پایان نامه طراحی کنترل‌کننده بهینه فیدبک حالت و خروجی توان راکتیو در نیروگاه‌های بادی مجهز به DFIG

اختصاصی از یارا فایل پایان نامه طراحی کنترل‌کننده بهینه فیدبک حالت و خروجی توان راکتیو در نیروگاه‌های بادی مجهز به DFIG دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)

تعداد صفحات:101

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد "M.Sc"
مهندسی برق – کنترل

فهرست مطالب:  
عنوان مطالب      شماره صفحه

چکیده    1
فصل اول : پیشگفتار    2
1-1 مقدمه    3
1-2 انرژی باد    4
1-3 مزایای بهره برداری از انرژی باد    4
1-4 اهمیت کنترل توان راکتیو در نیروگاه بادی    5
1-5 پیکربندی پایان نامه    6
فصل دوم : مشخصه‌های سیستم‌های بادی    7
2-1 مقدمه    8
2-2- فن‌آوری توربین‌های بادی    9
 2-2-1- اجزای اصلی توربین بادی    11
 2-2-2- چگونگی تولید توان در سیستم‌های بادی    12
 2-2-3- منحنی پیش بینی توان توربین بادی    13
 2-2-4- پارامترهای مهم در توربین بادی    13
2-3- انواع توربین‌ها از لحاظ سیستم عملکرد    14
 2-3-1- عملکرد توربین‌های سرعت ثابت    14
  2-3-1-1- توربین‌های ممانعت قابل تنظیم سرعت ثابت    15
  2-3-1-2- توربین‌های ممانعت تنظیم شده دو سرعتی    15
  2-3-1-3- توربین‌های زاویة گام قابل تنظیم فعال سرعت ثابت    16
  2-3-1-4- توربین‌های زاویة گام قابل تنظیم غیر فعال    16
 2-3-2- الگوی عملکرد سرعت متغیر    16
  2-3-2-1- توربین‌های ممانعت تنظیم شده سرعت متغیر    17
  2-3-2-2- توربین‌های سرعت متغیر با زاویة گام قابل تنظیم فعال    17
  2-3-2-3- توربین‌های سرعت متغیر با محدوده عملکرد کوچک    18
2-4- کنترل توربین بادی    18
 2-4-1- فعالیت‌های قابل کنترل در توربین‌های بادی    19


فهرست مطالب
عنوان مطالب      شماره صفحه

  2-4-1-1- کنترل گشتاور آیرودینامیکی    19
  2-4-1-2- کنترل گشتاور ژنراتور    20
  2-4-1-3- کنترل گشتاور ترمز    20
  2-4-1-4- کنترل جهت گیری دوران حول محور قائم    21
 2-4-2- کلیات عملکرد توربین‌های متصل به شبکه    21
2-5- ژنراتورهای مورد استفاده در توربین‌های بادی    22
 2-5-1- ژنراتورهای سنکرون    23
 2-5-2- ژنراتورهای جریان مستقیم    24
 2-5-3- ژنراتورهای القائی    25
 2-5-4- تحلیل عملکرد ژنراتور القائی    25
  2-5-4-1- راه‌اندازی توربین بادی با ژنراتور القائی    26
  2-5-4-2- تحلیل دینامیک ماشین القائی    27
  2-5-4-3- شرایط عملکرد خارج از محدوه طراحی    28
  2-5-4-4- مشخصه ژنراتور القایی دو سوتغذیه‌    28
خلاصه فصل 2    30
فصل سوم : مدلسازی ژنراتور القائی با تغذیه دو‌بل    31
3-1- مقدمه    32
3-2- عملکرد فوق سنکرون و زیر سنکرون ژنراتور القایی دو سو تغذیه    33
3-3- تبدیل قاب مرجع    35
 3-3-1- تبدیل قاب مرجع abc/dq    35
 3-3-2- تبدیل قاب مرجع abc به αβ    39
3-4- مدل‌های ژنراتور القایی    39
 3-4-1- مدل بردار-فضا    40
 3-4-2- مدل قاب مرجع dq    43
3-5- مدل مرتبه 3 ژنراتور القایی  دو سو تغذیه    45
3-6- بیان پارامترها در سیستم پریونیت    45
فهرست مطالب
عنوان مطالب      شماره صفحه

