تنظیم مستقیم توان راکتیو و اکتیو ژنراتوردوسوتغذیه( DFIG ) با استفاده از روش کنترل مد لغزشی (DPC)

چکیده

کلمات کلیدی 

فهرست علائم و اختصارات

مقدمه

شکل 1 : مدار معادل یک DFIG در چارچوب مرجع دائم استاتور

رفتار دینامیکی یک DFIG در چارچوب مرجع دائم(ثابت) استاتور : 

شکل 2 : دیاگرام شماتیک   LUT DPCمعمولی یک سیستم DFIG متصل با شبکه

شکل 3 : مقایسه گرهای  پسماند توان راکتیو و اکتیو

 DPC پیشنهاد شده با استفاده از روش SMC

DPC (A معمولی 

DPC پیشنهاد شده بر اساس SMC 

قانون SMC 

اثبات ثبات 

 اثبات نیرومندی

چاره مشکل نوسانات توان 

شکل 4 : نمودار طرح کلی روش DPC پیشنهاد شده با استفاده از روش SMC جهت یک DFIG مرتبط با شبکه

شکل 5:  طرح سیستم شبیه سازی شده

نتایج شبیه سازی 

جدول 1 : پارامترهای سیستم DFIG شبیه سازی شده

جدول 2 : پارامترهای کنترل تنظیم کننده SMC

مطالعات تطبیقی (مقایسه ای) 

شکل 6 : نتایج شبیه سازی با استفاده از سه روش کنترل متفاوت در طی مراحل توان راکتیو و فعال استاتور گوناگون(a) داده ی خروجی توان اکتیو یا فعال (b), ( MW) داده ی خروجی توان راکتیو (c) , (MVAR) جریانات استاتور سه فازی (KA)  (d) جریانات روتور سه فازی (KA) . LUT DPC (A) معمولی ، DPC ( B)  SMC پیشنهاد شده ، VC ( C)  کلاسیک .

شکل 7 : طیف هارمونیک جریان استاتور:  LUT DPC ( a) . QS=1 MVAR, PS=2MW معمولی،         DPC (b)  SMC پیشنهاد شده : فرکانس سوئیچ زنی VC (c) , 1KHZ= کلاسیک ، فرکانس سوئیچ زنی = 1KHZ

شکل 8 : طیف های هارمونیک جریان روتور LUT  DPC (a) Qs=1 mvar ,Ps=2mv معمولی ، smc dpc ( b)  پیشنهاد شده ، فرکانس کلید زنی =  vc ( c ) , 1khzکلاسیک : فرکانس سوئیچ زنی = 1khz .

شکل 9 : خطاهای توان اکتیو و راکتیو و توابع سوئیچ مرتبط با آن

شکل 10 : نتایج شبیه سازی شده تحت مراحل توان اکتیو و راکتیو استاتور مختلف و تغییرات سرعت روتور . (a) توان اکتیو (mv) و توان راکتیو استاتور (b) , (m var)  جریانات استاتور سه فازی (c), (ka) جریانات روتور سه فازی(ka)   (d) , سرعت روتور  (A). ( pu) بدون خطاهای (B) , lm , Rs , Rr با خطاهای (C) , -%50LM , -%50, RS , -%50Rr دارای خطاهای (D) , T%50LM, -%50Rs, -%50Rr دارای خطاهای +%50 lm , +%50Rs, +%50Rr ) .

. اثر توابع سوئیچ sgn(s2), sgn(s1)  : 

نیرومندی به عدم تطابق بین پارامترها 

رفتار پیگیری 

شکل 11 : رفتار پیگیری smc dpc پیشنهاد شده  دارای توان های راکتیو و اکتیو استاتور ، که از لحاظ سینوسی تغییر پیدا می کنند و به صورت مرحله ای تغییر پیدا می کند  (a) توان اکتیو استاتور (b) , ( mw) توان اکتیو استاتور (mw) ( پنجره ی بزرگ شده ی بین 0.07, 0.03 ثانیه ) 

(c) توان راکتیو استاتور (mvar) . (d) توان راکتیو استاتور (mvar) ( پنجره ی بزرگ شده ی بین 0.12, 0.08 ثانیه ) . (e) جریانات استاتور سه فازی (ka) . (f) جریانات روتور سه فازی (ka).

