بخشی از مقاله
خلاصه
نیاز روز افزون به انرژي الکتریکی، محدود بودن منابع سوخت فسیلی و افزایش آلودگی هاي زیست محیطی، استفاده از منابع انرژي پاك همچون انرژي باد را در صنعت برق به امري ضروري و اجتناب ناپذیر تبدیل کرده است. توربین هاي بادي سرعت متغیر به دلیل کیفیت توان بهتر به سرعت در حال جایگزینی به جاي توربین هاي بادي سرعت ثابت هستند و از طرف دیگر ژنراتورهاي DFIG نیز به دلیل توانایی تزریق و کنترل توان راکتیو و عدم نیاز به بانک هاي خازنی، موارد استفاده بیشتري را به خود اختصاص داده اند.
در این مقاله، سعی شده است که بعد از ارائه الزامات در مورد استفاده از توربین هاي بادي توضیحاتی در مورد مبدل هاي ژنراتورهاي القائی دو سو تغذیه داده شود و سپس نحوه عملکرد مدار کنترلر مبدل ژنراتور دو سو تغذیه ارائه گردد و در ادامه با طراحی یک مدار کنترلر به روش مد لغزشی انتگرالی و بهینهسازي آن براي مبدل ژنراتور دو سو تغذیه، چگونگی کنترل توان اکتیو و راکتیو آن مورد بررسی قرار گرفته شود و همچنین این مدار کنترلر در محیط نرم افزار متلب نیز شبیه سازي گردد و در پایان نتایج کسب شده مورد بررسی قرار گیرد.
.1 مقدمه
یکی از مزایاي مهم اقتصادي انرژي باد این است که در آن هزینه سوخت وجود ندارد و از طرفی باعث صرفه جویی در ذخایر نفتی می شود. این مزیت چنان قابل توجه است که می تواند به سادگی افزایش سهم انرژي باد در تأمین انرژي الکتریکی در بیشتر کشورهاي دنیا را توجیه کند. تقریبا 75 درصد از کل هزینه مربوط به افزایش قیمت انرژي باد مربوط به افزایش قیمت در توربین، سازه و پی سازي و تجهیزات الکتریکی است در حالی که 40 تا 70 درصد از هزینه نیروگاه هایی که با سوخت فسیلی کار می کنند مربوط به سوخت، بهره برداري و تعمیرات است
امروزه انواع زیادي از سیستم هاي توربین بادي - WTS - در بازار رقابت می کنند که آن ها را در دو گروه اصلی
میتوان بررسی کرد:
گروه اول، توربین هاي بادي سرعت ثابت هستند که ژنراتور به طور مستقیم به شبکه متصل شده است. ساختار و عملکرد این سیستم وابستگی زیادي به خصوصیات مکانیکی سیستم مکانیکی توربین و ثابت زمانی کنترل PITCH دارد. در واقع هیچ گونه کنترل الکتریکی براي این سیستم وجود ندارد. به علاوه تغییرات سریع در سرعت باد به سرعت روي بار القا می شود - به خاطرتغییرات توان - .
گروه دوم، توربین هاي بادي سرعت متغیر هستند. در این حالت ژنراتور به طور مستقیم به شبکه متصل نمی شود. نوع سرعت متغیر قابلیت کنترل سرعت روتور را فراهم می کند، این کار به ما اجازه می دهد تا توربین بادي نزدیک نقطه بهینه عمل کند. بیشتر توربین هاي بادي با بازه توان بیشتر از 1/5 مگا وات توربین بادي سرعت متغیر می باشند
پیشرفت شگرف در زمینه توسعه توربین هاي بادي جهت تولید برق از سال 1975 شروع شد. حدود سال 1980 اولین توربین مدرن به شبکه متصل گردید. با گسترش استفاده از انرژي باد و تولید برق بادي، توربین هاي بادي متصل به ژنراتور القایی با تغذیه دوگانه یا - Double Fed Induction Generator - DFIG به طور گسترده اي به کار گرفته می شوند. این ژنراتور ها به دلیل ویژگی که در کارکرد با سرعت هاي متغیر باد دارند، مورد توجه ویژه قرار می گیرند.
استفاده از نیروگاه هاي بادي با سرعت متغییر مزایایی نسبت به نیروگاه هاي بادي با سرعت ثابت دارد. اگر چه نیروگاههاي بادي با سرعت ثابت، می توانند مستقیما به شبکه متصل شوند، اما دامنه وسیع تري از انرژي، توسط نیروگاه هاي بادي سرعت متغیر، پوشش داده می شود و استرس هاي مکانیکی کمتري دارد، نویز صوتی هم در آنها کمتر است.
امروزه با پیشرفت هاي پاورالکترونیک، دیگر کنترل همه سرعت ها ممکن و به صرفه شده است .[3] در توربین هاي سیستم هاي با سرعت متغیر در واقع قسمت دوار توربین نوسانات توان مکانیکی باد را با تغییر سرعت خود جذب می کند و منحنی توان خروجی صاف تر است ، این امر به بهبود کیفیت توان کمک می کند، اما از آنجاییکه سرعت متغیر تولید فرکانس هاي متغیر ولتاژ می کند، جهت تثبیت فرکانس باید از کانورتر الکترونیک قدرت استفاده کرد.
