کنترل توربين بادي با ژنراتور القايي دوگانه تغذيه )DFIG( جهت استحصال حداکثر توان قابل جذب )MPPT(

Transcript

1 I S I C E مجله کنترل ISSN جلد 8 شماره 4 زمستان 9 صفحه 4-5 کنترل توربين بادي با ژنراتور القايي دوگانه تغذيه DFIG( جهت استحصال حداکثر توان قابل جذب MPPT( Downloae from joc.kntu.ac.ir at 9: + on Sunay January th 9 دکتر سيد بابك مظفري دکتر تورج امرايي محمود ابوالحسني زرجو عضو هيأت علمي دانشكده مهندسي برق دانشگاه آزاد اسالمي واحد علوم و تحقيقات تهران mozafari_babak@yahoo.com عضو هيأت علمي دانشكده مهندسي برق دانشگاه خواجه نصير الدين طوسي amraee@kntu.ac.ir دانشجوي کارشناسي ارشد دانشكده محيط زيست و انرژي دانشگاه آزاد اسالمي واحد علوم و تحقيقات تهران Mahmoo.pe@gmail.com تاريخ دريافت مقاله 9/7/ تاريخ پذيرش مقاله 9//( چکيده: در ميان انرژيهاي تجديدپذير انرژي باد بيشترين جذابيت را دارد. دليل اصلي استفاده از نيروگاه بادي کاهش هزينه و آلودگي محيط زيست است. توان جذب شده از توربينهاي بادي که متصل به شبكه هستند به دليل تغييرات باد ثابت نيست. توربينهاي بادي سرعت متغير معموال به ژنراتور القايي دوگانه تغذيه تجهيز ميباشند DFIG (. ژنراتورهاي القايي دوگانه تغذيه در حقيقت ژنراتورهاي القايي روتور سيم پيچي شده هستند که استاتور آنها مستقيما به شبكه متصل است و روتور آنها از طريق دو کانورتور الكترونيك قدرت پشت به پشت به شبكه متصل ميباشد. اين پژوهش بر کنترل يك ژنراتور القايي دوگانه تغذيه متصل به شبكه DFIG( سيستم توربين بادي به جهت رديابي بيشترين توان قابل جذب در سرعتهاي بادي متفاوت تأکيد دارد از اينرو از يك الگوريتم شبكه عصبي تعميم يافته جهت تخمين سرعت باد استفاده مي شود و حداکثر توان قابل جذب از هر سرعت باد مشخص از طريق يك جدول نظاره محاسبه ميشود. در نهايت کنترل برداري از کترلر PI براي محاسبه ولتاژ کنترل روتور استفاده ميکند تا توان اکتيو و رأکتيور را کنترل و بيشترين توان از توربين بادي حاصل شود. نتايج شبيه سازي براي توربين بادي.5 مگاواتي نشان دهنده تأثير اين تكنيك جديد جهت جذب بيشترين توان است. همچنين در نتيجه اين روش طيف هارمونيكي جريان استاتور قابل قبولي دارد که نشان دهنده کيفيت توان توليدي ميباشد. جهت شبيهسازي از نرم افزار MATAB/Simulink(Rb استفاده شده است. کلمات کليدي: توربين بادي شبكه هاي عصبي ژنراتور القايي دوگانه تغذيه حداکثر توان Control Of Win Turbine With Double Fe Inuction Generator (WFIG To Track For Maximum Win Power (MPPT Babak Mozafari, Tooraj Amraee, Mahmoo Abolhasani Abstract: Among renewable energies, win energy has attracte more attention since 99. The main objective for utilization of the win plant is to reuce cost an environment pollution. It is well known that the power elivere by win turbines which are irectly couple with gri is not constant as a result of win variability. Thus in spite of suen win spee variations, farm generators shoul always be capable of extracting maximum possible mechanical power from the win an converting it in to electrical power. Variable spee win turbines are commonly equippe with oubly fe inuction generators (DFIG. In fact, oubly fe inuction generators are woun rotor inuction generators that their stators are connecte to gri irectly an their rotors are connecte to gri through two PWM back to back power electronic converters. This thesis focuses on control of a gri-connecte oubly fe inuction generator (DFIG base win turbine system in orer to track maximum absorbable power in ifferent win spees. مجله کنترل انجمن مهندسان کنترل و ابزار دقيق ايران- دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي نويسنده عهده دار مكاتبات: محمود ابوالحسني زرجو

