دختری از ایران

مرگا به من که با پر طاووس عالمی یک موی گربه ی وطنم را عوض کنم

 
ترجمه مقاله برق (توربین های نیروگاه بادی)
نویسنده : سعیده - ساعت ۱٠:۱٠ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٢/۸/٢۸
 

داداش مهدی بابت تأخیر دیروز ببخشید

حادثه خبر نیمیکوند دادا

دوباره من عصا به دس شدم :(

رو ادامه ی مطلب این زیر کلیک کنین صاف میبردتون به چیزی که من نوشتم :)


محدودیت های قابلیت راکتیو

ژنراتور های القایی تغذیه دوگانه

 

بهاراتسینگ و اس. ان. سینگ

دپارتمان مهندسی برق، انستیتو تکنولوژی هند، کانپور، U.P.، هند.

چکیده:

تولید توان راکتیو در نیروگاه های بادی به نحوی که مشابه سایر نیروگاه های برق مرسوم کارایی داشته باشند در کد های جدید شبکه برق چه در زمان وضعیت ثابت و چه طی شرایط خطا و خرابی دغدغه ی مهمی محسوب می شود. این مقاله با استفاده از منحنی های قابلیت عملکرد مطالبی راجع به قابلیت های توان راکتیو ژنراتور های القایی تغذیه دوگانه ارائه می دهد. ابتدا به سه مدل موقعیت ثابت ژنراتور های القایی تغذیه دگانه که بر اساس عوامل گفته شده از یکدیگر شناخته می شوند می پردازیم؛ (i) ولتاژ استاتور و روتور(V_S و V_R)، (ii)ولتاژ استاتور و جریان روتور(V_Sو I_R) و (iii) ولتاژ استاتور و جریان استاتور(V_S و I_S)؛ تا به کمک آن در مورد محدودیت هایی که به ترتیب با ولتاژ روتور، جریان روتور و جریان استاتور در تولید توان راکتیو ایجاد محدودیت می کنند نتیجه گیری نماییم. سپس، قابلیت توان راکتیو مبدل طرف شبکه را در نظر می گیریم و در نهایت منحنی کامل قابلیت ژنراتور های القایی دوگانه برای ولتاژ استاتور را از طریق بهینه سازی سرعت روتور با الگوریتم پیگیری حداکثر نقطه ی توان بدست می آوریم. ثابت شده است که محدودیت ولتاژ روتور در شیب های زیاد و محدودیت جریان روتور میزان کل تولید توان راکتیو را تحت تأثیر قرار داده و آن را محدود می کند و مصرف کل توان راکتیو نیز از طریق محدودیت جریان استاتور در تمامی محدوده ی عملکرد شیب بهینه محدود می شود. منحنی قابلیت واحد طراحی ژنراتورهای القایی دوگانه هم در این مقاله ارائه شده است.

1. مقدمه:

انرژی بادی که ظرفیت آن به عنوان یک منبع بالقوه تولید برق دارای حداقل اثرات منفی بر محیط زیست به اثبات رسیده است، رو به رشد ترین منبع تولید نیروی برق است. در پایان سال 2007 ظرفیت عملیاتی تأسیسات انرژی بادی در سراسر جهان بالغ بر 94112 مگاوات بوده است که در مقایسه با ظرفیت سال 2006 بیش از 20 گیگا وات افزایش داشته است [1]. به کمک پیشرفت های حاصل شده در طراحی آیرودینامیکی، توربین های بادی قادرند چندین مگاوات نیرو از باد بگیرند و وقتی سیستم های مبدل انرژی بادی(WECSs) در مجموع به شبکه اضافه شود، چنین مقادیر زیاد انرژی بادی می تواند نقش تکمیل کننده ی تقاضای پایه ی انرژی را ایفا نماید.

با در نظر گرفتن ضریب نفوذ زیاد و تکنولوژی پیشرفته شان، نیروگاه های بادی باید تقریبا جوابگوی تمامی نیازهای مشاهبهی که سایر نیروگاه های مرسوم برآورده می سازند باشند. بر اساس کد های شبکه ی جدید، نیروگاه های بادی نه تنها باید بتوانند توان اکتیو را تأمین کنند بلکه باید قادر باشند توان راکتیو را نیز برای/در شبکه تأمی و یا مصرف نمایند. این نیازها با توجه به ضریب قدرت به عنوانه تابعی از ولتاژ در نقطه پیوست مشترک (PCC) در شبکه اصلی تعریف می شوند. از این رو در مجموع مدیریت توان راکتیو در نیروگاه های بادی متصل به شبکه یک دغدغه ی اصلی به حساب می آید.

