سیستم تثبیت توان پیشرفته برای اتصال به شبکه توربین‌های بادی درایو مستقیم نوع ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم

چکیده

فهرست عبارات

مقدمه

مرور سیستم توان بادی

شکل1. طرح کلی ارائه شده برای سیستم توربین بادی درایو مستقیم PMSG متصل به شبکه توزیع

مدلسازی سیستم توان بادی

شکل2. مدل کامل سیستم توربین بادی درایو مستقیم PMSG متصل به شبکه توزیع بهره‌برداری

توربین بادی

شکل3. مقادیر اندازه‌گیری شده و شبیه‌سازی شده منحنی‌های توان مکانیکی در برابر سرعت روتور برای سرعت‌های مختلف باد، برای ژنراتور توربین بادی در حال مطالعه.

سیستم تثبیت توان

راهبرد کنترلی ارائه شده سیستم توان بادی

کنترل سطح خارجی

شکل 4. طرح کنترلی چندسطحی ارائه شده برای سیستم توان بادی سه فاز متصل به شبکه.

کنترل سطح میانی

کنترل سطح داخلی

نتایح شبیه‌سازی دیجیتالی

شکل5. نتایج شبیه‌سازی برای تبادل توان اکتیو با شبکه توزیع بهره‌برداری (APCM)

شکل6. نتایج شبیه‌سازی برای تبادل همزمان توان اکتیو و راکتیو با شبکه توزیع بهره‌برداری (APCM و VCM)

نتیجه‌گیری

کاربرد رو به گسترش تولید پراکنده (DG) به خصوص بر اساس سیستم‌های توان بادی، نیازمند راهبردهای جدید برای عملکرد و مدیریت سیستم توزیع برق است، مخصوصا وقتی ظرفیت نصب شده بالا باشد. تحت این شرایط، فناوری الکترونیک قدرت نقش مهمی در اتصال DG به شبکه قدرت ایفا می‌کند، چون سیستم DG نه تنها به الزامات مربوط به خودِ منبع انرژی تجدیدپذیر بلکه به اثرات آن روی عملکرد سیستم قدرت نیز وابسته است. این مقاله برای اتصال به شبکه ژنراتورهای توربین بادی (WTG) یک ساختار پیشرفته سیستم تثبیت توان (PCS) ارائه می‌کند. توپولوژی به کار رفته شامل یک اینورتر سه مرحله‌ای سری منبع Z است که باعث تولید منعطف، کارا و قابل اطمینان توان الکتریکی با کیفیت بالا از سیستم ژنراتور توربین بادی می‌شود. یک مدل با جزئیات کامل توصیف شده و طرح کنترلی آن طراحی می‌شود. اعتبار مدل‌ها و طرح‌های کنترلی با استفاده از نرم‌افزار شبیه‌سازی متبل/سیمولینک نشان داده می‌شود.

