ترجمه مقاله تبدیل توان بادی نوع DFIG با تنظیم توان شبکه

تبدیل توان بادی نوع DFIG با تنظیم توان شبکه برای مواقع کمبود باد

DFIG-Based Wind Power Conversion With Grid Power Leveling for Reduced Gusts

 

 چکیده- این مقاله یک راهبرد کنترلی جدید برای سیستم تبدیل انرژی بادی (WECS) نوع ژنراتور القایی دو سو تغذیه (DFIG) متصل به شبکه ارائه می‌کند. راهبردهای کنترلی برای مبدل‌های سمت شبکه و سمت روتور که در مدار روتور DFIG قرار گرفته‌اند به همراه مدل ریاضی پیکربندی به کار رفته برای WECS بیان می‌شوند. توپولوژی ارائه شده شامل یک سیستم ذخیره انرژی باتری (BESS) است تا نوسانات توان شبکه که ناشی از طبیعت متغیر و غیرقابل‌ پیش‌بینی باد است را کاهش دهد. تشریح جزئیات طراحی، یافتن اندازه و مدلسازی BESS برای تنظیم توان شبکه داده شده است. در کنار راهبرد معرفی شده "تنظیم توان شبکه"، به دیگر راهبردهای کنترلی موجود مثل استخراج بیشترین توان نقطه‌ای از توربین بادی و عملکرد با ضریب توان واحد DFIG نیز پرداخته شده است. تجزیه و تحلیلی برحب تسهیم توان اکتیو بین DFIG و شبکه انجام شده است که در آن توان ذخیره‌ای یا تخلیه‌شده توسط BESS بسته به انرژی بادی موجود در نظر گرفته شده است. سپس راهبرد ارائه شده در محیط سیمولینک MATLAB شبیه سازی شده و برای پیش‌بینی رفتار از این مدل توسعه یافته بهره گرفته شده است. در مقایسه با کارهای موجود در رابطه با هدایت سیستم‌های تبدیل انرژی بادی نوع DFIG با تغذیه شبکه، تلاش شده است تا این کار به عنوان یک کار جدید و یکتا معرفی شود.

 

عبارات کلیدی- سیستم ذخیره انرژی باتری (BESS)، ژنراتور القائی دو سو تغذیه (DFIG)، تنظیم توان شبکه، کنترل برداری، سیستم تبدیل انرژی بادی (WECS).

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

 

 

1. مقدمه

 

استفاده از منابع تجدیدپذیر برای تولید توان الکتریکی نسبت به دهه گذشته تغییر اساسی داشته است. مشکلات اقتصادی و بوم‌شناختی رو به رشد باعث شده است تا محققان روش‌های بهتر و جدیدتری برای تولید انرژی الکتریکی را کشف کنند. در این رقابت، سیستم‌های تبدیل انرژی بادی (WECS) نسبت به دیگر منابع تجدیدپذیر مثل انرژی خورشیدی که به دلیل هزینه بالای به ازای هر کیلووات ساعت توان الکتریکی تولیدی دچار عقب ماندگی است، طرفدار بیشتری دارد. در مجموع، مشارکت این سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر  با سیستم برق طی دو دهه اخیر با سرعت زیادی افزایش یافته است [1]. در بین تمام فناوری‌های موجود برای سیستم‌های تبدیل انرژی بادی، ژنراتور القائی دو سو تغذیه (DFIG) محبوبیت بیشتری دارد چون از مبدل‌هایی با توان کم استفاده می‌کند و به دلیل عملکرد سرعت متغیر توان توان مفیدی کسب می‌کند.

عملکرد سرعت متغیر ژنراتورهای الکتریکی در مقایسه با نوع سرعت ثابت (مثل استفاده از ژنراتورهای آسنکرون بدون واسط الکترونیک قدرت) بسیار به صرفه است [2]، [3]. توپولوژی‌های بسیار محبوب برای عملکرد سرعت متغیر عبارتند از ژنراتورهای آسنکرون معمولی با مبدل‌های با توان نامی، ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم (PMSG ها) با مبدل‌های توان نامی، و ژنراتورهای القائی دو سو تغذیه (DFIG) با مبدل‌های با توان نامی نسبی (توان نامی لغزشی).

