مدل بندی توربین های بادی بر مبنای ژنراتورهای القائی سوخت (تغذیه) دو برابر، برای مطالعات پایداری سیستم برق و قدرت
چکیده :
این مقاله با فرمول سازی ژنراتور القائی سوخت دو برابر (DFIG) و مرتبط برای تحقیقات پایداری سرو کار دارد. برای کارا ساختن محاسبات، یک مدل DFIG با ترتیب کاهش، توسعه یافته که محاسبه را به جزء بسامد اساسی محدود می کند. با این حال ترفیع و گسترش مدل که در این مقاله معرفی شده است، به بررسی اجزای متناوب جریان آرمیچر (گردنده) هم امکان می دهد که برای بکار انداختن عملیات (کارکرد) اهرم، الزامی است. مدل های مناسب برای مبدل های گردنه و مبدل های کناری شبکه هم که ارتباط dc دارند، مقام 4 حالت اجرائی ممکن را محسوب می کند. مدل پیشنهادی برای کنترل سرعت و کنترل زاویه پیچ (گام) می تواند زمانی استفاده شود که تغییرات سرعت گردنده و باد، مهم و اساسی باشند نتایج شبیه سازی، برای اهداف ثبات کدل و همچنین برای عملکرد دینامیکی (پویایی) مزارع بادی روبع دریا ارائه می شوند که او طریق کابل های زیر دریایی بلند، به شبکه ولتاژ بالا اتصال می یابند.
واژه های ضمیمه :
کنترل سیستم، دستگاه القائی با تغذیه یا سوخت دو برابر، پایداری سیستم برق، قدرت یا نیروی بادی
نام گذاری :
جریانات گردنده و استیانه مختلط (پیچیده)
ولتاژهای پایانه گردنده و استانه مختلط
ولتاژ مبدل با رابلط dc پیوستهای القائی گردنده و استیانه مختلط
انداکتانس نشتی روتور و استاتور به صورت مقادیر پریونیت، آنها به ری اکتانس های X6R و X65 مرتبط می باشند.
انداکتانس میدان اصلی بصورت مقادیر پریونیت که به ری اکتانس Xh مربوط می باشند.
مقاومت روتور و استاتور
سرعت زاویه ای روتور، سرعت همزمان
ثابت داخلی گروه های انبوه در حال چرخش توربین بادی
سرعت باد
زاویه گام
گشتاور مکانیکی / الکتریکی
اندیس های بالا و پایین :
متغیریا/ انداکتانس گذارا
جزء محوری 4 گانه مستقیم
قالب مرجع، اختیاری 4> ، w0> : همزمان،
US > : ولتاژ استور دارای جهت
1 ) مقدم
دهه گذشته باد را به عنوان پر تحریک ترین منبع انرژی در حال رشد جماتی، تجربه کرده است. در آلمان ظرفیت توربین بادی نصب شده تقریباً تا پایان سال 2006 از 20 Gw پیش گرفته بود. در 2020 ظرفیت قدرت بادی کل، تقریباً Gw 50 مورد انتظار خواهد بودکه پیش از 50 درصد بار اوج آلمان است. در آینده افزایش نیروی بادی، بطور عمده رو به دریا خواهد بود یعنی جاهائی که کشت های بادی باچندین هزار مگاوات به شبکه KV 400 متصل میشوند.
با درصد و سهم افزایش باد در تولید برق، عملکرد دینامیکی (پویائی) سیستم برق بطور قابل توجهی بخاطر تکنولوژی های متفاوت بکار رفته برای پزنراتور های بادی و معمولیتغیر خواهد کرد. بنابراین توربین های بادی و پارک های بادی باید در مطالعات پایداری دینامیک سیستم قدرت بررسی می شوند که برای آن، مدل هائی از توربین های بادی مناسب مورد نیاز است. این مدل ها باید از نظر درجه درستی یا صحت برای بررسی تعاملات پویائی مربوطه بین شبکه و توربین بادی و سهولت مورد نیاز برای شبیه سازی از سیستم های بزرگ با هم ترکیب شوند. مدل بندی توربین بادی، یک تحقیق معمولی است که معمولاً بسیاری از نهادهای آکادمیک (دانشگاهی) و بانیان، آنرا انجام می دهند. انتشارات متفاوت در گذشته اخیر بوجود آمده که از آن جنبه مطالعات پایداری در سطح بزرگ و وسیع به حساب می آید. علی رغم تلاش های صورت گرفته، مدل توربین بادی هنوز به برخی اصلاحات، توسعه ها و تطابقات نیاز دارد. بر مبنای تجارب نویسندگان مشغول در فرآیند توسعه، کنترل و اجرای فشار زیادی از توربین هایبادی تا گروه 5 مگاوات، این مقاله، گزارش جامعی درباره مدل بندی WT بر اساس ژنراتور القائی با سوخت دو برابر (DFIG) برای مطالعات پویائی سیستم قدرت و نوع پایداری آن را فراهم میکند.
