توربین‌های بادی DFIG: قلب تپنده انرژی بادی مدرن

یکی از فناوری‌های پیشرفته در زمینه تولید انرژی بادی هستند که نقش بسیار مهمی در بهره‌وری و قابلیت اطمینان سیستم‌های بادی مدرن ایفا می‌کنند. این نوع توربین‌ها به دلیل طراحی منحصربه‌فرد خود، امکان بهره‌برداری از تغییرات سرعت باد را فراهم کرده و به طور مؤثری توان الکتریکی تولید می‌کنند.

در قلب این سیستم، ژنراتور القایی دو تغذیه‌ای قرار دارد که با بهره‌گیری از تبدیل توان در دو جهت، قادر است انرژی بیشتری را در شرایط متغیر باد به شبکه تحویل دهد. این ویژگی باعث کاهش تلفات و افزایش بهره‌وری می‌شود.

ویژگی‌های کلیدی توربین‌های DFIG:

1. قابلیت کنترل فرکانس و ولتاژ خروجی.

2. کاهش نیاز به ادوات الکترونیکی سنگین.

3. عملکرد بهینه در سرعت‌های باد مختلف.

4. کاهش هزینه‌های تولید و نگهداری در بلندمدت.

این نوع توربین‌ها، ستون اصلی بسیاری از مزارع بادی امروزی هستند و به دلیل کارایی و قابلیت انعطاف‌پذیری بالا، گزینه‌ای ایده‌آل برای تولید انرژی پاک و پایدار محسوب می‌شوند.

شماره تماس  (  Whatsapp&Telegram ): 09906118613

telegram: powerelectronic4u

Email:

 [e-mail]

Instagram:powerelectronic4u

آموزش شبیه سازی توربین بادی متلب

شماره تماس  و  واتس  اپ  و تلگرام : 09906118613

شبیه‌سازی توربین‌های بادی در MATLAB می‌تواند به شما کمک کند تا به‌طور دقیق‌تر مدل‌های توربین‌های بادی را بررسی کنید و بهبود دهید. در اینجا یک مرور سریع از مراحل اصلی شبیه‌سازی توربین بادی در MATLAB آورده شده است:

مراحل شبیه‌سازی توربین بادی در MATLAB

1. انتخاب نرم‌افزار مناسب: MATLAB و Simulink به عنوان نرم‌افزارهای اصلی برای این کار استفاده می‌شوند.

2. تعریف مسئله: مشخص کنید که چه نوع توربین بادی مد نظر شما است (مثلاً توربین‌های دو سو تغذیه، توربین‌های با ژنراتور القایی و غیره) و چه مشکلاتی می‌خواهید در آن تحلیل کنید.

3. مدلسازی ریاضی: معادلات حالت و دیگر روابط ریاضی مرتبط با سیستم را استخراج کنید.

4. ایجاد مدل در MATLAB/Simulink:

   • MATLAB: با استفاده از کد متلب، مدل‌های الکترونیکی و برقی را ایجاد کنید.

   • Simulink: از بلوک‌های موجود در Simulink برای ایجاد مدل‌ها استفاده کنید و آنها را به یکدیگر متصل کنید.

5. تعیین پارامترها: مقادیر پارامترهای مختلف مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها، سلف‌ها و دیگر اجزاء را وارد کنید.

6. اجرای شبیه‌سازی: شبیه‌سازی را اجرا کنید و نتایج خروجی را مشاهده کنید.

7. تحلیل نتایج: داده‌های خروجی را تحلیل کنید و با استفاده از ابزارهای تحلیل داده در MATLAB، نتایج را بررسی کنید.

8. مستندسازی: نتایج شبیه‌سازی را مستندسازی کرده و گزارش کاملی از فرایند و نتایج تهیه کنید.

منابع پیشنهادی برای یادگیری بیشتر

• ویدیوهای آموزشی: ویدیوهای آموزشی مثل

ساز و کار ژنراتور القایی دوسو تغذیه

مقدمه: امروزه پرکاربردترین ژنراتور جهت تولید برق از انرژی بادی ژنراتور القایی دوسوتغذیه (DFIG) می باشد. این نوع ژنراتورها قابلیت کار با سرعت متغیر را فراهم می­ کنند و مبدلهای بکار رفته در آن با درصد کمی از توان نامی توربین بادی سر و کار دارند (حدود 30 درصد).  ژنراتور القایی دوبل تغذیه از نوع ژنراتور القایی سیم ­بندی شده است که هم استاتور و هم روتور آن دارای سیم ­پیچی ­های سه فاز می­ باشند. علت نامگذاری این نوع ژنراتور به ژنراتور القایی دوسوتغذیه، به خاطر انتقال الکتریکی  تولیدی به شبکه از دو راه استاتور و روتور می باشد. شکل 1 یک توربین بادی سرعت متغیر مجهز به DFIG را نشان می دهد. در این شکل، مدار روتور ماشین به دو مبدل و یک خازن لینک DC مجهز است. در این نوع از ژنراتور القایی استاتور به طور مستقیم به شبکه متصل می­ شود در حالیکه سیم­ پیچی روتور از طریق حلقه­ های لغزان به یک اینورتر متصل است. این اینورتر به نحوی طراحی شده که ژنراتور القایی در یک رنج سرعت متغیر محدود شده عمل کند. توجه می ­کنیم که این اینورتر خود جزئی از مبدل پشت به پشت (AC/DC/AC) است.  

شکل 1) ژنراتور القایی دوبل تغذیه به همراه توربین بادی و مبدل پشت به پشت متصل به شبکه

 

مبدل AC/DC/AC که بین سیم­ پیچهای روتور و شبکه قرارگرفته از دو مبدل منبع ولتاژ VSC ، مبدل سمت روتور RSC و مبدل سمت شبکه GSC که به صورت پشت به پشت به یکدیگر متصل­ اند تشکیل شده است. بین دو مبدل جهت برطرف کردن ریپل ولتاژ و همچنین به منظور ذخیره انرژی از یک خازن استفاده می­ شود. همچنین محور ژنراتور از طریق یک گیربکس به محور توربین بادی متصل است. نسبت گیربکس به نحوی تنظیم می ­شود که سرعت نرمال ژنراتور القایی مطابق با مقدار متوسط رنج سرعت روتور توربین بادی باشد. این کار برای مینیمم ­سازی اندازه اینورتر انجام می­ شود که با رنج سرعت روتور تغییر خواهد کرد.

توربینهای بادی انرژی جنبشی باد را به توان مکانیکی تبدیل می نمایند و این توان مکانیکی از طریق شفت به ژنراتور انتقال پیدا کرده و در نهایت انرژی الکتریکی تولید می شود. در این پست به طور مفصل در مورد پیشینه توربین صحبت کردیم و در این پست نیز  انواع پیکربندی توربین بادی و روش­های کنترل آن را مورد بررسی قرار دادیم. به همین خاطر در اینجا از ذکر جزئیات در مورد توربین خودداری کرده و شما را به صفحات مربوطه ارجاع می­ دهیم.