در بین این‌ها، سیستم‌های تبدیل انرژی بادی (WECS) در ترکیب با DFIG محبوب‌ترین گزینه است که تقابل خوبی با طبیعت متغیر و سرعت‌ غیرقابل پیش‌بینی  باد دارد. سیستم‌های تبدیل انرژی بادی نوع DFIG دارای مزایایی چون راندمان خوب، مبدل با توان نامی کم، هزینه و نلفات کم، اجرای ساده اصلاح ضریب توان، عملکرد سرعت متغیر و قابلیت‌های کنترل چهار ربع توان اکتیو و راکتیو می‌باشند [4]، [5]. به علت عملکرد سرعت متغیر، در حالت WECS نوع DFIG، کل انرژی خروجی حدود 20%-30% بیشتر است، لذا ضریب بهره‌برداری ظرفیت افزایش و هزینه تولید هر کیلووات ساعت انرژی کاهش می‌یابد.

عموما سیم‌پیچ‌های استاتور DFIG مستقیما به شبکه وصل می‌شوند و سیم‌پیچ‌های روتور از طریق مبدل‌های منبع ولتاژ PWM دو طرفه  تغذیه می‌شوند تا توان خروجی روتور و استاتور که برای عملکرد سرعت متغیر وارد شبکه می‌شوند، کنترل شوند [6]، [7]. می‌توان جریان تزریقی روتور را به کمک مبدل‌های الکترونیکی کاملا کنترل‌شده، کنترل کرد تا عملکرد موثر در هر دو سرعت زیرسنکرون و فوق‌سنکرون تضمین شود [6]. کنترل تفکیک‌شده توان‌های اکتیو و راکتیو به کمک کنترل برداری قبلا به صورت کامل توسط محققان بحث شده است [8]، [9]. در یک DFIG، هر دوی روتور و استاتور قادر به تامین توان اکتیو هستند، اما جهت عبور این توان از مدار روتور بستگی به سرعت باد و بالطبع سرعت ژنراتور دارد. زیر سرعت سنکرون، عبور توان اکتیو از شبکه به سمت روتور و مبدل سمت روتور (RSC) به عنوان اینورتر منبع ولتاژ عمل می‌کند در حالی که مبدل سمت شبکه (GSC) به عنوان یک یکسوساز عمل می‌کند اما در بالای سرعت سنکرون، RSC به عنوان یکسوساز و GSC به عنوان اینورتر عمل می‌کند. مبدل، تنها حدود 25% توان نامی ماشین را تامین می‌کند در حالی که رِنج تغییرات سرعت 33%± سرعت سنکرون است [6]. یک راهبرد کنترلی موثر راهبردی است که به دینامیک یک توربین بادی سرعت متغیر نوع DFIG و عملکرد مبدل‌ها تحت هر دو حالت عملکرد زیرسنکرون و فوق‌سنکرون و در طی دوره گذرای این دو حالت بپردازد. 

با اینکه  اثبات شده است که DFIG یک راهکار مناسب برای عملکرد عالی سیستم‌های تبدیل انرژی بادی است، اما به علت طبیعت متغیر باد و غیرقابل پیش‌بینی بودن سرعت آن، مساله اتصال شبکه هنوز یک مساله جدی به شمار می‌آید. به همین خاطر توان خروجی به شدت نوسان دارد (نوسانات 100% ± برای حالت روزانه و نوسانات با دامنه کمتر به صورت ساعت/دقیقه/ثانیه در شکل2 و جدول I نشان داده شده است). اتصال یک باتری یا هر دستگاه ذخیره کننده انرژی دیگری در لینک dc باعث ذخیره موقت انرژی شده و لذا توانایی تولید توان اکتیو ثابت فراهم می‌شود، که هم قطعی است و هم مقاوم در برابر نوسانات سرعت باد [9]. این توپولوژی در این مقاله بررسی شده و یک راهبرد کنترلی نوین ارائه می‌شود تا "تنظیم توان"  در سمت شبکه تضمین شود. انتخاب سیستم ذخیره انرژی برای سیستم‌های تبدیل انرژی بادی توان بالاتر جای بحث دارد، اما یک مطالعه عمیق روی تحهیزات ذخیره انرژی مقیاس بزرگ در [10]-[12] ارائه شده است. سیستم‌های باتری برای سیستم‌هایی با مقادیر نامی بالا مثلا 10 MW به کار می‌روند [13]. پیکربندی به کار رفته در این کار برای سیستم‌های تبدیل انرژی بادی (DFIG با مبدل‌های سری و یک سیستم باتری برای ذخیره انرژی (BESS) در لینک dc) در شکل1 نشان داده شده است.

در این مقاله، با کمک مبدل منبع ولتاژ PWM پشت به پشت با یک BESS در لینک dc، یک مدل ریاضی برای یک DFIG متصل به شبکه توسعه یافته است. علاوه بر این، با در نظر گرفتن داده‌های زمان واقعی، جزئیات طراحی جهت انتخاب مقدار نامی BESS نیز تشریح شده است. راهبرد کنترلی ارائه شده برای "تنظیم توان شبکه" در یک سیستم مبتنی بر شار استاتور پیاده‌سازی شده است، و نیز مسائل هدایتی دیگر که عملکرد رضایت‌بخش DFIG را فراهم سازند در نظر گرفته شده‌اند، برای مثال عملکرد ضریب توان واحد ماشین، انتقال بهینه توان اکتیو و راکتیو، و تعقیب بیشینه نقطه توان توربین بادی.