ژنراتورهای همزمان معمول، برای تحلیل پایداری مدل های کاهش، توصیف می شوند. همان تقریب و تخلیل ها برای نتایج DFIG در یک مدل مشابه بکار برده می شود که با برخی محدودیت ها، قابل اجرا است. در مورد اختلالات شبکه جدی، DFIG و سیستم مبرل مربوطه، باید در برابر صدمه و آسیب محافظت شوند که برای آن اهرم دو شاخ (CB) روشی است که بطور عمده استفاده می شود. CB یک مقاومت اتصالی به مدار رونق، برای دوره زمانی کوتاه و برای انرژی زدائی دستگاه در حال قطع شدن مبدل، فی باشد. روشن کردن CB بر مبنای جریان روتور و یا مقادیر ولتاژ رابط dc (جریان مستقیم) مبدل، بوجود می آید. بااین حال زمانیکه شبیه سازی با استفاده از یک مدل با ترتیب کاهش انجام می گیرد، اجزای اصلی برای گرفتن سیکنال های تریگر (قطع) در هر دو متغییر به کنار گذاشته می شود. یک روش مناسب برای برطرف کردن این مسأله در مقاله مذکور بحث و بررسی شده است. در حالت اجرائی طبیعی، جریانات،اکتیو، اکتیو (فعال) و ری اکتیو (واکنشی) و از این رو Q , P مربوطه به DFIG ، توسط مبدل کناری روتور، بطور مستقبل کنترل می شوند. کنترل گر مربوطه بر مبنای معادلات DFIG ناشی میشود. مدل های ساده شده هم برای مبدل رابطه dc و خط کنلری مبدل، ارائه میشوند. برای اینکه مطالعات شبیه سازی، متغیرهایسرعت باد را در نظر بگیرند ویا زمانیکه انحراف سرعت ملی روتور، سرعت توربین و سیستم های کنترل گام آن باید بررسی شوند. به همین منظور، یک مدل کلی و ژنریک پیشنهاد می شود. نتایج شبیه سازی، برای اهداف اثبات و طبقه بندی ارائه می شوند. در پایان این مقاله، عملکرد خاص کشت بادی عمدۀ روبه دریا به عنوان پاسخی به اختلال شبکه ای، نشان داده شده است.
پیچش های محوری توربین بادی ممکن است برای نوعپایداری شبیهسازی هاسودآور باشد بویژه زمانیکه تعاملاتی با کنترل گرها، مورد انتظار است. با اینحال بخاطر محدودیت فضائی، این موضوع در مقاله حاضر ارائه نشده است.
2 ) مدل DFIG :
A : مدل مفصل و کامل با ترتیبی کلی (full - order)
DFIG رایج ترین وسیله بکار رفته برای تولید نیروی بادی است. همانگونه که بطور کلی شناخته شده، پایانه های روتور بایک ولتاژ سه فاز متقارن مربوط به دامنه و نوسانمتغیر تغذیه میشوند. این ولتاژ را یک مبدل منبع ولتاژ فراهم می کند که معمولاً با مدارهای الکترونیکی برق، بر مبنای IGBT تجهیز شده است. ساختار مبنا در شکل استان داده شده است.
ولتاژ روتور نوسان متغیر، به تنظیم سرعت روتور امکان می دهد تا به نقطه اجرائی بهینه با هر سرعت بادی عملی، ارتباط یابد. محافظت در مقابل جریانات بالا و ولتاژ جریان مستقیم بطور نامطلوب بالا، توسط CB فراهم می شود که در طرفی ازروتور قرار می گیرد. زمانیکه جریان روتور افزایش مییابد و ولتاژ dc فراتر از مقدار مجاز فوقانی است، سوئیچ های نیرسیتور روشن شده و پایانه های روتور از طریق مقاومت CB مدار کوتاه (اتصال کوتاه) می شوند. در طی این دورهف مبدل کنترل تنظیم و نصب می شود تا خاموش کند و DFIG به عنوان یک دستگاه الفائی رینگ (حلقه) لغزش معمولی عمل می کند. به دنیا مدارهای کوتاه شبکه، جریان روتور شامل اجزای متناوب اضافی است که با جریانات مدار کوتاه dc معروف، بر روی طرف استاور، مرتبط است. جریانات روتور متناوب، منجر به فراتر رفتن از حدّ ولتاژ رابط dc مبدل میشود.
