ترجمه مقاله مبدل انرژی بادی مستقل مبتنی بر ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم

مدلسازی و تست یک مبدل انرژی بادی مستقل مبتنی بر ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم

Modeling and Test of a PM Synchronous Generator Based Small Stand Alone Wind Energy Converter

 

چکیده- این مقاله به مطالعه رفتار مبدل‌های انرژی بادی خودکفای (WEC) مبتنی بر ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم (PMSG) می‌پردازد. ابتدا، زنجیره WEC توصیف می‌شود و مدل هر جزء مجموعۀ مبدل مطالعه می‌شود. در گام اول، به موضوع اثر اشباع بر روی مدل PMSG توجه خاصی شده است. سپس از مدل بدست آمده، برای تحلیل رفتار دینامیکی این WEC در حضور پروفیل مرسوم محل باد و یک بار الکتریکی متغیر استفاده می‌شود. نتایج حاصل به نویسندگان کمک می‌کند تا عملکردهای WEC و نیز تاثیر اشباع ژنراتور بر روی مبدل توان را تحلیل کنند.

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

1. مقدمه

منابع تامین توان الکتریکی محل‌های دوردست (ایزوله) یکی از مشکلات عمده مهندسی برق است. این منابع تاسیسات مستقل مقیاس کوچک با توانی کمتر از 10 کیلووات هستند. تاکنون از منابع مختلفی چون تابلو‌های خورشیدی، ژنراتورهای نفتی یا دیزلی و ژنراتورهای بادی استفاده شده است. انرژی بادی به مدت طولانی به کار رفته است اما به موجب نگران‌های زیست محیطی در سال‌های اخیر، تولید انرژی تجدیدپذیر رشد داشته است.

اخیرا، در صنعت انرژی بادی، علاقه به سمت ساخت ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم با کوپل مستقیم (PMSG) با مقادیر نامی بالا گسترش یافته است. بدون جعبه دنده، یک ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم درایو شده با باد، می‌تواند مزایای آشکاری داشته باشد، مثل راندمان و قابلیت اطمینان بالا و وزن کم [1].

با استفاده از مغناطیس‌های دائم (PM)، دیگر به تحریک خارجی DC که برای مغناطیس‌کنندگی ژنراتور سنکرون روتور سیم‌پیچی در نیروگاه بادی مستقل به کار می‌رود، نیازی نیست. وقتی ماشین به صورت مستقیم کوپل شود، برای بدست آوردن مقادیر منطقی ولتاژ و فرکانس خروجی، به تعداد زیادی جفت قطب نیاز است. در نتیجه، قطرهای روتور و استاتور باید بزرگ باشند.

بنابراین، هدف این مقاله این است که رفتار دینامیکی مبدل انرژی بادی خودکفای مبتنی بر مغناطیس دائم اشباع شده را شبیه‌سازی کند [2]، [3]. توربین بادی به صورت مستقیم به PMSG کوپل می‌شود. همچنین، WEC به شبکه متصل نمی‌شود. شکل1 دیاگرام مبدل انرژی بادی را نشان می‌دهد که در آن می‌توان به اجزای مختلف از سرعت باد گرفته تا بار الکتریکی پی برد.

 

شکل1. دیاگرام مختصر مبدل تبدیل انرژی (WEC)

مبدل انرژی بادی بین دو پارامتر نوسانی (با تغییر تصادفی) یعنی سرعت باد و بار الکتریکی قرار گرفته است. نوسانات این دو کمیت می‌تواند اثرات غیرمطلوبی روی رفتار اجزای WEC ایجاد کند. علاوه بر این، به منظور مطالعه رفتار دینامیکی این عناصر در برابر تغییرات پارامترهای نوسانی، نیاز به یک مدل صحیح از هر کدام از اجزا است. بنابراین، سرعت باد از طریق یک روش اصلی مبتنی بر چگالی طیف ون در هوون[1] [4] مدل می‌شود و گشتاور توربین بادی نیز با یک تقریب چندجمله‌ای مدلسازی می‌شود. علاوه بر این، مدل ارائه شده در این مقاله برای ماشین سنکرون شامل اشباع مغناطیسی است تا به طور صحیح پارامترهای ماشین پیش‌بینی شود [5]- [7].