 

2. پیکربندی پیشنهادی و قوانین عملکردی

 

شکل1 نشان دهنده طرح کلی DFIG با مبدل‌های سمت روتور و سمت شبکه (RSC و GSC)، یک BESS در لینک dc و یک ترانسفورماتور و یک چُک (اختیاری) در مدار روتور است. BESS واقع در لینک dc با مدار معادل آن نشان داده است [14]، [15]. در همین مراجع، پیکربندی دیگری گزارش شده است که در مدار روتور فاقد ترانسفورماتور است (که این ترانسفورماتور نماینده نسبت دورهای استاتور- روتور DFIG است). با این حال، وقتی ترانسفورماتور متصل شود، چُک به کار رفته برای صاف کردن جریان‌های GSC را می‌توان حذف کرد، چون راکتانس‌های پراکندگی ترانسفورماتور بدین منظور بسنده می‌کنند. راکتانس‌های سیم‌پیچی روتور برای صاف کردن جریان‌های RSC به کار می‌روند. این توپولوژی کنترل کامل توان‌های اکتیو و راکتیو سیستمی با مبدل‌هایی در سمت روتور و شبکه را در حدود 33% (نزدیک یک سوم) سرعت نامی عملی می‌کند [6]. لذا، مبدل‌های به کار رفته برای این توپولوژی تنها توان لغزشی را پردازش می‌کنند که این توان معادل 25% تا 35% کل توان نامی ماشین است.

 

 

 

شکل1. سیستم تبدیل انرژی بادی نوع DFIG با BESS (معادل تونن) در لینک dc برای تنظیم (تسطیح) توان شبکه

 

قوانین عملکردی این توپولوژی برای تنظیم توان شبکه این است که با مشارکت یک باتری در لینک dc، همواره یک توان ثابت به شبکه تزریق می‌شود. توان متوسط داده شده برای یک مکان مشخص (جائی که توربین بادی نصب شده است) از سرعت‌های بادی موجود محاسبه می‌شود و این توان متوسط محاسبه شده وارد شبکه می‌شود تا نوسانات توان شبکه را کاهش دهد. برای سرعت بادهای بیشتر (و ماشینی که در سرعت زیرسنکرون کار می‌کند)، توان خروجی WECS در مقایسه با توان متسوط بیشتر است و لذا توان مازاد در باتری ذخیره می‌شود. برعکس، در سرعت‌های پایین باد (و ماشینی که در سرعت زیرسنکرون کار می‌کند) توان از باتری کسب می‌شود تا توان متوسط تزریقی به شبکه حفظ شود. لذا تضمین می‌شود که توان تزریقی به شبکه همواره "تنظیم شده" است که منجر به یک منبع توان کارا و قابل اعتماد برای شبکه می‌شود.

 

3. مسائل مربوط به طراحی پیکربندی WECS ارائه شده

 

از آنجا که انرژی بادی یک منبع غیرقابل اطمینان و غیرقابل پیش‌بینی انرژی است، در طراحی پیکربندی یک WECS به کمک DFIG و یک BESS، شرایط سفت و سختی را باید در طراحی اعمال کرد. انتخاب مقادیر نامی مناسب برای باتری بسیار مهم است چون هرگونه اشتباه منجر به عملکرد نادرست سیستم خواهد شد. مسائل اصلی در طراحی توربین بادی و BESS بصورت ذیل بیان می‌شود.

 

1. طراحی توربین بادی

 

توان خروجی توربین و سرعت باد دارای رابطه غیرخطی هستند. توان خروجی توربین توسط رابطه زیر بیان می‌شود [16]:

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

 

در این رابطه C_p ضریب توان، ρ چگالی هوا، A ناحیه جارو شده توسط پره‌های روتور، υ سرعت باد، λ نسبت سرعت نوک پره، و β زاویه گام است.

ضریب توان به عنوان توان خروجی توربین بادی به توان موجود در رژیم بادی تعریف می‌شود. این ضریب تعیین کننده بیشترین توانی است که توربین بادی می‌تواند از توان بادی موجود در یک سرعت داده شده جذب کند. ضریب توان تابعی از نسبت سرعت نوک (λ) و زاویه گام پره (β) است. زاویه گام پره را می‌توان به کمک یک کنترلر گام کنترل کرد و نسبت سرعت نوک (TSR) بصورت زیر بیان می‌شود

 

 

 

که در این رابطه ω سرعت گردشی ژنراتور و R شعاع پره‌های روتور است.