2 کنترل توربين بادي با ژنراتور القايي دوگانه تغذيه DFIG( جهت استحصال حداکثر توان قابل جذب MPPT( 44 Downloae from joc.kntu.ac.ir at 9: + on Sunay January th 9 First, the ynamic moel of win turbine, gear box an DFIG is evelope. Then, a generalize regression neural network (GRNN is use to estimate win spee an the maximum absorbable power is etermine through a look up table for per win spee. Finally vector control employs PI controller to calculate the require rotor control voltage for control of active an reactive power an obtaining maximum power from win turbine. Simulation results on -MW win turbine are provie an show the effectiveness of the new technique, for tracking maximum power. Also, this scheme has acceptable harmonic spectra of stator current from the perspective power quality. MATAB/Simulink(Rb software has been use for simulating. Keywors: Win Turbine, Doubly Fe Inuction Generator, Vector Control, Neural Network. Keywors: Win Turbine, Doubly Fe Inuction Generator, Vector Control, Neural Network مقدمه - با توجه متنوع بودن نيازهاي بشري در رابطه با انرژي و عدم قابليت استفاده مستقيم از بسياري از منابع انرژي اوليه بشر متناسب با نيازهاي خود اقدام به تغيير و تبديل اين انرژيها به نوع انرژي دلخواه خود نظير انرژي الكتريكي گرديده است. انرژي الكتريكي عموما از طريق سوختهاي فسيلي توليد ميشود. از طرفي سوختهاي فسيلي عالوه بر عمر محدود مشكالت زيست محيطي را نيز به همراه دارند. به همين علت استفاده از منابع تجديدپذير مانند باد مطرح شده است[ ]. پس از افزايش قيمت نفت در سال 97 کشورهاي پيشرفته صنعتي مجبور شدند به مساله انرژي جديتر بنگرند و اين امر سرآغاز برنامههاي بلند مدت در زمينه صرفه جويي و بهينه سازي مصرف انرژي گرديد. به عبارت بهتر استفاده از منابع انرژي تجديد پذير بخصوص انرژي باد در دستور کار اين کشورها قرار گرفت[ ]. از اصلي ترين مشكالتي که در بهرهبرداري از توربينهاي بادي مطرح ميشود کنترل آنها ميباشد. کنترل توربين بادي در حالت کلي دو محور اصلي را شامل ميشود که توان نامي مبدلهاي الكترونيك قدرت مورد استفاده در توربين بادي مجهز به ژنراتور القايي دوگانه تغذيه بسيار کمتر از توان نامي مبدل الكترونيك قدرت مورد استفاده در توربين بادي مجهز به ژنراتور سنكرون مي ياشد. در اين پژوهش هدف کنترل سيستم توربين بادي سرعت متغيير مجهز به ژنراتور القائي دوگانه تغذيه براي استحصال حداکثر توان ميباشد. کنترل توان ژنراتور القائي دوگانه تغذيه از طريق مبدل الكترونيك قدرت سمت روتور صورت ميپذيرد. - شبکه عصبي رگرسيون تعميم يافته شبكه عصبي رگرسيون تعميم يافته GRNN( شكل تغيير يافته اي از شبكه عصبي تابع پايه شعاعي RBFNN( است که براي تخمين توابع مناسب است. GRNN شامل دو اليه است: اليه اول آن که اليه پايه شعاعي ناميده مي شود مشابه اليه اول RBFNN است ولي اليه دوم آن که يك نوع اليه خطي است کمي با اليه دوم RBFNN متفاوت عبارتنداز: است] [. - حداکثر توان مكانيكي قابل جذب از توربين بادي به ازاي مقادير مختلف سرعت باد متفاوت ميباشد. بنابراين حداکثر توان مكانيكي قابل جذب در هر لحظه بايد تعيين شود. - ژنراتور توربين بايد طوري کنترل شود که در هر لحظه بتواند حداکثر توان مذکور را رديابي و توليد کند. سيستمهاي توربين بادي مجهز به ژنراتور القايي دوگانه تغذيه داراي مزاياي زير ميباشند: در نتيجه ثابت بودن فرکانس الكتريكي شبكه و تنظيم فرکانس الكتريكي شكل - ساختار کلي GRNN روتور امكان کنترل سرعت مكانيكي و جذب حداکثر توان از توربين بادي در آنها وجود دارد. - Raial Basis Function Neural Network استهالك ادوات مكانيكي سيستم کاهش مييابد. - Raial Basis ayer Journal of Control, Vol. 8, No. 4, Winter 5 مجله کنترل جلد 8 شماره 4 زمستان 9

