بخشی از مقاله
چکیده -
امروزه روند استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر به ویژه توربینهای بادی و سیستمهای فتوولتاییک در تولید برق رشد چشمگیری داشته است. با توجه به پتانسیل وزش باد و یا تابش خورشید در مناطق مختلف، توربینهای بادی و یا سیستمهای فتوولتاییک میتوانند به صورت مستقل از شبکه به منظور تأمین بارهایی که از شبکه انتقال دور هستند استفاده شوند؛ چرا که سیستم انتقال خود هزینهبر بوده و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست که برای بارهای کوچک توسعه یابد. تکنولوژیهای مختلفی به منظور تبدیل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی وجود دارد اما تاکنون بیشتر از سیستمهای فتوولتاییک استفاده شده است.
در صورت استفاده از یک سیستم فتوولتاییک به منظور تامین بار به صورت مستقل از شبکه باید سطح ولتاژ و فرکانس برق تولیدی در مقادیر نامی ثابت نگه داشته شود. با توجه به استفاده از مبدلهای الکترونیک قدرت در سیستمهای فتوولتاییک، میتوان با کنترل توان اکتیو و راکتیو، فرکانس و ولتاژ را کنترل و تنظیم کرد. در این مقاله به منظور کنترل فرکانس سیستم فتوولتاییک، یک سیستم کنترل تطبیقی بر پایه منطق فازی پیشنهاد داده میشود. در روند طراحی سیستم کنترل تطبیقی یک مساله بهینهسازی حل میشود که به دلیل غیرخطی بودن و پیچیدگی سیستم، از الگوریتم توده ذرات استفاده میشود.
-1 مقدمه
افزایش تدریجی قیمت سوختهای فسیلی، رو به پایان نهادن این منابع، مسائل زیست محیطی ناشی از مصرف اینگونه سوختها و تولید گازهای گلخانهای نظیر CO2, SO2, NO2 که منجر به تخریب لایه ازن میگردد، سبب رشد روزافزون استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر به مانند توربینهای بادی، انرژی برقآبی و سیستمهای فتوولتاییک شده است. یکی از مشکلات واحدهای بادی، خورشیدی و آبی متناوب بودن منابع انرژی آن-هاست که سبب شده است تولید برق آنها همراه با عدمقطعیت باشد.
از طرف دیگر احداث یک نیروگاه بادی و یا سیستم فتوولتاییک در یک منطقه زمانی توجیهپذیر است که پتانسیل وزش باد و یا تابش خورشید در آن منطقه زیاد باشد. به منظور تغذیه بارهایی که از شبکه قدرت دور هستند و پتانسیل وزش باد و یا تابش خورشید نیز مطلوب است توربینهای بادی و یا سیستمهای فتوولتاییک بهترین گزینه میباشند؛ چرا که در این صورت هزینه انتقال که بسیار سنگین میباشد حذف خواهد شد.
در صورتی که توربین بادی و یا سیستم فتوولتاییک بخواهد به تنهایی به منظور تأمین بار مورد نیاز یک مصرفکننده استفاده شود باید بتواند ولتاژ و فرکانس خروجی خود را تنظیم و تثبیت نماید. در شرایطی که توربین بادی و یا سیستم فتوولتاییک به شبکه قدرت متصل باشد کار تثبیت ولتاژ و فرکانس را واحدهای متعارف آبی، بخار و ... که دارای ژنراتورهای سنکرون با ظرفیت بالا هستند انجام میدهند. اما در شرایط کارکرد مستقل از شبکه واحدهای بادی و یا سیستم فتوولتاییک این کار به راحتی امکان-پذیر نمیباشد .
خوشبختانه در عمده توربینهای بادی نصب شده که مبتنی بر ژنراتورهای القایی دو سو تغذیه - DFIG - هستند [1]، و همچنین به منظور اتصال برق تولیدی سیستم فتوولتاییک به شبکه AC از مبدلهای الکترونیک قدرت استفاده میشود و لذا امکان کنترل توان اکتیو و راکتیو در آنها وجود دارد. بنابراین میتوان با کنترل توان اکتیو فرکانس، و با کنترل توان راکتیو، ولتاژ را ثابت نگه داشت. به منظور کنترل فرکانس در شبکه قدرت و همچنین توربینهای بادی تاکنون کارهای زیادی صورت پذیرفته است. با توجه به اینکه در هر دو نیروگاه بادی و سیستم فتوولتاییک از مبدلهای الکترونیک قدرت استفاده میشود به منظور کنترل فرکانس سیستم فتوولتاییک میتوان از کارهای صورت گرفته در زمینه کنترل فرکانس توربینهای بادی ایده گرفت.
در مرجع [2] مدلسازی انواع مختلف ژنراتورها به منظور مطالعه پایداری و دینامیک سیستمهای قدرت بیان شده است. در این مرجع بیشتر ژنراتورهای سنتی و سنکرون که در نیروگاه-های آبی و حرارتی استفاده میشوند مورد بررسی قرار گرفته است. در مرجع [3] تأثیر توربینهای بادی بر فرکانس برق خروجی و مباحث مربوط به انرزی جنبشی توربینهای بادی مطالعه شده است.
