کنترل توان راکتیو ژنراتور بادی سنکرون مغناطیس دائم با مبدل ماتریسی

چکیده

واژگان کلیدی

1. معرفی

2. مبدل ماتریسی

. تکنیک مدولاسیون SVD 

3. کنترل توان راکتیو مبدل ماتریسی

A. سنتز کردن از بخش راکتیو جریان خروجی

C. سنتزکردن از هر دو بخش اکتیو و راکتیو جریان خروجی

4. کنترل توان راکتیو ژنراتور بادی PMS

A. Igd ثابت

B. Igd کنترل شده

5. نتیجه گیری

جدول1) پارامترهای سیستم شبیه سازی شده

شکل1) شماتیک مبدل ماتریسی سه فاز نوعی

شکل2) مفهوم SVD یک ماتریس

شکل 3) SVD یک Mαβ 

شکل4) حالت ماندگار مبدل ماتریسی و مدل ترانسفورماتور dq دینامیک

شکل5) مدل سازی روش مدولاسیونAlesina و Venturini با تکنیک مدولاسیون SVD 

شکل6) مدل سازی روش مدولاسیون  SVM با تکنیک مدولاسیون SVD

شکل7) حداکثر بهره جریان قابل دسترسی تکنیک های مختلف در مقابل بهره ولتاژ و ضریب توان خروجی a) راهکار1    b) راهکار2     c) راهکار3

شکل8) حداکثر توان راکتیو ورودی تکنیک های مختلف در مقابل توان اکتیو و راکتیو خروجی 

شکل9) بلوک دیاگرام کنترل ساده شده PMSG 

شکل10) نمودار فازوری PMSG برای مقادیر مختلف Igd­   a) مدار معادل PMSG   b) Igd = 0    c) Igd > 0 

شکل 11) توان اکتیو وراکتیو سمت ژنراتور و حداکثر توان راکتیو سمت شبکه در مقابل سرعت محور ژنراتور ωm برای راهکارهای مختلف

شکل12) حداکثر توان راکتیو قابل دسترسی سمت شبکه برای مقادیر مختلف Igd

شکل13) ساختار کنترل کننده پیشنهادی که به طور همزمان از Igd و مبدل ماتریسی به منظور کنترل توان راکتیو سمت شبکه استفاده می کند.

شکل14) توان راکتیو سمت شبکه مبدل ماتریسی و محور ژنراتور جریان مستقیم(Igd )، ولتاژ ترمینال و تلفات به ازای ωm = 1 rad /s 

شکل15) توان راکتیو سمت شبکه مبدل ماتریسی و محور مولد جریان( Igd ( ولتاژ ترمینال و تلفات توان برای ωm = 4.5 rad /s

– در این مقاله، کنترل توان راکتیو یک ژنراتور بادی سنکرون مغناطیس دائم با سرعت متغیر توسط یک مبدل ماتریسی در سمت شبکه توسعه داده می شود. تکنیک مدولاسیون تعمیم داده شده مبنی بر تجزیه مقدار منفرد ماتریس مدولاسیون برای مدلسازی تکنیک های مدولاسیون مختلف و بررسی قابلیت های توان راکتیو ورودی مشابه آنها مورد استفاده قرار می گیرد. بر مبنای این روش مدولاسیون، یک شیوه کنترل جدید برای مبدل ماتریسی که از قسمت های اکتیو و راکتیو جریان ژنراتور برای افزایش قابلیت قابلیت کنترل جریان راکتیو سمت شبکه در مقایسه با روش های مدولاسیون رایج استفاده می کند، ارائه می شود. همچنین ساختار کنترل جدیدی ارائه می شود که قادر به کنترل مبدل ماتریسی و جریان راکتیو ژنراتور برای بهبود حداکثر توان راکتیو قابل دستیابی سمت شبکه برای کلیه سرعت های باد و شرایط توان ارائه می شود. نتایج شبیه سازی، کارائی سیستم پیشنهادی برای توان خروجی ژنراتورهای مختلف را اثبات می کند.