3-7- کنترل اینورتر متصل به شبکه    47
3-8- کنترل چرخش ولتاژ(VOC)    48
3-9- کنترل چرخش میدان(FOC)    51
خلاصه فصل 3    53
فصل چهارم : طراحی کنترل‌کننده بهینه فیدبک حالت و خروجی     54
4-1- مقدمه    55
4-2- مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه کنترل توان در DFIG     56
4-3- توصیف سیستم    58
4-4- مدل توربین بادی    59
4-5- مدل ژنراتور القایی دو سو تغذیه    60
4-6- مدل جعبه دنده    61
4-7- مدل فیلتر RL    62
4-8- فضای حالت سیستم    64
4-9- طراحی با جایدهی قطب     67
4-10- طراحی کنترل‌کننده برای مدل تقویت شده    71
4-11-شبیه سازی    73
4-12- طراحی کنترل‌کننده PI جهت کنترل سرعت روتور (wr)    83
خلاصه    86
فصل پنجم : نتیجه گیری و پیشنهادات    87
پیوست‌ها    91
منابع و مأخذ    92
فهرست منابع فارسی    93
فهرست منابع لاتین    95
چکیده انگلیسی    96
صفحه عنوان انگلیسی    97
اصالت نامه    98

فهرست شکل‌ها
عنوان      شماره صفحه

شکل2-1- توربین‌های بادی مدرن واقع در مزرعه بادی    8
شکل2-2- انواع توربین‌های بادی    10
شکل 2-3- انواع توربین‌های بادی    11
شکل 2-4- دیاگرام سیستم بادی    12
شکل 2-5- منحنی توان بر حسب سرعت باد توربین بادی    13
شکل2-6- کلاس‌بندی ژنراتورهای الکتریکی که اغلب در توربین‌های بادی استفاده می‌شوند    23
شکل 2-7- منحنی توان، جریان و گشتاور ژنراتور القائی    26
شکل 2-8- منحنی افزایش جریان بر حسب کاهش فرکانس در ماشین القایی    28
شکل 2-9- دیاگرام بلوکی توان‌های جاری شده در ژنراتورهای القائی دو سو تغذیه    29
شکل 3-1- ساختار DFIG    32
شکل 3-2- مبدل پشت به پشت    32
شکل 3-3 الف : حالت فوق سنکرون    33
شکل 3-3 ب: حالت زیر سنکرون    34
شکل 3-4- مشخصه گشتاور – سرعت DFIG    34
شکل 3-5- بردار فضای x ومتغیرهای سه فازش xa,xb,xc    36
شکل 3-6- تبدیل متغیرها در قاب ساکن سه فاز(abc) به قاب دو فاز (dq)    37
شکل 3-7- تجزیه بردار فضای x به قاب مرجع گردان (dq)    38
شکل 3-8- دیاگرام ساده شده DFIG    40
شکل 3-9- مدار معادل بردار فضا ژنراتور القایی در قاب مرجع دلخواه    42
شکل 3-10- مدل ژنراتور القایی در قاب سنکرون    43
شکل 3-11- مدل ژنراتور القایی در قاب ساکن    43
شکل 3-12- اینورتر متصل به شبکه در سیستم مبدل بادی    47
شکل 3-13- دیاگرام فاز و PF    48
شکل 3-14- بلوک دیاگرام کنترل چرخش ولتاژ(VOC)    49

