزرگی برای تغییر سرعت توربین دست یافت.
روش بعدی برای کنترل توربین بادی، روش کنترل برداری بود. براساس این روش گشتاور الکترومغناطیسی ژنراتور، توسط مولفه ی عمودی جریان روتور، و توان راکتیو آن بوسیله ی مولفه ی مستقیم جریان روتور، کنترل می شود. در تحقیق پیش رو، این روش به عنوان بخشی از روند طراحی کنترلر مورد استفاده قرار گرفته است.
یکی دیگر از روش های کنترل سرعت و گشتاور الکترومغناطیسی توربین بادی، روش کنترل مستقیم گشتاور می باشد. در مقاله ی [2] کنترلرهای طراحی شده براساس این ایده می باشند. در این روش توسط یک اینورتر دو سطحی ولتاژ، تعدادی بردار ولتاژ در زمان های معین به روتور اعمال می شود. بوسیله ی این بردارهای ولتاژ، می توان دامنه و فاز شار روتور را تنظیم کرد.
گشتاور الکتریکی ژنراتور نیز از حاصل ضرب برداری شار روتور و استاتور به وجود می آید، بنابراین با کنترل بردار شار روتور، می توان گشتاور الترومغناطیسی توربین را کنترل نمود. روش دیگر برای کنترل توربین های بادی، روش کنترل مستقیم توان است. اساس کار این روش نیز همچون روش کنترل مستقیم گشتاور است، با این تفاوت که در این روش تاثیر شار استاتور و روتور بر روی توان اکتیو و راکتیو ژنراتور دیده می شود. طراحی کنترلر در مقاله ی [3] بر اساس این روش صورت گرفته است.
-2 مدل سازی توربین بادی و DFIG
-1-2 مدل آیرودینامیکی [4]
در رابطه و به ترتیب بیانگر چگالی هوا و شعاع پره های توربین می باشد. همچنین سرعت باد با نشان داده شده است. پارامتر بسیار مهم ددر این رابطه می باشد که به آن ضریب گشتاور می گویند و بیانگر توانایی توربین در تبدیل انرژی باد به گشتاور مکانیکی می باشد. این پارامتر خود تابعی از - زاویه ی محور عمود بر پره ها و جهت وزش باد - و می باشد. نیز خود تابعی از سرعت زاویه ای چرخش توربین، ، است و با معادله ی زیر تعریف می شود:
-2-2 مدل مکانیکی [4]
در این رابطه و به ترتیب بیانگر گشتاور مکانیکی و گشتاور الکترومغناطیسی توربین می باشند. همچنین ضرایب و به ترتیب ضریب اینرسی توربین و ضریب Damping می باشند. در توربین های بادی معمولا برای افزایش سرعت چرخش ژنراتور از گیربکس استفاده می شود.
-3-2 مدل الکتریکی [6]-[4]
برای بدست آوردن معادلات از روش کنترل برداری استفاده شده است. در این روش بدون کاستن از کلیت مساله، فرض می شود که بردار شار استاتور، بر روی محور مستقیم قاب مرجع سنکرون قرار دارد.