3 Turbine output power (pu 45 کنترل توربين بادي با ژنراتور القايي دوگانه تغذيه DFIG( جهت استحصال حداکثر توان قابل جذب MPPT( 4.4 m/s شكل - ساختار کلي GRNN را که در آن مقدار متغير هده Y براساس Downloae from joc.kntu.ac.ir at 9: + on Sunay January th 9.5 Max. power at base win spee ( m/s an beta = eg 9.6 m/s 8.4 m/s 6 m/s 7. m/s Turbine spee (pu.8 m/s m/s. pu. m/s شكل الگوي ورودي X شامل m ويژگي( تخمين زده ميشود نمايش مي- دهد. در اين شكل * نشان دهنده عملگرد ضرب Σ نشان دهندهي عملگر جمع و Σ/ نشان دهنده عملگر محاسبه کننده معكوس مجموع است. تعداد نرونهاي اليه پايه شعاعي برابر تعداد الگوهاي يادگيري موجود N است. مقدار وزني w i برابر مقدار متغير هدف متناظر با الگوي يادگيريiام Y i در نظر گرفته ميشود. همچنين G i نشان دهنده تابع پايه شعاعي تابع گوسي( مربوط به نرون i ام در اليه پايه شعاعي است و بر حسب رابطه ذيل تعريف ميگردد: در رابطه فوق ( پراکندگي توابع پايه شعاعي و عملگر محاسبه کننده نرم اقليدسي ميزان σ بردار الگوي يادگيري iام است. همچنين γ عدد ثابتي است که در برخي از مراجع برابر.5 و در برخي ديگر برابر n.5( در نظر گرفته شده است. اگر γ برابر n.5( درنظر گرفته شودو براين اساس اگر فاصله اقليدسي الگوي ورودي X از الگوي موجود برابر σ باشد مقدار تابع برابر.5 خواهد شد. همانطور که مشخص است تنها پارامتر GRNN ميزان پراکندگي توابع پايه شعاعي σ است. شكل : - جذب يك نمونه از درخت تصميم رگرسيوني استراتژي رديابي حداکثر توان قابل در شكل مشخصه توان مكانيكي توربين بادي- سرعت دوراني توربين بادي به ازاي مقادير مختلف سرعت باد رسم شده است. با توجه به اين شكل براي جذب حداکثر توان مكانيكي به ازاي مقادير مختلف سرعت باد استراتژي ذيل قابل پياده سازي ميباشد: در - منحني مشخصه توان مكانيكي توربين بادي به ازاي مقادير مختلف سرعت باد. - به ازاي هرسرعت باد يك مقدار حداکثر براي توان مكانيكي توربين بادي ميتوان تعريف کرد که توان توليدي ژنراتور بايد اين مقدار را رديابي کند. يعني در اين روش بايد توان ژنراتور کنترل شود. براي پياده سازي اين استراتژي در [7] از يك جدول نظاره استفاده شده است. در اين پژوهش يك الگوريتم جديد با استفاده از شبكههاي عصبي براي تعيين حداکثر توان قابل جذب به ازاي مقادير مختلف سرعت باد معرفي خواهد شد که جهت پياده سازي آن نيازي به سنسور نميباشد و اين موضوع يكي از مزيتهاي آن به حساب ميآيد. [8] از يك تخمين گر به نام MRAS براي تخمين سرعت چرخشي استفاده شده است. براي تنظيم اين تخمين گر MRAS و جبران تغييرات پارامترها و عدم قطعيتها تخمين جداگانه سرعت با استفاده از يك الگوريتم آناليز طيفي هارمونيكهاي روتور انجام ميشود. اين الگوريتم ميتواند تغييرات سريع هارمونيكي را با دقت باال دنبال کند. دو اينور پشت به پشت ارتباط بين ژنراتور و شبكه را تشكيل ميدهند کانورتور جلويي با استفاده از کنترل برداري کنترل ميشود و ولتاژ لينك c با استفاده از کنترلر فازي PI تنظيم ميشود. در ]9[ کنترل هوشمند شبكه عصبي يك توربين القايي دوگانه تغذيه ارائه شده است تا کارکرد سيستم را در حالتهاي گذراي تمامي سرعتهاي باد بهبود دهد. با استفاده از شبكه عصبي مقدار Cp تخمين زده ميشود در اين پژوهش ابتدا الگوريتم شبكه عصبي با استفاده از نمودار Cp به ازاي مقادير مختلف β و λ آموزش داده ميشود و سپس با استفاده از تمامي مقادير ورودي β و λ مقدار Cp را حدس بزند. در ][ با استفاده از کنترلر شبكه عصبي براي کنترل توان راکتيو مزرعه بادي با توربينهاي بادي دوگانه تغذيه انجام ميشود. علي الخصوص آموزش همزمان با هدف کنترل برپايه برنامه ريزي ديناميك بهبود يافته براي کنترل مزرعه بادي و اتصال به شبكه. اين کنترلر مي تواند به طور موثر نوسانات سيستم مزرعه بادي بعد از اتصال به زمين را دفع کند. مشخصه توان سرعت مكانيكي توربين بادي به ازاي مقادير مختلف سرعت باد در شكل آورده شده است. نقاط اکسترمم هر يك از Journal of Control, Vol. 8, No. 4, Winter 5 مجله کنترل جلد 8 شماره 4 زمستان 9