پاسخ MPPT 

نتیجه گیری 

شکل 12 : نتایج شبیه سازی شده ی یک سیستم کامل نیروگاه بادی بر اساس DFIG ، که در نتیجه ی تغییر سرعت باد ، به طور مرحله ای تغییر پیدا می کند . (a) سرعت باد (b).(m/s) سرعت ژنراتور (c). (pu) گشتاور نیروی الکترومغناطیسی (d). ( kNm) توان اکتیو استاتور (e). ( mw) توان راکتیو استاتور (f) . ( mvar) جریانات روتور سه فازی (ka)  .

این مقاله یک روش کنترل مستقیم توان راکتیو و اکتیو (DPC) جدید ژنراتور القایی دوسو تغذیه (DFIG) متصل به شبکه، که دریک نیروگاه بادی نصب شده است را ارائه نموده است . روش DPC پیشنهادی، ولتاژکنترل موردنیاز روتوررا با یک روش کنترل غیر خطی با مد لغزشی، بطورمستقیم محاسبه می کند به طوریکه خطاهای لحظه ای توان های راکتیور و اکتیوبدون تبدیل هرگونه مختصات سنکرون حذف می شوند . در نتیجه نیازی به حلقه های کنترل جریان نبوده بنابراین با ساده شدن طراحی سیستم میزان عملکرد گذرا بهبود می یابد . فرکانس سوئیچ زنی مبدل ثابت با استفاده از مدولاسیون بردار فضایی بدست می آید بطوری که طراحی مبدل توان و فیلتر هارمونیک ac را ساده می کند . دراین مقاله نتایچ شبیه سازی مربوط به شبکه ای است که متصل به ژنراتور دوسو تغذیه (DFIG) با ظرفیت 2MW بوده، که با نتایج روش معمولی کنترل برداری ولتاژ و نتایج بدست آمده از جدول کنترل توان مستقیم ( DPC- LUT ) مقایسه می شوند .بنابراین DPC پیشنهادی ،همانند DPC- LUT میزان عملکرد گذرای بهبود یافته را فراهم می کند. و دیگری اینکه مثل روش کنترل بردار ((VC هارمونیک حالت دائم را در همان سطح نگه می دارد .

