بخشی از مقاله
چکیده - امروزه نیاز به یافتن منابع جدید انرژی با توجه به نیاز روزافزون بشر به انرژی از یک سو و کاهش منابع سنتی انرژی از سویی دیگر، به روشنی احساس می گردد. جایگزینی منابع فسیلی با انرژی های نو و تجدیدپذیر راهکاری است که مدت هاست مورد توجه کشورهای پیشرفته جهان قرار گرفته است. این مقاله به بررسی نقش مشارکت واحدهای تولید بادی درکنترل فرکانس پرداخته است و برای کنترل فرکانس، کنترل هر چه بهتر تغییرات سرعت توربین های بادی پیشنهاد شده است.
ابتدا سیستم قدرت مورد نظر با استفاده از کنترل کننده PI کلاسیک و STATCOM به عنوان جبرانگر همزمان استاتیکی برای کنترل کردن سرعت ژنراتور توربین بادی شبیه سازی شده و در ادامه به منظور بهبود عملکرد سیستم، بهینه سازی تنظیم پارامترهای کنترل کننده STATCOM PI به عنوان جبرانگر همزمان استاتیکی با الگوریتم ژنتیک پیشنهاد شده است.
در پایان به علت اینکه سیستم های قدرت در حضور واحدهای بادی در معرض تغییر پارامترها و عدم قطعیت های زیادی قرار می گیرند جایگزینی کنترل کننده PI وSTATCOM با کنترل کننده فازی پیشنهاد شده است که غیر خطی می باشد و عملکرد مقاومتری نسبت به تغییر پارامترهای سیستم از خود نشان می دهد. بدیهی است با بهینه سازی کنترل کننده فازی مورد نظر با الگوریتم ژنتیک نتایج مطلوب تری بدست می آید.
-1 مقدمه
امروزه تمایل به استفاده از انرژی های تجدیدپذیر روز به روز در حال افزایش است. در میان منابع تجدیدپذیر مختلف، ثابت شده است که انرژی بادی جنبه های فنی و اقتصادی مطلوبتری را دارا می باشد. از طرف دیگر با توجه به نیاز روزافزون بشر به انرژی الکتریکی از یک سو و محدودیت ذخایر سوختهای فسیلی و همچنین نگرانیهای زیست محیطی در پی افزایش گاز دی اکسید کربن و دیگر گازهای گلخانهای از سویی دیگر، نیاز به یافتن منابع جدید انرژی به روشنی احساس میگردد. جایگزینی منابع فسیلی با انرژیهای نو و تجدیدپذیر راهکاری است که مدتهاست مورد توجه کشورهای پیشرفته جهان قرار گرفته است.
یکی از مهمترین انرژیهای تجدید پذیر، انرژی باد میباشد. انرژی باد پایان ناپذیر، رایگان و پاک است در ضمن به راحتی قابل تبدیل به انرژی الکتریکی میباشد پس میتواند در بین منابع انرژیهای نو گزینه مناسبی جهت جایگزینی با منابع فسیلی باشد.[1] استفاده از انرژی باد در هر سال رشد 10% را در دنیا و رشد 37% را در اروپا داشته است. پیشبینی میشود تا سال 2020 در حدود 10% انرژی کل دنیا توسط نیروگاههای بادی تولید شود که تا 50% در سال 2050 افزایش خواهد داشت.
با وجود اینکه استفاده از انرژی باد به منظور تولید انرژی الکتریکی پیشینه زیادی دارد اما به دلیل نفوذ کمی که در تولید انرژی داشتهاند تاثیر وجود آنها در شبکه چندان مورد بررسی قرار نگرفته است. منبع انرژی باد غیر قابل پیش بینی است بنابراین اضافه شدن مقدار قابل توجهی از واحدهای تولید بادی به شبکههای الکتریکی موجود، تاثیر قابل ملاحظهای بر طراحی، کارکرد و کنترل شبکه خواهد گذاشت.
-2 بیان مسئله
به صورت سنتی سیستمهای تبدیل کننده انرژی بادی - WECS - در کنترل فرکانس شرکت نمیکنند، به این معنی که وقتی فرکانس در شبکه زیاد یا کم میشود واحدهای بادی تولید خود را زیاد یا کم نمیکنند بلکه با افزایش یا کاهش تولید واحدهای سنتی افت یا افزایش فرکانس جهت نگه داشتن فرکانس شبکه در محدوده مجاز خود، جبران میشود. اما با افزایش مشارکت واحدهای تولید بادی در تولید انرژی برای بهبود عملکرد سیستم، آنها نیز باید در کنترل فرکانس شرکت کنند.
