بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کنترل ژنراتور القايي تغذيه دوگانه (DFIG) مورد استفاده در نيروگاه بادي به روش کنترل مستقيم توان (DPC)
چکيده : در اين مقاله از روش کنترل مستقيم توان (DPC) جهت کنترل ژنراتور القايي تغذيه دوگانه (DFIG) مورد کاربرد در نيروگاههاي بادي ، استفاده شده است . در اين روش بردارهاي فضايي مبدل سمت روتور با استفاده از جدول کليدزني بهينه که بر اساس موقعيت شار استاتور و وضعيت توان کتيو و راکتيو تنظيم شده ، انتخاب مي شود. همچنين جهت کنترل مبدل سمت شبکه (GSC) از روش کنترل توان مبتني بر ولتاژ (V-DPC) استفاده شده است . نتايج شبيه سازي بر روي يک ژنراتور MW ٢ بيانگر پاسخ دقيق و سريع سيستم به هنگام تغييرات توان مرجع و سرعت روتور و همچنين عدم وابستگي رفتار مجموعه به تغيير پارامترهاي سيستم مي باشد.
واژه هاي کليدي : ژنراتور القايي تغذيه دوگانه (DFIG)، کنترل مستقيم توان (DPC)، مبدل سمت روتور (RSC)، مبدل سمت شبکه (GSC)، کنترل مستقيم توان مبتني بر ولتاژ (DPC-
-١ مقدمه
امروزه سيستمهاي سرعت متغير در نيروگاههاي بادي به دليل رفتار ديناميکي بهتر و امکان دريافت ماکزيمم توان از انرژي باد نسبت به سيستمهاي سرعت ثابت ، بسيار مورد توجه قرار گرفته اند [١]. يکي از توپولوژيهايي که به عنوان سيستم سرعت متغير به کار مي رود DFIG مي باشد. اين مجموعه تشکيل شده است از يک ژنراتور القايي که استاتور آن مستقيما به شبکه متصل بوده و روتور آن از طريق يک مبدل الکترونيک قدرت با توان ٢٥ تا ٣٠ درصد توان ژنراتور به شبکه متصل مي شود (شکل (١)). اين ساختار سبب مي - شود که تلفات و هزينه مبدل به کار برده شده نسبت به سيستمهايي که در آنها مبدل در استاتور قرار مي گيرد، به مقدار قابل توجهي کاهش يابد [٢]. يکي از روشهاي رايج جهت کنترل DFIG، کنترل برداري است . که در آن جريان روتور در دو محور q و d به صورت مجزا جهت تنظيم به ترتيب ، توان اکتيو استاتور (يا گشتاور) و توان راکتيو استاتور (شار) کنترل مي شود [٣- ٦].
شکل (١) ساختار کلي DFIG
در اين روش مقادير دقيق پارامترهاي ژنراتور شامل اندوکتانس و مقاومت مورد نياز بوده و عملکرد غيرخطي مبدل جهت تنظيم کنترل کننده ها در نظر گرفته نمي شود.
بنابراين کارايي اين روش مي تواند با تغيير پارامترهاي ژنراتور و يا شرايط عملکرد سيستم تحت تاثير قرار گيرد[٧].
در سال ١٩٨٠ کنترل مستقيم گشتاور (DTC) جهت درايو ماشينهاي القايي به کار برده شد [٧]. اين روش مبتني بر کنترل مستقيم و مجزاي گشتاور و شار بدون استفاده از حلقه هاي کنترل جريان بوده و داراي ديناميک دقيق و سريع مي باشد. در مراجع [٨] و [٩] روش DTC جهت کنترل DFIG به کار برده شده است که در آن شار روتور تخمين زده شده و يک تابع کليدزني بهينه مبتني بر موقعيت شار روتور به منظور کنترل گشتاور و شار به کار برده شده است . در مراجع [١]، [٧] و [١٠] روش کنترل مستقيم توان (DPC) بر اساس روش DTC جهت کنترل DFIG توسعه داده شده است . از آنجا که تخمين شار روتور به دليل تغييرات فرکانس لغزش در روتور با مشکل رو به رو مي شود [٧]، لذا در اين مقاله کنترل توان بر اساس جهت يابي شار استاتور صورت گرفته است .
مبدل سمت شبکه (GSC) جهت ثابت نگه داشتن ولتاژ لينک DC در سطح مورد نظر به کار گرفته مي شود.
روش معمول کنترل GSC کنترل مبتني بر جهت يابي ولتاژ
(VOC) مي باشد که در آن دو حلقه کنترلي جرياني جهت کنترل ولتاژ لينک DC و توان راکتيو به کار گرفته مي شود.
که به يک الگوريتم کنترلي پيچيده و وابسته به پارامترها و شرايط عملکرد سيستم منتهي مي شود [١١]. در اين مقاله از روش کنترل مستقيم توان مبتني بر ولتاژ (V-DPC) جهت کنترل GSC استفاده شده است که اين استراتژي به پارامترهاي سيستم وابسته نبوده و ديناميک سريعتر و دقيقتري (در طي تمام شرايط عملکرد DFIG) نسبت به روش VOC دارد.
-٢ کنترل مستقيم توان DFIG
٢ -١ مدل ديناميکي ژنراتور در قاب مرجع روتور
معادلات ديناميکي DFIG در قاب مرجع روتور به صورت زير مي باشد:
بر اساس (٣) و (٤) جريان استاتور به صورت زير به دست مي آيد:
که مي باشد. توان اکتيو دريافتي و توان راکتيو خروجي استاتور را مي توان تابعي از ولتاژ و جريان استاتور نوشت [١] :
با جايگذاري معادلات (١) تا (٤) در معادلات (٦) و (٧) و صرف نظر کردن از مقاومت استاتور نتيجه مي شود [١] :
که γ زاويه بين بردارهاي فضايي شار استاتور و روتور مي باشد.
