کنترل ولتاژ در میکرو شبکه شامل توربین های بادی بر پایه ژنراتور القایی و ژنراتور سنکرون WORD
فهرست مطالب
1-1-2- مزایای استفاده از انرژی باد در مقایسه با سو خت های فسیلی.. 5
1-1-4- مزایای ژنراتور القایی.. 6
1-1-5- معایب ژنراتور القایی.. 7
1-2-2- اهمیت انرژیهای نو و دلیل گرایش به آن‌ها11
1-3-1- تاریخچه استفاده از انرژی بادی.. 13
1-3-2- تاریخچه میکروتوربین.. 15
1-3-4- بهره‌برداری از سیستم‌های ترکیبی.. 16
1-4-1- هدف به کار گیری تولیدات پراکنده19
1-4-9- سهم تولید پراکنده در کل مصرف.. 24
1-5- فواید بالقوه تولید پراکنده25
1-6- عواملی که مانع گسترش تولید پراکنده می‌شوند. 27
1-7- به‌کارگیری منابع انرژی پراکنده در شبکه. 28
1-8- شرح مفاهیم مربوط به نیروگاه مجازی.. 29
1-8-1- تعریف ریز شبکه و نیروگاه مجازی.. 29
1-8-2- نیروگاههای مجازی و حرکت به سمت شبکه هوشمند. 32
1-8-3- منابع انرژی توزیع شده36
1-8-4- روشهای کنترل و بهره برداری از نیروگاه های مجازی.. 38
2-2- ساختمان توربین های بادی:46
2-2-1- انواع ساختار فیزیکی توربین بادی.. 49
2-2-1-1- توربین های بادی با محور چرخش عمودی VAWT. 50
2-2-1-2- توربین های بادی با محور چرخش افقی HAWT. 51
2-2-1-3- طبقه بندی توربین های بادی پروانه ای با محور افقی HAW... 52
2-2-2- انواع ساختار عملکردی توربین های بادی.. 53
2-2-2-1- توربین های بادی با سرعت ثابت :53
2-2-2-2- توربین های بادی با سرعت متغیر:54
2-3-1- توربین سرعت ثابت نوع A :57
2-3-2- توربین سرعت متغیر با مقاومت روتور متغیرنوع B (سرعت متغیر محدود):58
2-3-3- سرعت متغیر همراه با مبدل فرکانسنوع C (مبدل فرکانسی با ظرفیت کسری):59
2-4- انواع ژنراتورهای مورد استفاده در توربین های بادی:61
2-4-3- ساختار سرعت متغیر محدود:64
2-4-4- ساختار سرعت متغیر با کانورتر غیر کامل:65
2-4-5- ساختار سرعت متغیر کوپل مستقیم با کانورتر کامل:67
2-4-6- انواع ساختار بدون گیربکسک... 72
2-4-6-1- ژنراتور سنکرون با روتور سیم پیچی شده74
2-4-6-2- ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم با شار شعاعی.. 74
2-4-6-3- ژنراتورهای آسنکرون (القایی)75
2-5-1-1- کنترل توان اکتیو.........82
2-5-1-2- کنترل توان راکتیو و پایداری ولتاژ83
2-5-3- قابلیت کارکرد در ولتاژ پایین شبکه (FRT)85
2-6- ساختار مبدل های بکار رفته در توربین بادی:90
2-6-2- مبدل توان غیر مستقیم.. 91
2-6-3- مبدل قدرت چند سطحی.. 92
2-6-4- مبدل های قدرت مدوله کننده93
2-7-1- ساختار روش های کنترلی بکار رفته در توربین های بادی.. 94
2-7-1-1- کنترل توان...................95
2-7-1-2- کنترل مبدل................96
2-7-1-3- کنترل کننده جهت دار ولتاژ سنکرون.. 96
2-7-1-4- روش هیسترزیس.........97
2-8- مقایسه سیستمی توربین های بادی.. 105