باتوجه به اهمیت موضوع انرژي بادي در سال هاي اخیز محققین زیادي در مورد مسائل مختلف نیروگاه هاي بادي به تحقیق و مطالعه پرداخته اند که در ادامه به تعدادي از آنها اشاره می شود:
در مقاله پنا و همکاران - 1996 - و بلتران و همکاران - 2009 - به منظور عملکرد در حداقل و حداکثر سرعت هاي ممکن باد، از روش تغییر دادن تعداد قطب هاي ماشین استفاده کردند. آن ها نتیجه گرفتند که مزایاي این روش کنترلی از نظر اقتصادي به صرفه بوده اما از آنجایی که پوشش کاملی در همه سرعت هاي باد وجود ندارد و نمی توان از تمام انرژي باد به نحو احسن استفاده کرد، نمودار گشتاور سرعت به صورت پله اي می باشد، به علاوه با وجود نوسانات در سرعت باد، ولتاژ و همچنین توان خروجی نوسانی نیز می باشند
هو و همکاران - 2010 - جهت کنترل توان ماشین هاي القایی از روش کنترل برداري مورد مطالعه قرار دادند. آن ها بیان کردند که در یک سیستم کنترل برداري نیاز به داشتن پارامترهاي دقیق ماشین امري ضروري است و هرگونه عدم هماهنگی بین پارامترهاي موتور و پارامترهاي مورد استفاده در محاسبات سیستم کنترل برداري موجب اختلال در کار سیستم می شود
کنترل مستقیم توان اکتیو و راکتیو - DPC - با الهام گرفتن از DTC براي یکسو سازهاي سه فاز و DFIG در مطالعات محققین زیادي از جمله: وو و همکاران - 2008 - ، رسا - 2009 - ، کاظمی و همکاران - 2010 - و فمیا و فورتوناتو - 2009 - بیان شده است که هدف از DPC در DFIG کنترل مستقیم و مستقل توان هاي اکتیو و راکتیو استاتور در کمترین زمان و با کمترین ریپل می باشد
گژاله و همکاران - 2002 - و جیانلین و همکاران - 2006 - به وسیله روش کنترل برداري در راستاي شار استاتور،
توانهاي اکتیو و راکتیو خروجی به وسیله کنترل کننده PI را مورد مطالعه قرار دادند. به این صورت که اندازه ولتاژهاي محور d,q استاتور به عنوان ولتاژ مبناي ورودي سیستم در نظر گرفته شد و با توجه به جدول بهره تنظیم شده براي استحصال بیشینه توان از باد در سرعت هاي مختلف، توان بیشینه هر لحظه را ردیابی کردند
لیو و همکاران - 2006 - و مولر و همکاران - 2000 - براي کنترل مبدل هاي ژنراتور DGIG از روشی موسوم به روش کنترل تک سیکلی استفاده کردند که هدف از استفاده از این کنترل کننده، کنترل توان ورودي به ژنراتور با کنترل سرعت ژنراتور توسط مبدل سمت ژنراتور براي بدست آوردن حداکثر توان از نیروي باد و کنترل توان راکتیو شبکه با کنترل ولتاژ ترمینال ژنراتور در شرایط اضافه بار، خطا و تغذیع بارهاي غیر خطی توسط مبدل سمت شبکه بود. این روش کنترلی قابلیت حذف هارمونیک ها را با توجه به بارهاي غیر خطی را دارا می باشد
در ادامه در مورد مدلسازي و کنترل و در نهایت نتایج حاصل از شبیه سازي DFIG با سرعت متغیر مورد توجه قرار گرفته است که ویژگی مهمی در کارکرد در سرعت هاي متغیر باد دارد.
.2 مدل سازي و کنترل
- مدل سازي ریاضی سیستم قدرت DFIG
در توربین هاي سیستم هاي با سرعت متغیر در واقع قسمت دوار توربین نوسانات توان مکانیکی باد را با تغییر سرعت خود جذب می کند و منحنی توان خروجی صاف تر است، این امر به بهبود کیفیت توان کمک می کند، اما از آنجاییکه سرعت متغیر تولید فرکانس هاي متغیر ولتاژ می کند، جهت تثبیت فرکانس باید از کانورتر الکترونیک قدرت استفاده کرد.
همانند موتور القایی، ژنراتور القایی داراي عملکرد در سرعت زیر سنکرون و فوق سنکرون می باشد که در مجموع چهار حالت کاري را براي ماشین القایی رقم می زند. در تولید برق بادي دو حالت ژنراتوري فوق سنکرون و زیر سنکرون مورد نظر و بررسی قرار دارد . از این رو دو کانورتر قدرت پل back to back توسط یک لینک DC، می تواند شارش توان را در دو جهت در روتور یک DFIG ، فراهم کند 14]و .[15 وظیفه ي کانورتر سمت شبکه ثابت نگه داشتن ولتاژ لینک DC است و وظیفه ي کانورتر سمت روتور، کنترل توان اکتیو و راکتیو در استاتور می باشد .
همان طور که در شکل 1 مشاهده می شود، پل کانورتري در هر فاز یک پایه و در مجموع سه پایه دارد و هر پایه شامل 2 ترانزیستور می باشد. یک کنترل هیسترزیس مقادیر مطلوب جریان هاي فاز روتور را توسط روشن کردن ترانزیستور فوقانی در هنگامی که مقدار جریان فاز، از جمع جبري جریان واقعی فاز و سطح مشخص شده ي هیسترزیس بیشتر است، کنترل می کند.
همچنین این کنترل، ترانزیستور پایینی را در هنگامی که مقدار واقعی جریان، بیشتر از جمع جبري سطح هیسترزیس و مقدار جریان پایه است، روشن می کند. روشن کردن ترانزیستور بالایی در هر فاز، موجب افزایش جریان در آن فاز می شود و روشن شدن ترانزیستور پایینی در هر فاز از میزان جریان در آن فاز می کاهد. بدیهی است که در هر زمان تنها یکی از دو ترانزیستور می تواند روشن باشد.
