چندین توپولوژی توربین بادی
فایل ورد قابل ویرایش در 96 صفحه
خلاصه
امروزه در میان چندین توپولوژی توربین بادی ، غالباً از توربین های بادی سرعت متغیر با بکارگیری ژنراتور القایی دو سو تغذیه ای (DFIG)[1] استفاده میشود [1]. از جمله مزایای نیروگاههای بادی مجهز به DFIG می توان به موارد زیر اشاره کرد: انعطاف پذیری لازم برای کنترل توان اکتیو و راکتیو، قابلیت ردیابی حداکثر توان (MPPT)[2] توسط کنترل کننده سرعت ، استرس مکانیکی کم و مقیاس کوچک مبدل پشت به پشت [2][3].
کنترل توان در توربین های بادی سرعت ثابت به صورت مکانیکی و در توربین های سرعت متغییر هم بصورت مکانیکی و هم بصورت الکتریکی انجام میگیرد. در این پژوهش روش کنترلی شبکه عصبی[3]،کنترل بهینه[4] وکنترل ترکیبی بکارگرفته شده مربوط به قسمت الکتریکی میباشد زیرا کنترل کننده های مکانیکی سرعت عملکرد پایینی دارند و با توجه پیش بینی رفتار باد و تولید توان آتی بصورت پایدار از این روش استفاده میشود. هدف این سیستم ، کنترل توان اکتیو و راکتیو خروجی و به عبارت دیگر حداقل کردن زمان رسیدن به توان مطلوب میباشد]4[.
ورودی های کنترلی عبارتند از: ولتاژ خط، جریان سه فاز استاتور، جریان سه فاز خط، جریان روتور، ولتاژ DC ، زوایه رتور، سرعت زاویه ای توربین. خروجی های کنترل کننده عبارتند از: پالس های مبدل AC-DC-AC در سمت شبکه و روتور، زاویه [5]pitch، توان اکتیو و راکتیو می باشد. در این پژوهش به پیاده سازی کنترل بهینه برای سیستم توربین بادی DFIG مبتنی بر الگوریتم های شبکه های عصبی و ژنتیک[6] می پردازیم. در ادامه به بررسی ساختار سیستم پیاده سازی و ویژگی های کلی آن می پردازیم. در نهایت به ارائه الگوریتمی ترکیبی بر اساس سیستم شبکه عصبی و ژنتیک می پردازیم.
تابع هدف ما کمینه کردن زمان رسیدن به حالت ماندگار در کنترل توسط شبکه عصبی ، کنترل بهینه و کنترل ترکیبی است. زمان کل شبیه سازی 5 ثانیه و رسیدن به حالت ماندگاردر حالت قبل از شبیه سازی 0.2 ثانیه است که در حالت شبیه سازی با شبکه عصبی و بهینه به ترتیب 0.18 و 0.16 ثانیه می باشدکه نسبت به حالت قبل کمتر شده است. همچنین پایداری ولتاژ سیستم نیز سریعتر شده 0.1 ثانیه رسیده است.
فصل اول : مقدمه
1-1 تعریف کلی
انرژی باد نظیر سایر منابع انرژی تجدیدپذیر، بطور گسترده ولی پراکنده در دسترس می باشد. تابش نامساوی خورشید در عرضهای مختلف جغرافیایی به سطح ناهموار زمین باعث تغییر دما و فشار شده و در نتیجه باد ایجاد می شود. به علاوه اتمسفرکره زمین به دلیل چرخش، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می دهد که باعث ایجاد باد می شود. انرژی باد طبیعتی نوسانی و متناوب داشته و وزش دائمی ندارد. از انرژیهای بادی جهت تولید الکتریسیته و نیز پمپاژ آب از چاه ها و رودخانه ها، آرد کردن غلات، کوبیدن گندم، گرمایش خانه و مواردی نظیر این ها می توان استفاده نمود. کاهشروبهرشدمنابعفسیلیوهمچنینایجادآلودگیبراثراستفاده ازاینسوختهاسببافزایشاستفادهازانرژیهایتجدیدپذیرنظیر انرژیبادگردیدهاست.
