بخشی از مقاله
چکیده -
امروزه نیاز به یافتن منابع جدید انرژی با توجه به نیاز روزافزون بشر به انرژی از یکسو و کاهش منابع سنتی انرژی از سویی دیگر، بهروشنی احساس میگردد. جایگزینی منابع فسیلی باانرژیهای نو و تجدیدپذیر راهکاری است که مدتهاست 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 چهبهتر تغییرات سرعت توربینهای بادی پیشنهادشده است. ابتدا سیستم قدرت موردنظر با استفاده از کنترلکننده PI کلاسیک و STATCOM بهعنوان جبرانگر همزمان استاتیکی برای کنترل کردن سرعت ژنراتور توربین بادی شبیهسازیشده و در ادامه بهمنظور بهبود عملکرد سیستم، بهینهسازی تنظیم پارامترهای کنترلکننده STATCOM PI بهعنوان جبرانگر همزمان استاتیکی با الگوریتم ژنتیک پیشنهادشده است. در پایان به علت اینکه سیستمهای قدرت در حضور واحدهای بادی در معرض تغییر پارامترها و عدم قطعیتهای زیادی قرار میگیرند جایگزینی کنترلکننده PI وSTATCOM با کنترلکننده فازی پیشنهادشده است که غیرخطی میباشد و عملکرد مقاومتری نسبت به تغییر پارامترهای سیستم از خود نشان میدهد. بدیهی است با بهینهسازی کنترلکننده فازی موردنظر با الگوریتم ژنتیک نتایج مطلوبتری به دست میآید.
-1 مقدمه
امروزه تمایل به استفاده از انرژی های تجدیدپذیر روزبه روز در حال افزایش است. در میان منابع تجدیدپذیر مختلف، ثابت شده است که انرژی بادی جنبه های فنی و اقتصادی مطلوبتری را دارا میباشد.
از طرف دیگر با توجه به نیاز روزافزون بشر به انرژی الکتریکی از یکسو و محدودیت ذخایر سوختهای فسیلی و همچنین نگرانیهای زیست محیطی در پی افزایش گاز دی اکسید کربن و دیگر گاز های گلخانه ای از سویی دیگر، نیاز به یافتن منابع جدید انرژی به روشنی احساس می گردد. جایگزینی منابع فسیلی با انرژیهای نو و تجدیدپذیر راهکاری است که مدت هاست مورد توجه کشور های پیشرفته جهان قرار گرفته است. یکی از مهمترین انرژیهای تجدید پذیر، انرژی باد می باشد. انرژی باد پایان ناپذیر، رایگان و پاک است در ضمن به راحتی قابل تبدیل به انرژی الکتریکی می باشد پس میتواند در بین منابع انرژیهای نو گزینه مناسبی جهت جایگزینی با منابع فسیلی باشد
استفاده از انرژی باد در هر سال رشد 10% را در دنیا و رشد 37% را در اروپا داشته است. پیشبینی می شود 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 داشته اند 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 شبکه های 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 می شود. 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 شبکههای قدرت مدرن تلفیق شده است. انتظار میرود که این روند در دهههای 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 مزیتهایی مانند اندازه نسبتا کوچک، استرس مکانیکی کم، نرخ توان کم مبدلهای 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 مهمیدر سیستمهای توان فعلی و آینده دارند.
با افزایش استفاده از انرژی باد در سطوح بالا، چالشهای جدیدی برای پایداری و عملکرد سیستمهای 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 قابلیتهای کنترلی نیروگاه بادی در جهت افزایش پایداری سیستم قدرت مطرح میشود.
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 میتوان بهمنظور میرایی نوسانات الکترومکانیکی خود نیروگاه و همچنین نوسانات سیستم کنترل کرد، آنچه اینجا مد نظر است میرایی نوسانات و حفظ پایداری سیستم میباشد.
کنترل توان در توربینهای 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 ویژگیهای کنترلی نیروگاه بادی برای افزایش پایداری سیگنال کوچک سیستم قدرت، روشهای کنترلی مربوط به کنترل مکانیکی نیروگاه بادی سرعت عملکرد پایین تری دارند. بدلیل سرعت پایین کنترل کنندههای مکانیکی، اینجا بر روی کنترل الکتریکی جهت میراسازی نوسانات سیستم قدرت تمرکز شده است.
این پایان نامه، یک کنترلکننده 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 کنترلکنندههای میرایی مرسوم برای مزارع بادی DFIG، کنترلکننده پیشنهادی به عدم قطعیتهای مدلسازی و تغییرات پارامترها حساس نیست. کنترل کننده میرایی مبتنی بر مد لغزشی مرتبه دوم ژنراتور DFIG، نسبت به کنترلکنندههای مرسوم، مقاومت بیشتری را در مواجهه با تغییرات نقطه کار و پارامترهای سیستم نشان میدهد. شبیه سازیها، بهبود عملکرد میرایی نوسانات بین ناحیه ای را در شرایط تغییرات وسیع نقطه کار و پارامترهای سیستم، در محدوده کاری وسیع، نشان میدهد.