استفاده از ژنراتور القایی دوسو تغذیه به جای ژنراتورهای القایی در توربین بادی دارای مزایای زیر می باشد:

1.عملکرد با سرعت متغیر روتور در حالیکه فرکانس و دامنه ولتاژ تولید شده در مقدار ثابتی نگه داشته شده­ اند؛ 2.بهینه سازی مقدار توان تولید شده به عنوان تابعی از مقدار باد در دسترس، نسبت به توان نامی خروجی ژنراتور؛ 3.رفع مجازی تغییرات ناگهانی در گشتاور روتور و توان خروجی ژنراتور؛ 4.تولید توان الکتریکی در سرعتهای پایین تر باد؛ 5.کنترل ضریب توان (تولید توان راکتیو)

با توجه به توضیحات ارائه شده و مزایای بیان شده در این نوشتار قصد داریم ضمن آشنایی با معادلات ریاضی حاکم بر ساختار ، نحوه عملکرد و روش کنترل DFIG، یک شبیه سازی کاربردی از آن را به همراه توربین بادی و مبدل پشت به پشت ارائه کرده و از روش کنترل برداری کلاسیک برای کنترل مؤثر آن استفاده کنیم.

  مدار معادل ژنراتور القایی دوسو تغذیه در چهارچوب مرجع سنکرون (dq) معادلات ماشین الکتریکی در چهارچوب مرجع abc ارائه می شود اما معمولا برای ساده سازی فرآیند کنترل این معادلات به چهارچوب های مرجع دیگری همچون چهارچوب مرجع سنکرون یا چهارچوب مرجع ساکن منتقل می شود. در اینجا ما از چهارچوب مرجع سنکرون یا dq0 استفاده می کنیم. بدین منظور می ­توان هر کدام از بردارهای فضایی را بر اساس مؤلفه های افقی و عمودی آن بیان کرد. پس هر کدام از سیم پیچی­ های فرضی توزیع شده روتور و استاتور را به صورت دو سیم ­پیچ عمود بر هم همانند شکل 2 در نظر می ­گیریم:  

شکل 2) محورهای چرخشی استاتور و روتور در چهارچوب مرجع سنکرون

    معادلات مربوط به جریانهای استاتور و روتور بر حسب جریان های سه فاز هر کدام به صورت زیر است:  

  در لحظه t ، محور d با زاویه θda نسبت به محور a استاتور قرار دارد.  

  روابط شار استاتور و روتور در چهارچوب مرجع dq به صورت زیر است:  

  که Ls اندوکتانس استاتور، Lr اندوکتانس روتور و Lm اندوکتانس مغناطیس کنندگی است. معادلات ولتاژ استاتور و روتور در چهارچوب مرجع dq به صورت زیر خواهد بود:  

که Rs مقاومت استاتور، Rr مقاومت روتور، Lls اندوکتانس خودی استاتور، Llr اندوکتانس خودی روتور است. باید توجه داشت که:

همچنین در مورد پارامترهای سرعت خواهیم داشت:

که ωd فرکانس زاویه­ ای سنکرون، ωm سرعت روتور بر حسب رادیان الکتریکی بر ثانیه ، ωmech سرعت مکانیکی روتور بر حسب رادیان بر ثانیه و ωda فرکانس زاویه ­ای لغزش است. معادله مربوط به گشتاور از جمع گشتاورهای حاصل از محورهای d و q روتور حاصل می­ شود:  

که آنرا می توان به یکی از دو صورت­ زیر بدست آورد:  

و معادله الکترودینامیکی ماشین القایی به صورت زیر نمایش داده می ­شود:  

که J اینرسی معادل ژنراتور و B ضریب ویسکوز است. در نهایت مدار معادل ماشین القایی در چهارچوب مرجع dq به صورت شکل 3 می ­باشد. در این شکل همه متغیرها و پارامترهای الکتریکی به سمت استاتور رجوع داده شده اند. توجه می کنیم که همه کمیت­های استاتور و روتور در چهارچوب مرجع چرخشی سنکرون (چهارچوب dq ) هستند.  

شکل 3) مدار معادل DFIG در چهارچوب مرجع سنکرون dq

  مبدل پشت به پشت برای کنترل DFIG : مبدل فوق از دو مبدل سمت روتور (RSC) و مبدل سمت شبکه (GSC) تشکیل شده که از سمت DC توسط یک خازن به یکدیگر متصل هستند. وظیفه این مبدل، تبدیل فرکانس می­ باشد؛ به طوریکه ولتاژ متناوب با فرکانس مشخص ابتدا به ولتاژ مستقیم تبدیل شده و سپس مجدداً به ولتاژ متناوب با فرکانس مطلوب تبدیل می­ گردد.  با استفاده از روش کنترل مناسب، مبدل پشت به پشت قادر است تبدیل فرکانس را از هر دو طرف انجام دهد. دو مبدل فوق یکی به صورت اینورتر و دیگری به صورت یکسو کننده عمل می ­کند که توسط یک لینک DC بهم متصل هستند. مبدلی که به ژنراتور متصل است، مبدل سمت روتور (RSC) و مبدلی که به شبکه متصل است، مبدل سمت شبکه (GSC) نامیده می­ شود. هر یک از این دو مبدل سه فاز، می­ تواند دو نقش یکسوسازی و اینورتری را انجام دهد. هنگامی که سرعت ژنراتور کمتر از سرعت سنکرون است، جریان توان از سمت شبکه به سمت روتور می­ باشد و لذا GSC نقش یکسوکننده و RSC نقش اینورتر را ایفا می­ کند. در شرایطی که سرعت ژنراتور بیشتر از سرعت سنکرون است، جریان توان از سمت روتور به سمت شبکه می­ باشد و لذا RSC نقش یکسو کننده و GSC نقش اینورتر را ایفا می­ کند. نحوه عملکرد سیستم و کنترل پالس­های اینورترها توسط سیستم کنترلی اصلی مجموعه انجام می ­شود.   مدل توربین بادی مبتنی بر DFIG مدل ژنراتور القایی دوبل تغذیه شامل قسمت­های مکانیکی، الکتریکی و مبدل همراه با کنترل­ کننده است که در مجموع انرژی مکانیکی را از باد به انرژی الکتریکی تبدیل می­ کند و سپس آن را به شبکه توان تزریق می­ کند.

الف) مدل قسمت مکانیکی قسمت مکانیکی DFIG شامل تجهیزاتی است که در معرض تیغه­ های توربین بادی و مکانیزم فیزیکی آن قرار دارند و آن را هدایت می­ کنند (قطار درایو یا گیربکس). با حضور باد با سرعت Vw، توان مکانیکی Pm تولید می ­شود که روتور ژنراتور را هدایت می­کند. قسمت مکانیکی می ­تواند بوسیله معادلات زیر شرح داده شود:  

  که Tm گشتاور مکانیکی، چگالی هوا، A مساحت جاروب شده توسط تیغه توربین در زمانی است که می­ چرخد و Cp ضریب توان مکانیکی است که می ­تواند به صورت زیر محاسبه شود:  

  که λ نسبت رأس تیغه، R شعاع تیغه، λr متغیر مربوط به نوک تیغه میانی، ß زاویه گام تیغه توربین و مقدارهای Ci (i=1:8 ) ثابت­های توربین هستند. قانون علامت به گونه­ ای اتخاذ می ­شود که وقتی DFIG در حال تولید برق به شبکه است (یعنی مد ژنراتوری) ، Tm منفی است، در حالیکه زمانی که آن توان مصرف می ­کند (مد موتوری) Tm مثبت است. با درنظر گرفتن یک مدل دو جرمه از قطار درایو، معادله زیر رابطه بین سرعت روتور ، گشتاور مکانیکی Tm و گشتاور الکتریکی Te را نشان می­ دهد که مقدار گشتاور الکتریکی در قسمت مربوط به بخش الکتریکی معرفی و محاسبه خواهد شد:

که H اینرسی ژنراتور و F ضریب ویسکوز است. کنترل­ کننده زاویه گام همچنین بر اساس سرعت روتور جهت حفاظت از گیرهای انتقال و ژنراتور القایی در نظر گرفته می­ شود. یک کنترل ­کننده تناسبی برای زاویه گام در نظر گرفته می­ شود که به صورت زیر است:  

  که ωd سرعت زاویه ­ای بیشینه است.   ب) قسمت الکتریکی قسمت الکتریکی DFIG اساسا از ژنراتور القایی تشکیل شده است که توان الکتریکی Pe و گشتاور الکتریکی Te در آن از تبدیل توان مکانیکی بدست می­ آیند که آن نیز از توان بادی در مکانیزم توربین بادی استخراج می­ شود. معادلات مربوط به قسمت الکتریکی و مدار معادل قبلا برای این قسمت توضیح داده شده است. قبل از پرداختن به قست کنترل مبدل ها، بهتر است به بررسی مختصر انواع روش های کنترل DFIG بپردازیم.   روش های کنترلی DFIG : سیستم کنترلی به همراه مدولاتور وظیفه تولید پالس کلیدهای مبدل مطابق با مرجع مطلوب را بر عهده دارد. سه مورد از پرکاربردترین روشهای کنترل DFIG شامل کنترل جهت ­دهی میدان (FOC)، کنترل مستقیم گشتاور (DTC) و کنترل مستقیم توان (DPC) می ­شود. روش مرسوم و کلاسیک کنترل برداری توانایی کنترل مستقل توان اکتیو و راکتیو ژنراتور را فراهم می ­کند. این شیوه کنترلی بر پایه متغیرها در دستگاه مرجع سنکرون است. روش کنترل برداری بر اساس تبدیل مدل سه فاز موتور القایی به مدل دو سیم­ پیچ عمود بر هم و کنترل جریان این دو سیم ­پیچی بنا شده است. این تبدیل به صورت تبدیل مدل سه فاز به مدل دو فاز dg دوار است. می ­توان با جهت دهی مناسب شار، گشتاور را با مؤلفه عمودی جریان استاتور در دستگاه dq یعنی iqs و مقدار شار را با مؤلفه افقی جریان استاتور در دستگاه dq ، یعنی ids کنترل کرد. در قسمت شبیه سازی از روش کنترل جهت یابی میدان برای فرآیند کنترل استفاده شده است.

  کنترل مبدل­ ها قسمت کنترل­ کننده – مبدل DFIG شامل کنترل­ کننده سمت روتور (RSC) و کنترل­ کننده سمت شبکه (GSC) هستند که هر یک از تعدادی کنترل­ کننده PI تشکیل شده و از طریق یک خازنی که لینک DC نامیده می­ شود، به هم وصل شده ­­اند. در حقیقت مبدل­های فرکانسی با مقادیر نامی کامل برای اتصال AC/DC/AC ژنراتورهای توربین بادی به شبکه توان در این مکانیزم حضور دارند که تبدیل سرعت را از سرعت روتور توربین بادی به فرکانس نامی شبکه بین گیربکس و مبدل فرکانسی تسهیم می ­کنند. این منجر به کاهش تلفات کلی توان ایجاد شده با تبدیل سرعت مکانیکی می­ شود. هدف GSC حفظ ولتاژ لینک DC در یک مقدار ثابت صرفنظر از دامنه و جهت توان روتور است. برای ایجاد کنترل مستقل توان اکتیو و راکتیو شارش شده بین شبکه و GSC، این طرح کنترلی در چهارچوب مرجع ولتاژ استاتور انجام می ­شود. از طرف دیگر RSC در چهارچوب شار متقابل برای بدست آوردن کنترل توان اکتیو و راکتیو می ­باشد.

هدف کنترل توان این است که توان مکانیکی تولید شده توسط توربین، مشخصه توان – سرعت خودش را دنبال کند و کنترل توان راکتیو بوسیله تنظیم جریان راکتیو شارش شده در RSC بدست می ­آید. قانون تبدیل انرژی با معادله زیر برای لینک DC  ارائه می شود:

 

کنترل مبدل سمت روتور: این مبدل برای کنترل گشتاور DFIG از کنترل مستقیم جریان روتور استفاده می­ کند. RSC این کار را با اعمال ولتاژ مناسب به سیم پیچ روتور انجام می­ دهد. RSC تحت فرکانس­ های متغیر متناظر با تغییرات سرعت روتور که متناسب با سرعت باد است، عمل می­ کند تا حداکثر توان از باد استحصال شود. همچنین در عملکرد عادی، RSC توان راکتیو را برای روتور فراهم و بدین ترتیب ضریب توان شبکه را کنترل می­ کند. این توان راکتیو باید از طریق استاتور که به شبکه متصل است، فراهم گردد. مبدل سمت روتور می­ تواند از یکی از کنترل­ کننده های گشتاور، سرعت و یا کنترل کننده توان راکتیو برای تنظیم توان خروجی DFIG استفاده کند. به طور معمول از یک کنترل کننده PI برای کنترل گشتاور، سرعت و یا توان استفاده می­ شود. هر کدام از کنترل­ کننده ها که استفاده شود، می­ تواند خروجی مقدار مرجع جریان روتور، گشتاور توان و سرعت خواسته شده را فراهم کند. سپس از یک کنترل­ کننده PI دیگر برای کنترل خطای جریان روتور از مقدار مرجع استفاده می­ شود. جریان روتور همچنین می­ تواند برای کنترل توان راکتیو تولیدی ژنراتور استفاده شود. طرح­ کنترل RSC در روش کنترل برداری مرسوم در شکل­ 4  نمایش داده شده است. طرح کنترلی RSC در چهارچوب شار متقابل برای بدست آوردن کنترل توان اکتیو و راکتیو می­ باشد.    

شکل 4) کنترل برداری مبدل سمت روتور یا RSC

    در شکل 4، در حالت عملکرد نرمال، کنترل­ کننده RSC برای کنترل سرعت روتور و خروجی توان راکتیو استفاده شده است. در اینجا مرجع توان راکتیو به مقدار صفر تنظیم می­ شود به نحوی که خروجی توان راکتیو واقعی ژنراتور به مقدار صفر کنترل شود. به عبارت دیگر ژنراتور توان راکتیو را نه از سیستم جذب کرده و نه به سیستم  تحویل می ­دهد.   کنترل مبدل سمت شبکه این مبدل برای تنظیم ­کردن ولتاژ خط DC بین دو مبدل استفاده می­ شود. در طول عملکرد عادی، GSC ولتاژ خط DC بین دو مبدل را با متعادل ­کردن توان راکتیو در هر دو مبدل کنترل می­ کند. همچنین GSC قادر است توان تزریقی به شبکه را به منظور کنترل ولتاژ شبکه کنترل نماید. این مزیت در هنگام رخ­دادن خطا و پایداری ولتاژ شبکه مورد توجه قرار می­ گیرد. GSC شامل یک حلقه کنترل بیرونی است که ولتاژ خط DC را کنترل می­ کند و تلاش می­ کند تا آن در مقدار نامی نگه دارد. یک حلقه کنترل PI داخلی نیز جریان GSC را کنترل می­ کند. از آنجایی که GSC به طور مستقیم به شبکه وصل می­ شود توان خروجی آن باید تحت یک فرکانس ثابت متناظر با فرکانس شبکه باشد. طرح­ کنترل GSC در روش کنترل برداری مرسوم در شکل­ 5 نمایش داده شده است. طرح کنترلی GSC در چهارچوب مرجع ولتاژ استاتور انجام می­ شود.  