این مقاله در 24 آوریل 2008 تحویل داده شد و در تاریخ 15 سپتامبر 2008 پذیرفته شد.

آدرس جهت مکاتبه با بهارات سینگ: دپارتمان مهندسی برق، انستیتو تکنولوژی هند، کانپور، U.P.، 208016 هند؛ ایمیل: bsraj@iitk.ac.in

فهرست علائم و اختصارات

Cpopt                  ضریب قدرت با نرخ سرعت رأسی بهینه

Kopt                         ضریب تابع توربین بادی

LM                     القای مغناطیسی

Ls و LR                    به ترتیب، القای استاتور و روتور

LσS و LσR           به ترتیب، کسری القای استاتور و روتور

PE و QE             به ترتیب، توان اکتیو و راکتیو تأمین شده برای شبکه

PMopt                      توان در TSR بهینه

PRو QR             به ترتیب، توان اکتیو و راکتیو روتور

PSو QS             به ترتیب، توان اکتیو و راکتیو استاتور

QGSC                مبدل طرف شبکه ی توان راکتیو

R                      شعاع روتور

S                      شیب

V_S ، I_S، Ψ_S     به ترتیب، ولتاژ، جریان و شار اتصال فازور استاتور

V_R ، I_R، Ψ_R    به ترتیب، ولتاژ، جریان و شار اتصال فازور روتور

δ                      زاویه فاز بین ولتاژ استاتور و روتور

θ                      زاویه فاز بین ولتاژ استاتور و جریان روتور

λ optM              مقدار TSR بهینه

ρ AIR                 چگالی هوا

Φ                     زاویه فاز بین ولتاژ و جریان استاتور

ω M                        سرعت چرخش

ω Sو ω R           به ترتیب، فرکانس زاویه ای استاتور و روتور

استفاده از ژنراتور های تغذیه دوگانه (DFIG) در توربین های بادی بزرگ با سرعت متغیر متداول است. DFIG قادر است سرعت را دقیقا کنترل کند و با مبدل های نرخ پایین در حد 25% نیروی اسمی دستگاه نیز ضریب قدرت خوبی ارائه دهد. به علت مزایای زیادی مثل ارتقای کیفیت توان، بازدهی انرژی زیاد و قابل کنترل بودن، کاهش نرخ مبدل توان و غیره، استفاده از توربین های بادی با سرعت متعیر که از DFIG بهره می برند برای تولید برق از نیروی باد در سطح وسیع متداول شده اند.

برای تعیین قابلیت ماندگاری و اجرایی بودن DFIG ژنراتور های بادی در عمل، قابلیت های DFIG باید معیّن شود. اخیرا در بعضی تحقیقات، به منحنی های P-Q وضیعت ثابتِ DFIG توجه شده است [2-4]. تاپیا و همکاران [Tapia et al., 2] با فقط تحمیل کردن محدودیت جریان روتور در دماهای مختلفِ عملکرد، به یک سری منحنی P-Q دست یافته اند. منبع [3] نیز به طور مشابه، فقط با درنظر گرفتن محدودیت های جریان روتور منحنی های P-Q ی DFIG برای ولتاژ های مختلف پایانه ای ارائه داده است. لاند و همکاران [Lund et al.] نیز با تحمیل محدودیت های جریان روتور، جریان استاتور و ولتاژ روتور به منحنی های P-Q برای DFIG دست یافته اند اما هیچ کدام از این مؤلفین قابلیت مبدل طرف شبکه ی توان راکتیو (GSC) را در نظر نگرفته است. در نظر گرفتن قابلیت توان اکتیو  GSC، نرخ کاربرد و عملکرد DFIG را به طور عمده تغییر می دهد. پیترسون [5] با استفاده از سه مبدل، ساختار واحد جدیدی (UA) برای DFIG پیشنهاد داده است؛ استفاده از مبدل سوم، قابلیت راکتیو را بسیار تغییر داده است.