2-9- محدودیت های قابلیت توان راکتیو. 106
2-9-1- کنترل مجزای توان اکتیو و راکتیو در نیروگاه بادی متصل بهDFIG.. 106
2-9-1-1- عملکرد ژنراتور القایی در سرعت ثابت... 106
2-9-1-2- عملکرد ژنراتور القایی در سرعت متغیر. 107
2-9-1-3- ژنراتور قفس سنجابی تحت سرعت متغیر. 107
2-9-1-4- ژنراتور روتور سیم پیچی شده تحت سرعت متغیر. 108
2-9-2- مدل ژنراتور القایی DFIG.. 109
2-9-3- کنترل کانورتر سمت روتور110
2-9-4- کنترل کانورتر سمت شبکه. 115
فصل 3- ساختار کنترل کننده ها118
3-1- کنترل کننده خارجی (کنترل کننده جریان)118
3-1-2- روشهای مبتنی برتبدیل مراجع جریان به مراجع ولتاژ123
3-2- انواع روشهای کنترل جریان بر اساس خطی یا غیرخطی بودن.. 130
3-2-1-1- PI ساکن:.......................131
3-2-1-2- PI سنکرون:.................131
3-2-1-3- فیدبک حالت...............133
3-2-2-1- هیسترزیس:..................134
3-3- روش های جدید کنترل ماشین های القایی.. 136
3-3-1- کنترلرهای اسکالر ماشین القایی.. 137
3-3-2- کنترل کننده های برداری ماشین القایی.. 139
3-3-3- مطالعه کنترل مبتنی بر میدان ماشین القایی Decoupling. 142
3-3-3-1- کنترل مبتنی بر میدان به روش مستقیم. 146
3-3-3-2- کنترل مبتنی بر میدان به روش غیرمستقیم. 151
فصل 4- مدلسازی و شبیه سازی سیستم مورد مطالعه. 165
4-1- اتصال مستقل ژنراتور القایی به شبکه. 165
4-1-1- مدل توربین بکار رفته در ژنراتور القایی.. 165
4-2- اتصال مستقل ژنراتور سنکرون به شبکه. 172
4-2-1- مدل توربین بکار رفته در ژنراتور سنکرون.. 173
4-2-2- کنترلر موجود در اینورتر سمت ژنراتور174
4-2-3- کنترلر موجود در اینورتر سمت شبکه. 176
4-2-4- ساختمان ژنراتور سنکرون بکار رفته. 178
4-3- اتصال همزمان دو ژنراتور به شبکه. 181
4-4- اتصال همزمان دو ژنراتور به شبکه با حضور بار محلی.. 183
عنوان صفحه
جدول 1‑1 : مقادیر نامی تعریف شده برای تولید پراکنده توسط برخی مراکز تحقیقاتی.. 21
جدول 1‑2 : طبقه بندی تولید پراکنده با توجه به مقادیر نامی تولیدی.. 21
جدول 1‑3 : فناوری‌های به کار رفته در تولیدات پراکنده22
جدول 1‑4 : تأثیر برخی از فناوری‌های تولید انرژی الکتریکی بر محیط زیست... 23
جدول 2‑1: مقایسه مزایا و معایب انواع ساختار توربین های بادی 71
جدول 2‑2: مقایسه توپولوژی های مزرعه باد... 81
جدول 2‑3: مقایسه سیستمی پیکربندی های توربین بادی... 105
جدول 3‑1: حالت های مختلف برای کلیدها157
جدول 3‑2: اعمال هر یک از بردارها.. 160
جدول 3‑3: جدول کلید زنی.. 161
عنوان صفحه
شکل 1‑1: مصرف جهانی انرژی [1]9
شکل 1‑2: نقشه پتانسیل باد ایران در ارتفاع 60 متری []11
شکل 1‑3: ظرفیت تولید انرژی بادی در جهان [2].14
شکل 1‑4: یک ریز شبکه نمونه []29
شکل 1‑5: نیروگاه مجازی از دیدگاه پروژه Fenix. 31