در دهه گذشته، مشکلات مختلفی در رابطه با عوامل انرژی (بحران نفت)، جنبه‌های زیست‌محیطی (تغییر شرایط آب و هوایی)، تقاضای برق (رشد چشم‌گیر) و محدودیت‌های مالی/مقرراتی بازارهای عمده در سراسر جهان بروز یافته است. تحت چنین شرایطی، تولید پراکنده (DG) به عنوان یکی از راه‌کارهای فناوری معرفی شده است که توانایی مقابله با چنین مشکلاتی را دارد. به این ترتیب فناوری‌های تولید غیرمعمول و تمیز انرژی بر اساس منابع انرژی تجدیدپذیر (RES) توسعه یافته است که منجر به آلودگی‌های زیست محیطی نمی‌شود. ژنراتورهای توربین بادی متصل به شبکه متوسط تا بزرگ امروزه به یکی از مهم‌ترین و سریع‌ترین اشکال تولید برق در بین فناوری‌های تجدیدپذیر تبدیل شده‌اند. انتظار می‌رود در آینده هم این گرایش گسترش یابد، دلیل این مطلب را می‌توان در هزینه رقابتی فناوری توان بادی و توسعه فناوری‌های جدید مربوط به الکترونیک قدرت، توپولوژی‌های مداری جدید و راهبردهای کنترلی عنوان کرد [1]، [2]. تعداد رو به رشد تولیدات پراکنده، به خصوص بر اساس سیستم‌های توان بادی، چالش‌های جدیدی را در زمینه اجرا و مدیریت سیستم توزیع برق موجب شده است، به خصوص وقتی منبع انرژی دوره‌ای بخش عظیمی از ظرفیت کل سیستم را تشکیل داده باشد. تحت این سناریو، فناوری الکترونیک قدرت نقشی مهم در اتصال DG به شبکه اصلی برق ایفا می‌کند چون سیستم DG نه تنها به الزامات مربوط به خودِ منبع انرژی تجدیدپذیر بلکه به اثرات آن روی عملکرد سیستم قدرت نیز وابسته است[3]. استفاده از مبدل‌های الکترونیک قدرت توربین‌های بادی را قادر می‌سازد تا در سرعت متغیر (یا قابل تنظیم) کار کنند، یک سیستم کنترلی طراحی می‌شود تا بیشترین توان ممکن را از توربین بادی جذب و نیز ولتاژ و فرکانس ثابت موردنیاز شبکه را فراهم کند. با پیشرفت فناوری الکترونیک قدرت، ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم (PMSG) توجه سازندگان توربین‌های بادی را به خود جلب کرده‌اند، چون نسبت به توربین‌های بادی سرعت متغیر دیگر مزایای زیادی دارند [4]. در سال‌های اخیر، توپولوژی‌های بیشماری برای سیستم‌های تثبیت توان (PCS) برای ترکیب سیستم‌های توربین بادی نوع PMSG به شبکه برق ارائه شده است که از لحاظ هزینه و پیچیدگی با هم متفاوت هستند. در طرح‌های نوین توربین‌های بادی PMSG، سیستم تثبیت توان از مبدل مقیاس کامل ساخته شده از توپولوژی سخت‌افزار تبدیل توان دو مرحله‌ای کار می‌کند که این مبدل قادر است از پسِ تمامی قیود مربوط به توان الکتریکی با کیفیت بالا، انعطاف‌پذیری و قابلیت اطمینان اعمال شده به کاربردهای منابع انرژی پراکنده نوین برآید. این طرح سیستم تثبیت توان از یک مبدل توان پشت به پشت ac/dc/ac تشکیل شده است که باعث می‌شود بتوان به طور همزمان و مستقل تبادل توان‌های اکتیو و راکتیو با شبکه را کنترل کرد. در این زمینه، مبدل‌های چندسطحی به دلیل توانایی آن‌ها در برآورد تقاضای افزایش یافته مقادیر توان و بهبود کیفیت توان از لحظا کاهش اعوجاج توان، تداخل الکترومغناطیس کمتر و راندمان بالا در مقایسه با توپولوژی‌های معمولی، برای کاربردهای توان متوسط و بالا ترجیح داده می‌شوند [5]. این مقاله یک ساختار بهبودیافته سیستم تثبیت توان برای اتصال موثر سیستم‌های بادی درایو مستقیم PMSG به شبکه را معرفی می‌کند که مبتنی بر یک چیدمان ساده است و با توپولوژی تک‌مرحله‌ای نوین تبدیل توان متفاوت می‌باشد. مبدل به کار رفته در این طرح یک اینور سه فاز سه مرحله‌ای منبع Z است و نسبت به ساختارهای معمولی مزایای قابل‌توجهی دارد. مدل کامل این مبدل توصیف و طرح کنترلی آن طراحی شده است که شامل یک راهبردی کنترلی کاملا مجزا در قاب مرجع d-q است. عملکرد دینامیکی مدل‌های ارائه شده و طرح‌های کنترلی از طریق شبیه‌سازی‌های دیجیتالی در نرم‌افزار متلب/سیمولینک به تایید رسیده است.