بهبود عملکرد گذرای توربینهای بادی مجهز به ژنراتورهای القایی دو سو تغذیه با استفاده از استراتژی کنترل غیرخطی

Transcript

1 577 / 1004 بهبود عملکرد گذرای توربینهای بادی مجهز به ژنراتورهای القایی دو سو تغذیه با استفاده از استراتژی کنترل غیرخطی 1 دانشگاه آزاد اسالمیواحد نجف آباد 2 عضو هیئت علمیدانشگاه آزاد اسالمیواحد 2 1 و بهادر فانی احمد جعفری دیزیچه moin24814@yahoo. com نجف آباد ahador_fani@yahoo. com چکیده - این مقاله ابتدا درباره مشخصات دینامیکی توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی دو سو تغذیه بحث مینماید. ولتاژهای نیروی ضد محرکهی القایی EMF) (BACK در DFIG اثرهای دینامیکی استاتور را روی جریانهای دینامیکی روتور منعکس میکند و نقش مهمیروی جریان هجومی روتور در ضمن افت ولتاژ ژنراتور دارد. محدود کند. حالتهای دینامیکی داخلی و خارجی DFIG جبرانسازی این ولتاژها میتواند قابلیت ride-throuh ژنراتور را بهبود دهد و جریانهای گذرای روتور را به ترتیب شامل حالتهای دینامیکی استاتور و روتور میباشند. این مشخص میشود که تحت شرایط عملکردی معین حالتهای دینامیکی داخلی و بنابراین تمام سیستم DFIG ناپایدار میگردد. بنابراین دینامیکهای الکتریکی DFIG غیرخطی هستند. طرح کنترل خطی به طور مناسب تحت افت ولتاژهای بزرگ نمیتواند کار کند در مورد این پیشامد ما از کنترل کننده غیرخطی صحبت میکنیم. دیدگاه پیشنهاد شده حالتهای دینامیکی داخلی را از طریق کنترل ولتاژ روتور پایدار میکند و رفتار دینامیکی DFIG را بعد از برطرف شدن خطا بهبود میبخشد. کلید واژه-دینامیکهای داخلی ژنراتور القایی دو سو تغذیه کنترل غیرخطی توربین باد مقدمه این مقاله بهبود عملکرد گذرا به وسیله لیاپانوف مبتنی بر طراحی کنترل غیرخطی محقق شده است. -1 در میان راهکارهای مختلف برای به کارگیری توربینهای بادی سرعت متغیر سیستم ژنراتور القایی تغذیه دوبل (DFIG) دارای مشهوریت بیشتری شده است. استاتور DFIG به طور مستقیم به شبکه قدرت متصل میشود و سیمپیچهای روتور از یک مبدل منبع ولتاژ پشت به پشت با حلقههای لغزان تغذیه میشود. شکل )1( بلوک دیاگرام توربین بادی مجهز به DFIG را که از طریق امپدانس معادل شبکه به یک باس بینهایت متصل شده نشان میدهد. ویژگی مشترک تمام مقالههای نوشته شده در رابطه با DFIG کنترل برداری در راستای میدان (FOC) میباشد که کنترل جداگانه توانهای اکتیو و راکتیو را ممکن میسازد. این مقاله تحلیلهای انجام شده در جهت بهبود عملکرد گذرای DFIG را با در نظر گرفتن راستای فلوی استاتور مدلسازی نموده و مورد مطالعه قرار داده است. در شکل 1: توربین باد با ژنراتور القایی دو سو تغذیه متصل به باس بینهایت توانایی توربین بادی برای باقی ماندن اتصال آن در شبکه در ضمن وقوع خطاها و افت ولتاژها به عنوان میزان قابلیت عملکرد توربین بادی در ولتازهای پایین تعیین میشود ]4[. تحقیقات قابل توجهی در زمینه قابلیت باقی ماندن اتصال به شبکه (ride-throuh) و بررسی رفتار دینامیکی DFIG مجهز به توربین بادی در موقع وقوع خطاها و افت ولتاژها انجام شده است ]5[-]9[. بر دو مسئله مهم در رسیدن به