شکل 1‑6: نیروگاه مجازی از دیدگاه پروژه CRISP. 32
شکل 1‑7:تفاوت‌های نیروگاه مجازی با نیروگاه متمرکز. 33
شکل 1‑8- کنترل متمرکز نیروگاه مجازی [23]40
شکل 2‑1: نمایی از توربین بادی onshore. 46
شکل 2‑2: نمونه ای از سیستم الکترونیک قدرت... 47
شکل 2‑4: تجهیزات الکترونیک قدرت مختلف و نواحی که در آن رشد کرده اند. 49
شکل 2‑5: نمایی از توربین بادی با محور عمودی و افقی.. 50
شکل 2‑6: طبقه بندی توربین های بادی پروانه ای با محور افقیHAW... 53
شکل 2‑7: ساختار یک نیروگاه بادی.. 55
شکل 2‑8: تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی.. 55
شکل 2‑9: توان ممکن است بوسیله کنترل stall و یا کنترل اکتیو یا کنترل pitch 56
شکل 2‑10: توربین سرعت ثابت نوع A.. 58
شکل 2‑11: توربین سرعت متغیر با مقاومت روتور متغیر نوع B.. 59
شکل 2‑12:توربین سرعت متغیر همراه با مبدل فرکانس نوع C.. 60
شکل 2‑13: توربین سرعت متغیر با مبدل توان کامل نوع D.. 61
شکل 2‑14: DFIGمبتنی بر مزرعه باد همراه با اتصال شبکه AC.. 79
شکل 2‑15: مزرعه بادی فعال با اتصال شبکه AC.. 79
شکل 2‑16: مزرعه بادی فعال با اتصال شبکه DC.. 80
شکل 2‑18: مشخصه کنترل فرکانس در توربین بادی متصل به شبکه دانمارکی.82
شکل 2‑20: مطالبات کد شبکه دانمارکی در مبادلات توان راکتیو در PCC.. 84
شکل 2‑21: الزامات کنترل توان راکتیو در کد شبکه ایرلند برای توربین های بادی.. 84
شکل 2‑23: مشخصات ولتاژ FRT در کدهای شبکه اروپایی برای انرژی باد. 86
شکل 2‑24: پشتیبانی جریان راکتیو در هنگام خطا که در کد شبکه آلمانی مشخص گردیده است.86
شکل 2‑25: سهم بازار توربین های بادی (پایان سال 2005).87
شکل 2‑26: سهم جهانی از نصب سالانه برای مفاهیم توربین بادی مورد نظر. 89
شکل 2‑27: سهم هزینه قطعات اصلی در یک توربین بادی معمولی 2 مگاواتی.. 89
شکل 2‑28: ساختار مبدل پشت به پشت... 90
شکل 2‑29: توربین بادی با ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم برای داشتن سرعت... 91
شکل 2‑30: مبدل توان غیر مستقیم ژنراتور سنکرون روتور سیم پیچی شده با پل دیودی.. 91
شکل 2‑31: ساختار مبدل های چند سطحی.. 92
شکل 2‑32: مبدل های قدرت مدوله کننده93
شکل 2‑33: ساختار روش های کنترلی بکار رفته در توربین های بادی.. 95
شکل 2‑34: ساختاری از مبدل سمت شبکه در توربین بادی.. 96
شکل 2‑35: ساختار کنترل کننده جهت دار ولتاژ سنکرون.. 97
شکل 2‑36: ساختار روش هیسترزیس.... 98
شکل 2‑37: ساختار کنترل در قاب مرجع سنکرون در یک کانورتور چند سطحی با پل H آبشاری هفت سطح .99
شکل 2‑39: ساختار عمومی یک سیستم PLL برای شبکه هماهنگ سازی.102
شکل 2‑40: محدوده عملیاتی ولتاژ و فرکانس توربین های بادی متصل به سیستم توزیع دانمارکی.103
شکل 2‑41: ساختار کلی یک سیستم مانیتورینگ شبکه مبتنی بر سه PLL فاز.104