-٢ -٢ تاثير بردارهاي فضايي مبدل سمت روتور بر توان اکتيو و راکتيو استاتور
معادلات (٨) و (٩) بيانگر اين نکته مي باشند که توان اکتيو و راکتيو استاتور را مي توان با تغيير اندازه بردار شار استاتور و روتور و زاويه بين آنها کنترل کرد. با مشتق گيري از معادلات (٨) و (٩) نتيجه مي شود:
بنابراين با تغيير دادن به ترتيب توان اکتيو و راکتيو استاتور تغيير مي يابد. همانطور که در شکل (٢) ديده مي شود، مؤلفه هاي تشکيل دهنده بردار شار روتور هستند که به ترتيب همراستا و عمود بر بردار شار استاتور مي باشند.
بنابراين با تغيير شار روتور در راستاي شار استاتور و يا عمود بر آن ، به ترتيب توان راکتيو و اکتيو استاتور تغيير مي يابد.
شکل (٣) بردارهاي فضايي خروجي مبدل سمت روتور را در قاب مرجع روتور (که به شش سکتور تقسيم شده است ) براي يک مبدل دو سطحي نشان مي دهد. اين بردارها به دو دسته فعال (V6-V1) و غيرفعال تقسيم مي شوند. تاثير شش بردار فعال بر شار روتور و نتيجتا بر توان اکتيو و راکتيو روتور در سکتور اول در شکل (٢) نشان داده شده است .
همانطور که مشاهده مي شود هر بردار ولتاژ، توان اکتيو و راکتيو را افزايش و يا کاهش مي دهد. دو بردار از شش بردار (V1 و V4) در يک نيم سکتور توان اکتيو را افزايش و در نيم سکتور ديگر کاهش مي دهد (و يا برعکس ). اين تاثير مي - تواند براي هر شش سکتور مطابق جدول (١) تعميم داده شود.
به دليل اينکه بردارهاي فضايي غير فعال تاثيري بر شار روتور ندارند لذا (١٠) و (١١) را مي توان در اين وضعيت به صورت زير باز نويسي کرد [٧]:
از آنجايي که در حالت عملکرد ژنراتوري ماشين القايي ، هميشه بردار شار روتور جلوتر از بردار شار استاتور مي باشد (٠<γ)، بنابراين بر اساس (١٢) و (١٣) در حالت فوق سنکرون بردارهاي غير فعال توان اکتيو ورودي و توان راکتيو خروجي استاتور را کاهش و در حالت زير سنکرون افزايش مي دهد.
٢ ٣- کنترل مستقيم توان اکتيو و راکتيو
همانطور که گفته شد با استفاده از جهت يابي شار استاتور و انتخاب بردار ولتاژ مناسب مي توان توان اکتيو و راکتيو استاتور را در جهت مورد نظر تغيير داد. بنابراين لازم است که همواره موقعيت شار استاتور و مقدار لحظه اي توان اکتيو و راکتيو مشخص شود. جهت تشخيص وضعيت توان اکتيو و راکتيو استاتور، دو مقايسه گر هيسترزيس سه سطحي مطابق شکل (٤) به کار گرفته شده است .با توجه به جدول (١) و براساس سيگنال خروجي مقايسه گرهاي هيسترزيس و موقعيت شار استاتور، جدول کليدزني بهينه به صورت جدول (٢) تنظيم شده است . در حالت بردارهاي غير فعال به صورت يک در ميان به منظور تغيير وضعيت تنها يک ساق جهت کاهش فرکانس کليدزني به کار برده شده است . شايان ذکر است که جهت يابي شار استاتور در قاب مرجع روتور صورت مي گيرد تا اينکه فرکانس ولتاژ خروجي مبدل سمت روتور معادل فرکانس لغزش باشد.
٣- کنترل مستقيم توان مبدل سمت شبکه
شکل (٥) ساختار مبدل سمت شبکه را نشان مي دهد.
معادله ولتاژ بر اساس شکل (٥) به صورت زير مي باشد:
که به تر تيب ولتاژ منبع و ولتاژ خروجي مبدل مي باشد. معادله (١٤) را مي توان در قاب مرجع d-q به صورت زير نوشت :
ولتاژهاي خروجي مبدل يعني vcd و vcq را مي توان بر حسب وضعيت کليدهاي مبدل و ولتاژ DC مطابق زير به دست آورد [١٢]:
توان اکتيو و راکتيو مبدل را مي توان به صورت زير بيان کرد:
با متعادل فرض کردن ولتاژ منبع نتيجه مي شود که دامنه ولتاژ خط ميباشد. با صرف نظر از دو ترم و تلفات مسي در معادلات (١٥) و (١٦) مي توان تغييرات توان اکتيو و راکتيو را به صورت زير نشان داد [١٢]:
معادلات (٢١) و (٢٢) بيان مي کنند که علامت عبارات تعيين کننده جهت تغييرات توان اکتيو و راکتيو مبدل مي باشند. در روش V-DPC فضاي برداري d-q به دوازده سکتور مساوي تقسيم مي شود. شکل (٦) بردارهاي فضايي خروجي مبدل سمت شبکه را در فضاي d-q و دوازده سکتور ذکر شده نشان مي دهد. شکل و را بر حسب بر اساس معادلات (١٧) و (١٨) براي حالات متفاوت کليدزني در بازه نشان مي دهد.
بنابراين با استفاده از شکل (٧) و معادلات (٢١) و (٢٢) مي - توان با توجه به موقعيت ولتاژ شبکه بردار فضايي مناسب را جهت تغيير توان اکتيو و راکتيو در جهت مطلوب به کار برد.