درسیستم تولید برق نیروگاه بادی ژنراتورهای القایی دوسو تغذیه (DFIG) در مقایسه با ژنراتورهای القایی سرعت ثابت یا ژنراتورهای سنکرون با مبدل کامل، به علت متغیربودن سرعت آن ، قابلیت تغییر توان راکتیو ویک چهارم توان اکتیو آن ، هزینه تبدیل کم و کاهش تلفات توان ، مورد استفاده قرار گرفته اند . کنترل کلاسیک DFIG های متصل شده به شبکه ، معمولا بر اساس کنترل برداری ولتاژ استاتور یا کنترل برداری شار استاتور (SFO) میباشد . این طرح در چارچوب مرجع همزمان(سنکرون) ، جریان روتور را در مولفه های توان راکتیور و اکتیوتجزیه می کند . با استفاده از کنترل کننده های PI و تنظیم جریان تجزیه شده روتور ،کنترل لحظه ای توان های راکتیو و اکتیواستاتور بدست می آید . عیب اصلی این کنترل این است که عملکرد کنترل کننده خیلی متکی بر پارامترهای PI و پارامترهای دقیق ژنراتور مثل اندوکتانس استاتور، اندوکتانس روتور و مقاومتها می باشد . در نتیجه ، وقتی که پارامترهای ژنراتور واقعی از مقادیر استفاده شده در سیستم کنترل انحراف پیدا کنند ، عملکرد کنترل کننده ممکن است افت پیدا کند . با توجه به بهره برداری گسسته از اینورتر منبع ولتاژ ، روش کنترل مستقیم گشتاور (DTC) به عنوان یک جایگزین مناسب برای روش کنترل بردار (VC) ژنراتور های القایی پیشنهاد شده است . این روش ، گشتاور مستقیم ژنراتور را تنظیم می کند و میزان استفاده از پارامترهای ژنراتور را به حداقل می رساند و میزان پیچیدگی روش کنترل برداری(VC) را ندارد . در ابتدا ، روش اساسی DTC بطور مستقیم گشتاور و شار را با انتخاب بردارهای ولتاژ از یک جدول از پیش تعریف شده (LUT) بر اساس شار استاتور و اطلاعات گشتاور کنترل می کند . یک ازمشکلات اصلی روش DTC این است که عمدتا طراحی مدارقدرت به دلیل تعدد فرکانس سوئیچ زنی های مبدل (مطابق شرایط عملیاتی و کنترل کننده های پهنای باند شارپسماند/ گشتاور) پیچیده می شود ودرنتیجه نوسان های گشتاور تغییر پیدا می کند . توسط به کار گرفتن روش مدولاسیون بردار فضایی (SVM) ، تلاشهایی جهت حل این مسئله انجام گرفتند و ضمنا فرکانس سوئیچ زنی ثابت بدست آمد . سیکل های سوئیچ زنی اینورتر باتوجه به کنترل کننده های PI گشتاور وشار بادرنظرگرفتن خطاهای لحظه ای گشتاور و شار درهر دوره نمونه برداری محاسبه شدند . بردار ولتاژ خروجی با استفاده از جدول سوئیچ زنی (DTC) انتخاب شدند ،درحالیکه مدت زمان دوام هر بردار ولتاژ با روش مینیمم ریپل گشتاور تعیین شد . اخیرا بر اساس اصول DTC ،مشابه کنترل DTC یا کنترل توان مستقیم (DPC)، از یک روش توسعه یافته بااستفاده از اطلاعات جدول سوئیچ زنی و اطلاعات شار روتورتخمینی و شار استاتور تخمینی جهت کنترل سیستمهای DFIG استفاده شده است . به هر حال ، LUT مبتنی بر DPC ، شبیه یک DTC پایه ، دارای فرکانس های سوئیچ زنی است که عمدتا بر اساس تغییرات توان راکتیو و اکتیوتغییر پیدا می کند و بر اساس پهنای باند پسماند کنترل کننده های توان و همچنین سرعت عملیاتی ژنراتور تغییر پیدا می کند . در نتیجه ، فیلتر جریان متناوب (AC) طرف استاتور جلوی هارمونیک های سوئیچ زنی ناشی از تزریق شبکه متصل به هم را می گیرد ، شبکه متصل به هم که جهت جذب هارمونیک های پهنای باند طراحی شده و با افزایش تلفات توان ،راندمان فیلتر کاهش پیدا میکند .جهت حل این مشکل ،بردارهای سوئیچ زنی بر اساس یک جدول سوئیچ زنی مبنا انتخاب شدند و سپس مدت زمان دوام ، با هدف کاهش نوسانات گشتاور یا توان اکتیوو شار یا توان راکتیو بهینه سازی میشوند . اگر چه یک فرکانس سوئیچ زنی ثابت بدست آمد ، این فرکانس سوئیچ زنی ثابت ، نیاز به محاسبات پیچیده آنلاین داشت و وقتیکه ژنراتور نزدیک به سرعت سنکرون خود بهره برداری می شود ، مشکلات نوسانی بوجود می آیند . روش فرکانس سوئیچ زنی ثابت ساده DPC) (که بر اساس یک مدل توان پیش بینی کننده بود ، توسعه پیدا کرده است . به هر حال ، این روش در چارچوب مرجع سنکرون پیاده سازی شد که جهت پیاده سازی باید اطلاعات زاویه ولتاژ شبکه و تبدیل های