در این مقاله، با گسترش تحلیل مدل وضعیت ثابت عملکرد DFIG با یک شبکه ی برق و به کمک استفاده از منحنی های قابلیت عملکرد، قابلیت توان راکتیو یک DFIG مرسوم و یک DFIG یکی شده به دست آمده است. ابتدا سه مدل وضعیت ثابت DFIG بر اساس (i) ولتاژ استاتور و روتور(V_S و V_R)، (ii) ولتاژ استاتور و جریان روتور(V_Sو I_R) و (iii) ولتاژ استاتور و جریان استاتور(V_S و I_S) بررسی شده است تا در مورد محدودیت های تولید توان راکتیو ایجاد شده با به ترتیب، ولتاژ روتور، جریان روتور و جریان استاتور نتیجه گیری شود. سپس قابلیت توان راکتیو GSC مورد بررسی قرار گرفته و در نهایت، به کمک بهینه سازی سرعت روتور با استفاده از الگوریتم پیگیری نقطه ای حداکثر توان (MPPT) نمودار P-Q ی کامل یک DFIG به دست آمده است. تأثیر تغییرات ولتاژ استاتور روی منحنی های قابلیت نیز نشان داده شده است.

2. مدل ریاضی DFIG

DFIG، یک ژنراتور القایی روتور پیچ خورده دارای سیم پیچ سه فاز روی روتور و استاتور است. همان طور که در نگاره ی شماره 1 نشان داده شده است، استاتور مستقیما به شبکه اتصال دارد و توان روتور از طریق مبدل های توان الکتریکی فرکانس متغیر تغذیه می شود. سیستم مبدل نیروی برق از 2 پالس پشت به پشت تلفیق عرضی (PWM) مبدل های تغذیه شده با ولتاژ و دارای جریان تنظیم شده تشکیل شده است؛ یعنی روتور یا مبدل طرف دستگاه (MSC) و GSC که هریک به طور مستقل کنترل می شوند. از MSC برای مبدل فرکانس توان روتور به برق DC استفاده می شود و سپس به کمک GSC به سیستم ACبازتاب داده شده و برگردانده می شود که توان DC را در فرکانس سیستم به توان AC تبدیل می کند. ولتاژ القا شده توسط MSC در مدار روتور، کمیتی پیچیده است که دو متغیر شاهد را نشان می دهد. معمولا رویکردی که به استفاده عملی تر در شرایط واقعی گرایش بیشتری دارد برای کنترل کردن MSC به کار می رود که امکان کنترل مجزای توان اکتیو و راکتیو طرف استاتور را فراهم می کند.

معادله ی پایه ای وضعیت ثابت در فرکانس پایه، هارمونیک های بالاتر، برای DFIG در معادلات (1) تا (4) ارائه شده است [6]. از اتلاف انرژی در هسته و سیم پیچ ها و اتلاف انرژی در مبدل برای ساده سازی، چشم پوشی شده است.

معادلات ولتاژ:

(1)

(2)

معادلات شار:

(3)

(4)

که در آن LS=LσS+LM و LR=LσR+LM .

 

کنترل مبدل طرف روتور

کنترل مبدل طرف شبکه

نگاره 1: DFIG با PWM پشت به پشت مبدل منبع ولتاژ

 

نگاره 2: مدار معادل فازی شرایط ثابت در یک DFIG

با حذف اتصال شار به کمک معادلات (3) و (4) داریم:

(5)

(6)

مدار معادل مرتبط با معادلات (5) و (6) در نگاره ی 2 ترسیم شده است.

3.محدودیت های قابلیت توان راکتیو

عملکرد یک DFIG به کمک سه متغیر مشخص می شود؛ توان اکتیو تأمین شده برای شبکه، مقدار کل توان راکتیو تولید یا مصرف شده در شبکه و ولتاژ استاتور. در این بخش به بررسی محدودیت های عملیاتی DFIG از طریق روابط P-Q تحت ثابت ولتاژ استاتور می پردازیم. ولتاژ استاتور DFIG از طریق شبکه تعیین می شود و آن را ثابت و معادل 1 p.u. در نظر می گیریم. از این رو، قابلیت توان راکتیو DFIG و مبدل های توان از نظر عوامل درجه بندی شده ی زیر محدود می شوند: ولتاژ روتور، جریان روتور و جریان استاتور. شرح محدودیت های قابلیت توان راکتیو و عملکرد آن در ادامه خواهد آمد.

3.1. محدودیت ولتاژ روتور

علاوه بر نرخ ولتاژ روتور DFIG ، مبدل توان نیز از عواملی است که محدودیت ولتاز روتور را تعیین می کند. محدودیت ولتاز روتور برای تعیین رِنج سرعت روتور ضروری است زیرا ولتاژ روتور لازم برای تأمین نیاز های هر نیروگاه خاص، مستقیما با شیب مرتبط و متناسب است[4] . بنابراین عامل محدود کننده ی سرعت احتمالی روتور، ولتاژ احتمالی روتور می باشد.