4 کنترل توربين بادي با ژنراتور القايي دوگانه تغذيه DFIG( جهت استحصال حداکثر توان قابل جذب MPPT( 46 Downloae from joc.kntu.ac.ir at 9: + on Sunay January th 9 q ; ; 7( s s q اگر قاب هم راستا با شار استاتور را قاب q نامگذاري شود روابط مشخصهها در واقع معرف حداکثر توان قابل جذب به ازاي هر سرعت باد ميباشد. بنابراين ميتوان در يك جدول حداکثر توان قابل جذب را به ازاي مقادير مختلف سرعت دوراني توربين و سرعت باد مشخص کردجدول (. جدول - حداکثر توان قابل جذب به ازاي مقادير مختلف سرعت دوراني حداکثر توان مكانيكي قابل سرعت توربين pu ( سرعت باد m/s جذب pu( 6 / 6 / 95 7/ / 7 / 577 8/4 / 85 / 5 9/6 / 96 / 78 /8 / 8 / 5 / / 7 / / / 976 4/4 / 4 / 6 در واقع با توجه به سرعت باد موجود توانهاي ارائه شده در جدول باال به عنوان توان رفرنس تعريف گرديده و ژنراتور طوري کنترل ميشود که هميشه اين مقادير را دنبال کند و سيستم هميشه در نقاط اکسترمم کار ميکند که روش استفاده شده در اين پژوهش ميباشد. براي تخمين سرعت باد در اين پژوهش از شبكه عصبي رگرسيون تعميم داده شده استفاده شده است. بردار ورودي شامل دادههاي توان مكانيكي و سرعت ژنراتور ميباشد. همچنين بردار خروجي شامل ديتاي سرعت باد مي- باشد. ابتدا شبكه عصبي توسط دادههاي مربوط به مشخصه توان سرعت ژنراتور و سرعت باد جدول ( آموزش داده ميشود و پس از آن با ورود اطالعات جديد مربوط به توان و سرعت ژنراتور سرعت باد بصورت بالدرنگ تخمين زده ميشود. بردار ورودي شبكه عصبي مربوط به دادههاي توان مكانيكي از روابط زير محاسبه ميشود: Pm Pe Ploss ( Ps Pr Ploss Ploss Rs ( is iqs Rr ( ir iqr RR( i gri converter i qgri converter Fr در رابطه 5( loss P معادل تلفات الكتريكي ژنراتور ميباشد. طراحي کنترلر جهت کنترل توان روش کالسيك براي کنترل توان اکتيو و راکتيو ژنراتور القائي دوگانه تغذيه روش کنترل برداري Control( Vector ميباشد. براي 5( 6( -4 پياده سازي روش کنترل برداري از کنترلر PI استفاده ميشود مفهوم کنترل برداري در صورتي که قاب مرجع هم راستا با شار استاتور s در نظر گرفته :[] شود داريم [ و] ولتاژ و شار استاور در قاب q با ثابت فرض کردن شار استاتور و صفر در نظر گرفتن مقاومت استاتور روابط بصورت زير تبديل ميشود: vs vqs r vs s slis msis mir sis mir s jqs s ( is jiqs m ( ir jiqr qs siqs miqr s m ims sis mir بنابراين توانهاي اکتيو و راکتيو استاتور برابر با مقادير زير ميباشد : 8( 9( ( ( ( ( Ps ( vsis vqsiqs 4( Qs ( vqsis vsiqs 5( Pr ( vrir vqriqr 6( Qr ( vqrir vriqr 7( Ps vqsiqs vs iqs 8( Qs vqsis vs is 9( حال با توجه به روابط 6-5( و 7-5( براي مولفه هاي جريان is m ( ims ir s iqs m ( iqr ( استاتورداريم: ( s نهايتا با توجه به روابط 8( و 9( براي توان هاي اکتيو و راکتيو استاتور Ps m s vs iqr m Qs vs ims i s r ( ( داريم: بنابراين با توجه به روابط ( و ( توانهاي اکتيو و راکتيو استاتور بصورت مستقل قابل کنترل هستند. به عبارت ديگر يكي از طريق مولفهي جريان q و ديگري از طريق مولفهي جريان قابل کنترل هستند. اين موضوع در واقع اصل مفهوم کنترل برداري ميباشد. به عبارت بهتر براي کنترل توانهاي اکتيو و راکتيو ابتدا مولفههاي جريان روتور بايد جداسازي شوند. اما با توجه به اينكه هدف اصلي کنترل توانهاي اکتيو و Journal of Control, Vol. 8, No. 4, Winter 5 مجله کنترل جلد 8 شماره 4 زمستان 9

5 Downloae from joc.kntu.ac.ir at 9: + on Sunay January th 9 47 q کنترل توربين بادي با ژنراتور القايي دوگانه تغذيه DFIG( جهت استحصال حداکثر توان قابل جذب MPPT( راکتيو از طريق تزريق ولتاژ روتور ميباشد بنابراين بايد به نحوي روابط مولفههاي جريان روتور با مولفههاي ولتاژ روتور مشخص شود براي مولفههاي شار روتور داريم: r jqr r ( ir jiqr m ( is jiqs 4( r rir mis m rir ( ims ir s 5( m ( i, m ms ri r r s s qr riqr miqs 6( ( m, m r iqr iqr r s s با توجه به روابط 5 ( و 6( براي مولفه ولتاژ روتور داريم : ir m i v ( ms r Rrir slr iqr s vfr vˆ روتور خود شامل دو مولفه ميباشد يك مولفه r 7( بنابراين مولفه ولتاژ شامل فيدبك از مولفه جريان روتور ميباشد و مولفه ديگر شامل فيدفوروارد از مولفه q جريان روتور است. بنابراين حلقه کنترلي داخلي براي " ˆ " بصورت شكل نتيجه ميشود: همچنين با توجه روابط 5( و 6( براي مولفهي داريم: ولتاژ روتور i qr ( m v (, m qr Rriqr r sl ims ri r r s s vˆ qr v Fqr مولفه ولتاژ q روتور