بخشی از مقاله
چکیده -
تغییرات دائم در میزان تولید توان بادی و نیز اهمیت ایجاد ثبات در شبکه این ضرورت را به وجود میآورد که تدبیری برای حل این مشکل اندیشیده شود. تاسیساتی که از برق بادی استفاده میکنند باید از ژنراتورهای پشتیبان جهت تولید توان مورد نیاز خود برای مدتی که تولید انرژی در توربین بادی پایین است استفاده کنند. از ذخیرهسازی با استفاده از نیروگاههای آب تلمبه ای یا دیگر روشها ذخیره سازی برق در شبکه میتوانند برای به وجود آوردن تعادل در میزان تولید نیروگاههای بادی استفاده کرد
یکی دیگر از راهکارهای ایجاد تعادل در تولید و مصرف سازگار کردن میزان مصرف با میزان تولید با استفاده از ایجاد تعرفههای متفاوت زمانی برای مصرفکنندههاست.در این مقاله روشی ارائه می گردد که در آن با استفاده از مکانیزمی به نام ترنینگیر - TGM - می توان توربین باد را همواره در سرعتی نگه داشت که بیشترین توان از توربین دریافت گردد و تا حدودی مشکل ناپایداری تولید نیز حل خواهد گشت.
این روش به نوعی مکمل روشهای افزایش کارایی و جذب بیشترین توان می باشد و در عملکرد آنها خللی ایجاد نخواهد کرد. دور بهینه کاری توربین و نیز دور واقعی که وابسته به سرعت باد می باشد به عنوان ورودی به یک حلقه کنترلی اعمال می شود وبسته به میزان این خطا فرمان بر سر یک کنترل ولو فرستاده خواهد شد و با برخورد روغن پرفشار با چرخ پلتونی که بر روی شفت تعبیه شده است همواره توربین در دوربهینه جهت جذب بیشترین توان از آن حفظ می شود.
-1 مقدمه
در دو دهه اخیر استفاده از انرژی باد بطور چشم گیری گسترش یافته است و این روند افزایشی مداوم با یک رشد میانگین سالانه بیش از %15 پیش بینی شده است، بگونه ای که طی گزارش انجمن بازار برق انگلیس و آمریکا در حال حاضر توربینهای بادی یک تا چند مگاواتی که میتوانند مصرف کننده های شهری و راه دور را با تجهیزات الکتریکی کمتری مواجعه کنند مورد استفاده قرار میگیرد.
مزایای استفاده از توربینهای بادی شامل مواردی از قبیل: عدم نیاز توربینهای بادی به سوخت که در نتیجه از میزان مصرف سوختهای فسیلی می کاهد، رایگان بودن انرژی باد، کمتر بودن نسبی قیمت انرژی حاصله از باد در بلند مدت، تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار انرژی، قدرت مانور زیاد جهت بهره برداری در هر ظرفیت و اندازه - از چند وات تا جند مگاوات - ، عدم نیاز به آب و نداشتن آلودگی زیست محیطی می باشد
اخیراً سیستم های توربین بادی سرعت متغیر برای کاربردهای میدانی نصب شده اند. که در مقایسه با انواع سیستم های توربین بادی سرعت ثابت، سیستم توربین بادی سرعت متغیر دارای طیف سرعت وسیعی از عملیات هستند و حدود 10 تا 15 در صد بیشتر از توربین بادی با سرعت ثابت انرژی باد را جذب و را ارائه می دهند
این روش کنترل برای دست یابی ماکزیمم توان توربین های بادی با سرعت متغیر، کنترل ردیابی نقطه توان ماکزیمم - MPPT - نامیده می شود. کنترل MPPT به وسیله ی ردیابی ضریب ماکزیمم توان - Cpmax - در منحنی مشخصه توربین بادی زیر سرعت نامی انجام می گیرد. سیستم کنترل توربین بادی با روش MPPT شامل چهار دسته: کنترل فیدبک سیگنال توان - PSF - ، کنترل و اغتشاش - P & O - ، کنترل نسبت سرعت نوک پره - TSR - ، کنترل نسبت سرعت نوک پره - TSR - و کنترل بهینه گشتاور
کنترل فیدبک سیگنال توان : - PSF - کنترل کننده ی PSF مبتنی بر منحنی ماکزیمم توان توربین بادی نیاز به سرعت روتور برای بدست آوردن توان مربوطه دارد [4]، .[5] بدین صورت که مشخصات ماکزیمم توان خروجی حاصل از آزمون های، شبیه سازی و میدانی در یک قالب جدولی در حافظه سیستم کنترلی ذخیره شده است. هنگامی که جدول برنامه ریزی شده باشد، پیاده سازی کنترل MPPT بدون احتیاج به اندازه گیری سرعت باد آسان می گردد. علاوه بر این، این روش تقریبا پایدار است زیرا داده ها در جدول مد نظر توسط آزمایش واقعی به دست آمد است. اما در این روش، بدست آوردن اطلاعات میدانی بسیار دشوار است. روش P & Oمعمولاً به سرعت روتور و تغییرات توان توربین برای MPPT احتیاج دارد.
مزیت روش P & O آن است که این روش نه به منحنی مشخصه توربین و نه به پارامترهای ژنراتور احتیاج ندارد .[6] این امر الگوریتم کنترل را حتی اگر پارامتر مربوط به ژنراتور و توربین متفاوت باشد، قابل اطمینان نگه می دارد. اما، روش P & O در سیستم های توربین بادی با اینرسی بزرگ نامناسب است زیرا قدرت ژنراتور تحت تاثیر قدرت توربین و نرخ تغییر انرژی اینرسی روتور قرار دارد، که اغلب روش P & O را ناکارآمد می سازد. بنابراین، یک بده و بستون - مصالحه - بین زمان همگرایی و دقت کنترل MPPT مورد نیاز است.