2 578 / d Vrdq Rrirdq j 2 rdq s Lsis Lmir r Lmis Lrir sd sq 0 s rdq )2( )3( )4( )5( )6( الزامات ride-throuh مربوط به DFIG در ضمن وقوع افت ولتاژ باید غلبه نمود. مسئله اول پیک خطای جریان روتور است که از محدوده خودش تجاوز مینماید و مسئله دوم اضافه ولتاژ خط ارتباط DC میباشد. چندین مقاله دربارهی رفتارهای گذرا و دینامیکی DFIG ها ارائه شده است ]5[.]1[ ]11[ ]9[ ]6[ در این نوشته تحلیلهای کیفیتی بررسی مقدار ویژه و لیاپانوف مبتنی بر طراحی کنترل غیرخطی استفاده میشوند تا طبیعت ناپایداری را مشخص نموده و عملکرد پس از خطای ژنراتور را بهبود دهد. نشان داده میشود که حالتهای دینامیکی جبرانسازی EMF روتور و ولتاژهای شبکه DFIG تحت تا حدی به صورت یک سیستم خطی شده شامل حالتهای دینامیکی خارجی و داخلی میباشد. تحت شرایط عملکردی معین حالتهای دینامیکی داخلی و بنابراین تمام سیستم DFIG ناپایدار میگردد. بنابراین دینامیکهای الکتریکی DFIG غیرخطی هستند. طرح کنترل خطی به طور مناسب تحت افت ولتاژهای بزرگ نمیتواند کار کند در مورد این پیشامد ما از کنترل کننده غیرخطی صحبت میکنیم. پیشنهاد شده یک ترکیب انتگرالگیر تناسبی دیدگاه و (PI) لیاپانوف مبتنی بر کنترل کمکی میباشد که حالتهای دینامیکی داخلی را پایدار میسازد و رفتار DFIG را پس از برطرف شدن خطا از طریق کنترل ولتاژ روتور بهبود میبخشد. در انتها نتایج تحلیلهای تئوری به وسیله شبیهسازیها در حوزه زمان بررسی میشوند. -2 روش تهیه مقاله مدلسازی توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی دو سو تغذیه در راستای فلوی استاتور هدف از این قسمت معرفی مدل دینامیکی یک سیستم تک ماشینه متصل به شین بینهایت در دستگاه مرجع d-q با در نظر گرفتن راستای فلوی استاتور میباشد. معادالت اساسی زیر برای مدل ژنراتور DFIG استفاده میشوند ]12[: روابط فوق هستند. V و i به ترتیب معرف شار ولتاژ و جریان اندیسهای s و r به ترتیب کمیتهای استاتور و روتور را نشان میدهند. استاتور و روتور هستند فرکانس لغزش روتور Ls و Lr Lm اندوکتانسهای خودی اندوکتانس متقابل 2 فرکانس زاویه ای اساسی و سرعت قاب مرجع d-q منطبق با فلوی استاتور میباشد. R s همچنین R r و مقاومتهای استاتور و روتور هستند. گشتاور الکترومکانیکی و توان راکتیو تزریق شده توسط سیم پیچهای استاتور به شبکه به صورت زیر محاسبه میشوند: L Te sqird sdirq L s m Q V i V i s sd sq sq sd )7( )8( -1-2 مدل روتور از روابط )1( )6( و استفاده از اختصارات الزم حالتهای دینامیکی روتور برحسب جریان روتور و فلوی استاتور به صورت زیر اثبات و توصیف میشود: L L di r rdq Rrirdq j 2 rirdq edq Vr dq e d )9( e q ولتاژهای نیروی ضدمحرکه القایی متغیرهای و روتور نامیده میشوند و اثرات حالتهای دینامیکی استاتور را روی حالتهای دینامیکی جریان روتور منعکس میکنند. با جبرانسازی ترمهای تزویج متقابل (cross-couplin) Li با استفاده از کنترلکنندههای جریان 2 r rd Li و 2 r rq روتور d-q خواهند شد. حلقههای کنترل جریان d و q حلقههای کنترل جریان d-q روتور روتور مجزا تحت 1 d Vsdq Rsisdq j sdq sdq )1(

3 579 / 1004 جبرانسازی ترمهای تزویج متقابل (cross-couplin) در شکل )2( نشان داده شده است. شکل 3 : حلقهی کنترل جریان فیلتر شبکه t r -2-2 شکل 2: حلقهی کنترل جریان روتور مدل فیلتر طرف شبکه filter) :(rid-side فیلتر نشان داده شده در شکل )1( L R و مقاومت صورت زیر توصیف میشود: )11( شامل یک اندوکتانس میباشد و حالتهای دینامیکی آن به L di dq R i jl i V V dq dq dq sdq در اینجا اندیس مقادیر فیلتر شبکه را نشان میدهد و i dq V sdq V dq و به ترتیب مؤلفه های d-q ژنراتور و جریان و ولتاژ فیلتر طرف شبکه هستند. مبدل طرف شبکه تغذیه میشود. ولتاژ ترمینال V d-q متقابل است. فیلتر طرف شبکه (cross-couplin) در این شکل نشان داده میشوند. ولتاژهای از حلقههای کنترل جریان تحت جبران متغیرهای