شکل 5) کنترل برداری مبدل سمت شبکه یا GSC

    کنترل­ کننده گام کنترل­ کننده گام برای تنظیم سرعت در ناحیه عملکردی با بار کامل استفاده می­ شود. بالای سرعت نامی باد، توان خروجی تنظیم ­شده فقط متناسب با سرعت روتور تغییر می ­کند، چون گشتاور ثابت باقی می­ ماند، بنابراین تنظیم توان به طور کامل وابسته به تنظیم سرعت است. هدف کنترل زاویه گام بهینه سازی استخراج توان از توربین بادی و همچنین جلوگیری از تولید توان اضافه بر نامی در سرعت باد قوی است. طرح کنترل در شکل 6 نمایش داده شده است:    

شکل 6) کنترل زاویه گام برای ژنراتور القایی دوبل تغذیه

    این کنترل­ کننده از سه بخش تشکیل شده است: کنترل سرعت گام این قسمت مربوط به کنترل سرعت بوده و به کمک کنترل کننده PI انجام می شود.

جبران­گر گام این قسمت مربوط به کنترل توان اکتیو بوده و به کمک کنترل کننده PI انجام می شود.   محرک گام این قسمت نقش فیلترینگ، محدود­سازی دامنه و نرخ تغییر و همچنین تثبیت گام را انجام می­ دهد.     شبیه سازی و کنترل یک ژنراتور القایی دوبل تغذیه در این قسمت یک ژنراتور القایی دوبل تغذیه با توان مکانیکی 1.5 مگاوات و ولتاژ 400 ولت در نظر گرفته شده و فرآیند کنترل مؤثر آن در سیمولینک متلب انجام شده است. پیکربندی ژنراتور به همراه توربین بادی، مبدل­ها، خازن لینک DC، فیلترها و مدل شبکه توان در شکل 7 نشان داده شده است. توجه می ­کنیم که اتصال سیستم توان بوسیله منبع ولتاژ سه فاز انجام می ­شود که با امپدانس معادل تونن سری شده است. یک فیلتر سلفی – مقاومتی اتصال مبدل شبکه را به نقطه اتصال مشترک برقرار می­ کند. همچنین یک فیلتر خازنی نیز به صورت موازی بین نقطه اتصال مشترک و منبع توان جهت کاهش هارمونیک ها متصل است.    

شکل 7) سیستم DFIG به همراه توربین بادی و مبدل AC/DC/AC

  جزء مهم شبیه سازی سیستم کنترل آن می­ باشد که نمای کلی بلوک آن در شکل 8 نمایش داده شده است. کنترل کلی سیستم شامل بخش­های زیر است: 1)کنترل مبدل سمت شبکه 2) کنترل مبدل سمت روتور 3) کنترل زاویه گام توربین

توضیحات مربوط به هر یک از این قسمت ها در بخش های قبل ارائه شده است. خروجی بلوک کنترل کلی سیگنالهای گیت برای تحریک کلیدهای دو مبدل به صورت جداگانه و همچنین زاویه گام مناسب برای بلوک توربین بادی است.  

شکل 7) کنترل کلی سیستم شامل کنترل مبدل ها و زاویه گام توربین

  مسئله مهم در کنار مدلینگ صحیح سیستم کنترل، تنظیم پارامترهای کنترل ­کننده ­ها می ­باشد. در سیستم کنترل در مجموع 7 کنترل­ کننده وجود دارد که به تعداد 6 تا از آنها از نوع تناسبی – انتگرالی و کنترل­ کننده دیگر از نوع تناسبی است. این کنترل کنند­ه ها به روش سعی و خطا در این شبیه ­سازی تنظیم شده است. بعد از تنظیم کنترل­ کننده ­ها به سراغ ران شبیه سازی و بدست آوردن نتایج می­ رویم. زمان شبیه­ سازی در اینجا 3 ثانیه تنظیم شده است که در طی آن فرض شده است که سرعت باد برابر با مقدار ثابت 15 متر بر ثانیه باشد. مقدار مرجع توان راکتیو و مقدار مؤلفه جریان در راستای محور q برای مبدل سمت شبکه برابر با صفر تنظیم شده است. در ادامه تعدادی از نتایج شبیه سازی ارائه شده است.   در شکل 8 تغییرات توان اکتیو و راکتیو مبادله شده در نقطه اتصال مشترک ارائه شده است. همان طور که مشخص است توان اکتیو در نهایت در مقدار حدودی 1.5 مگاوات به حالت ماندگار خود می ­رسد. از طرفی توان راکتیو نیز مرجع خود را که مقدار صفر است، به خوبی دنبال می­ کند.

 

شکل 8) تغییرات توان اکتیو و توان راکتیو مبادله شده در نقطه اتصال مشترک

  در شکل 9 تغییرات ولتاژ لینک DC و سرعت مکانیکی پریونیتی روتور ارائه شده است. از نمودار اول مشخص است که تثبیت ولتاژ در مقدار 1150 ولت که مقدار مرجع تنظیم شده در شبیه سازی بوده، به خوبی انجام شده است. همچنین از نمودار دوم مشخص است که سرعت روتور بعد از کمی نوسان به مقدار ماندگار می­ رسد. دلیل اینکه مقدار پریونیتی سرعت بیشتر از یک است به این خاطر است که سرعت مرجع باد مقدار 15 متر بر ثانیه می ­باشد که از مقدار سرعت نامی ژنراتور یعنی 11 متر بر ثانیه بیشتر است.  

شکل 9) تغییرات ولتاژ لینک DC و سرعت پریونیتی محور روتور

  در شکل 10 مشخصه ولتاژها و جریان­های سه فاز در نقطه اتصال مشترک در حالت ماندگار ارائه شده است. با توجه به نمودار اول پیک ولتاژ در حالت ماندگار به مقدار 565 ولت می­رسد.    

شکل 10) ولتاژها و جریان سه فاز در نقطه اتصال به شبکه (حالت ماندگار)

پیکربندی های توربین بادی

مقدمه امروژه استفاده از توربین های بادی پیشرفته برای تولید برق در سراسر جهان رو به گسترش است و یکی از سیاست های اصلی توسعه انرژی تجدیدپذیر را در کشورهای پیشرفته به خود اختصاص می دهد. توربین بادی وسیله ای است که انرژی نهفته در باد را دریافت کرده و بر اساس مکانیزمی که در آن تعبیه شده، انرژی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. توربین های بادی می­ توانند در اندازه های مختلف و با ساختارهای گوناگون به صورت جدا یا در غالب مزرعه بادی مورد بهره برداری قرار گیرند. از نظر سرعت عملکردی، آنها در سرعت ثابت یا در سرعت متغیر کار می کنند. در ادامه با هر یک از ساختارها به صورت مختصر آشنا می شویم.   توربین های بادی سرعت ثابت در اوایل دهه 1990، توربین های بادی نصب شده استاندارد در سرعت ثابت کار می کردند. این به معنی آن است که صرفنظر از سرعت باد، سرعت روتور توربین ثابت است و بوسیله فرکانس شبکه توان، نسبت گیر و طراحی ژنراتور مشخص می شود. مشخصه توربین هایی با سرعت ثابت این است که با یک ژنراتور القایی (قفسه سنجابی یا روتور سیم بندی شده) تجهیز می شوند که به طور مستقیم با یک راه انداز نرم و یک بانک خازنی که برای کاهش جبران توان راکتیو بکار می رود، به شبکه متصل می­ شود.  آنها برای بدست آوردن ماکزیمم بازده در یک سرعت بادی خاص طراحی می شوند. برای افزایش تولید توان، ژنراتور مربوط به تعدادی از توربین های سرعت ثابت دارای دو مجموعه سیم پیچی است: یکی در سرعت های بادی پایین(معمولا 8 قطبه) و دیگری در سرعت های بادی متوسط و بالا (معمولاً 4 تا 6 قطب)  استفاده می شود.