لذا، TSR را می‌توان با کنترل سرعت گردشی ژنراتور کنترل کرد. برای یک سرعت باد مشخص، تنها یک سرعت گردشی ژنراتور وجود دارد که بیشترین مقدار C_p را در یک β مشخص، بدست می‌دهد. این موضوع یک قانون کلی "در تعقیب نقطه توان بیشینه" (MPPT) است و طراحی توربین بادی باید با در نظر گرفتن این موضوع انجام گیرد.

 

2. طراحی BESS

همانطور که قبلا تشریح شد، برای عملکرد رضایت‌بخش پیکربندی WECS ارائه شده، طراحی یک مقدار نامی مشخص برای BESS بسیار ضروری است. مقدار نامی BESS توسط کل انرژی ذخیره در آن تعیین می‌شود و این انرژی برای دوره‌های زمانی ذخیره می‌شود که توان تولید شده توسط ماشین بیش از مقدار متوسطی باشد که باید به شبکه تزریق شود. در ابتدا، مقدار متوسط توان تحویلی به شبکه بر اساس سرعت‌های باد موجود محاسبه می‌شود. با دانستن مقدار این توان متوسطی که به شبکه تزریق می‌شود، مقدار نامی لازم برای باتری  (E₀) بصورت زیر محاسبه می‌شود

 

 

 

که P_mi توان مازاد بیش از مقدار متوسط توان تحویلی به شبکه در هر لحظه است (برای هر 5 دقیقه) و t_i دوره زمانی‌ای است که در آن توان مازاد (P_mi) تولید می‌شود. (P_mi برحسب kW و E_b برحسب kWh است) این داده‌ها مطابق شکل2 برای هر دوره 5 دقیقه‌ای برای بخش عملی در نظر گرفته می‌شوند.

در هر لحظه مقدار P_mi را می‌توان بدین صورت محاسبه کرد

 

 

 

که P_inst توان لحظه‌ای توربین بادی و P_avg توان اکتیو متوسط تحویلی به شبکه است.

 

 

 

شکل2. مشخصات توان تولیدی (P_gen) و توان متوسط (P_avg) برای یک روز.

 

طراحی تانک باتری مبتنی بر توان اضافی تولید شده برای کل یک روز است تا نوسانات شبکه کمینه شود؛ بنابراین، داده‌های سرعت باد تنها برای یک روز جمع‌آوری می‌شود. داده‌های سرعت باد برای مکانی در باپتالا (آندرا پراده) واقع در هند برای روز 11 نوامبر 2009 گرد‌آوری می‌شود [17]. سرعت باد در ارتفاع 20 متری به کمک یک بادسنج اندازه‌گیری می‌شود. اما عموما توربین‌های بادی در ارتفاع بالایی نصب می‌شوند. بنابراین، داده‌های سرعت باد باید برحسب ارتفاع کلی توربین بادی نصب شده کالیبره شود، که بصورت زیر بیان می‌شود [18]

 

 

 

که υ سرعت جدید باد در ارتفاع h، υ_o سرعت قدیم باد در ارتفاع h_o و n ضریب زمین[1] است.

در این مقاله ضریب زمین (n) 0.13 برای کالیبراسیون سرعت باد انتخاب شده است. توان خروجی‌های WECS نوع DFIG برای سرعت‌های مختلف باد در جدول I بیان شده است. توان متوسط (P_avg) توسط توان تولیدی (P_gen) برای روز 11 نوامبر 2009 محاسبه می‌شود، و برای آن روز این مقدار توان برابر 750 kW بدست آمده است. متوسط‌گیری از توان می‌تواند برای یک ماه و یا کل سال انجام گیرد. رابطه‌ای بین P_gen، P_avg و زمان روز (هر 5 دقیقه) در شکل2 نشان داده شده است. این شکل دوره‌هایی را نشان می‌دهد که در آنها توان خروجی بیشتر از P_avg است. در طی این دوره‌ها، باتری باید توان اضافی را ذخیره کرده و در دوره‌هایی که سرعت باد کم است به منظور حفظ P_avg شبکه این توان مازاد را به شبکه تزریق کند. 

نتیجتا، یافتن اندازه باتری توسط رابطه (3) بدست می‌آید. در عملیات واقعی، این مقدار می‌تواند کمتر باشد چون BESS تخلیه نیز می‌شود، همانطور که از شکل2 هم آشکار است.