در این مرجع سعی شده است چگونگی تولید برق از انرژی جنبشی باد و تأثیر تغییر سرعت باد بر فرکانس برق تولیدی مورد توجه قرار بگیرد. در مراجع [4] و [5] کنترل فرکانس ژنراتورهای القایی دوسو تغذیه که بیشتر ژنراتورهای بادی نصب شده در جهان را به خود اختصاص دادهاند مورد بررسی قرار گرفته است. در این مراجع کنترل فرکانس مبتنی بر کنترل تناسبی و با داشتن پارامترهای ثابت صورت گرفته است. در مرجع [6] مباحث دینامیکی مربوط به اینرسی توربینهای بادی - به ویژه پرههای توربین بادی - و چگونگی کنترل فرکانس اولیه توربینهای بادی مورد توجه قرار گرفته است.
در این مقاله روش کنترل فازی - تطبیقی به عنوان روشی مناسب جهت کنترل فرکانس سیستم فتوولتاییک مورد استفاده قرار میگیرد. به منظور تعیین پارامترهای روش کنترلی نیز از روش الگوریتم توده ذرات بهره برده میشود. بر این اساس ساختار این مقاله به صورت زیر خواهد بود: در بخش دوم ساختار و مدل دینامیکی سیستم فتوولتاییک معرفی میشود. بخش سوم به معرفی کنترل فازی و نوع تطبیقی آن میپردازد. در بخش چهارم روش پیشنهادی کنترل فرکانس و نتایج شبیهسازی آن آورده شده و نتیجهگیری نیز در بخش پنجم بیان شده است.
-2 مدل دینامیکی سیستم فتوولتاییک
در شکل 1 اجزای کامل یک سیستم فتوولتاییک نشان داده شده است .[7] یک سیستم فتوولتاییک مجموعهای از سلولهای فتوولتاییک بوده که با هم سری و یا موازی شدهاند. یک سلول فتوولتاییک در واقع یک پیوند pn میباشد که در اثر تابش خورشید به آن برق dc تولید میکند. در این سیستم فتوولتایک اجزای مختلفی به مانند پنلها و آرایههای خورشیدی، مبدل دنبال کننده توان ماکزیمم، باتری ذخیره انرژی، سیستم ردیاب مکانیکی و اینورتر وجود دارد. میزان توان تولیدی تابع میزان شدت تابش خورشید و دما میباشد. بنابراین در طول روز و یا فصول مختلف با توجه به اینکه تابش دریافتی سیستم فتوولتاییک و همچنین دما متغیر میباشد انتظار توانهای تولیدی مختلفی را باید داشت. لذا در کنار این سیستم، سایر نیروگاهها و یا باتری استفاده میشوند تا در شب و یا در مواقع دیگر کاهش توان را جبران نمایند.
شکل -1 اجزای مختلف سیستم فتوولتاییک
مدار معادل این سلول در شکل 2 نشان داده شده است. همانگونه که گفته شد بر اساس میزان تابش در سلول فتوولتاییک جریان dc تولید میشود که در شکل با یک منبع جریان dc نشان داده شده است. این جریان به میزان تابش خورشید و همچنین دما وابسته میباشد. پیوند pn نیز با یک دیود مدلسازی شده و به مانند المانهای الکتریکی همواره مقداری تلفات وجود دارد که مقاومتهای سری و موازی این امر را نشان میدهند. در ادامه این مدار یک مبدل dc به dc به منظور دنبال نمودن ماکزیمم توان تابشی خورشید و سپس یک اینورتر به منظور تبدیل برق dc به ac قرار داده میشود.
شکل -2 مدار معادل سیستم فتوولتاییک
شکل -3 مدل دینامیکی نیروگاه بخار
شکل -4 مدل دینامیکی توربین بادی
تابع تبدیل G - S - که ارتباط بین تغییرات فرکانس و تغییرات گشتاور را نشان میدهد به صورت شکل 5 خواهد بود.
شکل -5 تابع تبدیل بین تغییرات فرکانس و تغییرات گشتاور
در این تابع تبدیل پارامترهای کنترل شامل k1, k2, TW می-باشند. بهره k1 سبب ایجاد اینرسی توربین بادی شده و نشان دهنده پاسخ اولیه توربین بادی میباشد. بهره k2 به عنوان یک پاسخ مربوط به شکل اضافی مطرح است که بر مبنای فیلتر خروجی عمل مینماید. همچنین TW نیز پاسخ را پس از گذشت 2 تا 3 ثانیه تنظیم مینماید. در بلوک دیاگرام تابع تبدیل، بلوکی در سمت چپ ارائه گردیده که در آن از یک تأخیر مرتبه اول Tf در ترکیب با بهره kf استفاده میشود تا بتواند رابطه واقعی بین تغییرات فرکانس و تغییرات گشتاور را مدل کند.
در واقع kf نشان دهنده بهره تابع انتقال بین تغییرات فرکانس و تغییرات گشتاور میباشد. در ادامه گشتاور توسط کنترل کننده PI - کنترل کننده تناسبی و انتگرالگیر - مورد تأثیر قرار گرفته و سپس به صورت پاسخ زیر که همان پاسخ توربین بادی واقعی میباشد تغییر میکند. در بلوک X1 کمیت گشتاور به کمیت جریان تبدیل شده و سپس به صورت حلقه بسته کنترل میشود. یک فیدبک از گشتاور محور گرفته شده، با مقدار مرجع مقایسه شده، با انتگرال گرفتن از آن و تقسیم بر ثابت اینرسی به سرعت تبدیل میشود. این سرعت به منحنی توان توربین بادی داده شده و گشتاور تنظیم ایجاد میشود.