بنابراین امروزه توان بادی به سرعت در شبکه های قدرت مدرن تلفیق شده است. انتظار میرود که این روند در دهه های پیش رو نیز جهت جبران کمبود انرژی وکاهش فشارهای زیست محیطی، ادامه یابد. در بین انواع ژنراتورهای توان بادی، ژنراتور القایی تغذیه دوگانه - DFIG - ، به علت مزیت هایی مانند اندازه نسبتا کوچک، استرس مکانیکی کم، نرخ توان کم مبدل های الکترونیک پشت- به - پشت، بازده انرژی بالا و کنترل انعطاف پذیر، بازار بزرگی به حساب میایند. بنابراین مزارع بادی مبتنی بر DFIG، انعطاف پذیری لازم برای کنترل توان اکتیو و راکتیو را دارند و نقش مهمی در سیستم های توان فعلی و آینده دارند.
با افزایش استفاده از انرژی باد در سطوح بالا، چالش های جدیدی برای پایداری و عملکرد سیستم های قدرت به وجود آمده است. میرایی نوسانات فرکانس پایین و حفظ پایداری سیستم قدرت، از اهمیت خاصی برخوردار است. زمانی که سطح نفوذ انرژی بادی در سیستم بالا باشد، بحث تاثیر آن بر رفتار دینامیکی سیستم و استفاده از قابلیت های کنترلی نیروگاه بادی در جهت افزایش پایداری سیستم قدرت مطرح می شود.
همچنین ادغام مزارع بادی مبتنی بر DFIG با سطح نفوذ بالا، تحت شرایطی اثرات منفی روی پایداری زاویه روتور سیستم قدرت خواهد داشت. نیروگاه بادی را می توان به منظور میرایی نوسانات الکترومکانیکی خود نیروگاه و همچنین نوسانات سیستم کنترل کرد، آنچه اینجا مد نظر است میرایی نوسانات و حفظ پایداری سیستم می باشد . کنترل توان در توربین های بادی سرعت متغیر هم به صورت مکانیکی و هم الکتریکی انجام میگیرد .
لذا انتظار میرود کنترل میرایی نوسانات هم به دو صورت تنظیم مکانیکی و تنظیم الکتریکی باشد . در بحث کاربرد ویژگی های کنترلی نیروگاه بادی برای افزایش پایداری سیگنال کوچک سیستم قدرت، روش های کنترلی مربوط به کنترل مکانیکی نیروگاه بادی سرعت عملکرد پایین تری دارند. بدلیل سرعت پایین کنترل کننده های مکانیکی، اینجا بر روی کنترل الکتریکی جهت میراسازی نوسانات سیستم قدرت تمرکز شده است. این پایان نامه، یک کنترل کننده میرایی مبتنی بر الگوریتم کنترلی مد لغزشی مرتبه دوم برای مزارع بادی مجهز به DFIG جهت میراسازی نوسانات بین ناحیه ای توان در سیستم پیوسته پیشنهاد میدهد.
هدف استراتژی کنترل میرایی پیشنهادی، استفاده از مدلاسیون توان راکتیو DFIG برای پایدار ساختن نوسانات توان هنگام بروز اغتشاش در سیستم است. ابتدا کنترل کننده پیشنهادی برای یک سیستم قدرت 2 ناحیه ای طراحی شده است سپس به سیستم چند ناحیه ای پیوسته بسط داده شده است. در مقایسه با کنترل کننده های میرایی مرسوم برای مزارع بادی DFIG، کنترل کننده پیشنهادی به عدم قطعیت های مدلسازی و تغییرات پارامتر ها حساس نیست.
کنترل کننده میرایی مبتنی بر مد لغزشی مرتبه دوم ژنراتور DFIG، نسبت به کنترل کننده های مرسوم، مقاومت بیشتری را در مواجهه با تغییرات نقطه کار و پارامترهای سیستم نشان میدهد. شبیه سازی ها، بهبود عملکرد میرایی نوسانات بین ناحیه ای را در شرایط تغییرات وسیع نقطه کار و پارامترهای سیستم، در محدوده کاری وسیع، نشان می دهد.
در این مقاله یک سیستم کنترلی جدید برای جبران سازی توان راکتیو، جبران سازی گشتاور مکانیکی، تنظیم ولتاژ و دستیابی به پایداری حالت گذرا در تجهیزات توربین بادی با ژنراتور القایی سرعت ثابت طراحی و پیادهسازی شده است. کنترلکننده خطی بهینه چهار ربعی - LQR - طراحیشده عملکرد قابل قبولی در حین رخداد خطا با اغتشاشهای کوچک و بزرگ دارد.
شبیهسازی اغتشاشهای بزرگ نشان میدهد که کنترلکننده طراحیشده پایداری ولتاژ و همچنین پایداری حالت گذرا را در هنگام افت ولتاژ حفظ میکند و قابلیت عبور از افت ولتاژ را در ژنراتور سرعت ثابت ایجاد میکند. برای تائید عملکرد این کنترلکننده شبیهسازیهای دقیقی با در نظر گرفتن جزئیات فراهمشده است. شبیهسازیها و اندازهگیریها نشان میدهد که بالا بردن اندازه STATCOM چگونه میتواند ضریب پایداری سیستم و قابلیت LVRT در آن را افزایش دهد..