حداقل سطح ولتاژ بانک باتری توسط ولتاژ خط شبکه تعیین شده و بصورت زیر بدست می‌آید

 

 

که V_dc حداقل ولتاژ موردنیاز بانک باتری، (N₂/N₁) نسبت دور ترانسفورماتور، و V_line ولتاژ خط سمت شبکه است.

جدول I

توان تولیدی در سرعت‌های مختلف باد

 

 

بر اساس ولتاژ مورد نیاز لینک dc (V_dc)، تعداد کل باتری‌هایی که باید با هم سری شوند (N_series) بدین ترتیب محاسبه می‌شود

 

 

که V_b ولتاژ تنها یک باتری است.

تعداد باتری‌هایی که باید موازی شوند نیز بدین طریق محاسبه می شود (N_parallel)

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

 

که P_b ظرفیت یک باتری برحسب آمپرساعت (Ah) و MDOD حداکثر عمق دشارژ باتری است، یعنی باتری می‌تواند کلا تا یک سطح بیشینه‌ای دشارژ شود، که برای باتری‌های نیکل- کادمیوم برابر 80% است. لذا برای یک تجهیزات بادی خاص، باید طرح دقیق و تشریحی اجرا شود.

 

4. راهبرد کنترلی

 

مطابق شکل3، راهبرد کنترلی RSC و GSC شامل حلقه خارجی کنترل توان اکتیو و راکتیو و نیز حلقه داخلی کنترل جریان است. جزئیات کامل راهبرد استراتژی و معادلات ریاضی مربوطه در ذیل تشریح می‌شود.

ویژگی کنترل منحصربفرد DFIG این است که تنظیم همزمان و مجزایی را می‌توان برای متغیرهای اکتیو (سرعت، توان اکتیو، یا گشتاور) و متغیهرهای راکتیو (ولتاژ، توان راکتیو، یا ضریب توان) انجام داد. این کار با توسعه الگوریتم کنترلی در یک قاب مرجع گردش همزمان دو محور قابل دستیابی است، که در آن هر محور از عهده هم کنترل اکتیو و هم راکتیو بر می‌آید. وقتی توان روتور مجاز به شارش در دو جهت باشد، عمل کنترلی می‌تواند در یک محدوده وسیعی از سرعت روتور ، بالا و زیر سرعت سنکرون، تحقق یابد.

 

 

 

شکل3. دیاگرام طرحوار راهبرد کنترلی ارائه شده برای RSC و GSC مربوط به DFIG در یک سیستم تبدیل انرژی بادی همراه BESS.

 

1. کنترل GSC

 

ویژگی‌ شاخص این کار در اصلاح حلقه بیرونی توان اکتیو GSC نهفته است. توان شبکه روی یک مقدار ثابتی تنظیم می‌شود (که این مقدار توسط توان متوسط تعیین می‌شود که نحوه محاسبه آن قبلا بحث شده است) و این توان به عنوان توان اکتیو مرجع شناخته می‌شود. سپس این توان در هر لحه با توان واقعی شبکه مقایسه می‌شود و خطای بین آنها از طریق یک کنترلر تناسبی- انتگرالی (PI) پردازش می‌شود تا مولفه محور q جریان مرجع شبکه را تولید کند.

برای کنترل حلقه بیرونی توان راکتیو GSC، متغیر کنترلی می‌تواند توان راکتیو استاتور باشد. وقتی این توان کنترل می‌شود، آنگاه نقطه تنظیم توان راکتیو را می‌توان بسته به راهبرد تسهیم توان GSC، به شیوه‌های مختلف بدست آورد. طرح مطلوب برای تسهیم توان (بین استاتور DFIG و GSC) را می‌توان انتخاب کرد، به این شرط که کل توان راکتیو با نیاز شبکه تطابق (Q_total = Q_stator + Q_GSC) و در محدوده‌های عملکردی قرار داشته باشد.

مولفه‌های d و q جریان‌ مرجع‌های شبکه که قرار است وارد کنترلر PWM GSC شوند، از طریق مولفه‌های توان اکتیو و راکتیو مرجع قابل دستیابی هستند.

سیستمی که در این کار در نظر گرفته شده است دارای هم حلقه کنترل توان اکتیو و هم راکتیو است. حلقه توان اکتیو سیستم شامل تنظیم توان شبکه است تا "تنظیم توان شبکه" حاصل شود. در حالت عملکرد با ضریب توان واحد، توان راکتیو مرجع (Q_ref) را می‌توان برابر صفر قرار داد.

عبارت جریان مرجع شبکه در محور q را می‌توان بصورت ذیل بیان کرد

 

 

 

که در این رابطه K_pp و K_ip به ترتیب ثابت‌های تناسبی و انتگرالی رگولاتور توان شبکه هستند.