شکل 3-15- کنترل چرخش میدان شار روتور    52
شکل 4-1- منحنی مشخصه سرعت – توان توربین در زاویه گام صفر    59
شکل 4-2- سیستم کنترل حلقه باز    69
شکل 4-3- سیستم کنترل حلقه بسته    69
شکل 4-4- خطای حالت دائمی توان راکتیو سمت استاتور    70
شکل 4-5- خطای حالت دائمی توان راکتیو کانورترسمت شبکه (فیلتر RL)    71
شکل 4-6- پاسخ پله توان راکتیو سمت استاتور پیش از بهینه سازی    73
شکل 4-7- پاسخ پله توان راکتیو فیلتر RL پیش از بهینه سازی    74
شکل 4-8- پاسخ پله توان راکتیو سمت استاتور پس از بهینه‌سازی    74
شکل 4-9- پاسخ پله توان راکتیو فیلتر RL پس از بهینه سازی    75
شکل 4-10- نمودارسیگنال کنترل Vds پس از بهینه‌سازی    75
شکل 4-11- نمودارسیگنال کنترلVdg پس از بهینه‌سازی    76
شکل 4-12- نمودارسیگنال جریان مؤلفه d استاتور پس از بهینه‌سازی    77
شکل 4-13- نمودارسیگنال جریان مؤلفه d فیلتر RL پس از بهینه‌سازی    77
شکل 4-14- نمودارسیگنال جریان مؤلفه q فیلتر RL پس از بهینه‌سازی    78
شکل 4-15- نمودارسیگنال جریان مؤلفه q استاتور پس از بهینه‌سازی    78
شکل4-16- نمودارسیگنال جریان مؤلفه d روتور پس از بهینه‌سازی    79
شکل4-17- نمودارسیگنال جریان مؤلفه q روتور پس از بهینه‌سازی    79
شکل4-18- نمودارخطای حالت دائمی توان راکتیو استاتور    80
شکل4-19- نمودارخطای حالت دائمی توان راکتیو کانورتر سمت شبکه    80
شکل 4-20-  منحنی تغییرات سرعت روتور بر حسب پریونیت    81
شکل 4-21- پاسخ پله توان راکتیو سمت استاتور در سرعت روتور متغیر    82
شکل 4-22- پاسخ پله توان راکتیو فیلتر RL در سرعت روتور متغیر    82
شکل 2-23- نمودار بلوکی کنترل‌کننده PI    83
شکل4-24-  تعییرات سرعت روتور پس از طراحی کنترل‌کننده PI    83
شکل4-25- پاسخ پله توان راکتیو استاتور پس از طراحی کنترل‌کننده PI    84
شکل4-26-  پاسخ پله توان راکتیو فیلتر RL پس از طراحی کنترل‌کننده PI    84
شکل4-27-  سیگنال ولتاژ مؤلفه d استاتور پس از طراحی کنترل‌کننده PI    85
شکل4-28-  سیگنال ولتاژ مؤلفه d فیلتر RL پس از طراحی کنترل‌کننده PI    85

چکیده:
بالا بودن ضریب نفوذ باد در سیستم‌های الکتریکی متصل به شبکه، چالش‌های جدیدی را در رابطه با پایداری سیستم‌های قدرت به دنبال دارد. علیرغم ماهیت تصادفی باد، لازم است تا اطمینان به پایداری شبکه‌های قدرت تضمین شود. از آنجائیکه یکی از نیازهای جدید شرکت‌های تولیدکننده برق ازطریق انرژی باد، تنظیم ولتاژ می‌باشد، این پایاننامه بر روی کنترل توان راکتیو در نیروگاه‌های بادی مجهز به ماشین‌های القایی دوسوتغذیه متمرکز شده است. در این پایان نامه یک نیروگاه بادی 9 مگاواتی شامل شش عدد توربین بادی 5/1 مگاواتی و ژنراتور القایی دو سو تغذیه ( بطوریکه همه توربین‌ها در یک راستا قرار گرفته و بادهای یکسانی را دریافت می‌کنند) مدلسازی شده است. در این مدل کانورترهای سمت روتور و شبکه با گین یک در نظر گرفته شده‌اند. برای کنترل توان راکتیو جاری شده در استاتور و فیلتر RL (این فیلتر کانورتر سمت شبکه را به شبکه متصل می‌کند) یک کنترل‌کننده فیدبک حالت و خروجی طراحی شده بطوریکه خروجی‌ها (توان‌های راکتیو جاری شده در استاتور و فیلتر RL)، ورودی‌های مرجع را دنبال کنند. بعد از طراحی کنترل‌کننده فیدبک حالت و خروجی، گین‌های این کنترل کننده با استفاده از روش نیوتن بهینه سازی شده‌اند. در این مدل در ابتدا سرعت روتور برابر با مقدار ثابتی در نظر گرفته شده، از آنجائیکه سرعت روتور در واقع مقدار ثابتی نیست و با تغییر سرعت باد ورودی به توربین، تغییر می‌کند و باعث نوسانی شدن توان‌های راکتیو می‌گردد، به همین جهت برای کنترل سرعت روتور نیز یک کنترل‌کننده PI طراحی شده است. نتایج شبیه‌سازی عملکرد صحیح سیستم پیشنهادی را نشان می‌دهد.