این انرژی قابلیت ایفای سهم قابل توجهی از تولید الکتریسته را دار می باشد بطوری که ظرفیت جهانی تولید الکتریسته از باد، از 59091 MW در سال 2005 به 74222 MWدر انتهای سال 2006 افزایش یافت و در انتهای سال 2020 انتظار می رود که این مقدار به بالاتر از 260000 MWبرسد که برای 12%مصرف جهانی الکتریسته کافی است.
کشورهای با بیشترین ظرفیت مجموع نصب شده در انرژی بادی به ترتیب آلمان (20622MW)، اسپانیا (11615MW)، آمریکا (11603MW)، هند (6270MW) و دانمارک (7422MW) می باشند. تا سال 2007 ظرفیت توربین های بادی نصب شده در آلمان 19GW است و پیش بینی این است که تا سال 2020 کل ظرفیت انرژی بادی مورد انتظار به 50GW وات برسد که این مقدار نیمی از پیک بار آلمان است. (این مقدار تقریبا کمی بیشتر از پیک بار در ایران در حال حاضر می باشد) درشکل های زیر روند رشد این نیروگاهها در کشور آلمان ملاحظه می گردد.
شکل (1) .روند رشد توان بادی نصب شده در آلمانشکل(2) روند رشد توان بادی نصب شده در المان تاسال 2007 وپیش بینی ان تا سال 2019
در سال 1990 نزدیک 2000 MW نیروگاه بادی نصب شده در سراسر دنیا بود که این مقدار در اواخر سال 2000 به 16000 MW رسید و طبق پیش بینی آن زمان این مقدار به 50000 MW در سال 2010 می رسد. در طول ده سال گذشته رشد ظرفیت نصب شده به 30% رسیده است. سال 2008 رکوردی دیگر با بیش از 27 GW نصب ظرفیت جدید صورت پذیرفت که مقدار کل ظرفیت در این سال به حدود 120GW رسید و هم چنین آمریکا با کنار زدن آلمان در رده اول بازار بادی در تمام دنیا قرار گرفت. شکل زیر نشان دهنده رشد ظرفیت نصب شده در تمام دنیا بین سالهای 1996 و 2011 می باشد. نتایج نشان دهنده این است که مقدار رشد نیروگاههای بادی بیش از مقدار پیش بینی بوده است. این اطلاعات را انجمن جهانی انرژی بادی (GWEC) منتشر نموده است.
شکل (3) روند رشد ظرفیت بادی نصب شده در تمام دنیا از سال 1996 تا 2011
شکل (4) سهم کشورهای دنیا در مقدار ظرفیت بادی نصب شده در سال 2011
با وجود رشد قابل توجه در این زمینه، به هنگام برنامه ریزی و توسعه واحدهای بزرگ نیروگاه بادی دور از سیستم انتقال، ارزیابی مساله کنترل ولتاژ و جبرانسازی توان راکتیو امری لازم و ضروری می باشد. پایداری ولتاژ شبکه های محلی محدودیت مهمی در مورد عملکرد و حداکثر نرخ توان این نیروگاهها می باشد. قیود فنی در ارتباط با نیروگاههای بادی در شبکه های ضعیف، می تواند بعلت محدودیت ظرفیت در نقاطی از شبکه و یا اثرات منفی این نیروگاهها روی کیفیت توان و پایداری ولتاژ باشد. گاهیپایداری ولتاژ را تحت عنوان پایداری بار می شناسند.
در این قسمت مسایل بیشتر از اینکه مربوط به بارهای معمولی باشد وابسته به ژنراتورهای توربین بادی است.هرچند یک ژنراتور را نیز می توان به عنوان یک بار مختلط با قسمت حقیقی منفی در نظر گرفت. برخی از مزایای انرژی بادی شامل پشتیبانی فوری برای مواقع خروج واحدها، پشتیبانی ولتاژ، کاهش تلفات، بهبود قابلیت اطمینان شبکه، آزاد کردن ظرفیت شبکه توزیع و به تعویق انداختن ظرفیت های اضافه برای شبکه می باشند. از معایب آن نیز می توان به مشکلاتی در تنظیم ولتاژ و فرکانس، جبرانسازی توان راکتیو، کیفیت توان( فلیکر و هارمونیک ها) و حفاظت سیستم توزیع اشاره نمود.