مختصات سنکرون را داشته باشیم . روش کنترل مد لغزش (SMC) یا کنترل ساختار متغیر ، یک کنترل سوئیچ زنی با فرکانس بالا و موثر برای سیستم های غیر خطی دارای ابهاماتی است . اصول طراحی SMC وبرنامه های کاربردی آن بر روی سیستم های درایو الکتریکی در ابتدا پیشنهاد شدند . ویژگی طراحی SMC ، پیاده سازی ساده ، عدم پذیرش اختلال ، نیرومندی و پاسخ های سریع میباشد اما این حالت کنترل شده ، ممکن است اطلاعات نامطلوبی را نشان دهد بنابراین یک درایو DTC مبتنی بر SMC برای ژنراتور القایی با SFO تنظیم و ارائه شده است و این کنترل ساختار متغیرخطی بوده که یک مولفه سوئیچ زنی و یک مولفه خطی را به کار می گیرد و درارای رفتارهای دوگانه است . با توجه به اختلال خارجی و علم دینامیکی مدل سازی نشده توربین ها و ژنراتورهای بادی از لحاظ کنترل ایرودینامیکی و کنترل مبدل های توان چند روش SMC مرتبه دوم معرفی شده اند . یک کنترل گر مد لغزشی درجهت هدف تنظیم تولید برق در توربین های بادی دارای سرعت متغیر پیشنهاد شد . در نتیجه ، ثبات این دو ناحیه عملیاتی (نواحی دارای سرعت پایین و سرعت بالا) تضمین می شود و راه حل کنترل فیدبک ایده آل به خوبی تحمیل می شود . مرجع توان توسط الگوریتم MPPT که دنبال نقطه پیک توان در منحنی سرعت – توان است ، به وجود می آید ، اما اکثر نوسانات سرعت باد در طی زمان ، توربین را مجبور به این می کند که از اوج منحنی MPPT به پایین بیاید ودرنقطه ای کمتراز نقطه ماکزیمم توربین درسرویس قرار گیرد . از طرف دیگر ، پیگیری منحنی MPPT ، منجر به تنش مکانیکی عمده و انتقال نوسانات آیرودینامیکی به سیستم قدرت می شود . در نتیجه این باعث جذب انرژی کمتر می شود . به منظور بهبود عملکرد ، یک روش SMC دارای مرتبه بالا جهت توربین های بادی سرعت متغیر ارائه شد ، این توربین های بادی سرعت متغیر ، شامل یک ناظرکنترل کننده مد لغزشی مرتبه دوم جهت برآورد گشتاور ایرودینامیکی و یک کنترل گر مد لغزشی مرتبه دوم برای پیداکردن گشتاور مطلوب می باشد . در حالیکه جهت هدایت مبدل سمت روتور DFIG از توربین جریان دریایی و توربین بادی استفاده شده ، طرح های SMC مرتبه دوم جهت تنظیم جریان های روتور محور q وd یا جریان روتور محور d و گشتاور نیروی الکترومغناطیسی با SFO در چارچوب مرجع سنکرون پیشنهاد شد . واضح است که مشابه با روشهای VC و DPC ، روش کنترل این مبدل که براساس SMC است نیاز به اطلاعات مختصات تبدیل سنکرون مرتبط با اطلاعات زاویه شار استاتور دارند . علاوه براین، مشابه با روش VC ، حلقه کنترل بیرونی اضافی توانهای راکتیو و اکتیو جهت بدست آوردن مقادیر مرجع جریان روتور محور d,q مورد نیاز است . جهت از بین بردن نقصی که در ابتدا متذکر شدیم ، این مقاله ، تنظیم توان راکتیو و اکتیومستقیم ژنراتوردوسوتغذیه DFIG متصل شده به شبکه را با استفاده از روش غیر خطی SMC ارائه می دهد . DPC مبتنی بر SMC پیشنهاد شده به سادگی قادر است که توانهای راکتیو و اکتیو لحظه ای را بدون هر حلقه کنترل کننده جریان روتور و تبدیل های مختصات سنکرون تنظیم کند . ولتاژ کنترل شده روتور مورد نیاز را می توان مستقیما از چارچوب مرجع دائم(ساکن) استاتور بدست آورد و روش SVM جهت دستیابی به فرکانس سوئیچ زنی ثابت استفاده می شود . در نتیجه ،افزایش عملکرد گذرا مشابه با LUT DPC معمولی بدست می آید ، با توجه به استفاده از SVM ، حالت دائم(ثابت) استاتور و طیف هارمونیک جریان روتور همانند روشVC ، نگه داشته می شود . ودرادامه این مقاله به صورت زیر سازماندهی شده است . بخش II رفتار دینامیکی DFIG متصل شده به شبکه را در چارچوب مرجع دائم(ثابت) و جریانهای لحظه ای توان راکتیو و اکتیواستاتور مرتبط با آن را ارائه می دهد . در بخش III توسط LUT- DPC معمولی که به طور خلاصه توصیف شده است ، روش DPC مبتنی بر SMC پیشنهاد ، طراحی و تجزیه و تحلیل می شود . در بخش IV نتایج شبیه سازی را جهت نشان دادن عملکرد روش DPC پیشنهاد شده را ارائه می دهد . بالاخره ، نتایج در بخش V ارائه می شوند .