 

فصل اول

پیشگفتار

1-1  مقدمه:
در طول بیست سال گذشته، به‌دلیل افزایش قیمت، محدود بودن منابع و اثرات مخرب زیست محیطی سوختهای فسیلی، منابع انرژی تجدیدپذیر بسیار مورد توجه قرار گرفته‌‌اند. در همین حال، پیشرفت‌های فن‌آوری، کاهش قیمت و مشوق‌های دولتی باعث شده است تا پاره‌ایی از منابع انرژی تجدیدپذیر مقرون به صرفه و در بازار رقابت پذیر باشند. از این میان، انرژی باد یکی از سریعترین منابع انرژی تجدیدپذیری است که به سرعت در حال رشد و توسعه می‌باشد. انرژی باد سال‌های متمادی است که برای آسیاب کردن دانه‌های کشاورزی، پمپ کردن آب و دریا نوردی به‌کار برده شده است.
کاربرد آسیاب‌های بادی برای تولید برق به اواخر قرن نوزدهم برمی‌گردد؛ زمانیکه ژنراتور12 KW DC برای آسیاب‌های بادی ساخته شدند، اما این تنها در دهه 1980 میلادی است که صنعت به بلوغ کافی و لازم برای تولید برق به‌گونه‌ای اثر بخش و کارآمد دست می‌یابد.
در واقع ازسال 1975 پیشرفت‌های شگرفی در زمینه توربین‌های بادی در جهت تولید برق به‌عمل آمده است. در سال1980 اولین توربین برق بادی متصل به شبکه سراسری نصب گردید. بعد از مدت کوتاهی اولین مزرعه برق بادی چند مگاواتی در آمریکا نصب و به بهره برداری رسید. درپایان سال 1990 ظرفیت توربین‌های برق بادی متصل به شبکه در جهان به 200MW رسید که توانایی تولید سالانه 3200Gwh برق را داشته که تقریباً تمام این تولید مربوط به ایالات کالیفرنیا آمریکا و کشور دانمارک بود.[1]
امروزه کشورهای دیگر نظیر هلند، آلمان، بریتانیا، ایتالیا، اسپانیا، چین و هندوستان برنامه‌های ملی ویژه‌ایی را در جهت توسعه و عرضه تجاری انرژی باد آغاز کرده‌اند.
در طول دو دهه گذشته، مجموعه متنوعی از پیشرفت‌های تکنولوژی در صنایع تولید برق بادی بسط و توسعه یافته، بنحویکه نسبت تبدیل مؤثر تولید برق از باد و کاهش هزینه آن به صورت چشمگیری بهبود یافته است. توان توربین‌های بادی از چندین کیلووات به چندین و چند مگاوات در هر توربین افزایش یافته است. علاوه بر نصب توربین‌ها برروی خشکی، توربین‌های بادی بزرگتر به مناطق ساحلی دریاها رانده شده‌اند تا ضمن کاهش اثرات سوء آنها بر مناظر و مناطق خشکی، بتوانند انرژی بیشتری را جذب کنند.