1-2 مروری بر تکنولوژی توربین های بادی مورد استفاده در سیستم های قدرت
اولین توربین بادی در اواخر قرن 19 ساخته شد. در سال 1887، Brush آنچه را که امروزه بر آن معتقدند اولین توربین بادی برای تولید الکتریسیته بوده است را ساخت. این توربین بسیار بزرگ بود اما اندازه توان تولیدی آن در حدود مقدار بسیارکم 12KWبود. مطالعات روی انرژی بادی از اوایل قرن بیستم آغاز گردید و اولین مجله انرژی بادی توسط Poullacour 1864-1908)) منتشر گردید. طی سالهای 1940-1950 دو پیشرفت مهم حاصل گردید.
ساخت توربین با ساختار سه تیغه ای و جایگزینی ژنراتور ACبا ژنراتور DC. در سالهای 1970 محدودیت های نفتی سبب روی آوردن بیشتر به سمت انرژی بادی گردید و ظرفیت آنها به چند صد کیلو وات رسید. توربین های در اندازه MW ساخته شدند. در اواخر 1990 انرژی بادی به عنوان یک منبع انرژی بزرگ در سراسر جهان با رویکردی جدید مواجه گردید.
با پیشرفت های فراوان در علم الکترونیک – قدرت ژنراتورهای القایی دو سو تغذیه (DFIG) رایج ترین در صنعت نیروگاههای بادی شده و کاربرد آنهااز ژنراتورهای القایی قفس سنجابی رایج تا آن زمان بیشتر شده است.افزایش نرخ حضور این نیروگاهها مسایل و مشکلات عدیده ای را مخصوصا در حین وارد و خارج کردن از شبکه می تواند در پی داشته باشد.
1-3 مقدمه ای بر نیروگاه های بادی با ژنراتورهای القایی دو سو تغذیه (DFIG)
زنراتورهای القائی دو سو تغذیه، رایج ترین تکنولوژی حال حاضر در زمینه انرژی باد می باشند. شمای یک DFIG به شکل زیر می باشد.
شکل 1-5 ساختار یک توربین بادی DFIG و اجزای آن
برخی از مشخصات این ژنراتور در ذیل آمده است :
رتور آن سه فاز سیم پیچی شده، تغذیه شده توسط VSC (مبدل منبع ولتاژ، Voltage Source Converter ) با مقدار و فرکانس متغیر از طریق رینگ لغزان می باشد. کنترل سرعت ، با استفاده از کنترل توان الکتریکی مرجع در مبدل با استفاده از زاویه پیچش توربین می باشد. کنترل مبدل سمت رتور (Rotor Side Converter) که به کنترل توان اکتیو و راکتیو سمت استاتور میانجامد. این امر توسط کنترل دینامیکی سریع اندازه و فاز EMF تغذیه شده به رتور صورت می گیرد.
کنترل مبدل سمت خط (Line Side converter)، مقدار ولتاژ لینک DC را ثابت نگه می دارد و توان راکتیو اضافه را به شبکه انتقال می دهد. مزیت اصلی DFIG توانایی عملکرد آن در محدوده سرعت بالاتر و تولید یا مصرف توان راکتیو از مغناطیس تامین شده توسط مبدل سمت رتور (RSC) است. ژنراتورهای القایی بر روی پایداری ولتاژ اثر منفی دارد. علت این امر جذب توان راکتیو توسط این ژنراتورها از شبکه می باشد.
در واقع برای جبران توان راکتیو باید از بانک های خازنی و یا ادوات جبرانسازی توان راکتیو نصب شده در محل ژنراتور القایی بهره برد. بسیاری از مشکلات و اغتشاشات موجود در شبکه به هنگام وصل و قطع توربین های بادی به آن اتفاق می افتد. در حین گذرای پس از اغتشاش مقادیر فیلکر، هارمونیک، نوسانات فرکانس و ولتاژ به شدت افزایش می یابد. بطوری که به عنوان مثال در برخی از شبکه های مستقل سطح فرکانس و ولتاژ بیشتر ازHz 1 و1 pu.00.05 - کاهش می یابد.