محدودیت ولتاژ روتور با نتیجه گیری از توان اکتیو و راکتیو فقط بر پایه ی ولتاژ استاتور و روتور محاسبه می شود به این صورت که:

(7)

با حذف جریان استاتور از معادله ی (7) و استفاده از معادله ی (5)، عبارت زیر حاصل می شود:

(8)

δ را زاویه ی نیروی بین V_Sو V_Rدر نظر گرفته و با حل کردن عبارت برای IR و استفاده از معادلات (5) و (6) این عبارت به دست می آید:

(9)

که در آن ....

با حذف I_Rاز معادله ی (8) با استفاده از معادله ی (9) و تفکیک قسمت های واقعی و تصوری، عبارات مرتبط با توان اکتیو و راکتیو طرف استاتور فقط از نظر ولتاژ استاتور و روتور به دست خواهند آمد که عبارتند از:

(10)

و

(11)

به عبارت دیگر:

PS = توان اکتیو غیر همزمان + توان اکتیو همزمان

و

QS = توان راکتیو جذب شده با مدار کوتاه روتور + توان راکتیو همزمان

که در آن ......

و به طور مشابه توان اکتیو طرف روتور را هم می توان با حذف LR*از طریق معادله ی (9) بدست آورد، به این صورت که:

(12)

(13)

توان اکتیو کل (PE) تأمین شده از DFIG برای شبکه عبارتست از مجموع توان تأمین شده از استاتور برای شبکه (به عبارت دیگر PE) و تبادل توان با مبدل ها در شیب حلقه های روتور (به عبارت دیگر PR). توان راکتیو کل (QE) مبادله شده بین DFIG و شبکه معادل توان راکتیو در استاتور است، یعنی QS. در اینجا فرض را بر این گذاشته ایم که GSC فقط با شبکه، توان اکتیو تبادل می کند و معمولا به عنوان یک ضریب قدرت معادل یک عمل می کند (به عبارت دیگر QGSC=0). کمی بعد در بخش 6 نیز قابلیت توان راکتیو GSC بررسی خواهد شد. اکنون می توان PE و QE را به این صورت در نظر گرفت:

(14)

(15)

3.2. محدودیت جریان روتور

محدودیت جریان روتور از طریق نرخ جریان مدار روتور DFIG و نیز مبدل های قدرت تعیین می گردد.

به علت اتلاف توان از جریان روتور در سیم های مس، جریان روتور یک محدودیت گرمایی به عملکرد DFIG و مبدل قدرت تحمیل می نماید.

محدودیت جریان روتور از طریق نتیجه گیری از توان اکتیو و راکتیو و فقط با درنظر گرفتن ولتاژ استاتور و جریان روتور محاسبه می شود. با حذف LS* از معادله (7) و با استفاده از معادله (5) و تفکیک بخش های واقعی و تصوری خواهیم داشت:

(16)

(17)

که در آن θ، زاویه ی بین V_S و I_R می باشد.

به طور مشابه، برای طرف روتور، توان اکتیو را می توان از حذف V_Rاز معادله ی (12) و استفاده از معادلات (5) و (6) بدست آورد. بدین صورت که:

(18)

حالا PE و QE را می توان به این صورت در نظر گرفت:

(19)

(20)

3.3. محدودیت جریان استاتور

جریان روتور منجر به اتلاف توان در مس خواهد شد و مقادیر انرژی مرتبط با این اتلاف باید حذف شود تا افزایش دمای رسانای استاتور و محیط مجاور آن محدود شود. بنابراین محدودیت سوم، حداکثر جریان استاتوری است که رسانای استاتور می تواند بدون فراتر رفتن از محدودیت گرمایی تحمل نماید.

محدودیت جریان استاتور از طریق نتیجه گیری توان اکتیو و راکتیو و فقط با توجه به ولتاژ استاتور و جریان استاتور محاسبه می گجردد. با تفکیک بخش های واقعی و تصوری معادله ی (7) عبارت زیر حاصل می شود:

(21)

(22)

که در آن Φ زاویه ی بین V_S و I_S است.

