شبیه سازی و حذف هارمونیک های ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دايم در سیستمهای تبديل انرژی باد اردشیر آرش ابراهیم صادقی منصور همتی میثم روشن چشم احمد اصغری ا-دکترای تبديل انرژی 2 -دانشجويی ارشد برق 3- دانشجويی ارشد برق 4- دانشجويی ارشد برق 5- دانشجويی ارشد برق آدرس پست الکترونیکی : ebrahimfn@yahoo.com ابراهیم صادقی کد مقاله : ELE-2981 خالصه انرژي باد ارزانترين مناسبترين شکل انرژيهاي نو میباشد و يکی از منابع انرژي است که در سالهاي اخیر رشد بااليی داشته است.نیروگاههاي بادي به عنوان يک منبع انرژي تجديدپذير تا ظرفیت تولید 52 مگاواتدر سراسردنیاگسترش پیدا کردهاند.در سالهاي اخیر توجه به انرژيهاي تجديدپذير به ويژه انرژي باد رو به گسترش بوده است. توجه روزافزون به انرژي بادي داليل متعددي دارد که مهمترين آنها در زير فهرست شدهاند. افزايش قیمت سوختهاي فسیلی اهمیت يافتن مسايل زيستمحیطی و تالش براي کاهش گازهاي گلخانهاي افزايش توان توربینهاي نسل جديد و کاهش سرمايهگذاري مورد نیاز براي نصب توربینها کلمات کلیدی: انرژی باد نیروگاه های بادی تجديد پذير زنراتورها مغناطیس دائم
1-1 چگونگی تولید توان در سیستم های بادی بلوک دياگرام شکل 1-1 اساس کار سیستمهاي بادي را نمايش میدهد. در اين سیستم بادي توربین وظیفه تبديل انرژي باد به انرژي مکانیکی را دارد. جعبه دنده سرعت را افزايش و گشتاور را ورودي) T ( توربین m را با سرعتω یم سرعت زاويهاي کاهش میدهد و ژنراتور انرژي مکانیکی را به الکتريکی تبديل میکند. گشتاور باد چرخاند. گشتاور خروجی جعبه دنده ( p T( به عنوان گشتاور ورودي ژنراتور سبب تولید گشتاور الکتريکی Te و ω e میشود. ω و ωبا e هم برابر نیستند و بستگی به جعبه دنده دارند[ 3][2][1 ]. شکل 1-1 دياگرام سیستم بادی.3.1.5 توان خروجی از توربین بادي تابعی از سه فاکتور است : توان بادي که میوزد. منحنی توان ماشین توانايی ماشین براي پاسخ دادن به وزش باد 2-1 ژنراتور های توربین های بادی اساسا يک توربین بادي براي تولید توان نیاز به يک ژنراتور سه فاز دارد تا انرژي مکانیکی گرفته شده از باد را به انرژي الکتريکی تبديل کند[ 2][1 ]. امروزهبا ورود مبدلهاي الکترونیک قدرت بهعرصهتوربینهايبادي ازهمهانواع ژنراتورهايAC با فرکانسهاي مختلف يا ژنراتورهاي DC براي تولید توان استفاده میشود[ 2 ]. انواع مختلف ژنراتورهايی مورد استفاده در توربینهاي بادي را میتوان به صورت زير دستهبندي نمود[ 3][2 ]: A( ژنراتور القايی )1 )5 )3 ژنراتور القايی قفس سنجابی )SCIG( ژنراتور القايی روتور سیمپیچی شده )WRIG( ژنراتور القايی با تغذيه دوبل B( ژنراتور سنکرون )1 )5 DC ژنراتور )C ژنراتور سنکرون روتور سیم پیچی شده ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم عملکرد توربینهاي بادي از نظر سرعت را نیز میتوان به دو دسته ي توربینهاي سرعت ثابت و توربینهاي سرعت متغیر تقسیم کرد.