با توجه به رابطه 8( خود شامل دو مولفه مي- باشد يك مولفه شامل فيدبك از مولفه q مولفه ديگر شامل فيدفوروارد از مولفه جريان روتور ميباشد و جريان روتور است. بنابراين " ˆ " v qr حلقه کنترلي داخلي براي بصورت شكل 6 نتيجه ميشود: - حلقه کنترل داخلي مولفه ولتاژ روتور شكل 6 حال با توجه به شكل 6 و رابطه 8( حلقه کنترلي براي کنترل توان اکتيو استاتور بصورت شكل 7 نتيجه ميشود.: ( v r شكل - 7 حلقه کنترل توان اکتيو استاتور در نهايت بلوك دياگرام کل ساختار کنترل برداري توربين بادي در شكل 8 نمايش داده شده است. شكل 4- حلقه کنترل داخلي مولفه ولتاژ روتور حال با توجه به شكل 4 و رابطه 7( حلقه کنترلي براي کنترل توان راکتيو استاتور بصورت شكل 5 نتيجه ميشود: شكل - 5 حلقه کنترلي براي کنترل توان راکتيو استاتور Journal of Control, Vol. 8, No. 4, Winter 5 مجله کنترل جلد 8 شماره 4 زمستان 9

6 کنترل توربين بادي با ژنراتور القايي دوگانه تغذيه DFIG( جهت استحصال حداکثر توان قابل جذب MPPT( 48 Downloae from joc.kntu.ac.ir at 9: + on Sunay January th 9 شكل - 8 کل ساختار کنترل برداري توربين بادي مجهزبه ژنراتور DFIG 4.. کنترل برداري مبدل سمت شبکه وظيفه اصلي اين مبدل ثابت نگه داشتن ولتاژ لينك c ميباشد. البته کنت رل بخ شي ا ز تو ا ن ر ا کتيو سي ست م ني ز ا ز ط ر يق ا ين مبدل ا مكا ن پذ ي ر است. در شرايط زير سنكرون و فوق سنكرون مبدل سمت شبكه به ترتيب عملكرد يكسوسازي و اينورتري دارد. ولتاژ لينك c از طريق مولفه جريان مبدل سمت شبكه و توان راکتيو نيز از طريق مولفه جريان q مبدل سمت شبكه قابل کنترل ميباشد. مبدل طرف شبكه از طريق يك ترانسفورماتور افزاينده به شبكه قدرت متصل ميگردد سمت ولتاژ باالي ترانس در طرف شبكه است(. با يك نسبت تبديل روتور به استاتور بيشتر از يك از ساختار قدرت حذف ميشود. a rs a rs S max 9( با توجه به رابطه 9( در لغزش ماکزيمم ولتاژ روتور با ولتاژ استاتور برابر مي گ ر د د. بطو ر عمو مي مبدل و لتا ژ ط ر ف شبكه بمنظو ر کاه ش فلوي هارمونيكهاي جريان در شبكه قدرت از فيلتر قدرت استفاده مي- نمايد. شكل 9 چنين فيلتري را نشان ميدهد[ ] و [4] و [5](. شكل - 9 مبدل ولتاژ طرف شبكه وجود فيلتر قدرت طرف شبكه جهت حالت عملكرد تنهاي DFIG ضروري است. هدف مبدل طرف شبكه ثابت نگه داشتن ولتاژ لينك DC صرفنظر از دامنه و جهت انتقال توان روتور است. معادالت ولتاژ در طول سلفها R (, به صورت ذيل است: اين معادالت در دستگاه مرجع گردان سنكرون و q و با توجه به کنترل ولتاژگراي استاتور شبكه( و همراستا کردن محور دستگاه مرجع با موقعيت بردار ولتاژ استاتور ولتاژ محور q صفر خواهد شد مشابه کنترل ميدانگراي شار استاتور براي کنترل برداري مبدل طرف ماشين( و چون دامنه ولتاژ شبكه ثابت است ولتاژ محور ثابت است (, ( V بدين ترتيب توان اکتيو و راکتيو به ترتيب q V Vs متناسب با i و i q خواهد شد که اين همان اساس کنترل دکوپله q است که مبدل طرف شبكه جريان را به گونهاي تنظيم ميکند که جريان محور براي تنظيم ولتاژ لينك DC و مولفه جريان محور q جهت تنظيم توان راکتيو بكار ميرود. is V Ris iqs Vs ( iqs Vq Riqs is Vqs که سرعت سيستم مرجع يا فرکانس شبكه است. با چشم پوشي از تلفات هارمونيكي بدليل سويچينگ مبدل و تلفات ماشين و تلفات مبدل معادله تعادل قدرت اکتيو بصورت زير است: V P ( ci c V I r ; Vq با توجه به مدوالسيون : m m V ( Vc بنابراين با توجه به معادله 6-5(: ] c 4 m I 4( معادله ولتاژ لينك c به صورت زير نوشته مي شود: Vc m C I I I I 4 c c c 5( I Q r Vاز c طريق کنترل اين معادله بيان ميکند که ولتاژ لينك DC يعني جريان کنترل ميگردد. قدرت راکتيو ارسالي يا تحويلي به شكبه ميشود: Q ; 6( r V Iq VqI V Iq Vq همانطور که ديده ميشود قدرت راکتيو از شبكه قدرت ارسالي يا تحويلي از مبدل طرف شبكه ميتواند از طريق جريان محور I q ( q کنترل گردد. ولتاژهاي دکوپله کننده از معادالت ( بدست ميآيند: V I V s q V I qs 7( طرح کنترل برداري بيان شده در قسمت قبل در شكل ديده ميشود. V I I V V R I I V V I I V a as as as b bs bs bs c cs cs cs ( Journal of Control, Vol. 8, No. 4, Winter 5 مجله کنترل جلد 8 شماره 4 زمستان 9

