کنترل یک سیستم تبدیل انرژی بادی مجهز به یک DFIG به منظور تولید توان راکتیو و بهبود کیفیت توان

چکیده

کلیدواژه‌ها

1.مقدمه

2. توصیف و مدلسازی سیستم تبدیل انرژی بادی

شکل1. طرح خلاصه‌ای از WECS مورد مطالعه.

  2.1.مدل توربین

شکل2. ضریب توان در برابر سرعت نوک

 2.2.مدلسازی DFIG با تعیین موقعیت میدان استاتور

2.3.کنترل مبدل سمت روتور

 2.3.1. تولید حداکثر توان

شکل3. طرح کنترلی مبدل سمت روتور برای تولید توان و کاهش هارمونیک.

2.3.2.عملکرد فیلترینگ فعال

شکل4. استخراج مولفه‌های هارمونیکی توسط الگوریتم توان لحظه‌ای.

  2.4.بهبود کیفیت توان

 2.4.1.قابلیت‌های توان اکتیو و راکتیو مبدل سمت روتور

شکل5. محدودیت‌های توان مبدل سمت روتور

   2.4.2.مدیریت اولویت‌های عملکردی WECS

 3. نتایج شبیه‌سازی و بحث

3.1.جبران توان راکتیو و کاهش هارمونیک در حالت فرمان جریان اشباع نشده‌ی روتور

شکل6. شکل‌موج‌ها قبل و بعد از جبرانسازی در لحظه‌ی t=0.2 ثانیه؛

(الف) جریان شبکه (i_G) (آمپر) و ولتاژ PCC (0.1 V_g) (ولت)،

ب) جریان استاتور (i_as) (آمپر) و ولتاژ PCC (0.1 V_g) (ولت)،

ج) ولتاژ DC (ولت)

شکل7. شکل‌موج‌ها قبل و بعد از جبرانسازی در لحظه‌ی t=0.2 ثانیه؛

الف) طیف جریان شبکه قبل از جبرانسازی،

ب) طیف جریان شبکه پس از جبرانسازی،

ج) جریان محور d روتور و فرمان آن،

د) جریان محور q روتور و فرمان آن.

شکل8. شکل‌موج‌ها قبل و بعد از جبرانسازی در لحظه‌ی t=0.2 ثانیه تحت فرمان جریان راکتیو اشباع روتور؛

الف) جریان شبکه (i_G) (آمپر) و ولتاژ PCC (0.1V_g) (ولت)،

ب) جریان استاتور (i_as) (آمپر) و ولتاژ PCC (0.1V_g) (ولت)،

ج) جریان محور d روتور و فرمان آن،

د) جریان محور q روتور و فرمان آن،

ه) طیف جریان شبکه قبل از جبرانسازی،

و) طیف جریان شبکه بعداز جبرانسازی

شکل9. شکل‌موج‌ها قبل و بعد از جبرانسازی در لحظه‌ی t=0.2 ثانیه تحت فرمان جریان راکتیو اشباع روتور؛

الف) جریان محور d روتور و فرمان آن برای راهبرد اول،

ب) جریان محور q روتور و فرمان آن برای راهبرد اول،

ج) جریان محور d روتور و فرمان آن برای راهبرد دوم،

د) جریان محور q روتور و فرمان آن برای راهبرد دوم،

ه) جریان لحظه‌ای روتور (i_ar) (آمپر) و مرجع آن برای راهبرد اول،

و) جریان لحظه‌ای روتور (i_ar) (آمپر) و مرجع آن برای راهبرد دوم

3.2.2حالت فرمان جریان اشباع روتور ناشی از فیلترینگ هارمونیک

شکل10. طیف جرین شبکه قبل و پس از جبرانسازی در لحظه‌ی t=0.2 ثانیه تحت فرمان جریان اشباع هارمونیکی؛

الف) طیف قبل از جبرانسازی،

ب) طیف پس از فقط جبرانسازی توان راکتیو،

ج) طیف پس از جبرانسازی با کمک راهبرد اول،

د) طیف پس از جبرانسازی با کمک راهبرد دوم

نتیجه‌گیری

هدف این مقاله بهبود جبرانسازی توان راکتیو و قابلیت فیلترینگ فعال سیستم تبدیل انرژی بادی (WECS) است. الگوریتم ارائه شده به یک ژنراتور القائی با تغذیه‌ی دوبل (DFIG) دارای استاتور با اتصال مستقیم به شبکه، اعمال می‌شود که روتور این ژنراتور نیز از طریق یک مبدل PWM پشت به پشت AC-DC-AC به شبکه متصل است. راهبرد کنترلی مبدل سمت روتور (RSC) ، در ابتدا، حداکثر توان را تحت سرعت نوسانی باد استخراج می‌کند. سپس، با توجه به توان نامی مبدل سمت روتور، کیفیت توان را می‌توان از طریق جبران توان راکتیو و جریان هارمونیکی شبکه که ناشی از بارهای غیرخطی است، بهبود داد. لذا، مبدل سمت روتور کنترل می‌شود تا اولویت‌های عملکردی WECS، از بین موارد تولید حداکثر توان اکتیو دریافتی از باد، و بهبود کیفیت توان، مدیریت شود. هدف اصلی راهبرد کنترلی ارائه شده این است که مبدل سمت روتور بدون اینکه از مقادیر نامی خود تخطی کند، از نظر جبران توان راکتیو و قابلیت فیلترینگ فعال، در ظرفیت کامل خود عمل کار کند. همینطور، مبدل سمت شبکه (GSC) به گونه‌ای کنترل می‌شود که ولتاژ صاف DC تضمین شده و از جریان سینوسی در سمت شبکه اطمینان حاصل شود. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که توربین بادی می‌تواند در نقطه‌ی بهینه‌ی توان خود برای محدوده‌ی وسیعی از سرعت باد کار کرده و کیفیت توان بهبود یابد. همچنین نشان داده شده ست که راهبرد ارائه شده باعث می‌شود مبدل سمت روتور از منظر جبران توان راکتیو و فیلترینگ فعال، در ظرفیت کامل خود کار کند