تفاوت عملکرد اين دو نوع توربین در شکل 5-1 نشان داده شده است. درشکل منحنی توان تولیدي توربین بر حسب سرعت روتور ژنراتور در سرعتهايمختلف بادبه همراه محدوده عملکرد توربینهاي بادي با سرعت ثابت و سرعت متغیر نشان داده شده است. توربینهاي بادي با سرعت ثابت معموال از يک ژنراتور القايی به عنوان ژنراتور استفاده میکنند که محدوده تغییرات سرعت اين توربینها در بازه سرعت سنکرون و سرعتی که در آن ژنراتور ماکزيمم توان خود را تولید میکند)محدوده ژنراتوري( بسیار کم میباشد و سرعت توربین تقريبا ثابتمیماند.ژنراتورهاي توربینهاي سرعت متغیر که هم از نوع سنکرون و هم از نوع القايی میباشند داراي قابلیت تغییر سرعت ژنراتور در سرعتهاي مختلف باد میباشند. اين عمل به منظور دريافت ماکزيمم توان از باد در سرعتهاي مختلف باد انجام میگیرد. سیستمهاي سرعت متغیر 52 الی 32 درصد انرژي بیشتر نسبت به سیستمهاي توان ثابت تحويل میدهند.در ضمن باعث کاهش نوسان توان و بهبود عرضه توان راکتیو میشوند. در ادامه هر يک از اين دو نوع توربین معرفی شده و مزايا و معايب هريک مورد بررسی قرار میگیرند[ 9][4][3 ]. شکل 2-1 : محدوده عملکرد توربین های بادی با سرعت متغیر و سرعت ثابت فرموالسیون: توربینهای بادی سرعت متغیر با ژنراتورالقائی تغذيه دوبل )DFIG( اين توربینها از يک زنراتور القايی با روتور سیمپیچی شده با تغذيه دوبل استفاده میکنند و از طريق تغییرولتاژ تزريقی به روتور سرعت ژنراتور کنترل میگردد.در شکل 3-1 طرح شماتیک اين نوع از توربینها نشان داده شده است[ 4][2 ]. شکل 3-1 : توربین بادی سرعت متغیر با ژنراتور القايی تغذيه دوبل
روتور اين ژنراتور از طريق يک مبدل الکترونیک قدرت به شبکه قدرت متصل است و اين کانورتر عمل کنترل توان اکتیو و راکتیو خروجی ژنراتور را به طور مجزا انجام میدهد. کنترل مبدل متصل به روتور با استفاده از اصول کنترل برداري انجام میپذيردوبا کنترل مؤلفههاي معکوس و مستقیم جريان ژنراتور )مؤلفه هاي دستگاه )dq توان اکتیو و راکتیو زنراتور به طور مجزا کنترل میگردد. میزان توان اکتیو مرجع با استفاده از منحنی شکل )7-5( و براي کسب ماکزيمم توان از انرژي باد تعیین میگردد و میزان توان راکتیو مرجع نیز بر مبناي بهبود ضريب توان توربین مشخص میگردد. تغییرت سرعت در اين ژنراتورها معموال حدود 02%- تا 32%+ سرعت سنکرون میباشد[ 5 ]. ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دايم در سیستمهای تبديل انرژی باد: ژنراتورهاي سنکرون مغناطیس دايم( PMSG ( کاربرد زيادي در سیستم هاي تبديل انرژي باد دارند.اين سیستم ها مزاياي متعددي از قبیل توان خروجی ماکزيمم و استرس هاي مکانیکی کمترنسبت به سیستم هاي سرعت ثابت دارا هستند[ 4 ].مبدل هاي ac به dc ولتاژ و فرکانس متغییراز ولتاژ dc تبديل می کنند که با تولید توان dc همراه است.لینک dc دوباره PMSG را به ac می شود البته با يک فرکانس ثابت که براي استفاده هاي الکتريکی در شبکه کاربرد دارد.اما استفاده از اين يکسوسازها جريان هاي حاوي هارمونیک با فرکانس پايین وشدت زياد تولید می کند که به PMSG متصل هستند. جاري شدن اين جريان هاي هارمونیک دار تلفات بیشتري از قبیل گرما را در ژنراتور تولید می کند که اين باعث میشود.