نیروگاههای بادی (که غالبا از ژنراتورهای القایی بهره می گیرند) بعلت مصرف توان راکتیو، همواره باید به همراه جبرانسازی های مناسب توان راکتیو به منظور بهبود عملکرد سیستم های توزیع مورد استفاده قرار گیرند همگامباتوسعهمیزانتولیدبرقازباد،ادواتمورداستفادهبرایجذبوتبدیل انرژیبادبهانرژیالکتریکینیزبارشدقابلتوجهیروبروشدهکه دراینبینژنراتورهایالقاییدوسوءتغذیهدارایعملکردنسبتابهترینسبتبه سایرژنراتورهایالقاییمیباشند. یکی از مشکلاتی که به طور معمول در مورد توربین های بادی مطرح می شود تولید حداکثر توان الکتریکی به ازای سرعت های مختلف باد است .
1-4 مزایای سیستم های توربین بادی مجهز به ژنراتور القائی دو سو تغذیه
در نتیجه ثابت بودن فرکانس الکتریکی شبکه و تنظیم فرکانس الکتریکی روتور ,امکان کنترل سرعت مکانیکی و جذب حداکثر توان از توربین بادی وجود دارد .
استهلاک ادوات مکانیکی سیستم کاهش می یابد .
توان نامی مبدل های الکترونیک قدرت مورد استفاده در توربین بادی مجهز به ژنراتور القائی دوگانه تغذیه کوچک است.
هزینه پایین مبدل و اینورتر، بعلت اینکه نرخ مبدل حدود 25% توان کل DFIG می باشد.
قابلیت کنترل ضریب توان و جبرانسازی توان راکتیو.
بهبود راندمان توربین بادی. 1-4-1. انواع توربین های بادی در حالت کلی
گروه اول ژنراتور توربین بادی سرعت ثابت ژنراتورهای قفسه سنجابی است که به طور مستقیم به شبکه متصل می شود در این نوع توربین ها سرعت ژنراتور توسط ادوات مکانیکی تقریبا ثابت نگه داشته می شوند و هیچ گونه کنترل الکتریکی در انها وجود ندارد. در توربین های بادی سرعت ثابت فقط در یک سرعت باد امکان تولید توان حداکثر وجود دارد . استفاده از کنترل کننده های مکانیکی در این نوع توربین ها باعث کند بودن و کاهش عمر انها شده است.
گروه دوم توربین های بادی سرعت متغییرند. ژنراتوری که عموما در توربین های بادی متغییر مورد استفاده قرار می گیرد ژنراتور های القائی دو گانه تغذیه یا در واقع همان ژنراتور های القائی روتور سیم پیچی شده ای است که استاتور آن مستقیماً به شبکه الکتریکی متصل است و روتور آن از طریق دو مبدل الکترونیک قدرت پشت سر هم به شبکه وصل می باشد.
1-5 . روش های کنترلی مورد استفاده در توربین های بادی
یک توربین بادی شامل سه قسمت عمده درایو مکانیکی و کنترل و مبدل سیستم کنترل می باشد. وظیفه سیستم کنترل بهبود کیفیت قدرت خروجی برای تضمین عملکرد توربین بادی می باشد. تحقیقات انجام شده بیشتر بر روی چهار موضوع زیر انجام شده است :
کنترل برداری : این کنترل به طور وسیعی در مورد ماشین های القائی استفاده می گردد.
کنترل بهینه سازی : این کنترل می تواند با اهداف مختلفی از جمله بیشترین توان خروجی و بیشترین بازده توان و کمترین کنترل ورودی و کمترین تلفات و ...... و نیز در برخی موارد ترکیبی از موارد ذکر شده صورت پذیرد.
کنترل هموار ساز توان : به علت طبیعت نوسانی و متناوب باد نوسانات توان ممکن است روی کیفیت توان تاثیر بگذارد و وجود این گونه استراتژی لازم است.
کنترل ولتاژ : این مساله به پایداری ولتاژ کمک می نماید. در مزارع بادی بزرگ متصل به شبکه, محدودیت و قید اصلی پایداری گذرا است که عدم وجود ان می تواند سبب از دست خارج شدن سیستم شود. برای مثال یک فروافتادگی ولتاژ می تواند سبب قطع تعداد زیادی توربین بادی شود. در حالت کوچک بودن مزرعه بادی مشکلات کیفیت توان ممی تواند نگرانی هائی را برای شبکه ایجاد کند.
[1] Double Fed Induction Generator
[2] Maximum power point tracking
[3] Neural Networks control
[4] Optimal control
[5]پره های توربین بادی
[6] Genetic Algorithm