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 پیاده سازی شده است. کنترلکننده خطی بهینه چهار ربعی - LQR - طراحیشده عملکرد قابل قبولی در حین رخداد خطا با اغتشاشهای کوچک و بزرگ دارد.
شبیه سازی اغتشاش های بزرگ نشان میدهد که کنترلکننده طراحیشده پایداری ولتاژ و همچنین پایداری حالت گذرا را در هنگام افت ولتاژ حفظ می کند و قابلیت عبور از افت ولتاژ را در ژنراتور سرعت ثابت ایجاد میکند. برای تائید عملکرد این کنترل کننده 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 سیستمهای قدرت تاکنون مقالات گوناگونی ارائه شده است و به دلیل اهمیت این موضوع محققان بسیاری آن را مورد بررسی قرار داده اند. اولین تلاشها جهت کنترل فرکانس سیستمهای قدرت در [14-12] آورده شده است. سپس تعاریف و استانداردهای عبارتهای مورد نیاز در کنترل فرکانس سیستمهای قدرت توسط گروه محققین IEEE ارائه شد
لازم به ذکر است که کنترل اولیه فرکانس توسط گاورنرهای نصب شده بر روی ژنراتورها صورت میپذیرد که در صنعت عمدتا از کنترلکننده PI و STATCOM بهعنوان جبرانگر همزمان استاتیکی به دلیل سادگی آنها در بهره برداری استفاده میشود. اما با وجود واحدهای بادی در سیستمهای قدرت که باعث تغییر پارامترهای بیشتری در سیستم میشود، نیاز به ارائه روش های کنترل فرکانسی احساس میشود که با روشهایی که برای سیستمهای قدرتی که فقط شامل واحدهای سنتی میباشند متفاوت است. برای مسئله کنترل بار فرکانس این سیستمها تاکنون روشهای کنترلی مختلفی ارائه شده است اما به رغم افزایش نفوذ توربینهای بادی در شبکه قدرت و مشارکت بیشتر منابع انرژیهای نو در تولید انرژی همواره بخش عمده تنظیم فرکانس شبکه، توسط واحدهای تولید سنتی انجام میشود.
مرجع [9] به یک بررسی خلاصه وار از توسعه اخیر کاربرد انرژیهای تجدید پذیر در سیستمهای قدرت و تاثیر آنها در تغییرات فرکانس آن سیستمها پرداخته است. همچنین یک مدل به روز شده کنترل بار فرکانس - LFC - معرفی شده و پاسخ فرکانسی سیستم قدرت در حضور منابع انرژیهای 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 میباشد. نکته قابل توجه در این مقاله این است که وظایف کنترل فرکانس کاملا بر عهده واحدهای سنتی میباشد و واحدهای غیر سنتی در کنترل فرکانس شرکت ندارند.
همان طور که در قسمتهای قبل اشاره شد میدانیم کنترل اولیه فرکانس توسط گاورنرهای نصب شده بر روی ژنراتورها صورت میپذیرد. مراجع [10] و [11] به بررسی کنترل اولیه فرکانس پرداخته اند و مدلهایی برای ساختار کنترل بار فرکانس ارائه داده اند. در [10] سه روش متفاوت کنترل اولیه فرکانس معرفی شده است که توربین بادی را قادر میسازد 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 روشها در این است که به جای استفاده از کنترل کننده معمول PI در کنترل اولیه فرکانس، ساختارهای پیچیده تری پیشنهادشده اند. در ضمن به علت تطبیقی نبودن این ساختارها کنترلکننده نمیتواند تغییرات را به طور مطلوبی دنبال کند . در مرجع [12] بهمنظور کنترل اولیه فرکانس، از روشهای 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 توربینهای بادی و کاهش انحرافات فرکانس با استفاده از تخمین بار پیشنهادشده است. بنحوی که توان بار توسط یک مشاهده گر اغتشاش مرتبه مینیمال تخمین زده میشود و فرمان توان توربین بادی متناظر با این تخمین بار با حل یک مسئله بهینهسازی تعیین میشود.
حسن این روش این است که با توجه به اینکه فرمان توان با فرض پیش بینی رو به جلوی کوتاه مدت سرعت بار تعیین میشود. ژنراتور توربین بادی در طول آشفتگیها نیز میتواند به خوبی کنترل شود. اما با توجه به تطبیقی نبودن کنترل، نمیتوان تغییرات را به نحو مطلوب دنبال کرد. در مرجع [14] نیز کنترل بار فرکانس با استفاده از مشاهده گر اغتشاش صورت گرفته است، به این صورت که برای حذف تغییرات آنی تولید توان باد مشاهده گر اغتشاش، اغتشاش را از روی حالتها تخمین میزند و اثر اغتشاش را حذف میکند.
همان طور که در قسمتهای قبل مطرح شد، میدانیم که برای کنترل اولیه فرکانس به طور عمده از کنترلکننده مرسوم PI و STATCOM بهعنوان جبرانگر همزمان استاتیکی استفاده میشود. برای بهبود عملکرد کنترلکننده PI و STATCOM از آنجایی که تعیین پارامترهای آن نیاز به سعی و خطای زیادی دارد