توربین بادی سرعت ثابت دارای مزیت ساده بودن، مقاوم بودن و قابل اعتماد و اثبات شده می باشد و هزینه قسمتهای الکتریکی آن پایین است. عیوب آن مصرف توان راکتیو غیر قابل کنترل، استرس مکانیکی و کنترل محدود شده کیفیت توان است. بعلت عملکرد سرعت ثابت، همه نوسانات در سرعت بادی بیشتر به صورت نوسانات در گشتاور مکانیکی و سپس به صورت نوسانات در توان الکتریکی شبکه ظاهر می شود. در حالتی که شبکه ضعیف وجود دارد، نوسانات توان می تواند همچنین منجر به نوسانات بزرگ ولتاژ شود که به نوبه خود باعث تلفات قابل توجه خط می شود.   توربین های بادی سرعت متغیر در طول چند سال گذشته توربین بادی سرعت متغیر نوع غالب در میان توربینهای نصب شده بوده است. توربین های سرعت متغیر برای دست یابی به بازده آیرودینامیکی ماکزیمم در طول یک رنج گسترده از سرعت های بادی طراحی می شود. با یک عملکرد سرعت متغیر، تطبیق پیوسته (تسریع یا کاهش شتاب) سرعت چرخشی ω توربین بادی  تا سرعت باد ν ممکن شده است. به این طریق، نسبت سرعت نوک  λ (که λ برابر با ωR/ν می ­باشد که R شعاع روتور است) در یک مقدار پیش تعیین شده که مربوط به ضریب توان ماکزیمم است، به صورت ثابت حفظ می شود. در تضاد با سیستم سرعت ثابت، یک سیستم سرعت متغیر، گشتاور ژنراتور را ثابت نگه می دارد و تغییرات در باد بوسیله تغییر در سرعت ژنراتور نمود پیدا می­ کند. سیستم الکتریکی یک توربین بادی سرعت متغیر پیچیده تر از یک توربین بادی سرعت ثابت است. معمولاً با یک ژنراتور سنکرون یا القایی تجهیز شده و از طریق یک مبدل توان به شبکه متصل می شود. مبدل توان سرعت ژنراتور را کنترل می کند؛ یعنی نوسانات توان ایجاد شده بوسیله تغییرات باد اساساً بوسیله تغییرات در سرعت روتور و در نتیجه در سرعت روتور توربین نمود پیدا می ­کند.مزیت های توربین های بادی سرعت متغیر، افزایش جذب انرژی، کیفیت توان بهبودیافته و استرس مکانیکی کاهش یافته در توربین می باشند. عیب های آن تلفات در اجزای الکترونیک قدرت، استفاده از تجهیزات بیشتر و هزینه افزایش یافته تجهیزات بعلت الکترونیک قدرت می باشند. در توربین بادی سرعت متغیر، می توان بسته به ترکیب موردنظر، چند نوع ژنراتور را بکار برد و همچنین چند درجه آزادی در ترکیب نوع ژنراتور و نوع مبدل توان وجود دارد که در ادامه به آن خواهیم پرداخت. اما قبل از آن بهتر است نگاهی به انواع کنترل توان در سیستم توربین بادی داشته باشیم.   بررسی اجمالی مفهوم کنترل توان همه توربین های بادی با چند نوع از کنترل توان طراحی می شوند. روش های مختلفی برای کنترل نیروهای آیرودینامیکی در روتور توربین وجود دارد و بنابراین در سرعت های خیلی زیاد باد، برای اجتناب از خرابی توربین می توان توان را محدود کرد. ساده ترین، مقاوم ترین و ارزان ترین روش کنترل، کنترل stall (کنترل پسیو یا قطع) است که تیغه ها به توپی در زاویه ثابت جوش داده می شوند. طراحی آیرودینامیک های روتور باعث می شود که روتور متوقف شود (از دست رفتن توان) زمانی که سرعت های باد اضافه بر سطح معینی شود. بنابراین توان آیرودینامیکی در تیغه ها محدود می شود. چنین تنظیم توان آیرودینامیکی آهسته باعث نواسانات توان کمتر نسبت به تنظیم توان گام – سریع می شود. چند عیب روش، بازده پایین تر در سرعت های بادی پایین، عدم وجود راه اندازی کمکی و تغییرات در توان حالت ماندگار ماکزیمم بعلت تغییر در چگالی هوا و فرکانس های شبکه می باشد. نوع دیگر کنترل، کنترل گام (کنترل فعال) می باشد که تیغه ها می توانند به ترتیب در خلاف جهت باد یا در جهت باد بچرخند، به صورتی که خروجی توان به ترتیب خیلی زیاد یا خیلی کم می ­شود. به طور معمول، مزیت­ های این نوع کنترل عبارتند از: کنترل توان خوب، راه­ اندازی پشتیبانی شده و توقف اضطراری. از نقطه نظر الکتریکی، کنترل توان خوب به این معنی است که در سرعت­های بالای باد، مقدار متوسط خروجی توان نزدیک به توان نامی ژنراتور باقی می ­ماند. بعضی عیب ­های آن نیز عبارتند از: افزایش پیچیدگی اضافی ناشی از مکانیزم گام و نوسانات بالاتر توان در سرعت های بالای باد. توان لحظه­ ای به دلیل بادهای ناگهانی و سرعت محدودشده مکانیزم گام، در حدود مقدار متوسط نامی توان نوسان می­ کند. راه­ کار کنترل ممکن سوم، کنترل قطع فعال می ­باشد. همانطور که از اسم آن مشخص است، فرآیند قطع تیغه به طور فعال توسط گام تیغه ­ها کنترل می­ شود. در سرعت­های پایین باد، تیغه­ ها مشابه با توربین بادی گام کنترل شده، جهت دستیابی به بازده ماکزیمم گام ­بندی شده هستند. در سرعت­های بالای باد تیغه ­ها با مقدار کمی گام بندی­ شدگی در جهت مخالف با یک توربین کنترل ­شده با گام به قطع عمیق ­تری حرکت می­ کنند. توربین بادی با روش کنترل قطع فعال بدون نوسانات بالای توان که در توربین های گام کنترل ­شده وجود دارد، منجر به توان محدودشده هموارتری می ­شود. این نوع کنترل دارای این مزیت است که قادر به جبران تغییرات در چگالی هوا خواهد بود. در حالت ترکیب با مکانیزم گام، انجام توقف ­های اضطراری و سپس راه ­اندازی توربین کار آسان­تری خواهد بود.   پیکربندی­های مختلف توربین بادی در ادامه رایج ­ترین پیکربندی­ های توربین بکاررفته از نظر توانایی کنترل سرعت و نوع کنترل قدرت طبقه­ بندی شده ­اند. اگر کنترل سرعت را به عنوان معیار درنظر بگیریم، چهار نوع غالب و مختلف از توربین بادی وجود دارد که عبارتند از: نوع1: سرعت ثابت نوع2: سرعت متغیر محدودشده نوع 3: سرعت متغیر با مبدل فرکانسی مقیاس جزئی نوع4: سرعت متغیر با مبدل فرکانسی در مقیاس کامل   در ادامه هر یک از پیکربندی­ها را مورد بررسی قرار می ­دهیم و مشخص می­ کنیم که چه نوع کنترل سرعت و یا کنترل توانی برای آنها ممکن است و همچنین در مورد مزیت­ها و معایب آنها بحث می­ کنیم.   نوع1: سرعت ثابت

شکل 1) پیکربندی توربین بادی نوع 1، در اینجا منظور از SCIG ژنراتور القایی قفسه سنجابی می باشد.