تزویج در شکل )3( V sd و V sq نشان داده شده به عنوان اختالل به منظور کاهش ردیابی خطا این ولتاژها با استفاده از متغیرهای پیشخور نشان داده شده در شکلهای )3( جبران میشوند مدل مکانیکی توربینبادی وکنترل کننده سرعت مدل مکانیکی WT شامل توربین جعبه دنده محورها و دیگر قطعات مکانیکی میباشد. مدلهای مکانیکی دو در مرجع ]2[ آورده شدهاند: جرمی DFIG d Te K r s Dt r 2Hr )11( d Tm K t s Dt r 2Ht )12( d t r )13( به ترتیب سرعت های ژنراتور و توربین و که )پریونیت( هستند β زاویه پیچشی شافت )در رادیان( و H r H t و هستند )در ثانیه( و به ترتیب ثابتهای اینرسی ژنراتور و توربین K s ضریب سختی محور )در پریونیت بر رادیان الکتریکی( و D ضریب میرایی )در پریونیت( و T e rq rq T m به ترتیب گشتاور الکتریکی ژنراتور و گشتاور مکانیکی توربین هستند. با در نظر گرفتن راستای فلوی استاتور سرعت روتور به وسیله مؤلفه جریان و ولتاژ q روتور ) i ( V, کنترل میشوند. طرح کنترلی استفاده شده برای کنترل سرعت در شکل )4( نشان داده شده است. شکل 4: حلقه کنترل سرعت معادله حالت کنترل کننده سرعت به صورت زیر میشود: 7 k Iω r-ref r )14(

4 580 / 1004 L de r rq ( R r k w ) E x 5 Kiid E rd 6 KiiqE rq L de w L de w d q k k p-iq rq 6 ( R k ) E x p- d 14 ( R k ) E x i i E E d q p- q 15 (19) (18) 4-2- کنترل توان راکتیو: با در نظر گرفتن کنترل برداری در راستای فلوی استاتور ولتاژ ترمینال و توان راکتیو مبادله شده بین ژنراتور و شبکه به وسیله مؤلفه d جریانها و ولتاژهای روتور کنترل میشوند ]1[. براساس رابطه) 8 ( توان راکتیو تزریق شده توسط استاتور به شبکه به صورت زیر میتواند اثبات و نوشته شود: Q s s sd Lm ird sd 8 L s k Q Q I-pq s-ref s )15( با انتخاب کنترل کننده داریم: )16( بهبود رفتار گذرای ژنراتور القایی دو سو تغذیه توسط i rd کنترل کننده غیرخطی -3 با توجه به وابستگی پایداری دینامیکهای استاتور به استراتژی کنترل پیشنهاد شده است. غیرخطی برای پایداری کل سیستم rdq به شرح زیر انتخاب شده اند: برای این منظور ورودی کنترل وv v dq vrd vrd crl vrd auxilary )17( v rq vrq crl vd vd crl vq vq crl در اینجا منظور از توصیف میشود. vrd auxilary کنترل غیرخطی است که بعدا هر کدام از اصطالحات دیگر PI شامل یک کنترل کننده v, v,v, v rd crl rqcrl d crl qcrl میباشد. با جایگذاری حاصل بدست آمده برای L r w دینامیکهای فیلتر شبکه و رتور به صورت زیر است. ترمهای کنترل PI استفاده شده برای بهبود و پایدار کردن دینامیکهای فیلتر طرف شبکه و رتور میباشد. همچنین vrd auxilary برای پایدار کردن کنترل کمکی ورودی رتور دینامیکهای داخلی و در نتیجه بهبود کلی دینامیکهای سیستم بعد از برطرف شدن خطا استفاده اگر میشود. دینامیکهای استاتور رتور و دینامیکهای فیلتر شبکه را بازنویسی کنیم. قسمتهای غیرخطی داریم: با جداسازی قسمت های خطی از Xint Xint X A X X ext 101 ext fext ( X ) vrd auxilary X ext معرف دینامیک داخلی و معرف دینامیکهای f ( ) ( ) ( ) T ext X fext X f 1 ext X 2 (20) X int خارجی است. که یک تابع برداری 2 1 از متغیر های حالت الکتریکی است و A یک ماتریس است. کنترل کمکی پیشنهادی شامل یک کنترل فیدبک حالت و یک تابع غیرخطی از متغیرهای حالت به صورت زیر است: de rd ( R k ) E x v r p-id rd 5 rd auxilary