و از این رو تأثیر سیگنال روشن CB بوجود می آید. برای بررسی جریانات روتور متناوب در شبیه سازی، یک مدل DFIG مفصل با ترتیب کلی مورد نیاز است.
پیش زمینه تئوریک برای مدل بندی دستگاه های القاء بطور گسترده توسعه یافتند و بطور کامل در مقالات و متون درسی گسترده ای بکار گرفته شده اند. در این مقاله نشان فازور فضائی با استفاده از بردارهای مختلط (متغیرهای زیر خط دار)، از حملیه اجزای محوری مستقیم اورسورگونال (d) و چهار تاش (q) پذیرفته شده است. فازورها میتوانند با توجه به سیستم مبنای چرخشی متفاوت، نشان داده شوند و این سیستم ها ممکن است در هر نقطه در سطح مختلط، نصب شوند. انتخاب سیستم مبنا، جهت و سوی مستقیم، بر واقعیت کنترل کوپلاژ (منفصل) مطلوب Q , P را دارد. سیستم بنای مبنا برای هر یک از متغیرهای مختلط، با استفاده از یک اندیس بالا > مشخص میشوند که با یک علامت نشان دهنده سرعت سیستم مبنا و یا یک فازور متغیر، دنبال می شود که حاکی از ارتباط محور d انتخابی، با مسیر فازور است.
معادلات (1) ، (5) مجموعه کامل از روابط ریاضیاتی را نشان می دهند که عملکرد دینامیکی دستگاه را توصیفمی کنند. سیستم پریونیت (p . a) بهعنوان یک واحد اندازه گیری، برای مقام مقادیر، پذیرفته شده و در علامت عرف که با چنین روشی انتخاب می شود، نیروهای واکنشی القائی و فعال مصرفی، مثبت هستند (همچنین توجه کنید که w0 مساوی با 0/1 در پریونیت است).
معادلات ولتاژ :
(1)
(2)
Wk یک سرعت اختیاری مرتبط با سرعت سیستم مبنای در حال چرخش بکار رفته، است که اندیس k > آن را مشخص می کند.
پیوست های القائی : (پیوند شار)
(3)
(4)
در این فرمول
معادله حرکتی :
(5)
بعد از تعدادی کاربرد درست جبری، هر کس معدله حالت محتلط (پیچیده) را برای مدارهای روتور و استاتور به شرح زیر در نظر می گیرد :
(6)
(7)
که همراه با معادله حرکتی (5)، مدل ترتیب کلی (full - order) (FOM) را تشکیل می دهند که می تواند برای مقادیر فوری شبیه سازی های حوزه زمانی نوپا، استفاده شود. متغیرهای حالت، اجزای فشار روتور و استاتور، به مانند سرعت روتور، هستند. اغلب ولتاژ استاتور VS<K ثابت است یا به عنوان یک متغیر ورودی مستقل می شود. این، خود به استفاده از Fom برای تحقیقات در باس نامحدود دستگاه منفرد امکان می دهد. بااین حال در یک عملیات موازی شبکه : ولتاژ استاتور می تواند متغیر باشد که به تعامل بین DEIC و شبکه بستگی دارد. بطور اساسی Fom به معادلات متفاوت برای کل شبکه بخاطر این حقیقت نیاز دارد که شبکه بطور مستقیم به مدار استاتور متصل است. ولتاژ استاتور در (6)، با استفاده از معادلات متفاوت شبکه ای می تواند حذف شود. اگر Fom برای شبیه سازی حوزه زمانی بکار رود، اندازه های مرحله تکمیلی کوچک، به عنوان نتیجه ای از مقادیر ثابت زمانی کم، مورد نیاز میباشند. مرحله زمان تکمیلی کم، علاوه بر شعار عمده معادلات، مختلف، بویژه برای شبکه، منجر به تلاش سازی شبیه سازی قابل توجه به هنگام مطالعه سیستم های بزرگ می شود. این عدم منافع، صدمات قابل اجرا بودن Fom را برای شبکهای کوچک یا حتی برای سیستم باس نامحدود در دستگاه تک، محدود می کند.