کنترل TSR سرعت چرخشی را برای حفظ کنترل بهینه TSR تنظیم می کند. مزیت این روش، پیاده سازی ساده است؛ اما، اطلاعات سرعت باد باید موجود باشد. عملکرد کنترل TSR به دقت بادسنج بستگی دارد [7]متعاقباً. ، یک سرعت باد برآورد شده را می توان برای این روش استفاده کرد .[8] در روش مرسوم کنترل بهینه گشتاور، گشتاور ژنراتور به مقدار بهینه اش متناظر با ضریب ماکزیمم توان - Cpmax - کنترل شده است.
در این روش، گشتاور مرجع متناسب با مربع سرعت روتور، و توان خروجی متناسب با مکعب سرعت روتور می باشد. از آنجا که تغییر سرعت روتور در توربین های بادی مگاواتینسبتاً پایین است، گستره ی تغییرات قدرت ژنراتور نیز محدود است. عیب روش کنترل بهینه گشتاور، زمان پاسخ کند اش برای تغییرات سرعت باد است. در [10]، یک روش جدید توسط محققان برای عملکرد سریع MPPT ارائه شده که در آن اثر اینرسی بزرگ توربین بادی مورد بررسی قرار گرفته است. حلقه کنترل تناسبی به کنترل گشتاور برای کاهش دادن اثر ممان اینرسی در توربین های بادی اضافه شده است.
در این مقاله، یک الگوریتم جدید ردیابی نقطه ماکزیمم توان - MPPT - برای سیستم های توربین بادی سرعت متغیر که بر اساس جبران سازی به کمک پمپ روغن می باشد ارائه می شود. در این روش، یک کنترل کننده ی تناسبی به کنترل توان برای تعیین میزان خطا سرعت در مسیر بازخور قرار میگیرد و براساس میزان افت سرعت به کنترل ولو روغن سیگنال خطا را ارسال کرده و با کم وزیاد کردن شیر کنترل توربین بادی عملکرد سریع کنترل MPPT را بهبود بخشد.
-2 مکانیزم ترنینگیر
فلسفه Turning Gear بدین دلیل است که اگر توربین تحت بار، ایجاد تنشهای حرارتی ناشی از خنک شدن سریع، به روتور، پوسته و قطعات داغ توربین آسیب وارد می شود و لذا به هنگام کاهش دور توربین و قبل از توقف کامل، روتور مدت زمان معینی در سرعت پایین چرخانده می شود - تقریبا - 2HZ تا به طور یکنواخت خنک گردد .
چرخش روتور در دور پایین توسط سیستم Turning Gear صورت می پذیرد که خود متشکل از اجزا و ادوات مربوطه است .این سیستم متشکل از یک چرخ پلتون که از نوع توربین های ضربه ای می باشد و دارای پره های متحرکی هستند که سرعت سیال در برخورد با آنها کم می شود، ولی فشار سیال، ثابت می ماند، می باشد.این توربین توسط شخصی با نام پلتون اختراع گردید.
این چرخ بر روی اینترمدیت شفت - شفت بین مجموعه توربو کمپرسور و روتور ژنراتور - مونتاژ شده است . این چرخ متشکل از تعدادی قاشقک می باشد و بواسطه برخورد روغن از طریق 6 عدد نازل روی پوستهی ترنینگگیر با قاشقکهای این چرخ برخورد انرژی پتانسیل که در خروجی این نازل ها به انرژی جنبشی می شود به انرژی مکانیکی تبدیل می گردد ، چرخ ترنینگیر به حرکت درمی آید. و در نتیجه کل زنجیره روتور یعنی روتور توربوکمپرسور گاز و ژنراتور را می چرخاند.
-3 مدل سازی سیستم های توربین بادی
توان خروجی توربین های بادی به صورت زیر تعیین می شود
که در آن چگالی هوا است - بر حسب کیلوگرم در هر مترمکعب - ،R شعاع تیغه - بر حسب متر - ، Pفشار اتمسفور، Tدما ،V سرعت باد - بر حسب متر بر ثانیه -
که فیدبک سرعت ذاتی توربین، نشان دهنده ی بهره بین سرعت باد و گشتاور توربین، و بهره بین زاویه پره و گشتاور توربین است. بهره های سیستم های توربین بادی با سرعت و زاویه پره متغییر در نمودار - 3-2 - نشان داده شده که متغیر هستند و در هر نقطه کاری سیستم به روز شده اند. در سرعت های باد بسیار کم و کمی بیشتر تغییر می یابند . اما، در حالت ، این اتفاق برعکس است.
-1-3
گشتاور توربین با مدل سازی یک جرمی سیستم های توربین بادی به صورت زیر بیان می شود
که در آن اینرسی ترکیبی توربین و ژنراتور است،ضریب میرایی توربین وگشتاور ژنراتور است. برای تجزیه و تحلیل سیگنال کوچک، اعمال اختلال کوچک در نقطه کار WR - ، R ، - V0 به توربین گشتاور در - 6 - همانطور که به خوبی مشخص است، گشتاور توربین تابعی از سرعت باد، سرعت چرخش، و زاویه پره - - pitch است.
شکل : - 3 - مدل خطی توربین
-2 اصل MPPT
به منظور به دست آوردن ماکزیمم توان خروجی از سرعت باد، توربین باید در TSR بهینه عمل کند. رابطه بین گشتاور و سرعت روتور بر حسب قانون حرکت نیوتون بیان شده است