جریان مرجع محور d شبکه نیز با توجه به تسهیم توان راکتیو بین استاتور و GSC انتخاب می‌شود و برای عملکرد با ضریب توان واحد این جریان را می‌توان برابر صفر قرار داد.

این جریان‌های مرجع سپس با جریان‌های دریافتی از سمت شبکه مقایسه می‌شوند و سیگنال خطا (اختلاف) بدست آمده توسط یک کنترلر PI پردازش می‌شود تا ولتاژهای کنترلی برای سیگنال‌ ژنراتور PWM سمت شبکه تولید شود. عبارات ولتاژهای کنترلی در قاب d-q را می‌توان بدین ترتیب بیان کرد

 

 

 

که در این رابطه i_gd و i_gq مولفه‌های بدست آمده d-q جریان‌های شبکه بوده و K_pgsc و K_igsc به ترتیب ثابت‌های تناسبی و انتگرالی رگولاتور جریان سمت شبکه هستند.

این ولتاژهای کنترلی مطابق شکل3 برای سیگنال‌ ژنراتور PWM GSC به کار می‌روند.

 

 

 

 

2. کنترل RSC

 

RSC یک کنترلر اختصاصی برای ماشین استو لذا حلقه‌های بیرونی توان اکتیو و راکتیو به گونه‌ای انتخاب می‌شوند که بیشترین توان از باد استخراج شود و عملکرد ضریب توان واحد استاتور حفظ شود. نقطه تنظیم توان اکتیو را می‌توان از مقدار لحظه‌ای سرعت روتور بدست آورد و جریان رتور i_rq در قاب مرجع شار استاتور کنترل می‌شود تا توان اکتیو مطلوب مطابق با مشخصات بهینه گشتاور سرعت حاصل شود. نقطه تنظیم برای توان راکتیو را می‌توان از نقطه تنظیم توان اکتیو و یک ضریب توان مطلوب (که در این کار برابر واحد فرض شده است) محاسبه کرد. در قاب مرجع شار استاتور، جریان محور d روتور برای کنترل توان راکتیو مرجع مورد نیاز (Q_sref) به کار می‌رود. جریان مرجع روتور (به ترتیب مولفه‌های q و d) از نقاط تنظیم توان اکتیو و راکتیو مرجع بدین ترتیب بدست می‌آیند:

 

 

 

این مقادیر مرجع جریان‌های روتور با مقادیر اندازه‌گیری شده جریان‌های روتور مقایسه می‌شوند و سیگنال خطای بدست آمده توسط یک کنترلر PI پردازش می‌شود تا ولتاژهای کنترلی برای  ژنراتور PWM سمت روتور تولید شوند. عبارات برای ولتاژهای کنترلی در قاب d-q را می‌توان اینگونه بیان کرد:

 

 

 

که در این رابطه i_rd و i_rq مولفه‌های اندازه‌گیری شده d-q جریان‌های روتور بوده و K_prsc و K_irsc به ترتیب ثابت‌های تناسبی و انتگرالی رگولاتور جریان سمت روتور هستند. این ولتاژهای کنترلی مطابق شکل3 وارد ژنراتور PWM RSC می‌شوند.

 

5. مدلسازی ریاضی DFIG

 

یک مدل ریاضی ساده به تحلیل موثر رفتار یک سیستم پیچیده تحت شرایط عملکردی و راهبردهای کنترلی مختلف کمک خواهد کرد. برای یک DFIG، یک شیوه بسیار معمول استخراج مدل ریاضی برحسب کمیت‌های محورهای عمود برهم (محورهای dq) و در چهارچوبی (قاب) است که به طور همزمان با بردار شار استاتور گردش می‌کند. یک مدار معادل برای DFIG در قاب مرجع سنکرون [19] در شکل4 نمایش داده شده است.

 

 

شکل4. مدار معادل سنکرون یک DFIG [19].

روابط مربوط به این مدل بدین صورت‌اند:

 

 

 

جائی که  و  مزدوج مختلط بردارهای فضائی جران استاتور و جریان روتور هستند و اندوکتانس‌های استاتور و روتور به صورت ذیل تعریف می‌شوند

 

 

 

معادله گشتاور مختلط (!5) را می‌توان در مرجع d-q حل کرد که منجر می‌شود به

 

 

 

توان‌های اکتیو و راکتیو سمت استاتور به صورت زیر هستند:

 

 

 

با در نظر گرفتن اینکه

 

 

 

معادلات توان اکتیو و راکتیو بصورت ذیل اصلاح می‌شوند

 

 

 

لذا، دامنه جریان‌های استاتور تعیین کننده توان‌های اکتیو و راکتیو استاتور هستند و این جریان‌ها بستگی به جریان‌های روتور دارند. بنابراین، توان‌های اکتیو و راکتیو را می‌توان با کنترل مناسب جریان‌های روتور (i_qr و i_dr) در سیستم‌های تبدیل انرژی بادی کنترل کرد.