7 Generate Power(pu Win Spee(m/s Generator Spee (pu Win Turbine Torque (pu 49 کنترل توربين بادي با ژنراتور القايي دوگانه تغذيه DFIG( جهت استحصال حداکثر توان قابل جذب MPPT( در نتيجه اعمال اين سرعت باد به توربين بادي گشتاور مكانيكي T m در شكل و همچنين سرعت روتور ژنراتور در شكل حاصل شده است.. Downloae from joc.kntu.ac.ir at 9: + on Sunay January th Time (s.5.5 شكل - گشتاور توربين بادي 5 5 شكل - کنترل برداري مبدل سمت شبكه شكل شمايي نسبتا کامل از يك طرف کنترل برداري DFIG را نشان ميدهد که از يك شبه دکوپله کننده بمنظور يافتن ولتاژهاي روتور بهره ميگيرد. اين روش براي ژنراتور /5 مگاوت بكار رفته و نتايج عملي مقادير شبيه سازي را تأييد ميکند[ 6 ]. شكل - بلوك دياگرام کنترل برداري DFIG -5 نتايج شبيه سازي در اين بخش هدف ارائه نتايج شبيهسازي استراتژي کنترلي پيشنهادي کنترل برداري با استفاده از کنترلر PI براي توربين بادي مجهز به ژنراتور القائي دوگانه تغذيه با استفاده از نرم افزار (Ra MATAB\Simulink ميباشد. در شكل نمودار شبيه سازي مقادير باد و همچنين مقادير واقعي آن ارائه شده است. همانطور مشاهده ميگردد تخمين سرعت باد توسط شبكههاي عصبي با دقت بااليي صورت پذيرفته است. 5 5 Actula Win Spee Estimate Win Spee 5 5 شكل - سرعت باد واقعي و تخمين زده شده شكل - سرعت روتور ژنراتور به ازاي مقادير تخمين زده شده سرعت.5.4 باد نتايج شبيه سازي کنترل مستقيم توان در هر لحظه سرعت باد و حداکثر توان مكانيكي قابل جذب با استفاده از الگوريتم پيشنهادي تخمين زده ميشود. در تصاوير شماره - الف و ب( حداکثر توان قابل جذب و توان الكتريكي توليد شده کل سيستم به ازاي مقادير تخمين زده شده سرعت باد نشان داده شده است. اختالف ديناميكي بين اين دو شكل موج ناشي از تلفات سيستم ميباشد. در اين پژوهش به جهت کسب حداکثر توان اکتيو مقدار توان رأکتيو ژنراتو صفر لحاظ شده است که نمودار آن نيز در شكل 4 آورده شده است Ref Power Actaul Power 5 5 Time (s شكل - حداکثر توان مكانيكي قابل جذب و توان الكتريكي توليد شده الف در فاصله زماني - ثانيه Journal of Control, Vol. 8, No. 4, Winter 5 مجله کنترل جلد 8 شماره 4 زمستان 9

8 Rotor Currents (pu Rotor Reactive Power (pu Rotor Voltage (pu Rotor Active Power (pu Stator Currents(pu Genertae Reative Power (pu Stator Voltage (pu Generate Power(pu کنترل توربين بادي با ژنراتور القايي دوگانه تغذيه DFIG( جهت استحصال حداکثر توان قابل جذب MPPT( 5 Downloae from joc.kntu.ac.ir at 9: + on Sunay January th شكل - 7 مولفه هاي q ولتاژ سيم پيچيهاي استاتور - - is iqs شكل Ref Power Actaul Power Time (s شكل ب در فاصله زماني -9 ثانيه ref reactive power Actual reactive power Time (s شكل - 4 شكل موج توان راکتيو استاتور با توجه به اينكه ژنراتور در چه مدي کار کند روتور ميتواند به عنوان جذب کننده و يا توليد کننده توان عمل کند در مد فوق سنكرون روتور توليد کننده توان و در مد زير سنكرون روتور به عنوان جذب کننده توان عمل ميکند نمودار توان اکتيو و رأکتيو روتور در شكل 5 و 6 ارائه شده است Time (s.. -. شكل - 5 شكل موج توان اکتيو روتور شكل - 6 شكل موج توان راکتيو روتور با توجه به اينكه ولتاژ استاتور به ولتاژ شبكه متصل بوده لذا داراي مقدار ثابتي ميباشد قاب سنكرون طوري در نظر گرفته شده است که مقدار ولتاژ استاتور برابر صفر و مقدار ولتاژ q استاتور برابر ولتاژ شبكه پريونيت( ميباشد در شكل 7 و 8 مقادير و q ولتاژ و جريان استاتور نمايش داده شده است. مولفه هاي q جريان سيم پيچيهاي استاتور کنترل توان خروجي ژنراتور با توجه به تغييرات سرعت باد توسط ولتاژ اعمالي به روتور انجام ميگردد از اينرو نمودار ولتاژ و جريان اعمالي به روتور که در نتيجه کنترل برداري حاصل شده است در تصاوير شماره 9 و ارائه شده است Vr Vqr و q اعمالي به روتور - - شكل - 9 مولفه ولتاژ iqr ir شكل - مولفه جريان و q اعمالي به روتور.5. بررسي نتايج رديابي حداکثر توان نسبت سرعت نوك پره ها( ( پارامتر مناسبي براي ارزيابي عملكرد کنترل کننده جهت توليد حداکثر توان توسط ژنراتور به ازاي مقادير مختلف سرعت باد ميباشد. براي جذب حداکثر توان به ازاي مقادير مختلف سرعت باد مقدار,C p به ترتيب بايد /48 و 8/ باشد] 7 [. در تصاوير شماره و مشهود است که اين کميتها حول نقاط Journal of Control, Vol. 8, No. 4, Winter 5 مجله کنترل جلد 8 شماره 4 زمستان 9