B : مدل با ترتیب کاهشی :
این مدل (Rom) می تواند با نادیده گرفتن شرایط اشتقاقی در (1) بدست آورده شود : یعنی این تقریب فقط در سیستم مبنای چرخشی بطور همزمان موجه است. مطابق با آن و از این نقطه به بعد، سیستم مبنای چرخشی همزمان، پذیرفته شده ولی اندیس w0 > برای سهولت ایده (فکر)، به کنار گذاشته می شود. سپس آن فرمول (1) را برای پیوندهای شاری استاتور دنبال می کند که :
بطور مشابه، اظهار دیگری پیوندهای شاری استاتور می تواند با حذف جریان روتور در (3) و استفاده از (4) حاصل شود، از این رو
(10)
از فرمول (9) و (10) داریم :
(11)
که بعد از ترتیب و اصلاح مجدد فرمول زیر بوجود می آید :
(12)
در اینجا :
(13)
(14)
که به عنوان امپدانس گذاری داخلی و منبع ولتاژ ثونین محرک گذار، تعریف میشوند و به ترتیب با فرمول زیر مشخص می شوند :
ولتاژ (12) می تواند با استفاده از مدار معادل نشان داده شده در شکل 2 توصیف شود.
ولتاژ داخلی v در شکل 2، تابعی از اجزای q , d مربوط به شار روتور می باشند که همراه با سرعت روتور، متغیرهای حالت مدل با ترتیب کاهش هستند خود معادلات متفاوت حالت فضا، می تواند از فرمول (2) بعد از حذف جریان روتور و با استفاده از (4) حاصل شود. رابط منتج شده که به اجزای q , d منفک می شود بهصورت :
(15)
(16)
برای تکمیل مدل ظاهراً ثابت (بی حرکت)، معادله حرکت (5) باید برای این حقیقت اصلاح شود که شار استاتور به مدت طولانی یک متغیر حالت، نیست. این اول با حذف شار استاتور و با استفاده از فرمول (3) حاصل می شود و سپس از طریق جریان روتور و استفاده از فرمول (4) که منجر به فرمول زیر می شود :
(17)
معادلات (15) تا (17)، مدل رده سوم ظاهراً ثابت از دستگاه القائی را بوجود می آورند. تعیین پیوند شاروتور (R ) و از این رو جریان استاتور (is)، به تکمیل عددی معادلات (15) و (16) و حل معادلات بخش بار جبری شبکه، نیاز دارد که با آن مدار معادل دستگاه، (شکل 2) بوجود می آید. معادله حرکت (17) باید بطور همزمان با معادلات (15). (16) برای بدست آوردن سرعت روتور حل شود.
با مدل گسترده شده با ترتیب کاهش (reduced – order) :
از آنجائیکه مدل ترتیب کاهشی، اجزای dc جریان استاتور را بررسی نمیکن. و از ایین جریانات روتور متناوب مربوطه را در نظر نمی گیرد، آن بای راه اندازی سوئیچ اهرم دو شاخ مناسب نیست. به همین منظور، گسترش و ترفیح مدل، در این مقاله پیشنهاد شده که به استفاده بیشتر از Rom امکان می دهد ولی یک بخش مدل اضافی، فوال می شود، زمانیکه تطبیق اجزاء dc با نتایج شبیه سازیف الزامی است. این ایده بر مبنای فرضیه ای است که شار استاتور محاسبه شده با استفاده از Rom ، فقط جزء کمی از s می باشد. از فرمول (6) و با بررسی معادله (8) داریم : که در این معادله اندیس بالایی (Rom) محلولِ Rom کم، را مشخص می کند. در سیستم مبنای همزمان، کم کردن معادله (18) از (6) فرمول زیر را بوجود می آورد :
(19)
که تحت فرضیه های زیر می باشد :
(1) این تقریباً زمانی کامل می شود که اهرم خاموش شود. با وجود اهرم در مدار، این فرضیه کمتر معقول بوده ولی هنوز قابل قبول است.