شکل 2‑42: ساختار مونیتورینگ شبکه پیشرفته مبتنی بر PLL.. 104
شکل 2‑43: اتصال ژنراتور القایی قفس سنجابی به شبکه در عملکرد سرعت متغیر. 108
شکل 2‑44: اتصال ژنراتور القایی روتور سیم بندی شده به شبکه به صورت DFIG در عملکرد سرعت متغیر109
شکل 2‑45: کانورتر پل back-to-back متصل مابین روتور ژنراتور القایی و شبکه. 110
شکل 2‑46: دستگاه های مرجع مورد نیاز در تبدیلات... 111
شکل 2‑47: بلوک دیاگرام کنترلی برای تولید توان اکتیو. 114
شکل 2‑48: بلوک دیاگرام کنترلی برای تولید توان راکتیو. 115
شکل 2‑49: بلوک دیاگرام کنترلی تثبیت ولتاژ لینک DC.. 116
شکل 3‑1: بلوک دیاگرام کنترلکننده هیسترزیس.... 119
شکل 3‑5: خطای جریان برای اینورتر سه فازه با سیم خنثی.. 121
شکل 3‑6: خطای جریان برای اینورتر سه فازه بدون سیم خنثی.. 121
شکل 3‑8: مدار معادل تک فاز سیستم.. 123
شکل 3‑9: ساختار کلی کنترلکننده های مبتنی بر روش تبدیل مراجع جریان به ولتاژ123
شکل 3‑10: بردار ولتاژ خروجی اینورتر متناظر با وضعیت سوئیچ‌ها125
شکل 3‑11: مکان هندسی انتهای بردار مرجع برای تولید ولتاژهای سه فاز متعادل.. 126
شکل 3‑12: مکان هندسی انتهای بردار مرجع برای تولید ولتاژ سه فازه نامتعادل.. 127
شکل 3‑13: مکان هندسی انتهای بردار مرجع برای تولید ولتاژ سه فازه نامتعادل.. 128
شکل 3‑14:نوسانات مرتبه دوم ولتاژ لینک dc تحت شرایط نامتعادل.. 129
شکل 3‑16: کنترل کننده خطی PI ساکن.. 131
شکل 3‑17: استخراج مراجع ولتاژ از مراجع جریان توسط کنترلر PI132
شکل 3‑18: استفاده از کنترلر PI به منظور تعقیب جریانهای مرجع غیر متعادل.. 133
شکل 3‑19: بلوک شماتیک کنترلکننده فازی.. 134
شکل 3‑20: مقایسه سطح کنترلی: فازی(شکل سمت راست) و PI135
شکل 3‑21: دیاگرام شماتیک سیستم قدرت 12 باسه با STATCOM... 135
شکل 3‑22: روش های کنترل موتورهای القایی.. 136
شکل 3‑23: تغییرات ولتاژ بر حسب فرکانس.... 137
شکل 3‑24: منحنی مشخصه گشتاور سرعت بر اساس V/f138
شکل 3‑25: بلوک دیاگرام کنترلی حلقه باز138
شکل 3‑26: بلوک دیاگرام کنترلی حلقه بسته. 139
شکل 3‑28: موتور القایی با سه سیم پیچ.. 140
شکل 3‑29: موتور القایی با مدل سه سیم پیچی را به دو سیم پیچی عمود بر هم.. 141
شکل 3‑30: سیستم کنترل مبتنی بر میدان به روش مستقیم، ابداعی F.Blaschke [۱۴].147
شکل 3‑31: بلوک دیاگرام سسیستم کنترل ماشین القایی به روش DFOC.. 148
شکل 3‑32: بلوک دیاگرام کنترلی.. 151
شکل 3‑33: سیستم کنترل مبتنی بر میدان به صورت غیرمستقیم، ابداعی K.Hasse، [۱۳]152
شکل 3‑34: شمای سیستم کنترل مبتنی بر شار به روش غیر مستقیم[۱۶]153
شکل 3‑35: بلوک دیاگرام کنترلی.. 155
شکل 3‑36: ناحیه عملکرد موتور DC.. 155
شکل 3‑37: ساختار یک اینورتر منبع ولتاژی (VSI)157
شکل 3‑38: حالات بردارهای اصلی.. 158