به طور مشابه برای توان اکتیو طرف روتور معادله ی (12) را می توان به این صورت نوشت[7] :

(24)

(25)

4. بهینه سازی سرعت روتور

بیشتر ژنراتور ها (و ازجمله DFIG) ای که برای تولید قدرت از انرژی بادی استفاده می شوند دارای سرعت متغیر هستند که نسبت به ژنراتور های سرعت ثابت چندین مزیت دارند. قدرت تولید شده از طریق ژنراتور های سرعت متغیر به سرعت (یا شیب) توربین بستگی دارد. بنابراین برای تمام بازه ی عملیاتی منحنی های قابلیت به ازای سرعت ها (یا شیب ها)ی مفروض شکل خاصی به خود خواهد گرفت.

برای پیداغ کردن حداکثر قدرت تولید شده از توربین بادی از الگوریتم MPPT استفاده شده و به کمک آن سرعت بهینه ی روتور را بدست آوردیم. عملکرد سرعت متغیر DFIG با TSR  بهینه انرژی بیشتری تولید می کند. حتی ممکن است تولید سالانه ی قدرت را تا حدود 5 % افزایش دهد [7]. در منبع [8] ادعا شده است که در عمل، بسته به محل نیروگاه، در مقایسه با سیستم های سرعت ثابت مرسوم با 7/62 % افزایش روبرو بوده ایم. برای رسیدن به حداکثر توان، TSR باید برای همه ی سرعت های باد، در نقطه ی عملکرد بهینه نگه داشته شود.

بنابراین در این مقاله منحنی قابلیت DFIG با استفاده از الگوریتم MPPT و از طریق بهینه سازی سرعت روتور ایجاد شده است. نگاره ی 3 سرعت چرخش بهینه شده ی DFIG را به عنوان تابعی از قدرت نشان می دهد که از عبارت (7) محاسبه شده است. به این صورت که:

(26)

که در آن:

ρ AIR چگالی هوا

R شعاع روتور

CpOPT ضریب قدرت در TSR بهینه

λ OPTMمقدار TSR بهینه

ωMسرعت چرخش و

KWضریب وابسته ی توربین بادی می باشد.

پارامتر های DFIG در ضمیمه ی A ارائه شده است.

محور افقی: قدرت

محور عمودی: سرعت

نگاره 3: سرعت چرخش بهینه شده به عنوان تابعی از قدرت DFIG مفروض

 

محور افقی: توان اکتیو کل PE (p.u.)

محور عمودی: توان راکتیو استاتور QS (p.u.)

نگاره 4: منحنی های P-Q برای بزرگی ثابت ولتاژ روتور به ازای مقادیر مختلف شیب (Vs=1p.u. , VR=0.3 p.u.)

5. منحنی قابلیت DFIG

منحنی قابلیت DFIG نمایش تصویری محدودیت های عملکرد دستگاه در صفحه ی P-Q می باشد. مکان هندسی منحنی قابلیت از طریق حداقل مقادیر مطلق سه منحنی محدود کننده ی حاکم بر جریان استاتور، جریان روتور و ولتاژ روتور طی تمامی مدت زمان عملکرد در شیب بهینه به دست می آید.

همان طور که در نگاره ی 4 نشان داده شده است منحنی های P-Q برای محدودیت ولتاژ ثابت روتور در مدت زمان شیب بهینه با استفاده از معادلات (14) و (15) به ازای تغییرات زاویه ی δ محاسبه می شود. از مشاهده ی نگاره ی 4 می توان دریافت که تولید توان راکتیو در PEصفر، مشابه مقادیر معادل شیب های مثبت و منفی هستند. نقاط دماقه ی، حداکثر مقادیر قدرت خرجی کل DFIG را به ازای شیب مفروض نشان می دهند. علاوه بر اینها، در مقایسه با مقدار مشابه شیب مثبت، قدرت خروجی واقعی، بیش از شیب منفی است.

محور افقی: توان اکتیو کل PE (p.u.)

محور عمودی: توان راکتیو استاتور QS (p.u.)

نگاره 5: منحنی های P-Q برای بزرگی ثابت جریان روتور به ازای مقادیر مختلف شیب (VS=1p.u. , IR=1p.u.)

 

محور افقی: توان اکتیو کل PE (p.u.)

محور عمودی: توان راکتیو استاتور QS (p.u.)

نگاره 6: منحنی های P-Q برای بزرگی ثابت جریان ولتاژ استاتور به ازای مقادیر مختلف شیب (VS=1p.u. , IS=1p.u.)