سپس بار الکتریکی از طریق یک یکسوساز با پیروی از یک مرحله فیلتر و یک اینورتر به فازهای استاتور PMSG متصل می‌شود [3]، [8]، [9]. در نهایت، مدل نهائی حاصل از اتصال اجزای مختلف یک ابزار شبیه‌سازی قدرتمندی را بدست می‌دهد که به توصیف تبدیل توان این نوع WEC کمک می‌کند.

2. مدلسازی اجزاء WEC

الف. مدلسازی سرعت باد بر اساس مشخصه طیف باد ون در هوون

مدل سرعت باد مبتنی است بر یک نمونه‌برداری چگالی طیف ون در هوون (شکل2) و عبارت سرعت باد به صورت ذیل خواهد بود [4]:

 

که در این رابطه N­_l و (N-N_l) به ترتیب تعداد نمونه‌های مولفه کُند (اولین عبارت در رابطه (1)) و مولفه آشفتگی (عبارت دوم رابطه  (1)) هستند، A_i و φ_i به ترتیب دامنه و فاز هر نمونه است.

شکل3 مثالی از سرعت نوسانی باد که حول 5/9 متر بر ثانیه مولفه کُند شبیه‌سازی شده است را نشان می‌دهد.

 

شکل2. چگالی طیف باد روش ون در هوون

 

شکل3. سرعت باد شبیه‌سازی‌شده (9 متر بر ثانیه)

 

 

ب. مدلسازی گشتاور توربین بادی

گشتاور توربین بادی را می‌توان با دو روش مدل کرد: تقریب چندجمله‌ای و روش عناصر گام پره [9].

در صورتی که زاویه گام پره ثابت باشد، گشتاور توربین باد با رابطه‌ ذیل با سرعت باد مرتبط می‌شود که در این رابطه C_Г با یک تقریب چندجمله‌ای مدل می‌شود:

 

که در این رابطه ρ چگالی هوا، Ω سرعت چرخشی شفت و λ نسبت سرعت نوک است.

شکل4 و شکل5 به ترتیب ضریب گشتاور بدست آمده از رگراسیون چندجمله‌ای درجه 6 و گشتاور ثابت توربین باد شبیه‌سازی شده را نشان می‌دهند.

 

شکل4. ضریب گشتاور توربین باد بدست آمده با رگرسیون چندجمله‌ای درجه 6.

 

شکل5. گشتاور شبیه‌سازی‌شده توربین بادی با گام ثابت پره در برابر سرعت چرخشی شفت

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

ج. مدلسازی PMSG

ژنراتور PMSG با در نظر گرفتن سینوسی بودن نیروی محرکه PM (EMF) فاز استاتور مدل می‌شود. بنابراین، ولتاژ فازهای استاتور را می‌توان به شکل ماتریس برداری ذیل نمایش داد [4]:

 

[v_g] بردار ولتاژهای استاتور، [i_g] بردار جریان‌های استاتور، [e_g] بردار EMG مغناطیس دائم، [r_g] ماتریس مقاومت‌های استاتور و [l_g] ماتریس اندوکتانس‌های استاتور است.

گشتاور الکترومغناطیسی با رابطه زیر بیان می‌شود:

 

که در این رابطه [Φ_A] بردار شارهای PM فازهای استاتور، p تعداد جفت قطب‌ها و θ موقیعت زاویه‌ای روتور نسبت به محور فاز(a)  استاتور است.

برای معادلات قبلی باید معادله مکانیکی شفت ژنراتور را نیز افزود:

 

که J اینرسی کلی (توربین بادی و ژنراتور) و f اصطکاک است.

به منظور در نظر گرفتن اشباع مغناطیسی ژنراتور، نیاز به مدل پارک PMSG است [5]- [7]. بنابراین، با اعمال تبدیل پارک، معادله (3) را می‌توان در قاب مرجع روتور به صورت ذیل بیان کرد:

 

و گشتاور الکترومغناطیسی به صورت زیر بیان می‌شود:

 

v_d و i_d  به ترتیب ولتاژ و جریان محور d، v_q و i_q به ترتیب ولتاژ و جریان محور q و R_s مقاومت فاز استاتور هستند.

با استفاده از مدل تبدیل پارک، اولین گام این است که پراکندگی شار مغناطیسی برحسب جریان مغناطیس‌کننده نوشته شود [7]. در این مقاله، تنها اشباع مغناطیسی محور d در نظر گرفته می‌شود.