-3 پیشنهی پژوهش
در زمینه کنترل فرکانس سیستم های قدرت تاکنون مقالات گوناگونی ارائه شده است و به دلیل اهمیت این موضوع محققان بسیاری آن را مورد بررسی قرار داده اند. اولین تلاش ها جهت کنترل فرکانس سیستم های قدرت در [14-12] آورده شده است. سپس تعاریف و استانداردهای عبارت های مورد نیاز در کنترل فرکانس سیستم های قدرت توسط گروه محققین IEEE ارائه شد .[8]
لازم به ذکر است که کنترل اولیه فرکانس توسط گاورنرهای نصب شده بر روی ژنراتورها صورت می پذیرد که در صنعت عمدتا از کنترل کننده PI و STATCOM به عنوان جبرانگر همزمان استاتیکی به دلیل سادگی آنها در بهره برداری استفاده می شود. اما با وجود واحدهای بادی در سیستم های قدرت که باعث تغییر پارامترهای بیشتری در سیستم می شود، نیاز به ارائه روش های کنترل فرکانسی احساس می شود که با روش هایی که برای سیستم های قدرتی که فقط شامل واحدهای سنتی می باشند متفاوت است.
برای مسئله کنترل بار فرکانس این سیستم ها تاکنون روش های کنترلی مختلفی ارائه شده است اما به رغم افزایش نفوذ توربین های بادی در شبکه قدرت و مشارکت بیشتر منابع انرژی های نو در تولید انرژی همواره بخش عمده تنظیم فرکانس شبکه، توسط واحدهای تولید سنتی انجام می شود. مرجع [9] به یک بررسی خلاصه وار از توسعه اخیر کاربرد انرژی های تجدید پذیر در سیستم های قدرت و تاثیر آنها در تغییرات فرکانس آن سیستم ها پرداخته است. همچنین یک مدل به روز شده کنترل بار فرکانس - - LFC معرفی شده و پاسخ فرکانسی سیستم قدرت در حضور منابع انرژی های تجدید پذیر تحلیل شده است.
ایده اصلی ارائه شده در این مقاله این است که به تغییرات توان تولید شده توسط واحدهای غیر سنتی به چشم بار منفی نگاه شده است. به این معنی که تغییرات بار کلی سیستم ناشی از تغییرات بار واقعی و تغییر در تولید واحدهای غیر سنتی می باشد. نکته قابل توجه در این مقاله این است که وظایف کنترل فرکانس کاملا بر عهده واحدهای سنتی می باشد و واحدهای غیر سنتی در کنترل فرکانس شرکت ندارند.
همان طور که در قسمت های قبل اشاره شد می دانیم کنترل اولیه فرکانس توسط گاورنرهای نصب شده بر روی ژنراتورها صورت می پذیرد. مراجع [10] و [11] به بررسی کنترل اولیه فرکانس پرداخته اند و مدل هایی برای ساختار کنترل بار فرکانس ارائه داده اند. در [10] سه روش متفاوت کنترل اولیه فرکانس معرفی شده است که توربین بادی را قادر می سازد که فرکانس شبکه را در حضور اغتشاش پشتیبانی کند. به این منظور از روش کنترل گام و روش کنترل انرژی جنبشی استفاده شده است که با معرفی ساختارهایی برای کنترل اولیه فرکانس باعث بهبود پاسخ فرکانسی در حضور اغتشاش شده است.
اشکال عمده این روش ها در این است که به جای استفاده از کنترل کننده معمول PI در کنترل اولیه فرکانس، ساختارهای پیچیده تری پیشنهاد شده اند. در ضمن به علت تطبیقی نبودن این ساختارها کنترل کننده نمی تواند تغییرات را به طور مطلوبی دنبال کند. در مرجع [12] به منظور کنترل اولیه فرکانس، از روش های طراحی مبتنی بر منطق فازی برای ژنراتورهای بادی سرعت متغیر بهره گرفته شده است و به معرفی یک ناظر مبتنی بر منطق فازی برای کنترل همزمان گشتاور ژنراتور و زاویه گام پرداخته است.
در مرجع [13] یک روش برای کنترل توان خروجی توربین های بادی و کاهش انحرافات فرکانس با استفاده از تخمین بار پیشنهاد شده است. بنحوی که توان بار توسط یک مشاهده گر اغتشاش مرتبه مینیمال تخمین زده می شود و فرمان توان توربین بادی متناظر با این تخمین بار با حل یک مسئله بهینه سازی تعیین می شود. حسن این روش این است که با توجه به اینکه فرمان توان با فرض پیش بینی رو به جلوی کوتاه مدت سرعت بار تعیین می شود. ژنراتور توربین بادی در طول آشفتگیها نیز می تواند به خوبی کنترل شود.