 

پیکربندی فوق توربین بادی سرعت ثابت را با یک ژنراتور القایی قفسه سنجابی (SCIG) نشان می ­دهد که از طریق یک ترانسفورماتور به طور مستقیم به شبکه متصل می­ شود. چونکه SCIG همیشه توان راکتیو از شبکه می­ کشد، این پیکربندی از یک بانک خازنی برای جبران توان راکتیو استفاده می­ کند. همچنین برای یک اتصال نرم به شبکه از راه ­انداز نرم استفاده می شود. صرفنظر از قاعده کنترل توان در یک توربین بادی سرعت ثابت، نوسانات باد به نوسانات مکانیکی و در ادامه به نوسانات توان الکتریکی منجر می ­شود. در حالتی که یک شبکه ضعیف وجود دارد، این می­ تواند منجر به نوسانات ولتاژ در نقطه اتصال به شبکه شود. بعلت این نوسانات ولتاژی، توربین بادی سرعت ثابت مقدارهای متغیر توان راکتیو را از شبکه توان می­ کشد (مگر اینکه بانک خازنی وجود داشته باشد) که هر دوی نوسانات ولتاژ و تلفات توان را افزایش می ­دهد. بنابراین عیب­ های اصلی این مورد آن است که از هیچ کنترل سرعتی پشتیبانی نمی ­کند، به یک شبکه مقاوم احتیاج دارد و ساخت و ساز مکانیکی آن باید قادر به تحمل استرس­های مکانیکی بالایی باشد. این نوع توربین با هر سه نوع کنترل توان در صنعت توربین بادی مورد استفاده قرار می­گیرد که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت.

کنترل قطع این نوع کنترل توسط سازندگان دانمارکی توربین بادی در طول دهه 1980 و 1990 میلادی (برای توربین سه تیغه قطع تنظیم­ شده بالادستی) بکار برده شد. این طرح بعلت قیمت نسبتاً پایین، سادگی و مقاومتش بسیار معروف شده بوده است. توربین­ های بادی قطع کنترل­ شده نمی­ توانند راه ­اندازی­های پیوسته را انجام دهند که به این معنی است که در طول اتصال پی در پی، توان توربین نمی­ تواند کنترل شود.

کنترل گام مزیت­های اصلی این نوع کنترل توربین این است که کنترل­ پذیری توان، راه ­اندازی کنترل شده و توقف­های اضطراری را تسهیل می­ کند. عیب اصلی  آن این است که در سرعت­های بالای باد حتی تغییرات کوچک در سرعت بادی منجر به تغییرات بزرگ در توان خروجی می­ شود. مکانیزم گام برای جلوگیری از چنین نوسانات توانی به اندازه کافی سریع نمی ­باشد. تغییرات آهسته در باد می­ تواند با گام­ بندی تیغه جبران شود اما در حالت تندبادها ممکن نیست.

کنترل قطع فعال این پیکربندی اساساً همه مشخصات کیفی سیستم قطع – تنظیم ­شده را حفظ می ­کند. به عنوان نتیجه ­ای از بکارگیری کنترل قطع فعال، در استفاده بهتر از سیستم کلی بهبود­هایی وجود دارد. اتصال انعطاف­ پذیر تیغه­ ها به توپی همچنین توقف اضطراری و را­ه ­اندازی را تسهیل می­ کند. عیبی که وجود دارد قیمت بالاتر آن می­ باشد که به خاطر مکانیزم گام­ بندی و کنترل آن است.   مفهوم سرعت متغیر بوسیله هر سه پیکربندی دیگر بکاربرده می ­شود؛ اما بعلت ملاحظات محدودیت توان امروزه فقط با مکانیزم کنترل گام سریع استفاده می ­شود. بنابراین دو تکنیک کنترلی دیگر یعنی قطع و قطع فعال برای این سه پیکربندی بکار نمی­ رود.   نوع2: سرعت متغیر محدودشده  

شکل 2) پیکربندی توربین بادی نوع 2، در اینجا منظور از WRIG ژنراتور القایی روتور سیم بندی شده می باشد.

  پیکربندی فوق مربوط به توربین بادی سرعت متغیر محدودشده با مقاومت روتوری متغیر ژنراتور می­ شود و از یک ژنراتور القایی روتور سیم­ بندی شده استفاده می­ کند. ژنراتور همانند نوع 1 به طور مستقیم به شبکه متصل می ­شود. یک بانک خازنی نیز جبران توان راکتیو را انجام می ­دهد. با استفاده از راه ­انداز نرم نیز اتصالی همواری به شبکه بدست آورده می ­شود. ویژگی یکتای این مورد آن است که یک مقاومت روتور اضافی متغیر دارد که می­تواند بوسیله یک مبدل کنترل­ شده به صورت بهینه تغییر داده شود که روی محور روتور قرار گرفته است. بنابراین مقاومت روتوری کل قابل کنترل است. این اتصال بهینه نیاز به رینگ­های لغزشی پرهزینه را که احتیاج به جاروبک­ها و حفاظت دارد، حذف می­ کند. مقاومت روتور می ­تواند تغییر داده شود و بنابراین لغزش را کنترل می­ کند. با این روش توان خروجی در سیستم کنترل می­ شود. رنج کنترل سرعت دینامیکی بستگی به اندازه مقاومت متغیر روتور دارد. به طور نمونه رنج سرعت از 0 تا 10 درصد بالای سرعت سنکرون می ­باشد. انرژی حاصل از واحد تبدیل توان خارجی بوسیله اتلاف گرمایی دمپ می­ شود.   نوع 3: سرعت متغیر با مبدل فرکانسی مقیاس جزئی  

شکل 3) پیکربندی توربین بادی نوع 3، در اینجا منظور از WRIG ژنراتور القایی روتور سیم بندی شده می باشد.