 

6. مدلسازی مبتنی بر MATLAB

 

مدلسازی مبتنی بر MATLAB برای پیکربندی سیستم تبدیل انرژی بادی نوع DFIG با BESS پیشنهاد شده، شامل یک سیستم مکانیکی (توربین بادی) و سیستم الکتریکی (DFIG با مبدل‌های منبع ولتاژ پشت به پشت) و نیز مدار معادل تونن BESS است.

 

1. مدلسازی توربین بادی

 

توان مکانیکی خروجی توربین بادی در معادله (1) بیان شده است و در آن معادله ضریب توان C_p­(λ,β) یک پارامتر بسیار مهم به شمار می‌آید. توان خروجی توربین بادی بستگی به ضریب توان داده شده دارد [20]

 

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

که λ نسبت سرعت نوک پره بوده و با رابطه (2) بیان می‌شود. بیشترین مقدار c_p (c_{p max} = 0.48) برای β = 0 و λ = 8.1 بدست می‌آید. این مقدار مشخص λ به عنوان مقدار نامی تعریف می‌شود (λ_nom). ضرایب به کار رفته در (20) در ضمیمه A بیان شده است. پارامترهای توربین در ضمیمه B بیان شده است. پارامترهای انتخاب شده توربین برای یک توربین بادی 1.5 MW ساخته شده توسط Suzlon India Ltd.(S82) می‌باشند [21].

 

2. طراحی و مدلسازی بانک باتری

 

رویه مشروح جهت انتخاب مقدار BESS پیشتر در بخش‌های قبلی بیان شد. مدلسازی MATLAB باتری به کمک معادل تونن آن در شکل1 نشان داده شده است. از آنجا که باتری یک واحد ذخیره انرژی است، انرژی آن برحسب kWh بیان می‌شود، که برای مدلسازی یک واحد باتری از یک خازن استفاده شده اس، خازن (C_b) را می‌توان بصورت زیر تعیین کرد

 

 

 

در این رابطه V_ocmin و V_ocmax کمترین و بیشترین ولتاژ مدار باز باتری تحت شرایط کاملا دشارژ و شارژ است. در مدل معادل تونن باتری، R_s مقاومت معادل (خارجی+ داخلی) ترکیب سری/ موازی یک باتری است، که معمولا مقدار کوچکی دارد. مدار موازی R_b و C_b به منظور توصیف انرژی ذخیره شده و ولتاژ در طی شارژ و یا دشارژ به کار می‌رود. R_b بصورت موازی با C_b بیانگر خود-دشارژ باتری است. از آنجا که جریان خود-دشارژ باتری کوچک است، مقاومت R_b بزرگ است. جزئیات طراحی BESS به کار رفته در این کار در ضمیمه C آورده شده است.

 

3. مدلسازی سیستم الکتریکی

 

مدلسازی سیستم الکتریکی به کمک جعبه ابزار سیستم قدرت سیمولینک MATLAB انجام می‌شود. پارامترهای DFIG به کار رفته در ملد در ضمیمه D بیان شده است. راهبرد کنترلی ارائه شده روی RSC و GSC پیاده‌سازی شده است. مدل توسعه یافته برای راهبرد کنترلی ارائه شده تست شده است تا "تنظیم توان شبکه" تحت سرعت‌های عملکردی مختلف ژنراتور بدست آید که نتایج این تست در بخش بعدی بیان شده‌ است.

 

7. نتایج و بحث

 

مدل سیستم تبدیل انرژی بادی با BESS شکل3 در محیط سیمولینک MATLAB توسعه یافته است و که این موضوع در بخش VI تشریح شد و نتایج این کار برای اثبات رفتار این مدل در سرعت‌های مختلف باد ارائه شده است.

شکل‌های5، 6 و 7 عملکرد پیکربندی ارائه شده برای سیستم تبدیل انرژی بادی نو DFIG را به ترتیب در سرعت سنکرون، سرعت فوق‌سنکرون، و طی حالت گذرا یعنی در سرعت زیرسنکرون را نشان می‌دهند. شکل‌موج‌ها برای ولتاژ استاتور (V_abc)، جریان شبکه (I_grid)، جریان مبدل سمت شبکه (I_GSC)، جریان مبدل سمت روتور (I_RSC)، جریان استاتور (I_ST)، سرعت روتور (ω_r)، ولتاژ لینک dc (V_dc)، توان راکتیو (Q)، توان شبکه (P)، و توان باتری (P_bat) برای سرعت‌های مختلف باد ارائه شده است. قرارداد برای توان باتری به این صورت است که اگر باتری هر توانی را به شبکه تحویل دهد (دشارژ شود) این توان منفی است و اگر توان در باتری ذخیره شود مثبت است.