1-2 انرژی باد:
هنگامی‌ که تابش خورشید به طور نامساوی به سطوح ناهموار زمین می‌رسد سبب ایجاد تغییرات در دما و فشار می‌گردد و در اثر این تغییرات باد به وجود می‌آید. همچنین اتمسفر کره زمین به دلیل حرکت وضعی زمین، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می‌دهد که این امر نیز سبب به وجود آمدن باد می‌گردد. جریانات اقیانوسی نیز به طو مشابه عمل نموده و عامل 30٪ انتقال حرارت کلی در جهان می‌باشند. در مقیاس جهانی این جریانات اتمسفری به‌صورت یک عامل قوی جهت انتقال حرارت و گرما عمل می‌نمایند. دوران کره زمین نیز می‌تواند در برقراری الگوهای نیمه دائم جریانات سیاره‌ایی در اتمسفر، انرژی مضاعف ایجاد نماید. در حقیقت همان‌طور که عنوان شد باد یکی از صورت‌های مختلف انرژی خورشیدی می‌باشد که دارای یک الگوی جهانی پیوسته است.[2]
تغییرات سرعت باد، ساعتی، روزانه و فصلی بوده و متاثر از هوا و توپولوژی سطح زمین می‌باشد. بیشتر منابع انرژی باد در نواحی ساحلی و کوهستانی واقع شده‌اند.

1-3 مزایای بهره برداری از انرژی باد:
•    کاهش میزان مصرف سوخت‌های فسیلی
•    رایگان بودن انرژی باد
•    توانایی تأمین بخشی از تقاضای انرژی برق
•    کمتر بودن نسبی قیمت انرژی حاصل از باد نسبت به انرژی‌های فسیلی
•    کمتر بودن هزینه‌های جاری و هزینه‌های سرمایه گذاری انرژی باد در بلند مدت
•    عدم نیاز به آب
•    عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب
•    کاهش آلودگی محیط زیست
•    افزایش قابلیت اطمینان در تولید انرژی برق
مشکلات عمده در نیروگاه‌های بادی عمدتاً شامل تغییرات در ولتاژ و فرکانس شبکه، عدم تعادل فازها و قطع شدن ناگهانی یک یا تمامی فازها و تغییرات شدید در سرعت باد است که باعث ناپایداری سیستم می‌شود.[3] در رابطه با  هر یک از این مشکلات تحقیقات و مطالعات متعددی صورت پذیرفته است. برای مثال در خصوص مشکلات مرتبط با ماهیت تصادفی باد می‌توان به تحقیق‌های [4و5] اشاره نمود که در این تحقیقات سیستم دینامیکی غیر خطی توربین بادی مدلسازی شده و یک کنترل کننده فیدبک بهینه تصادفی برای این سیستم طراحی شده است. در تحقیق [6] نیز به ارزیابی و مقایسه توربین‌های سرعت ثابت و متغیر جهت بهینه سازی دریافت انرژی بادی پرداخته شده است.