5 581 / 1004 شکل 6 بلوک دیاگرام کنترل جریان محور d رتور را نشان میدهدد. که شد امل کنترل کمکی غیرخطی پیشد نهادی Xint vrd auxilary K vnl Xext (21) vrd auxilary Xint Xint X ( A BK ) Xext X 101 ext fext ( X ) vnl اگر K به طور مناسب انتخاب شود: (22) اینجا 07 1] B=[ T ( A BK ) P P( A BK ) Q (23) v nl Pi به صورت زیر انتخاب شود: در 2 X int (24) fext ( X ) P i i i1 X ext X int P3 X ext با معادله )24( سیستم حلقه بسته پایدار میشود. است. قسمت غیرخطی 2 و( ( fext در ضمیمه X fext i fext ( ) 1 X v nl ( X ) و امین عنصر ازP i )24( از دینامیکهای استاتور C داده شده است. شکل 6 :بلوک دیاگرام کنترل کننده پیشنهادی غیرخطی اسدت. کنترل جریان محور q همان شدکل 2 و بنابراین در این جا تکرار نمیشود. 4- شبیه سازی نتایج مطالعات بر روی سیستم SMIB در شکل 1 با پارامترهای داده شده در ضمیمه A برای DFIG نشان داده شده است. به منظور بررسی عملکرد گذرای سیستم یک افت ولتاژ 71 درصد با مدت زمان زمان 311 میلی ثانیه روی ولتاژ باال طرف ترانسفورماتور DFIG در t=20s اعمال شده است. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که در این مورد با کنترل PI متعارف ناپایدار است. شکل 7 :مقادیر مدهای استاتور در حالت ناپایداری رفتار گذرای DFIG شکل 7 مقادیر ویژه و قسمت حقیقی استاتور DFIG بعد از برطرف شدن خطا را بررسی میکند. ناپایداری در شکل 7 و در.20=t 55 شروع شده است. بعد از این زمان نوسانات میرا نشده گشتاور الکتریکی ولتاژ ترمینال و سرعت ژنراتور مشاهده میشود. در مرحله بعد کنترل کننده محور رتور با کنترل کننده پیشنهادی غیرخطی در جایگزین میشود. و رفتارگذرای DFIG با همان افت ولتاژ 71 درصد Re jxe j d و شبیهسازی شده و نتیجه در شکل 8 نشان داده شده است. روشن است که در این مورد رفتارگذرای DFIG با کنترل کننده پیشنهادی غیرخطی به خوبی میرا شده است.

6 582 / 1004 ضعیف شود و رفتار گذرای DFIG بعد از برطرف شدن خطا بدتر شود. دینامیکهای الکتریکی از DFIG در فاز غیرخطی برای شرایط عملیاتی خاص و در نتیجه یک محدوده ذاتی برای پاسخ گذرا قابل یافتن است. همچنین نشان داده شد که دینامیکهای DFIG تحت جبران EMF رتور و ولتاژ شبکه به عنوان یک سیستم تا حدی خطی شامل دینامیکهای داخلی و خارجی است. دینامیکهای داخلی شامل دینامیک استاتور و نقش مهمیدر رفتار گذرای DFIG دارد. آنها میتوانند DFIG را برای بعد از خطا ناپایدار کنند. از آنجا که دینامیکهای الکتریکی DFIG غیرخطی هستند طرح کنترل خطی نمیتواند تحت افت ولتاژ زیاد عمل کند. ما با استفاده از یک کنترل کننده غیرخطی این مشکل را حل کردیم. روش پیشنهادی ترکیبی از کنترل کمکی لیاپانف و کنترل PI است که دینامیکهای داخلی را پایدار و رفتار بعد از خطای DFIG و ولتاژ کنترل رتور را بهبود میبخشد. نتایج شبیه سازی نشان داد که روش کنترل پیشنهادی تحت پارامتر های ژنراتور بسیار قوی عمل میکند. 6- ضمائم DFIG برای توربین باد با.پارامترها A Vase 575 V, Sase 1.76 MVA, fase 60HZ W 2 f 377 rad / s, Rs pu Rr pu, Ls 3.07 pu, Lr pu Lm 2.9 pu, L 0.3 pu, R pu Hr 0.75 s, Ht 4.3 s,d 1.2 pu ks 0.6 pu / elec. rad, ws 1pu شکل 8: پاسخ گذرایDFIGتحت افت ولتاژ 311 میلی ثانیه با کنترل. a-) R jx فلوی کننده خطی و غیرخطی) j e e استاتور. ولتاژ ترمینال. c -5 نتیجه گیری گشتاور الکتریکی. d سرعت رتور این مقاله در مورد ویژگیهای دینامیکی و بهبود عملکرد گذرا در توربینهای باد با DFIG ها بحث شد. تجزیه و تحلیل و ردیابی مقادیر ویژه برای شناسایی عدم بی ثباتی استفاده شد و کنترل کننده غیرخطی لیاپانف برای بهبود عملکرد گذرا مورد استفاده قرار گرفت. از بین بردن اثرات دینامیکی استاتور در دینامیکهای جریان رتور از طریق کنترل ولتاژ رتور میتواند دینامیک رتور را بهبود ببخشد. و قادر است ride throuh را در حین خطا افزایش دهد. با این حال نشان داده شد که دینامیکهای استاتور میتواند B.پارامترهای کنترل کننده استفاده شده برای آنالیز روابط P 0.9 p. u, s 0.21, v 0, v 1 p. u e0 0 sd0 sq p. u, 0, i p. u, i sd0 sq0 rd0 rq0 k 0.633, k 8.5, k 0.6, k 2.26, pidq iidq p i k 6.98, k , k , k pw Iw ppf I pf