در همه این سه مورد، مقدار توان شبکه توسط راهبرد کنترلی اصلاح شده توان شبکه روی مقدار ثابت 0.75 MW حفظ شده است. با این حال، این کار با شارژ یا دشارژ باتری در ناحیه متناظر عملکرد صورت می‌گیرد. توان راکتیو روی یک مقدار پایدار صفر حفظ می‌شود، که نشان می‌دهد عملکرد به صورت ضریب توان واحد است. تجزیه و تحلیل در سرعت‌های مختلف باد انجام شده است و توان شبکه روی یک مقدار مرجع نگه داشته می‌شود. این مقدار مرجع توان شبکه را می‌توان برابر توان متوسط نامین شده توسط توربین بادی انتخاب کرد تا توان ثابتی را به شبکه و در طی کل دوره عملکرد تزریق کند. لذا، توان مرجع شبکه با محاسبه برابر 0.75 MW انتخاب شده است و مطابق شکل‌های 5-7 نتایج رضایت‌بخشی حاصل شده است.

روی نتایج بدست آمده اینگونه می‌توان بحث کرد که با اینکه سرعت باد در یک دوره زمانی از یک مقدار کم تا یک مقدار زیاد تغییر می‌کند، توان تحویلی به شبکه و در نتیجه کل انرژی تحویلی به آن، بدون توجه به این تغییرات سرعت باد در یک مقدار ثابتی باقی می‌ماند. لذا، راهبرد کنترلی اصلاح شده قادر تا کمبود توان شبکه ناشی از تغییرات سرعت باد را به یک روش موثری جبران کند.

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل5. عملکرد یک سیستم انرژی بادی نوع DFIG با یک BESS در سرعت زیرسنکرون (سرعت باد = 8 m/s، سرعت روتور = 0.9 p.u.)

 

 

 

شکل6. عملکرد یک سیستم انرژی بادی نوع DFIG با یک BESS در سرعت فوق‌سنکرون (سرعت باد = 12 m/s، سرعت روتور = 1.2 p.u.)

 

 

شکل6. عملکرد یک سیستم انرژی بادی نوع DFIG با یک BESS در سرعت سنکرون (سرعت باد = 10 m/s، سرعت روتور = 1 p.u.)

 

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

8. نتیجه‌گیری

 

پیکربندی یک سیستم تبدیل انرژی بادی با یک BESS واقع در لینک dc به همراه یک راهبرد کنترل جهت حفظ توان ثابت شبکه ارائه شده است. روش طراحی BESS با در نظر گرفتن اطلاعات عملی در نقطه نصب بیان شده است. عملکرد راهبرد کنترلی ارائه شده روی یک سیستم تبدیل انرژی بادی نوع DFIG با BESS تحت سرعت‌های مختلف باد نشان داده شده است. مشاهده شد که سیستم‌های تبدیل انرژی بادی نوع DFIG با BESS تحت سرعت‌های مختلف باد، عملکرد رضایت‌بخشی دارد. این مقاله همچنین به معایب عمده اتصال یک DFIG به شبکه، یعنی "کمبود توان شبکه" ناشی از تغییرات سرعت باد، پرداخته است. اگر توان شبکه در یک مقدار ثابتی حفظ نشود، آنگاه در طی دوران "مازاد تولید"، مصرف‌کنندگان باید با "تنظیم بار[2]" توان بیشتری را دریافت و به ازای آن بهایی را پرداخت کنند.

این اتفاق یک راهکار غیرسودمند است چون تامین کننده برق هم انرژی و هم پول از دست می‌دهد. پیکربندی و راهبرد کنترلی ارائه شده، نیاز به این امر را کاهش می‌دهد؛ به این ترتیب که یک توان ثابتی به شبکه تحویل می‌دهد و لذا بدون توجه به تغییرات سرعت باد، انرژی ثابتی به شبکه تزریق می‌شود. علاوه بر این، دیگر راهبردهای کنترلی مهم مثل تعقیب بیشینه نقطه توان (MPPT) و  عملکرد با ضریب توان واحد در ترمینال استاتور نیز بصورت رضایت‌بخشی مشاهده می‌شود. قرار دادن یک BESS در لینک dc سیستم تبدیل انرژی بادی نوع DFIG، باعث حفظ توان شبکه در یک مقدار ثابت شده و نیازی به استفاده از BESS با مقدار خیلی بزرگ ندارد.

 

---

[1] terrain

[2] Load-leveling