رابطه بین پراکندگی شار مغناطیسی و جریان مغناطیس‌کننده برای هر دو شرایط غیراشباع و به شدت اشباع‌شده، به صورت خطی است، هرچند شیب‌ها و محل تقاطع‌های دو ناحیه با هم متفاوت است. بنابراین شیب این مشخصه ابتدا ثابت است، تحت یک حالت گذرا قرار می‌گیرد و در نهایت به یک مقدار ثابت باز می‌گردد.

شکل6 تغییرات پراکندگی شار مغناطیسی را در برابر جریان مغناطیس‌کنندگی و برای هر دو مدل خطی و اشباع شده نشان می‌دهد.

• ناحیه A = P₀ تا P₁
• ناحیه B = P₁ تا P₂
• ناحیه C = از P₂

که P₀(0, 0)، P₁(i_d1, Φ_d1) ، P₂(i_d2, Φ_d2).

A و C به ترتیب متناظر با دو ناحیه خطی مشخصه اشباع بوده و B متناظر با ناحیه گذراست.

 

شکل6. تغییرات پراکندگی شار مغناطیسی در برابر جریان مغناطیس‌کننده PMSG برای مدل خطی و مدل اشباع‌شده.

 

برای مدلسازی این پدیده، مدل‌های پیشنهادی در نوشتجات درونیابی‌هایی مبتنی بر اندازه‌گیری‌های تجربی مشخصه اشباع PMSG هستند. بنابراین، هدف این مقاله این است که با در نظر گرفتن اشباع مغناطیس، رفتار زنجیره تبدیل را ملاحظه کند.

بنابراین، نویسندگان یک مدل اشباع دقیقی بنا نمی‌کنند بلکه یک مدل ساده تحلیلی را ارائه می‌دهند که مشخصات اصلی این پدیده را بازنمائی نمی‌کند.

مشخصه اشباع مغناطیسی توسط دو روش اجزا محدود دو بُعدی (2D FEM) محاسبه می‌شود. شکل7 و شکل8 به ترتیب مش تولید شده برای تحلیل اجزا محدود PMSG و توزیع شار PMSG بدون بار را نشان می‌دهند.

شکل9 شار فاز استاتور را در برابر جریان فاز استاتور نشان می‌دهد که از روش 2D FEM بدست می‌آید.

 

شکل7. مش تولید شده برای تحلیل اجزا محدود PMSG.

 

شکل8. توزیع‌های شار PMSG بدون بار.

 

 

شکل9. تغییر پراکندگی شار فاز استاتور در برابر جریان فاز استاتور

 

با این مشخصات، پراکندگی شار مغناطیسی محور مستقیم (Φ_d) نسبت به جریان محور مستقیم (d) به صورت ذیل بیان می‌شود:

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

α_d و β_d دو ضریبی هستند که با اندازه‌گیری‌های تجربی قابل تنظیم‌اند، Φ_M دامنه پراکندگی شار PM بوده و Ld اندوکتانس محور مستقیم است.

د. مدلسازی یکسوساز دیودی

یکسوسازی مطالعه شده در این مقاله یک یکسوساز دیودی سه فاز است. ولتاژ یکسوساز v_R و جریان یکسوساز i_R توسط بردار جابجائی[2] (کموتاسیون) به ولتاژهای فاز و جریان‌های فاز مرتبط می‌شوند [3]:

 

که T ترانهاده بردار را نشان می‌دهد، و α_r، β_r و λ_r ضرایب متناسب با وضعیت ولتاژهای فاز استاتور هستند.

ولتاژ و جریان یکسوساز به صورت ذیل بیان می‌شوند:

 

3. مجموعه معادلات دیفرانسیل هدایت‌کننده مبدل انرژی بادی

قصد این بخش ایجاد یک مجموعه معادلات دیفرانسیلی هدایت‌کننده مبدل انرژی بادی از طریق اتصال مدل‌های اجزاء مختلف WEC است. به این منظور، باید رابطه دیگری بین برخی متغیرهای حالت مدل WEC شکل گیرد تا مجموعه معادلات دیفرانسیلی تکمیل شود.