راندمان در سیستم پايین بیايد وعمر مفید ژنراتور کم شود. در اين پروژه يک سیستم تبديل انرژي باد که شامل يک توربین بادي يک ژنراتور سنکرون مغناطیس دايم يک مبدل يکسوساز و يک بار dc می باشد شبیه سازي شده است[ 5 ]. قدرت باد قدرت مکانیکی توربین بادي در رابطه )1( بیان شده است.جايیکه سرعت باد به وضوح در قدرت خروجی تاثیر دارد که با توان سه سرعت باد بیان شده است[ 6][3 ].اندازه ضريب قدرت يک مقدار غیرخطی است و براي توربین هاي بادي مختلف متفاوت است.منحنی ضريب قدرت اين PMSG در شکل 0-1 آورده شده است. رابطه نسبت سرعت )5( بیان می کند که هر تغییري در سرعت باد در نسبت سرعت تاثیر خواهد داشت و در نتیجه مقدار ضريب قدرت تغییر خواهد کرد. اين همچنین به تغییر در توان مکانیکی خروجی تولید شده توربین بادي منجر می شود. به منظور دست يابی به توان ماکزيمم توربین بايد در ضريب قدرت ماکزيمم و نسبت سرعت ثابت کار کند[ 6 ]. P m = 1 2 ρc p(λ)au w 3 (1) λ = Rω m U w (2) که درآن u سرعت باد A مساحت روتور توربین بادي w m چگالی هوا سرعت زاويه اي مکانیکی ژنراتور وR شعاع پره روتور می باشد شکل 4-1 منحنی ضريب قدرت با نسبت سرعت سرعت روتور با معکوسJ وتفاوت بین گشتاور مکانیکی) T (و m الکتريکی ( e T( متناسب است[ 9][6][4][3 ].
مدل :PMSG مدل تئوريک براي ژنراتور با استفاده از مدل هاي رياضی براي هر قسمت بیان شد. اين مدل ها در قالب مرجع روتور d-qدر PMSG بیان شده اند. که با کمک تبديل پارک به فرم d-q درآمده اند.بیانی که براي گشتاور الکتريکی در قالب مرجع روتور وجود دارد در رابطه )0( بیان شده است[ 5][4 ]. V g q = (R g + d di L g q) i g q ω i L g d i g d + ω i λ m (3) V g d = (R g + d dt L g d) i g d ω r L g g q i q (4) T e = ( 3 2 ) (P 2 ) [(L g q L g q )i g q i g d λ m i g q ] (5) که در آن g R مقاومت سیم پیچی فاز استاتور ) d استاتور در راستاي L (اندوکتانس d m وq بزرگی لینک شار و p تعداد قطب هاي L (و) q ژنراتور سنکرون می باشد.ارتباط بین سرعت زاويه اي روتور وسرعت r زاويه اي مکانیکی m به صورت زير است: ω r == P 2 ω m (6) مبدل يکسوساز در PMSG وصل کردن يک بار مقاومتی به ترمینال يکسوساز به آسانی مشخصات بار يک سیستم تبديل انرژي باد را شبیه سازي می کند. با تغییر بار درسمت dc توان خروجی PMSG تغییر خواهد کرد. درسرعت باد متفاوت بايد بار مقاومتی تغییرکند تا ماکزيمم توان از PMSG حاصل شود[ 8][7 ]. شکل 5-1 مبدل يکسوساز در سیستم بادی ولتاژ خروجی متوسط براي يکسوساز با رابطه )7( بیان شده است و رابطه توان خروجی dc هم با رابطه )8( بیان شده است. V rectifier = 3 2 π V ac,rms (7) P dc,output = V dc I dc (8) ac,rms آن v ولتاژ موثرخروجی خط به خط ژنراتور خصوصیات توان خروجی با توجه به ولتاژ عمل کننده ac v dc حاصله در سرعتهاي باد مختلف از روي منحنی قابل مالحظه است ولتاژ يکسوشده خروجی و I dc جريانیکسوشده خروجی می باشد. شکل 6-1 منحن درسرعتهاي باد مختلف در رنج 0 m/s تا 15 m/s را نشان می دهد و ماکزيمم توان از اين رو براي ژنراتور به منظور حصول به ماکزيمم توان سیستم تبديل انرژي باد بايد با منحنی ماکزيمم قدرت به صورت نزديکی هماهنگ شود[ 7][6][3 ].