شکل 3‑40: گشتاور بر حسب شار روتور و استاتور159
شکل 3‑41: انتخاب بردار ولتاژ160
شکل 3‑42: بلوک دیاگرام کنترلی روش DTC.. 161
شکل 3‑43: منحنی تغییرات گشتاور و شار162
شکل 3‑44: شبیه سازی شار روتور و استاتور در بردار فضایی.. 162
شکل 4‑1: توربین بادی با ژنراتور القایی متصل به شبکه. 165
شکل 4‑2: نمایی از مدل توربین بادی بکار رفته در ژنراتور القایی به ازای سرعت های مختلف باد. 165
شکل 4‑3: توان اکتیو خروجی ژنراتور القایی در حالت سرعت باد 5 متر بر ثانیه. 166
شکل 4‑4: توان اکتیو خروجی ژنراتور القایی در حالت سرعت باد 7.8 متر بر ثانیه. 167
شکل 4‑5: توان اکتیو خروجی ژنراتور القایی در حالت سرعت باد 8 متر بر ثانیه. 168
شکل 4‑6: توان اکتیو خروجی ژنراتور القایی در حالت سرعت باد 8.5 متر بر ثانیه. 169
شکل 4‑7: تغییرات مختلف سرعت باد نسبت به زمان.. 170
شکل 4‑8: تغییرات توان اکتیو خروجی ژنراتور القایی در سرعت های مختلف باد. 171
شکل 4‑9: تغییرات دامنه ولتاژ شبکه در سرعت های مختلف باد. 172
شکل 4‑10: توربین بادی با ژنراتور سنکرون متصل به شبکه. 173
شکل 4‑11: نمایی از مدل توربین بادی بکار رفته در ژنراتور سنکرون به ازای سرعت های مختلف باد. 173
شکل 4‑12: نمایی از ساختار کنترلی بکار رفته در بلوک کنترلر اینورتر سمت ژنراتور174
شکل 4‑13: نمایی از ساختار کنترلی بکار رفته در بلوک کنترلر اینورتر سمت شبکه. 176
شکل 4‑14: تغییرات دامنه ولتاژ شبکه در سرعت های مختلف باد. 180
شکل 4‑15: مقایسه توان اکتیو تزریقی توسط ژنراتور سنکرون نسبت به ژنراتور القایی.. 181
شکل 4‑16: شماتیک مدار در حالتی که هردو ژنراتور به شبکه و توربین بادی متصل اند. 182
شکل 4‑17: تغییرات دامنه ولتاژ شبکه در حالت اتصال هر دو ژنراتور در سرعت های مختلف باد. 183
شکل 4‑18: شماتیک مدار در حضور هر دو نوع ژنراتور و بار محلی.. 184
شکل 4‑19: تغییرات دامنه ولتاژ شبکه در حالت حضور هر دو ژنراتور و بار محلی 1مگاوات و 1مگاوار185
شکل 4‑20: تغییرات دامنه ولتاژ شبکه در حالت حضور هر دو ژنراتور و بار محلی 5مگاوات و 1مگاوار186
شکل 4‑21: تغییرات دامنه ولتاژ شبکه در حالت حضور هر دو ژنراتور و بار محلی 1مگا وات و 5مگا وار187
چکیده
انرژی بادی یکی از منابع مهم برق در سیستم های آینده خواهد بود. در این کار نگاه اجمالی بر کنترل الکترونیک قدرت انرژی باد ارائه شده است و توسعه اجزای الکترونیک قدرت مدرن نیز به طور خلاصه بررسی و مرور گردیده است. کاربرد الکترونیک قدرت از جمله کنترل انواع مختلف سیستم های تولید برق توربین بادی و مزارع بادی نیز نشان داده شده است، که نشان میدهد رفتار و عملکرد توربین بادی با استفاده از قطعات الکترونیک قدرت به طور قابل توجهی بهبود یافته است که می توانند با استفاده از کنترل توان اکتیو و راکتیو به کنترل ولتاژ کمک نمایند.