برای ایجاد یک پیوند بین کمیت‌های ژنراتور و بار الکتریکی، ما از جریان یکسوشده، سرعت چرخشی شفت و موقعیت زاویه‌ای به عنوان متغیرهای حالت استفاده کرده‌ایم. بنابراین، در ترکیب مدل PMSG با مدل‌های یکسوساز دیودی و بار الکتریکی، مجموعه معادلات دیفرانسیلی هدایت کننده WEC منجمله اشباع مغناطیسی PMSG به صورت ذیل بیان می‌شود:

 

[S_R] بردار جابجائی بین PMSG و یکسوساز بوده و [P] ماتریس تبدیل پارک است.

4. نتایج شبیه‌سازی و بحث

با ترسیم مشخصات گشتاور توربین بادی و گشتاور الکترومغطنایسی PMSG، در برابر سرعت چرخشی شفت (شکل9)، جریان یکسوشده در برابر ولتاژ یکسوشده، جریان PMSG در برابر ولتاژ PMSG نسبت به سرعت باد و تغییرات بار الکتریکی، انواع نواحی عملکردی ماشین قابل مشاهده است.

پارامترهای تحلیل شده نشان می‌دهند که کمیت‌های مکانیکی ژنراتور چگونه با مشخصات دینامیکی سرعت باد محل تحت تاثیر قرار می‌گیرند. قابل ذکر است که تغییر بار باعث تغییر قابل توجه گشتاور می‌شود و سرعت چرخشی شفت کمتر تاثیر می‌پذیرد.

اما در صورتی که سرعت باد تغییر کند، هم گشتاور و هم سرعت چرخشی شفت بیشتر تاثیر می‌پذیرند چون C_Г به طور قابل توجهی اصلاح می‌شود.

نمایش شکل موج جریان خروجی در برابر ولتاژ خروجی چندین خط مستقیم و متناظر با نواحی عملکرد مختلف را بدست می‌‌دهد (A، B و C) (شکل‌9 و شکل10).

 

شکل9. گشتاور الکترومغناطیسی PMSG در برابر سرعت چرخشی شفت PMSG برای مدل خطی و مدل اشباع‌شده PMSG.

 

شکل10. توان اکتیو PMSG در برابر زمان برای مدل خطی و مدل اشباع‌شده PMSG.

 

خطوط مستقیم به علت طبیعت مقاومتی بودن بار الکتریکی است.

نواحی مختلف A، B و C متناظر با نواحی مختلف مشخصه اشباع مغناطیسی هستند.

A، B و C به ترتیب متناظر با ناحیه غیراشباع، ناحیه تقاطع(intercept zone)  و ناحیه اشباع است. شکل9 و شکل10 نشان می‌دهند که دو شکل موج هر دوی گشتاور الکترومغناطیسی و توان اکتیو PMSG در ناحیه غیراشباع دچار سردرگمی می‌شوند. در ناحیه تقاطع، یک اختلاف جزئی را می‌توان دید. این اختلاف در ناحیه اشباع به طور چشمگیری افزایش می‌یابد.

مدل تحلیلی ارائه شده به کمک اندازه‌گیری‌های تجربی تصدیق و تایید شد. شکل11 و شکل12 به ترتیب بیانگر جریان اندازه‌گیری و شبیه‌سازی شده یکسوساز در برابر زمان هستند که متناظر با پروفیل سرعت باد اندازه‌گیری شده و بار الکتریکی مقاومتی است. می‌توان انطباق زیادی بین مقادیر اندازه‌گیری شده و شبیه‌سازی شده مشاهده کرد.

شکل11. تغییر جریان اندازه‌گیری‌شده یکسوساز در برابر زمان.

شکل12. تغییر جریان شبیه‌سازی‌شده یکسوساز در برابر زمان.

5. نتیجه‌گیری

در این مقاله رفتار مبدل انرژی بادی خودکفای مبتنی بر PMSG شبیه‌سازی شد. مدل ارائه شده برای ماشین سنکرون، اشباع مغناطیسی را هم در بر می‌گیرد. نتایج شبیه‌سازی کمک می‌کنند تا بتوان عواقب نوسانات سرعت باد از یک طرف، و تغییرات بار الکتریکی از طرف دیگر، را بر روی کمیت‌های اصلی زنجیره تبدیل انرژی بادی را مطالعه کرد.

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

همچنین، اثر اشباع مغناطیسی پررنگ شده است. مدل کامل تحلیلی ارائه شده توسط اندازه‌گیری‌های تجربی تصدیق می‌شود. نتایج حاصل از این کار برای طراحی PMSG و سیستم کنترلی WEC مفیدند.

 

 

---

[1] Van Der Hoven

[2] commutation