همان طور که در نگاره ی 5 نشان داده شده است، منحنی های P-Q برای محدودیت جریان روتور در طی زمان شیب بهینه با استفاده از معادلات (19) و (20) به ازای تغییرات زاویه ی θ محاسبه می شود. از نگاره ی 5 می توان دریافت که خروجی کل قدرت واقعی DFIG با کاهش شیب، کاهش پیدا می کند.

نگاره 6، منحنی های P-Q برای محدودیت جریان ثابت استاتور طی زمان شیب بهینه را به کمک معادلات (24) و (25) به ازای تغییرات زاویه ی Φ نشان می دهد.

در نگاره ی 7 مشاهده می کنید که منحنی قابلیت DFIG از محاسبه ی حداقل مقدار مطلق منحنی های محدود کننده ی سه متغیر یعنی ولتاژ روتور، جریان روتور و جریان استاتور، به ازای تمامی محدوده ی عملکرد شیب بهینه بدست آمده است. نگاره ی 7 منحنی قابلیت DFIG را نشان می دهد که پارامتر های آن در ضمیمه ی A ارائه شده است. مشاهده می کنید که در هنگام تولید قدرت اندک، DFIG توان راکتیو را جذب می کند. جریان روتور تولید توان راکتیو در شیب های پایین تر را محدود می کند زیرا جذب توان راکتیو، با جریان استاتور محدود می شود.

در هر خروجی قدرت DFIG، همیشه حداکثر تولید توان راکتیو کمتر از حداکثر توان راکتیو جذب شده است. حداکثر خروجی واقعی قدرت را محدودیت های نیروی مکانیکی تحمیل شده، محدود می کند.

6. قابلیت توان راکتیو GSC

GSC می تواند بسته به نیاز، برای شبکه توان راکتیو تأمین کند. در زمان نوسانات ولتاژ یا در صورت ضعیف بودن شبکه، استاتور و GSC می توانند برای شبکه توان راکتیو تولید و یا آن را از شبکه جذب کنند. به کمک عبارت زیر می توان توان راکتیو GSC را محاسبه نمود:

(27)

که در آن VGSC و IGSC ولتاژ و جریان طرف AC برای GSC هستند.

محور افقی: توان اکتیو PE (p.u.)

محور عمودی: توان راکتیو استاتور QS (p.u.) در شیب

توضیحات روی منحنی ها از بالا به پایین:

محدودیت جریان روتور

محدودیت مکانیکی قدرت

محدودیت ولتاژ روتور

محدودیت جریان استاتور

نگاره 7: منحنی قابلیت DFIG، برای تمامی محدوده ی عملیاتی شیب بهینه

بازه ی سرعت نرخ مبدل را محدود می کند و بنابراین، این محدودیت روی قدرت شیب هم اثر می گذارد. در این تحقیق، بازه ی سرعت  را در نظر گرفتیم زیرا نرخ مبدل تقریبا 30% از نرخ DFIG استاتور است. وقتی VGSC=VS=1p.u. ، نرخ جریان مبدل یا همان IGSC، قابلیت توان راکتیو تأمین شده از طریق GSC را محدود می کند.

قابلیت توان راکتیو GSC ممکن است بسته به شرایط عملیاتی از مقادیر حداقل شیب مثبت تا حداکثر شیب منفی تغییر کند. وقتی S=SMAX، QGSC معادل 0p.u. خواهد بود و S=0 می شود و QSGCبه توان روتور (PR) بستگی دارد. اگر میزان توان روتور بزرگ باشد (به ازای مقادیر مطلق شیب ها)، قابلیت GSC برای تأمین توان راکتیو کمتر خواهد بود و بالعکس. به این ترتیب می توان توان راکتیو پشتیبان قابل ملاحظه ای از طریق GSCطی زمان مقادیر مطلق شیب برای شبکه تأمین نمود.

7. منحنی کامل P-Q

همان گونه که در نگاره 8 نشان داده شده است، منحنی کامل قابلیت از طریق افزودن توان راکتیو تولیدی GSC و توان راکتیو استاتور DFIG به ازای تمامی محدوده عملیاتی شیب بهینه بدست می آید و برای آن از معادلات (29) و (30) استفاده شده است به این صورت که:

(28)

(29)

محور افقی: توان اکتیو کل PE (p.u.)

محور عمودی: QE (p.u.), PS (p.u.), PR (p.u.)