(2) این مسلم فرض می کند که پایانه استاتور تا ولتاژ معادل تونین شبکه افزایش می یابد. در این مورد پارامترهای استاتور باید همچنین بصورت اصلاح شوند که پارامترهای امپدانس شبکه معادل می باشند. با این حال باید تأکید شود که دانست USN بصورت خاص الزامی نیست ولی این فرضیه باید بطور کلی، ممکن باشد. امپدانس شبکۀ معادل مربوطه به آسانی از ظرفیت مدار کوتاه مشخصK ً S ، محاسبه می شود. واضح است که امتداد و توسعه پیشنهادی مدارهای استاتور به یک منبع ولتاژ مجازی مرتبط با فرضیه هاف برای محاسبه مدار اتصال کوتاه استاندارد استفاده می شود. با این حال روش مذکور، امپدانس شبکه معادل ثابت، را مسلم فرض می کند. بنابراین شبیه سازی به مواردی محدود میشود که امپدانس بطور اساسی تحت تأثیر اختلال شبکه قرار نمی گیرد.
در معادله (19)، شاراستاتور بهصورت ارائه می شود تا تقریب بکار رفته تأکید شود و همین طور گسترش استاتور برای شمولیت مدار معادل شبکه را نشاندهد.
معادله (19) فقط را به عنوان یک متغیر ورودی دارد که به صورت زیر محاسبه می شود :
(20)
و به عنوان یک نتیجه می تواند مشابه با معادلات Rom حل شود. علاوه بر این، گسترش مدل باید در جواب و واکنش به اختلالات شبکه ای مقدم باشد و می تواند زمانیکه تفاوت بین قابل چشم پوشی است. نادیده گرفته شود. Rom با امتداد مذکور، به محاسبه جریانات روتور اجزای متناوب مربوطۀ بوجود آمدهف توسط جزء dc (جریان مستقیم) جریانات اتصال کوتاه استاتور، امکانمیدهد.
یک شرح بسیار مفصل از گسترش مدل پیشنهادی، می تواند در [15] یافت شود. هم چنین مقایسات بر مبنای نتایج شبیه سازی بین مدل ترتیب کامل، Rom و Romie در [15] ارائه شده است.
3 ) کنترل سرعت و گام :
مدل سادهشدۀ پیشنهادی برای مطالعات پویائی سیستم قدرت، در شکل 3 نشان داده شده است. قدرت مکانیکی بوجود آمده از باد می تواند بصورت زیر محاسبه شود :
(21)
که در اینجا :
غلظت هوا
برش مقطعی که از طریق آن انبوه هوا جریانمی یابد
ضریب قدرت
سرعت وزشباد
سازندگان wt، مقدار خاص CP را براییک توریبن، به عنوانتابعی از زاویه گام (B) و نسبت سرعت – نوک ارائه می کنند. نسبت سرعت – قسمت نوک بصورت زیر تعریف می شود. در اینجا R، شعاع و WT سرعت توربین است. یک رابطه ثابت بین WR , WT وجود دارد که بوسیلهنسبت انتقال (تغییر) چرخ دنده ارائه میشود. محاسبه قدرت با فرمول (21)، بر مبنای یک سرعت بادی خاص است. با این حال در حالت واقعی سرعت باد ممکن است تقریباً در جهت (مسیر)، متفاوت باشد و شدت آن در برابر بخش مذکور بوسیله پره ها قطع شود. برای بررسی این اثر، سرعت باد، از طریف یک بلوک تا خیر فاز به معادله تبدیل نیرو فراهم می شود.
طرح کنترل که در شکل 3 نشان داده شده، دو خروجی یا نتیجه دارد : قدرت مبنای توربین بادی که به مبدلی کنترل و مقدار مبنای گام، راه می یابد. هر دوی کانال هایکنترلی، انحراف سرعت را به عنوان ورودی دارند. کنترل گر گشتاور تلاش می کند تا سرعت را در سطح سهمینۀ مرتبط با قدرت واقعی توربین بادی نگه دارد. سرعت سهمینه در یک جدول بررسی ذخیره می شود. زمانیکه این سرعت فراتر از سرعت ظاهری است، کنترل گر گام، بر پائی پره ها را شروع می کند. از این رو، قدرت مکانیکی تولید شده توسط باد، کمتر می شود و در نتیجۀ آن سرعت محور (میله) هم کاهش می یابد. سرعت باد برای کنترل، در این طرح بخاطر مشکلاتی درباره درجه صحت اندازه گیری های سرعت باد، بکار برده می شود. هر دو کنترل گرها بطور دائمی فعال هستند چون تغیر بین ساختارهای متفاوت، الزامی نیست.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 16صفحه
...