مبدل ماتریسی یک مبدل فرکانس ac به ac مستقیم است که به هیچ عنصر ذخیره کننده انرژی نیاز ندارد. نبود اجزای راکتیو پرحجم در ساختار تمامی این مبدل های سیلیکونی باعث کاهش اندازه و بهبود قابلیت اطمینان در مقایسه با مبد های فرکانسی چندسطحی ac/dc/ac معمول می شود. ساخت سوئیچ های کم هزینه و توان بالا و تنوع پردازنده های سیگنال دیجیتال سریع و پربازده (DSP) ها، تقریبا برخی مشکلات مبدل های ماتریسی مانند مدولاسیون پیچیده، پروسه سوئیچینگ چهارمرحله ای سوئیچ های دوجهته و استفاده از تعداد زیادی سوئیچ [1] را حل کرده است. بنابراین، فواید منحصر به فرد آنها مانند ولتاژ خروجی و جریان ورودی سینوسی، ضریب توان ورودی قابل کنترل و قابلیت اطمینان بالا آن را به خوبی یک ساختار بسته بندی شده به یک جایگزین مناسب برای مبدل های پشت به پشت تبدیل کرده است. یکی از کاربردهای جدید مبدل ماتریسی، اتصال شبکه ژنراتورهای بادی سرعت متغیر است [2] [14]. ژنراتورهای بادی سنکرون مغناطیس دائم با سرعت متغیر (PMS) در کاربردهای توان پایین استفاده می شوند.استفاده از مبدل ماتریسی به همراه یک PMSG چندقطبی منجر به یک ساختار بدون دنده، فشرده و قابل اطمینان بدون نیاز به نگهداری زیاد می شود که برای کاربردهای شبکه های کوچک، خانگی و محلی توان پایین بسیار مناسب می باشد [15] [17]. مبدل فرکانسی ژنراتور بادی، باید کمیت های سمت ژنراتور مانند گشتاور و سرعت چرخشی ژنراتور برای دستیابی به حداکثر توان از توربین بادی و کمیت های سمت شبکه مانند توان راکتیو و ولتاژ سمت شبکه را جهت بهبود پایداری سیستم و کیفیت توان (PQ) کنترل کند [17] [19]. بر خلاف مبدل های پشت به پشت متداول که در آن یک خازن خط dc بزرگ سبب می شود تا کنترل سمت ژنراتور و سمت شبکه مبدل تقریبا به طور مستقل انجام گیرد [20]، یک مبدل ماتریسی کمیت های سمت ژنراتور و شبکه را با هم کنترل می کند. بنابراین توان راکتیو سمت شبکه یک مبدل ماتریسی، توسط بهره ولتاژ و توان اکتیو یا راکتیو سمت شبکه مبدل محدود می شود [21] . یک ویژگی لازم برای تمامی ژنراتورها و ژنراتورهای توزیع (DG) که به شبکه یا شبکه های کوچک وصل می شوند، قابلیت کنترل توان راکتیو است. توان راکتیو ژنراتور برای کنترل ولتاژ شبکه یا شبکه کوچک یا تنظیم توان راکتیو بارهای محلی در هر یک از شبکه های متصل به هم یا در یک حالت عملکرد مجزا قابل استفاده هستند [19] [20]. در این مقاله، قابلیت توان راکتیو سمت شبکه و کنترل یک ژنراتور بادی PMS توسط یک مبدل ماتریسی توسعه داده می شود. برای نیل به این مقصود، در بخش 2 مطالعه مختصری روی یک مبدل ماتریسی و روش مدولاسیون تجزیه مقدار منفرد آن (SVD) انجام شده است که این روش مدولاسیون، یک روش تعمیم یافته با محدودیت های کمتری در مقایسه با روش های مدولاسیون ارائه شده مشابه می باشد. در بخش 3، روش های مدولاسیون SVD برای مدلسازی تکنیک های مدولاسیون مختلف و مطالعه قابلیت توان راکتیو یک مبدل ماتریسی استفاده می شوند. نشان داده می شود که در برخی از تکنیک های مدولاسیون مانند Alesina و Venturini ، جریان راکتیو سمت شبکه تنها با بخش راکتیو جریان سمت ژنراتور سنتز می شود. در سایر روش های مدولاسیون، مانند روش های غیر مستقیم و روش مدولاسیون بردار مکان مستقیم و غیر مستقیم، جریان راکتیو سمت سبکه تنها با بخش اکتیو جریان سمت ژنراتور سنتز می شود.برای افزایش بهره جریان راکتیو مبدل ماتریسی، روش مدولاسیون SVD استفاده می شود تا هر دو بخش اکتیو و راکتیو سمت ژنراتور بتوانند برای سنتز جریان سمت شبکه مشارکت داشته باشند. در بخش 4، نشان داده می شود که ظرفیت آزاد توان راکتیو ژنراتور به منظور افزایش توان راکتیو سمت شبکه می تواند استفاده شود. همچنین یک ساختار کنترلی جدید ارائه می شود که می تواند ژنراتور و توان راکتیو مبدل ماتریسی را جهت افزایش قابلیت کنترل توان راکتیو سمت شبکه به ازای هر مقدار توان و سرعت بادی کنترل کند. ساختار کنترل پیشنهادی با یک کنترل کننده انطباقی ساده شده (SAC) بر یک ژنراتور بادی PMS با سرعت متغیر چند قطبی بدون دنده شبیه سازی می شود و نتایج برای تایید کارائی آن تحت شرایط عملیاتی مختلف ارائه می شوند. شبیه سازی ها با استفاده از نرم افزار PSCAD / EMTDC انجام می شود.