اطلاعات روی منحنی ها از بالا به پایین:

توان استاتور

توان روتور

نگاره 8: منحنی قابلیت کامل DFIG با در نظر گرفتن قابلیت توان راکتیو GSC

از نگاره های 7 و 8 می توان موارد زیر را استنباط کرد:

  • میران کل تولید توان راکتیو از طریق محدودیت ولتاژ روتور به ازای شیب های بزرگ و مثبت (بیش از S=0.24) و در نتیجه با محدودیت جریان روتور، محدود می شود. مصرف کل توان راکتیو را نیز محدودیت جریان استاتور به ازای تمامی محدوده عملیاتی شیب بهینه، محدود می کند.
  • در مقادیر شیب بین 0.3 تا 0.24 تغییرات افراطی با شیب تند در منحنی قابلیت وجود دارد، از این رو، توصیه می شود در زمانی که مقادیر مثبتِ بالا وجود دارد، از استفاده در حول و حوش مقادیر محدودیت ولتاژ روتور اجتناب شود.
  • با در نظر گرفتن توان اکتیو GSC، محدودیت تولید توان راکتیو کل در محدوده ی عملیاتی کامل شیب بهینه همیشه مثبت باقی می ماند (فقط نگاره 8).
  • DFIG قادر نخواهد بود بدون پشتیبانی توان راکتیو GSC در شیب زیاد توان راکتیو تولید کند.
  • در هنگام تحقق کامل محدوده ی عملیاتی شیب بهینه توان روتور (PR) در حد قابل ملاحظه ای کوچک باقی خواهد ماند و بنابراین می توان از قابلیت توان راکتیو GSC استفاده نمود.

8. تأثیر تغییرات ولتاژ شبکه

ولتاژ پایانه ای DFIG ممکن است به علت شرایط کاربری تغییر کند بنابراین قابلیت تولید توان راکتیو نیز تغییر خواهد کرد. منحنی های قابلیت برای ولتاز های استاتور مختلف (...) در نگاره 9 نشان داده شده است. با افزایش ولتاژ استاتور، محدودیت های جریان روتور و استاتور افزایش می یابد و بالعکس. برخلاف مورد پیش گفته، محدودیت های ولتاژ روتور با افزایش ولتاژ استاتور کاهش می یابد و بالعکس. ولتاژ استاتور کمتر، منجر به محدودیت های ولتاژ روتور(یا قابلیت توان راکتیو) بیشتر خواهد شد چون سطح مغناطیسی دستگاه را کمتر می کند و از این طریق اتلاف های ناشی از مغناطیسی شدن کاهش پیدا می کند.

9. ساختار سری های جدید DFIG  GSC

ساختار DFIG های مرسوم (دارای 2 مبدل) که در آن GSC موازی با شبکه نصب می شود در پردازش توان بسیار موفق عمل می کند اما قادر نیست از پس یک ولتاژ sag، PCC بر آید [5,9]. استفاده از سری های مبدل طرف شبکه (SGSC) علاوه بر GSC که هردو از پایانه ی DC یکسانی به عنوان MSC استفاده می کنند و به صورت سری با سیم پیچ استاتور DFIG متصل هستند هم برای تزریق ولتاژ سری و زاویه ی فاز به شبکه امکان پذیر است. یعنی دقیقا مشابه کنترل کننده ی یکجای جریان قدرت (UPFC) که مزایای زیادی دارد و جبران های لازم را در حین شرایط غیر طبیعی به عهده می گرید. این پیکربندی که UA نامیده می شود در نگاره ی 10 به نمایش در آمده است.

محور افقی: توان اکتیو کل PE (p.u.)

محور عمودی: توان راکتیو استاتور QS (p.u.)

نگاره 9: منحنی قابلیت DFIG به ازای ولتاژ های مختلف استاتور

در حین شرایط طبیعی و غیر طبیعی GSC (که GSC[PGSC] موازی نامیده می شود) هم برای حالت زیر سطح همزمانی و هم برای حالت بالای سطح همزمانی عملکرد DFIG، قابلیت فراهم آوردن توان طبیعی و نرمال را تسهیل می کند. طی زمانهایی که شرایط کاربری عادی و طبیعی حکم فرماست، SGSC ولتاژ سری و زاویه پالس لازم برای جبران های ضروری جهت کاربری ایمن و پایدار را به سیستم تزریق می کند. SGSC  به نحوی برآورد شده است که به میزان مطلوب قابلیت توان راکتیو برسد و این ویژگی آن را قادر می سازد از پس بدترین شرایط ممکن به خوبی برآید. SGSC هم در شرایط عادی و هم در شرایط بحرانی می تواند توان راکتیو لازم برای تزریق به شبکه را تأمین نماید.