در این تحقیق,به یک سیستم قدرت ترکیبی در منابع انرژی تجدید پذیر (RES)، که به عنوان یک سیستم مستقل عمل می نماید پرداخته است. که در ان از میکرو شبکه متصل به یک مزرعه بادی استفاده شده است. که در ساختار مزرعه بادی از ترکیب ژنراتور سنکرون و ژنراتور القایی به منظور تولید توان استفاده شده است.ژنراتور سنکرون از طریق یک لینک dc به میکروشبکه متصل می شود. روش ردیابی نقطه حداکثر توان(MPPT) برای کنترل توربین بادی استفاده می شود که بدین منظور جهت انجام تنظیم ولتاژ شبکه، از یک کنترلر مناسب جهت کنترل لینک dc استفاده میگردد که کنترلر بکار رفته از نوع کنترل برداری (SVM) می باشد. شبیه سازی به منظور بررسی کنترل ولتاژ سیستم انجام می شود.
نتایج شبیه سازی در MATLAB / SIMULINK نشان می دهد که پروفیل ولتاژ شبکه بطور قابل قبولی کنترل شده.
کلمات کلیدی: ژنراتور القایی, ژنراتور سنکرون, کنترل کننده برداری, توربین های بادی, کنترل توان راکتیو, پایداری ولتاژ, کنترل توان اکتیو.
فصل اول
مقدمه ای بر میکروشبکه ها و تولیدات پراکنده
فصل 1-مقدمه
1-1- مقدمه
کشور ایران از لحاظ منابع مختلف انرژی یکی از غنی ترین کشورهای جهان محسوب می گردد، چرا که از یک سو دارای منابع گسترده سوختهای فسیلی و تجدید ناپذیر نظیر نفت و گاز است و از سوی دیگر دارای پتانسیل فراوان انرژیهای تجدید پذیر از جمله باد می باشد.با توسعه نگرشهای زیست محیطی وراهبردهای صرفه جویانه در بهره برداری از منابع انرژیهای تجدید ناپذیر، استفاده از انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژی مطرح در بسیاری از کشورهای جهان رو به فزونی گذاشته است.
ظرفیت بکارگیری انرژی باد در جهان در هر سه سال دو برابر شده و قیمت تولیدی انرژی باد در حدودیک ششم قیمت آن در سال 1980 شده است به نظر می‌رسد که این روند همچنان ادامه خواهد یافت.
بعضی از پیش‌بینی‌های تخصصی نشان میدهد که تا سال 2050 میلادی رشد ظرفیت انرژی باد درحدود 25 درصد در سال خواهد بود و قیمت آن در طی این سالها بین 20 تا 40 درصد پایین خواهد آمد.
1-1-1- انرژی باد
انرژی باد حاصل از هوای متحرک می باشد. هنگامی که تابش خورشید بطور نامساوی به سطح ناهموارزمین می‌رسد سبب ایجاد تغییرات دما و فشار می گردد و در این تغییرات باد بوجود می آید.
در بین انرژی های تجدید پذیر، انرژی باد یکی از اقتصادی ترین روشهای تولید برق است . که آلودگیندارد و با توجه به تجدیدپذیر بودن آن از اهمیت بسیاری برخوردار است . با استفاده از انرژی باد آلودگیزیست محیطی کاهش می یابد به طوری که تولید هر کیلو وات انرژی الکتریکی از باد از انتشار یک کیلوگرم دی اکسید کربن در مقایسه با نیروگاههای سوخت فسیلی جلوگیری می کند.