    این پیکربندی که با نام «ژنراتور القایی دوبل تغذیه (DFIG) شناخته» می­ شود، دارای یک توربین بادی سرعت متغیر محدودشده با یک ژنراتور القایی روتور سیم­ بندی شده (WRIG) و یک مبدل فرکانسی مقیاس جزئی (با مقدار نامی تقریبی 30 درصد از توان نامی ژنراتور) در مدار روتور می ­باشد. مبدل موردنظر جبران توان راکتیو و اتصال هموارتر به شبکه را انجام می ­دهد. این نوع سیستم توربین، دارای یک رنج گسترده ­تر از کنترل سرعت دینامیکی در مقایسه با نوع 2 می­ باشد که بستگی به اندازه مبدل فرکانسی دارد. به طور معمول رنج سرعت شامل 40- تا 30+ درصد سرعت سنکرون می ­باشد. عیب­های اصلی این پیکربندی استفاده از رینگ­ های لغزش و احتیاج به حفاظت در حالت وقوع خطاهای شبکه می ­باشد.   نوع4: سرعت متغیر با مبدل فرکانسی در مقیاس کامل  

شکل 4) پیکربندی توربین بادی نوع 4، خط شکسته به طور گیربکس یعنی پیکربندی می تواند شامل گیربکس باشد یا نباشد. در اینجا منظور از WRIG ژنراتور القایی روتور سیم بندی شده، PMSG ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم و WRSG ژنراتور سنکرون روتور سیم بندی شده است.

    این پیکربندی مربوط به توربین بادی سرعت متغیر کامل می ­باشد که ژنراتور آن از طریق یک مبدل فرکانسی مقیاس کامل به شبکه متصل می­ شود. مبدل فرکانسی جبران توان راکتیو و اتصال هموارتر به شبکه را ممکن می سازد. ژنراتور می ­تواند به طور الکتریکی [با ساختار ژنراتور سنکرون روتور سیم­ بندی­ شده (WRSG) یا (WRIG) ] یا با استفاده از آهنرباهای دائم [ با ساختار ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم (PMSG) ] تحریک شود. بعضی سیستم­ های توربین بادی سرعت متغیر کامل گیربکس ندارند. در این حالت­ها یک ژنراتور چندقطبه هدایت­ شده به صورت مستقیم با یک قطر بزرگتر استفاده می­ شود

تحقق نیاز LVRT در توربین بادی DFIG متصل به شبکه قدرت به کمک DVR مبتنی بر مبدل چند سطحی MMCC-DSCC

امروزه بهره­ برداری از ژنراتور دو سو تغذیه در نیروگاه ­های بادی در حال گسترش می­ باشد، علت این امر راندمان بالای آن­ها نسبت به سایر ژنراتورها و انعطاف ­پذیری­ شان در کنترل توان­های اکتیو و راکتیو می­ باشد. یکی از مهم­ترین موضوعات در توربین­های بادی مجهز به ژنراتور القایی دو سو تغذیه (DFIG)، قابلیت عبور از ولتاژ پایین (LVRT) در هنگام وقوع خطا یا افت ولتاژ ناگهانی شبکه می ­باشد. نیاز LVRT به­ منظور عبور از ولتاژ پایین و متصل ماندن واحد تولیدی به شبکه، در هنگام هر نوع خطا مطرح می­ شود. در طی بروز خطا در شبکه الکتریکی، جریان سیم­ پیچی­های استاتور افزایش می­ یابد و به دلیل تزویج مغناطیسی میان سیم­ پیچی­ های روتور و استاتور این جریان در سیم ­پیچ­ های روتور و مبدل الکترونیک قدرت طرف روتور نیز ظاهر می­گردد و منجر به آسیب دیدن سیم­پیچ­ های روتور و مبدل طرف روتور و از مدار خارج شدن DFIG می­ شود، در نتیجه باید با اعمال روش­هایی مانع از صدمه دیدن مدار روتور و مبدل آن و خروج DFIG از شبکه شد. در این مقاله به منظور بهبود قابلیت عبور از ولتاژ پایین توربین بادی مجهز به DFIG از بازیاب دینامیکی ولتاژ (DVR) مبتنی بر اینورتر چند سطحی مدولار شده با اتصال آبشاری بر پایه ساختار نیم سلولی با اتصال ستاره دوبل (MMCC-DSCC) استفاده شده است. با جبران­ سازی افت ولتاژ توسط DVR پیشنهادی، امکان عملکرد عادی DFIG در حین وقوع خطا (افت ولتاژ) فراهم می­ شود. با توجه به عملکرد DFIG در شرایط خطا مقدار ولتاژ تزریقی توسط DVR بسیار حائز اهمیت بوده زیرا افزایش بیش از حد ولتاژ، عملکرد سیستم را تحت تاثیر قرار می­ دهد. به منظور رفع این مشکل و افزایش قابلیت پایدار ماندن پس از وقوع خطا، از سیستم کنترل تناسبی-انتگرالی (PI) استفاده شده است و جهت کاهش هارمونیک­های ولتاژ تزریقی DVR از اینورتر چند سطحی (MMCC-DSCC) در ساختار DVR بهره گرفته­ ایم. نتایج به دست آمده از شبیه­ سازی­ها در محیط نرم­ افزاری MATLAB/SIMULINK نشان می­ دهد که DVR پیشنهادی تاثیر بسیار خوبی در بهبود LVRT توربین بادی مجهز به DFIG دارد.

بهبود بار پذیری شبکه انتقال با استفاده از ادوات FACTS

سیستم های قدرت مدرن برای عرضه توان قابل اطمینان به مصرف کننده و بارهای مختلف طراحی شده اند. نیروگاه های تولید برق به دلیل مسائل زیست محیطی، اقتصادی و ایمنی در مکانهایی دورتر از مصرف کننده قرار گرفته اند. بنابراین، شبکه خطوط انتقال برق در ولتاژهای خیلی بالایی برای انتقال توان به بهره برداری می رسند. علاوه بر انتقال توان به مصرف کننده، خطوط انتقال ممکن است باعث اتصال چندین شبکه قدرت بزرگ شوند که اصطلاحا به آن سیستم های قدرت بهم پیوسته می گویند. این امر جدا از پیچیدگی که در سیستم به وجود می آورد، باعث افزایش قابلیت اطمینان و همچنین مسائل مربوط به بازار برق می شود.

۲-۱- اساس کارکرد شبکه های انتقال توان

اکثر خطوط انتقال که بصورت AC هستند، تحت ولتاژهای مختلفی عمل می کنند. شبکه های توزیع در ولتاژهای پایین عمل میکنند در حالیکه شبکه های بزرگ دارای ولتاژهای بالایی هستند. خطوط انتقال با ولتاژهای مختلف توسط ترانسفورماتورها به یکدیگر متصل می شوند. خوشبختانه خطوط انتقال ac دارای خاصیت کنترل توان ذاتی هستند که توسط توان در ابتدا و انتهای خط تعیین می شود. بعنوان مثال، یک خط انتقال توان را در نظر بگیرید که بین یک نیروگاه و مصرف کننده قرار گرفته است که در شکل ۱ نشان داده شده است. با فرض اینکه خط بدون تلفات باشد (R=0) روابط زیر بر مدار حاکم است.

​

در رابطه بالا، X راکتانس سری خط است. V1 و V2 به ترتیب ولتاژ سمت ارسال و ولتاژ سمت دریافت می باشند. در رابطه بالا اختلاف زاویه ولتاژها میزان توان اکتیو انتقالی را مشخص می کنند و اختلاف دامنه ولتاژها میزان توان راکتیو انتقالی در خط را تعیین می کنند.

قابلیت اطمینان در سمت باسبار با اضافه کردن یک منبع تولید توان همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است قابل بهبود است. همانطور که در شکل ۱ مشاهده می شود، در صورتی که یکی از منابع یا خطوط انتقال از مدار خارج شود، تقاضای بار مصرف کننده توسط خط انتقال دیگر تامین می شود.