1-4 اهمیت کنترل توان راکتیو در نیروگاه‌های بادی
با افزایش استفاده از انرژی باد در شبکه‌های قدرت، تولید توان و پایداری شبکه موضوعاتی کلیدی در دهه اخیر شده است. وابستگی به شرایط واقعی باد همچنان یک فاکتور ریسکی در نگهداری سطح متوازنی میان عرضه انرژی و تقاضای آن به عنوان شرط اصلی برای عملکرد قابل اطمینان از سیستم توان الکتریکی است.[7]
بررسی به‌عمل آمده در آمریکا و کانادا در سال 2003 نشان داده که با کنترل توان راکتیو می‌توان از قطعی‌های متوالی خطوط انتقال و واحدهای تولیدی جلوگیری کرد. بنابراین بعضی از پیشنهادات پیرامون این موضوع  ارائه شده است[8].
شرکت‌های برق اروپایی راهبرد‌هایی را برای اتصال مزارع بادی به خطوط انتقال با سطح ولتاژ بالا ارائه کرده‌اند. این استانداردهای شبکه (کدهای شبکه ) الزامات مشابهی (نظیر پایداری شبکه در عملکرد عادی و تحت شرایط خطا)  که برای سیستم‌‌های تولیدی متداول بوده را، برای مبدل‌های توان بادی نیز وضع کرده‌اند. در مدت عملکرد نرمال، این استانداردها (پایداری شبکه در عملکرد عادی و تحت شرایط خطا) به معنای قابلیت تنظیم فرکانس، از طریق کنترل توان اکتیو و تنظیم ولتاژ از طریق کنترل توان راکتیو است.
یکی از انواع توربین‌های بادی سرعت متغیر، توربین‌های بادی با ژنراتورالقایی دو سو تغذیه (DFIG) می‌باشد که امروزه به عنوان یکی از رایج‌ترین و پرطرفدارترین توربین‌های بادی در جهان به‌حساب می‌آید. در این پایان نامه یک مزرعه بادی مجهز به این نوع توربین بادی به همراه سیستم کنترل توان راکتیو با استفاده از نرم افزار متلب ارئه شده است.
تا کنون روش‌های مختلفی برای کنترل توان توربین‌های بادی DFIG ارائه شده است که از جمله آن می‌توان به تولید توان اکتیو تحت شرایط نامتعادل [10]، کنترل جداگانه گشتاور الکترومغناطیسی و توان راکتیو برای ژنراتورهای دو سو تغذیه  (DFIG)[11]، کنترل توان با استفاده از ازکانورتر منبع جریان [12] و کاربرد کانورتر سمت شبکه به صورت یک فیلتر اکتیو موازی برای تولید توان راکتیو و جبران هارمونیک و استفاده از اینورتر سمت روتور (RSI) تنها برای تولید توان اکتیو [13] ارائه شده است.
1-5 پیکربندی پایان نامه
در این پایان‌نامه، در ابتدا در فصل دو اجزای مختلف سیستم‌های بادی معرفی شده، نحوه تولید توان در توربین توصیف و پارامترهای مهم توربین معرفی شده است. انواع توربین از لحاظ سیستم عملکرد (سرعت ثابت یا سرعت متغیر) مورد بررسی قرار گرفته، فعالیت‌های قابل کنترل در توربین بادی و چگونگی کنترل توربین‌های مختلف توضیح داده شده است. در انتها نیز مزایا و معایب انواع ژنراتورهای قابل استفاده در سیستم‌های بادی (سنکرون، جریان مستقیم و القائی) بیان گردیده است.
در فصل سه توصیف مفصلی از ژنراتورهای القایی دو سو تغذیه، حالت‌های فوق سنکرون و زیر سنکرون  آنها ارائه شده، توضیحاتی نیز پیرامون تبدیل قاب‌های مرجع و مدل‌های ژنراتور (مدل بردار- فضا، مدل قاب مرجع dq) ارائه گردیده است. در نهایت تبدیل پارامترها در سیستم پریونیت و توصیف روش‌های کنترل همراستای ولتاژ و کنترل همراستای میدان، مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
مطالب ارائه شده در فصل چهارم را می‌توان به شرح ذیل دسته بندی کرد:
•    مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه کنترل توان درDFIG
•    بیان فضای حالت سیستم
•     توصیف روش طراحی با جایدهی قطب
•     طراحی کنترل‌کننده برای مدل تقویت شده
•    طراحی کنترل‌کننده PI برای کنترل سرعت روتور
 در انتها نیز نتایج شبیه سازی ارائه شده است و در فصل آخر(پنجم) نتیجه‌گیری و پیشنهادات آورده شده است.
در پایان ضمائم و مراجع به‌کار رفته به تفصیل ارائه گردیده است.