انرژی بادی به دلیل پاک بودن و داشتن طبیعت تجدیدپذیر به یکی از مهم‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر جهان تبدیل شده است. به دلیل تعامل انرژی بادی با دیگر منابع تجدیدپذیر انرژی، مثل انرژی خورشیدی، در آینده می‌توان بر بحران‌ انرژی جهان فائق آمد [1]. در مقایسه با گذشته و به دلیل حضور فراینده‌ی بارهای غیرخطی در شبکه، نقش اصلی یک WECS نه تنها دریافت توان حداکثری از باد، بلکه بهبود کیفیت توان نیز است [1]. در نتیجه، با توسعه‌ی مزارع بادی که با شبکه ترکیب می‌شوند، کیفیت توان را در آینده می‌توان بهتر بهبود داد. ژنراتورهای بادی سرعت متغیر به طور مکرر استفاده می‌شوند و به دلیل تولید موثر انرژی، کیفیت توان بهبود یافته و عملکرد دینامیک در طی وقوع خطا، نسبت به سیستم‌های سرعت ثابت جذابیت بیشتری دارند. اخیرا، اغلب سیستم‌های تبدیل انرژی بادی مجهز به یک DFIG سرعت متغیر هستند [2]. در رابطه با تولید توان و بهبود کیفیت توان با استفاده از یک WECS، کارهای متعددی انجام شده است. در [12]، گایلارد و همکاران، جبرانسازی توان راکتیو شبکه و فیلترینگ فعال هارمونیک‌های بارهای خطی توسط کنترل مبدل سمت روتور را بررسی کردند. در این کار فیلتر انتخابی میانگذر جهت استخراج مولفه‌های جریان هارمونیکی به کار می‌رود که دارای مزیت اثر تقویتی مبدل سمت روتور جهت تخفیف جریان‌های هارمونیکی است. در [3]، کنترل میدان‌گرای بدون حسگر یک فیلتر فعال/ آلترناتور الکتریکی القائی برای WECS بررسی شد که دارای قابلیت دریافت حداکثر توان متغیر بادی و به طور همزمان بهبود کیفیت توان از طریق حذف مهم‌ترین و مزاحم‌ترین جریان‌های هارمونیکی بارهای غیرخطی است. در این کار، جبرانسازی توان راکتیو و افزایش ظرفیت مبدل سمت روتور بحث نشده است. در [4]، مبدل سمت ژنراتور به عنوان یک فیلتر فعال موازی به منظور کنترل ضریب توان و تضمین جبرانسازی هارمونیکی به کار می‌رود. در [5]، جین و همکاران، مبدل سمت شبکه را به عنوان یک فیلتر اکتیو موازی در یک شبکه‌ی خودکفا به کار برده‌اند. در [6]، مبدل سمت شبکه به طور فعال کنترل می‌شود تا توان تولیدی و نیز هارمونیک‌ها و تقاضای توان راکتیو بارهای غیرخطی در نقطه‌ی کوپلینگ مشترک (PCC) تغذیه شود. در [7]، چن و همکاران، طر‌ح‌های جبران توان راکتیو و هارمونیک، شامل روش‌های فیلترهای غیرفعال (پسیو)، فیلترهای فعال (اکتیو) و روش‌های جبرانسازی ترکیبی را برای یک مبدل واسط برای توربین بادی سرعت متغیر مبتنی بر ژنراتور آهنربای دائم ارائه دادند. در [8]، انگلهارد و همکاران، قابلیت بارگذاری توان راکتیو حالت ماندگار WECS مبتنی بر DFIG را با در نظر گرفتن پدیده‌های فیزیکی مهم محدودکننده‌ی تغذیه‌ی سیستم‌های توربین بادی مبتنی بر DFIG بررسی کردند. در [9]، ترکیبات مختلف کنترل توان راکتیو مبدل سمت روتور و مبدل سمت شبکه برای DFIG بررسی و تحلیل شد. در [10]، ماچموم و همکاران، کاهش فلیکر در یک ژنراتور القائی با تغذیه دوبل را برای سیستم توربین بادی بر اساس کنترل مبدل سمت روتور مطالعه کردند. در کل، ظرفیت کامل مبدل سمت روتور، برحسب فیلترینگ فعال، برای شرایط مختلف عملکردی WECS بهره‌برداری نشده است.