در کنار سیستم های انتقال ac، سیستم های انتقال توان HVDC نیز وجود دارند. سیستم های HVDC نیاز به مبدل های الکترونیک قدرت دارند که این باعث گران شدن این سیستم ها می شود. علاوه بر این، سیستم های HVDC برای فاصله های خیلی طولانی و سیستم های خیلی بزرگ استفاده می شوند. این سیستم انتقال توان از مبدل های پشت به پشت استفاده میکند. به این صورت که توان ac را ابتدا به dc تبدیل کرده و سپس این توان dc را به محل مورد نظر (انتهای خط HVDC) منتقل میکند و سپس دوباره در آنجا به ac تبدیل می کند.

۳-۱- کنترل سیلان توان در شبکه های انتقال ac

ما تمایل داریم سیلان توان در خطوط انتقال را برای افزایش ظرفیت انتقال توان کنترل کنیم و یا سیلان توان را تحت شرایط دینامیکی برای تضمین پایداری و امنیت سیستم تغییر دهیم. پایداری سیستم متأثر از افزایش یا کاهش کمی در فرکانس سیستم، نوسانات توان و فروپاشی ولتاژ می باشد. با توجه به شکل ۱، ماکزیم توان انتقالی در حالتی اتفاق می افتد که اختلاف زاویه ولتاژهای ابتدا و انتهای خط ۹۰ درجه باشد که در این صورت رابطه زیر برای انتقال توان ماکزیمم صادق است.

​

بطور مرسوم، جبرانسازی سری توسط خازن های سری در خط ماکزیمم توان انتقالی Pmax را افزایش می دهد. در این حالت مقدار خازن مورد نیاز برای جبرانسازی توسط رابطه زیر تعیین می شود.

​

در رابطه فوق Kse درجه جبرانسازی سری است. ماکزیمم مقدار Kse به عوامل زیادی بستگی دارد که مقاومت هادی یکی از آنها می باشد. بطور کلی Kse بیشتر از ۰٫۷ انتخاب نمی شود. استفاده از خازن های سری برای جبرانسازی در خطوط انتقال و افزایش ظرفیت خط انتقال از سال های دور استفاده شده است. با این وجود ۱۰ الی ۱۵ سال بعد، کنترل جبرانسازی سری با استفاده از تریستور برای کنترل سریع سیلان توان در خطوط انتقال معرفی شد. استفاده از راکتورهای کنترل شده تریستوری TCR که به صورت موازی با خازن های جبرانساز Xc قرار داشتند، علاوه بر کنترل جبرانسازی بر مشکلاتی از قبیل نوسانات زیرسنکرون غلبه می کرد. زیرا یکی از مشکلاتی که جبرانسازی سری در خطوط انتقال ایجاد می کند، نوسانات زیر سنکرون یا SSR است.

سیلان توان در خطوط با طول کوتاه توسط ترانسفورماتور شیفت فاز PST کنترل می شود که یک نسبت دور با دامنه واحد دارد. سیلان توان در یک خط انتقال بدون تلفات با یک PST بصورت زیر بیان می شود.

​

PST کنترل شده بصورت دستی تحت شرایط دینامیکی به اندازه کافی سریع نیست. کلیدهای تریستوری می توانند کنترل سریع مقایر گسسته  را با توجه به ساختار PST استفاده شده تضمین کنند. همچنین، ماکزیمم توان انتقالی خط می تواند توسط ولتاژ سمت دریافت خط ac افزایش یابد. زمانیکه یک ژنراتور یک بار با ضریب توان واحد را تغذیه می کند، ماکزیمم توان زمانی اتفاق می افتد که مقاومت بار با مقاوت خط انتقال برابر باشد. قابل ذکر است که V2 با تغییر بار تغییر میکند و بصورت زیر بیان می شود.

​

با ارائه جبرانسازی دینامیکی توان راکتیو در باس بار (باس ۲)، همانطور که در شکل ۳ قابل مشاهده است، دامنه ولتاژ باس نیز قابل تنظیم است.

​

​

شبیه سازی توربین بادی در متلب

پروژه مدلسازی و کنترل ژنراتور القایی دو سو تغذیه برای انرژی باد با سیمولینک متلب

شبیه سازی مقاله MODELING AND CONTROL OF DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR FOR WIND POWER

در این پست پروژه مدلسازی و کنترل ژنراتور القایی دو سو تغذیه برای انرژی باد با سیمولینک متلب را آماده کرده ایم که در ادامه می توانید مقدمه ای مقاله این پروژه را مطالعه و فیلم و تصاویری از خروجی آن را مشاهده نمائید.

به دلیل افزایش نگرانی ها در مورد آلودگی های CO2 ، سیستم های انرژی باد در سال های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. مزرعه های بادی بزرگ در سرتاسر جهان نصب شده و یا در حال طراحی هستند و رتبه انرژی باد (به صورت تکی و یا مزرعه ای) در حال افزایش است. به صورت معمول برای هر مزرعه بادی، توربین های بادی برپایه ژنراتورهای تکنولوژی (DFIG) با مبدل هایی با توان حدود ۲۵ تا ۳۰ درصد توان نامی ژنراتور به کار برده می شوند.

در مقایسه با توربین های بادی که از ژنراتورهای القایی با سرعت ثابت استفاده می‌کنند، توربین های بادی برپایه DFIG دارای مزایایی از جمله عملکرد سرعت متغیر و قابلیت توان راکتیو و اکتیو چهار ربعی می باشند. این سیستم ها همچنین دارای هزینه کمتر و تلفات کمتر مبدل ها در مقایسه با سیستم های برپایه ژنراتورهای سنکرون تمام تحریک با مبدل های با توان برابر توان نامی ژنراتور‌ می‌باشند.

DFIG اساسا یک ماشین القایی روتور سیم پیچی شده استاندارد می ‌باشد که استاتور مستقیما به شبکه متصل است و اتصال روتور و شبکه از طریق مبدل با مدولاسیون پهنای باند (PWM) پشت به پشت می‌ باشد. این پروژه مدل سازی و کنترل DFIG را با جزییات ارائه می‌کند، که استاتور مستقیما به شبکه متصل است و روتور از طریق مبدل AC-DC-AC پشت به پشت دوطرفه به شبکه متصل شده است.

مدل پیشنهادی تنها مدل سیمولینکی با جزییات کامل می باشد که از جعبه ابزار semi Power system استفاده نمی ‌کند و برای کار در مد عملکردی زیر سنکرون و فوق سنکرون مناسب است. در این پروژه یک استراتژی کنترلی برداری براساس کنترل بردار جهت شار روتور پیشنهاد شده است دو استراتژی کنترل بردار غیرمستقیم براساس تخمین شار استاتور و تخمین شار روتور به مبدل سمت روتور (RSC) برای کنترل توان اکتیو تولید شده توسط ژنراتور اعمال شده اند.

دانلود در این موجود می باشد

توربین بادی ژنراتورالقایی دوسو تغذیه dfig و ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم pmsg

شبیه سازی مقالات و پایان نامه مربوط به انواع مختلف توربین بادی شامل توربین بادی ژنراتورالقایی دوسو تغذیه  dfig و ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم PMSG

.

همین امروز با ما تماس بگیرید!

شماره تماس  (  Whatsapp&Telegram ): 09906118613

telegram: powerelectronic4u

Email:

 [e-mail]

Instagram:powerelectronic4u