9 Stator Current(pu DC ink Voltage(V ana Cp-Win Turbine Magnitue(pu 5 کنترل توربين بادي با ژنراتور القايي دوگانه تغذيه DFIG( جهت استحصال حداکثر توان قابل جذب MPPT( THD=.% بهينه مربوطه نوسان ميکنند. هرچقدر ميزان خطاي نسبت به مقدار بهينه مربوطه کمتر باشد بدين معني است که حداکثر توان از توربين بادي جذب و توسط ژنراتور به توان الكتريكي تبديل شده و نهايتا به شبكه الكتريكي تزريق ميگردد. Downloae from joc.kntu.ac.ir at 9: + on Sunay January th Frequency(Hz شكل - ضريب توان توربين بادي Cp( در تصاوير شماره شكل - نسبت سرعت پرههاي توربين بادي ارزيابي THD شکل موج جريان استاتور و 4 شكل موج طيف فرکانسي جريان استاتور به همراه محاسبه THD مربوط به آنها ارائه شدهاند. در واقع جهت بررسي کيفيت توان توليد شده ارزيابي مقدار THD جريان استاتور ارائه گشته است همانگونه که مالحظه ميگردد THD مقدار بسيار پائين / را به خود اختصاص داده است که با توجه به استانداردهاي ارائه شده در [8] عدد قابل قبولي ميباشد همچنين شكل موج جريان استاتور نيز از کيفيت خوبي برخوردار است. اين شكل موجها در نتيجه پيادهسازي روش کنترل برداري نتيجه شده است Phase A Phase B Phase C شكل - شكل موج جريانهاي سه فاز استاتور در پايان ولتاژ لينك DC شكل - 4 مقدار THD جريان استاتور ارائه شده استشكل ( 5 همانگونه که پيش از اين نيز عنوان شده بود مقدار آن بايستي مقدار ثابتي باشد تا با آن بتوان ولتاژهاي خروجي مبدل سمت روتور را کنترل کرد مبدل سمت شبكه وظيفه ثابت نگه داشتن اين ولتاژ را دارد شكل - 5 ولتاژ لينك c -6 نتيجه گيري در سيستم هاي توربين بادي سرعت متغير ژنراتور از نوع ژنراتور القايي دوگانه تغذيه ميباشد که استاتور مستقيما به شبكه متصل بوده و روتور از طريق دو مبدل پشت به پشت به شبكه متصل ميگردد. جهت استحصال حداکثر انرژي موجود در باد بايستي ژنراتور طوري کنترل گردد که ژنراتور در نقطه بهينه خود کار کند. الگوريتم پيشنهادي در اين پژوهش به اين شرح ميباشد: در ابتدا با توجه به توان و سرعت ژنراتور توسط الگوريتم شبكه عصبي رگرسيون تعميم يافته سرعت باد تخمين زده ميشود. با استفاده از جدول نظاره و مقاديري که از قبل در اين جدول تعريف شدهاند حداکثر مقدار توان مكانيكي قابل استحصال از باد تعيين مي- گردد. با استفاده از کنترلر PI سيگنالهاي کنترلي q, روتور تعيين شدهکنترل برداري( و سپس اين سيگنالهاي کنترلي به واحد مدوالسيون PWM فرستاده شده و اين واحد مبدل الكترونيك قدرت سمت روتور را طوري کليد زني ميکند که ولتاژهاي سه فاز مطلوب به روتور اعمال شوند در نتيجه سيستم ميتواند مقادير مرجع توان اکتيو و راکتيوحداکثر( را رديابي و توليد کند. Journal of Control, Vol. 8, No. 4, Winter 5 مجله کنترل جلد 8 شماره 4 زمستان 9

10 کنترل توربين بادي با ژنراتور القايي دوگانه تغذيه DFIG( جهت استحصال حداکثر توان قابل جذب MPPT( 5 Downloae from joc.kntu.ac.ir at 9: + on Sunay January th 9 [6] Burton, T. an et al, Win Energy Hanbook, John Wiley & Sons, t, pp. 8,. [7] G. Tapia, A. Tapia, an J.X. Ostolaza, Moeling an control of win turbine riven by oubly fe inuction generator, IEEE Trans. Energy Conversion, vol.8, no., pp.94-4, Nov. 4. [8] Roberto Cárenas, Rubén Peña, Sensorless Vector Control of Inuction Machines for Variable-Spee Win Energy Applications ; IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VO. 9, NO., MARCH 4. [9] Sathans, Jitener,Rohilla, Intelligent Control of DFIG base Variable Spee Win Turbine System using Artificial Neural Network ; Proceeings of the 4 International Conference on Power Systems, Energy, Environment; ISBN: [] Yufei Tang, HaiboHe, ZhenNi, JinyuWen, XianchaoSui, Reactive power control of gri-connecte win farm base on aaptive ynamic programming Elsevier, 5 (4 5. [] G. Tapia, A. Tapia, an J.X. Ostolaza, Two alternative moeling approaches for the evaluation of win farm active an reactive power performance, IEEE Trans. Energy Conversion, vol., no. 4, pp. 99-9, Dec. 6. [] I. Bolea, Variable Spee Generator, USA: Taylor & Francis Group, 6, pp [] R. Pena, J. C. Clare, an G. M. Asher, Doubly fe inuction generator using back to back PWM converters an its application to variable spee win-energy generation, in Proc. Inst. Elect. Eng., vol. 4, no., pp. -4, May [4] V. Caleraro, V. Galia, A. Piccolo, P. Siano, a Fuzzy controller for maximum energy extraction from variable spee win power generation systems, Elsevier Journal on Electric Power System Research, vol. 78, pp. 9-8, 8. آناليز نتايج شبيه سازي شده نشان داد که: مقادير سرعتهاي باد تخمين زده شده توسط الگوريتم شبكه عصبي بسيار به واقعيت نزديك است. از مزاياي اين الگوريتم به عدم استفاده از بادسنجحسگر سرعت باد( ميتوان اشاره کرد که باعث افزايش قابليت اطمينان و کاهش هزينه ميشود. سيستم توربين بادي با توجه به تغيير سرعت باد حداکثر توان موجود در باد را دنبال ميکند. معيار جذب حداکثر توان در توربين بادي نسبت سرعت نوك پرههاي توربين ( ( ميباشد. بطوريكه اگر اين مقدار برابر 8/ باشد ميتوان گفت حداکثر توان از توربين بادي جذب ميگردد] 8 [. در اين پژوهش در نتيجه استفاده از روش کنترل برداري و جدول نظاره( مقدار ( ( در اطراف 8/ نوسان ميکند. نتايج ارزيابي THD جريان استاتور نشان از کيفيت خوب توان خروجي دارد. مراجع سيد مسعود مقدس تفرشي منابع توليد انرژي الكتريكي در قرن بيست و يكم ايران: تهران دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي مرداد 86. کتابچه سازمان انرژيهاي نو ايران: باد اسفند 8. فرشاد محمد ساده جواد 9 ( مكانيابي خطاي اتصال کوتاه در خطوط انتقال جريان مستقيم ولتاژ باال با استفاده از شبكه عصبي رگرسيون تعميم يافته و الگوريتم جنگل تصادفي مجله سيستمهاي هوشمند در مهندسي برق سال چهارم شماره دوم. [4] Hau, E., Win Turbines Funamentals, Technologies, Application, Economics, Springer Berlin Heielberg, Germany, pp., 6. [5] Hui, J., An Aaptive Control Algorithm for Maximum Power Point Tracking for Win Energy, A thesis submitte to the Department of Electrical an Computer Engineering in conformity with the requirements for the egree of Master of Science, Queen s University, Kingston, Ontario, Canaa, pp. 6-8, December 8. ][ ][ ][ Journal of Control, Vol. 8, No. 4, Winter 5 مجله کنترل جلد 8 شماره 4 زمستان 9

11 5 کنترل توربين بادي با ژنراتور القايي دوگانه تغذيه DFIG( جهت استحصال حداکثر توان قابل جذب MPPT( عباس زاده کريم روزبهاني سام 9 روش جديد براي استحضال حداکثر توان از سيستم توربين بادي مجهز به ژنراتور القايي دو گانه تغذيه با کنترل مد لغزشي نشريه علمي پژوهشي مديريت انرژي شماره دوم. ]7[ [5] G. Tapia, A. Tapia, an J.X. Ostolaza, Two alternative moeling approaches for the evaluation of win farm active an reactive power performance, IEEE Trans. Energy Conversion, vol., no. 4, pp. 99-9, Dec. 6. Downloae from joc.kntu.ac.ir at 9: + on Sunay January th 9 [8] T. Ackermann, Win Power in Power System, Englan: John Wiley & Sons, 5, pp [6] W. Qiao, W. Zhou, J. M. Aller, an R. G. Harley, Win spee estimation base sensorless output maximization control for a win turbine riving a DFIG, IEEE Trans. Power Electronics, vol., no., pp , May. 8. Journal of Control, Vol. 8, No. 4, Winter 5 مجله کنترل جلد 8 شماره 4 زمستان 9