7 583 / 1004 [7] E. S Adin and W. Xu, Control desin and dynamic performance analysis of a wind turine- induction enerator unit, Enery Conversion, IEEE Transaction on, vol 15, pp , [8] A. Mullane, G. Lihtody, and R. Yacamini, Winurine fault ride-throuh enhancement, IEEE Trans. Power Syst., vol. 20, no. 4, pp , Nov [9] J. Lopez, P. Sanchis, X. Rooam, and L. Marroyo, Dynamic ehavior of the douly fed induction enerator durin three-phase voltae dips, IEEE Trans. Enery Convers., vol. 22, no. 3,pp , Sep [10] J. Morren and S. W. H. Haan, Ride-throuh of wind turines with douly fed induction enerator durin a voltae dip, IEEE Trans. Enery Convers., vol. 20, no. 2, pp , Jun [11] Orlando. S, Henrique. G, Antonio. M, Adriano. C, Nonlinear control of the douly-fed induction enerator in wind power systems Renewale Enery vol. 35, pp , [16]M. Rahimi, and M. parniani, Transient Performance Improvement of Wind Turines With Douly Fed Induction Generators Usin Nonlinear Control Stratey IEEE TRANSACTION ON ENERGY CONVERSION., VOL. 25, NO. 2, JUNE c.قسمتهای غیرخطی از دینامیکهای استاتور Rs fext w ( 1 sd0 V ( 0 )sin0 Ls Rs Vcos Lmird ref ) Ls R ( s ) Lm( irqref eq ) V sin Ls fext w ( ) 2 ws sd w ( 21( sd sd0 ) 24 eq 22 ( 0 ) (R s Lm / Ls ) irqref V sin 21 2 sd0 V cos 0 Rs Lm 22, 24. sd0 Ls sd0 0, 7- مراجع ] P. W. Carlin, A. S. Laxson, and E. Muljadi, "[1] The history and state of the art of variale-speed wind turine technoloy, "Wind Enery, vol. 6, pp , [2] J. Tamura, T. Yamazaki, M. Ueno, Y. Matsumura, and s. kimoto, "Transient staility simulation of power system includin wind enerator y PSCAD/EMTDC, "Transient staility Proceedins, 2001, p. 5 pp. vol. 4. [3] O. C. Montero Hernandez and P. N. Enjeti, Ridethrouh for critical loads. Explorin a low-cost approach to maintainin continuous connections etween uildins and/or industrial system, Industry Application Maazine, IEEE, vol. 8, pp , [4] S. Alepuz, S. Busquets-Mone, J. Bordonau, J. A. Martinez-Velasco, C. A. Silva, J. Pontt, and J. Rodriuez, Control strateies ased on symmetrical components for rid-connected converters under voltae dips, Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 56, pp , [5] W. Christiansen and D. T. Johsen, Analysis of requirements in selected Grid Codes, Prepared for Orsted-DTU Section of Electric power Enineerin, Technical University of Denmark (DTU), [6] E. Muljadi, K. Pierce, and P. Miliore, Control stratey for variale-speed, stall-reulated wind turines, in American Control Conference, Proceedins of the 1998, 1998, PP