شکل 6-1 توان dc يکسوشده خروجی ازPMSG عملکرد مبدل يکسوساز: ناحیه عملکرد ژنراتور توربین بادي از سرعت باد 0 m/s تا 15 m/s نشان داده شده است.و شکل موج ولتاژ و جريان خروجی را به منظور تحلیل وبحث در سرعت هاي باد مختلف می توان بدست آورد[ 7][4 ]. مطالعه شکل موج ولتاژ و جريان خروجی نشان می دهد که شکل موج خروجی حاوي هارمونیک می باشد. براي محاسبه محتويات هارمونیکی شکل موج با استفاده از تبديل فوريه محتويات هارمونیکی n ام بدست می آيد. اين محتويات هارمونیکی برحسب درصد محتويات ساختاري بیان شده اند. در نهايت می توان اعوجاج هارمونیکی را بدست آورد[ 7][4 ]. %THD = 100% ( n 2 (an, rms)2) (9) I a1,rms که در آن) rms I a 1, rms ام ) جريان فازموثرn ) I an, (جريان فازموثر هارمونیک اصلی می باشد. همانطور که گفته شد شکل موج ولتاژ و جريان خروجی حاوي هارمونیک می باشدکه با استفاده از فیلترهاي از بین برنده هارمونیک شکل موج خروجی اصالح می شود[ 9][8][7][4 ]. شبیه سازی سیستم بادی: در اين بخش به شبیه سازي سیستم تبديل انرژي باد پرداخته می شود. شماي کلی سیستم شبیه سازي شده درMATLAB به شکل زير است. در اين مقاله يک سیستم تبديل انرژي باد که شامل يک توربین بادي يک ژنراتور سنکرون مغناطیس دايم يک مبدل يکسوساز و يک بار dc می باشد شبیه سازي شده است 4][3 ] [7][8][9].
در اين شبیه سازي سرعت باد به صورت تابع پله در نظر گرفته شده که از سرعت 15 به m/s 8m/s در لحظه 2=t 5/ تغییر می کند[ 5][9][8][7 ]. بدين ترتیب با دو فرکانس کاري مختلف در مدار مواجهخواهیم شد.براي يکسو سازي ولتاژ و جريان از يک universal bridge استفاده شده است. در پايان شکل موج توان dc خروجی هم رسم شده است. دارند. نتايج: مطالعه شکل موج جريان و ولتاژ خروجی PMSG نشان می دهد که هارمونیک هاي پنجم و هفتم نقش عمده اي در اعوجاج شکل موج هاي خروجی شکل موجهاي ولتاژ و جريان با استفاده از فیلترهاي از بین برنده هارمونیک اصالح شده اند. جريان خروجی)اسکوپ 2 ( از PMSGولتاژ خط به خط خروجی)اسکوپ 7 ( از PMSG جريان خروجی)اسکوپ 11 ( از PMSG که هارمونیک های آن فیلتر شده
مرجع ها: [1] K. Tan, S. Islam Optimum Control Strategies in Energy Conversion of PMSG Wind Turbine System Without Mechanical Sensors, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 19, No. 2, June 2004, pp 392-400 [2] Y. T. Tat, Analysis of Losses in a 20 kw Permanent Magnet Wind Energy Conversion System, Curtin University of Technology, 2003 [3] E. Muljadi and C. P. Butterfield, Pitch-Controlled Variable-Speed Wind Turbine Generation, IEEE Transactions on Industry Appiclation, Vol. 37, No.1, January 2001 [4] S. Jiao, D. Patterson, S. Camilleri, Boost Converter Design for 20 KW Wind Turbine Generator, AUPEC 99, Darwin, PP398-402, PP 716-724 [5] S. B. Borowy and Z. M. Salameh, Dynamic Response of a Stand-Alone Wind Energy Conversion System with Battery EnergyStorage to a Wind Gust, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 12, No. 1, March 1997 [6] J. F. Gieras and W. Mitchell, "Permanent Magnet Motor Technology,MarcelDeffer, 2002 [7] N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins, Power Electronics; Converters, Application and Design, 3rd ed., John Wiley & Sons, 2002 [8] J. Arrillaga, Power System Harmonics, John Wiley & Sons, 1985 [9] H. T. Ming, Mitigation of Harmonics in Wind Turbine Driven References