نگاره 10: UA

 

محور افقی: توان اکتیو کل PE (p.u.)

محور عمودی: توان راکتیو کل QE (p.u.)

نگاره 11: منحنی کامل قابلیت UA

استفاده از یک مبدل اضافی به کمک کنترل ها و ترانسفورمر ها منجر به افزایش قیمت و هزینه ی کل سیستم خواهد شد اما این کار در عین حال می تواند توانایی سیستم برای برآمدن از پس شرایطی چون ولتاژ های پایین (LVRT) را تسهیل کرده و توان راکتیو پشتیبان اضافی فراهم کند. هزینه ی مبدل به نرخ و درجه (rating) آن بستگی دارد؛ از این رو نرخ SGSC را باید از نظر کاربری اقتصادی، با هوشمندی انتخاب نمود. در این مقاله نرخ SGSC معادل 15% نرخ استاتور DFIG در نظر گرفته شده است.

در این بخش فقط عملکرد های ایستا مثلا تزریق یا جذب توان راکتیو به/از شبکه در شرایط عادی/غیرعادی، مورد بحث و بررسی قرار گرفته و عملکرد پویا و فعال که از طریق نقشه ی تزریق های سری قابل حصول است کاوش نشده است. برای پشتیبانی توان راکتیو، تزریق ولتاژ سری باید همراه با جریان ولتاژ استاتور در یک چهارم فاز باشد. به همین دلیل تزریق ولتاژ سری، تغییر عظیمی در ولتاژ پایانه ای استاتور ایجاد نخواهد کرد. ولتاژ پایانه ای استاتور همیشه، باید در کنار ولتاژ شبکه و ولتاژ سری تزریق شده اعمال شود. همان طور که در نگاره 11 نشان داده شده است، می توان منحنی قابلیت UA را از طریق افزودن توان راکتیو تأمین شده از SGSC بدست آورد. چنین فرض می شود که ولتاژ استاتور (VS) ثابت باقی خواهد ماند و مقداری برابر با 1p.u. دارد.   

10. نتیجه گیری

با توجه به روند افزایشی نصب توریبن های بادی بزرگ DFIG، و با در نظر گرفتن سیستمی که از کد شبکه برق جدیدی برخوردار است ژنراتور های انرژی بادی باید بتوانند تمامی نیازهای مشابهی را که از سایر نیروگاه های برق مرسوم انتظار می رود را برآورده نمایند. از این رو ضروری ست که محدودیت قابلیت توان راکتیو تحمیل شده توسط محدودیت های کاربردی دستگاه تعیین شود. محدودیت های اصلی کاربرد DFIG، ولتاژ روتور، جریان روتور و جریان استاتور می باشند.

مشاهده شده است که تولید کل توان راکتیو وابسته و محدود به محدودیت های ولتاژ روتور در شیب های زیاد و جریان روتور است. میزان کل مصرف توان راکتیو را نیز محدودیت جریان استاتور در تمامی محدوده ی کاربری شیب بهینه محدود می کند. علاوه بر اینها، در طی مدت زمان محدوده ی عملکرد شیب بهینه، توان روتور (PR) به طرز قابل ملاحظه ای اندک باقی می ماند. بنابراین می توان از قابلیت توان راکتیو GSC استفاده نمود. قابلیت توان راکتیو DFIG یکی شده دارای سه مبدل به طور کامل بررسی شده است. یافته ها حاکی از آن است که در طی زمان شرایط ثابت، می توان از مبدل برای تأمین قابلیت های لازم بهره جست.

قدردانی

از حمایت مالی فراهم آمده از طریق CPRI (شماره پروژه   CPRI/EE/20070101 )، بنگلور، هند، بی نهایت سپاسگزاریم.

منابع و ارجاعات

1 تا 10

ضمیمه A

پارامتر های شبیه سازی DFIG

نیروی درجه بندی شده         1.5 MW

ولتاژ استاتور                    575 V

Rs                                           0.0071 p.u.

Rr                                            0.005 p.u. (ارجاع به استاتور)

Ls                                            0.171 p.u.

Lr                                            0.156 p.u. (ارجاع به استاتور)

Lm                                2.9 p.u.

تعداد جفت ستون ها                        3

ثابت اینترسی                    5.04