فصل سوم: کنترل فرکانس تولید بادی و خورشیدی

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3-1- مقدمه

در این فصل ساختار‌های واحد تولید انرژی بادی ژنراتورهای دوسو تغذیه (DFIG) و همچنین پانل خورشیدی و همچنین استراتژی‌های کنترلی مورد نیاز آنها جهت مشارکت در کنترل فرکانس مطالعه می گردند. همانطور که ذکر گردید با افزایش ظرفیت نفوذ تولید بادی، شبکه با کاهش ظرفیت پشتیبانی تنظیم فرکانس مواجه می گردد. اگرچه طرح‌های کنترلی برای بهبود کنترل فرکانس در ادامه معرفی می گردد، اما در حضور تولید بادی با ضریب نفوذ بالا، تغییرات غیر قابل پیش بینی تولید بادی و علاوه بر آن با ورود همزمان تولید خورشیدی به شبکه، بهره گیری از ذخیره‌سازهای توان برای بهبود مرز‌های پایداری سیستم اجتناب ناپذیر می نماید. در ادامه مدلی مناسب جهت بهره گیری ذخیره‌ساز باتری در کنترل فرکانس اظهار می گردد. جهت بهینه‌سازی پارامترهای مرتبط با کنترل فرکانس شبکه، از الگوریتم بهینه‌سازی نوسان ذرات بهره گیری می گردد. در انتهای فصل مختصراً الگوریتم بهینه‌سازی نوسان ذرات تبیین داده می گردد.

3-2- مشارکت تولید بادی ژنراتور القایی دو سو تغذیه در تنظیم فرکانس شبکه

در کنار افزایش ضریب نفوذ بادی در سیستم قدرت، تأثیر آنها در سرویس‌های جانبی نظیر کنترل فرکانس اهمیّت بیشتری می‌یابد. در حقیقت پس از جایگزینی تولید بادی با توربین بادی سرعت متغیّر و یا تولید خورشیدی به جای تولید متداول، لختی سیستم (جرم چرخان) نیز کاهش خواهد پیدا نمود. این جایگزینی نرخ تغییرات فرکانس را افزایش و مقاومت سیستم در قبال اغتشاشات وارده به شبکه را کاهش می‌دهد. اما تحقیقات اخیر نشان داده می باشد، اگر کنترل مطلوبی بر توربین‌های مدرن بادی سرعت متغیّر صورت پذیرد، با وارد شدن نیروی بادی به شبکه لزوماً لختی شبکه کاهش نخواهد پیدا نمود [47] [48] [49] [50] [51] . ایده کار، به کار بردن انرژی چرخشی ذخیره شده در پره‌های توربین بادی جهت پشتیبانی کوتاه مدت توان اکتیو می‌باشد. توربین بادی سرعت متغیّر با سیستم کنترلی انعطاف پذیر مبتنی بر اصول الکترونیک قدرت مورد توجّه قرار گرفته‌اند. در نتیجه توان الکتریکی خروجی توربین بادی مدرن سرعت متغیّر بسته به فرکانس شبکه می‌تواند تغییر پیدا کند و در نتیجه پشتیبانی فرکانسی کوتاه مدت برای شبکه محیّا خواهد بود.
در مرجع [47] نشان داده شده که اثر لختی توربین بادی از نوع ژنراتور القایی دو سو تغذیه (DFIG) بسته به خصوصیات پارامترهای کنترلر جریان روتور، از دید شبکه پنهان نیست. با داشتن کنترلر جریانی آهسته تر پاسخ لختی از سیستم ژنراتور القایی دو سو تغذیه قابل استحصال می باشد. تحقیقات صورت گرفته در گزارش [48]، احتمال آزادسازی انرژی جنبشی در توربین بادی مبتنی بر ژنراتور القایی دو سو تغذیه بوسیله با اضافه کردن یک حلقه کنترلی جدید و حسّاس به فرکانس شبکه را به خوبی نشان می‌دهد. مقدار انرژی جنبشی آزاد شده بدین طریق در قیاس با آزاد سازی انرژی جنبشی در توربین بادی سرعت ثابت بیشتر خواهد بود. در سال 2004 سهم این نوع توربین‌ها از کل بازار تولید بادی جهان نزدیک به 60% بوده می باشد [52].
 نتایج مشابهی در [49] به ثبت رسیده می باشد. طرح مشابهی (سیگنال کنترلی اضافی وابسته به فرکانس شبکه) به مقصود بدست آوردن پاسخ لختی سیستم ژنراتور القایی دو سو تغذیه در [50] [51] مورد توجّه قرار گرفته می باشد. گزارش‌های اخیر، ایده استحصال بخشی از انرژی چرخشی موجود در قسمت چرخان توربین بادی جهت پشتیبانی کوتاه مدت توان اکتیو را با اصلاح کنترلر گشتاور توربین بادی، که می‌تواند عامل مثبتی در جهت کاهش افت فرکانسی اولیّه سیستم پس از بروز کسری تولید یا افزایش بار در شبکه می‌باشد را در ذهن تداعی کند.
صبغه کار حاضر بهره گیری از مقدار بیشینه پشتیبانیِ موقّت توانِ اکتیوی می باشد که با آزادسازی انرژی چرخشی پره‌های گردان یک توربین بادی چند مگاواتی دسترس قرار می گیرد (موجود در بازار برق – GE 3.6 MW  ). در این پژوهش شرکت دادن و مشخّص کردن کاربرد پشتیبانی کوتاه مدت توان اکتیو، به صورت خاص، در یک شبکه دو ناحیه ای حرارتی مورد توجّه قرار گرفته می باشد.
آغاز مقدار انرژی قابل استخراج از توربین‌ها با کمک گرفتن از مدل یک توربین بادی نمونه بوسیله استحصال توان اکتیو اضافی به صورت موقّت  از آن و در نظر گرفتن مدت زمانی که طول می‌کشد تا سرعت توربین به مرز کمینه سرعت کاری خود برسد، مشخّص می گردد. در مرحله بعد، بر اساس این اطلاعات (اینکه چه مقدار افزایش در توان اکتیو حاصل از توربین بادی برای چه مدت متناسب با سرعت وزش باد پابرجاست)، تابع کنترلی ساده ای در کنترل توربین بادی به کار برده شده ‌می باشد و سهم آن در کاهش افت اولیّه فرکانس پس از کسر تولید در یک سیستم حرارتی، مشخّص می گردد.

3-2-1- کنترل فرکانس توربین بادی سرعت متغیّر

در خلال عملکرد یک توربین بادی، مقداری انرژی در توربین و ژنراتور هست که کاملاً با ژنراتورهای متداول قابل قیاس می باشد [51]. این انرژی جنبشی می‌تواند در خلال بروز اختلاف تولید و بار در شبکه چه به سبب افزایش بار یا کمبود تولید جهت تأمین پشتیبانی توان اکتیو موقّت  بکار برده گردد. توربین بادی سرعت ثابت مستقیماً به شبکه متصل میشود و سرعت چرخشی آنها نمی‌تواند آزادانه تغییر کند. در سوی دیگر، توربین بادی سرعت متغیّر  معمولاً واسطه ای متشکّل از ادوات الکترونیک قدرت دارد که آنرا از شبکه جدا می‌نماید. توربین‌های بادی سرعت متغیّر به گونه ای طراحی شده‌اند تا بتوانند سرعت چرخش خود را در محدوده وسیع تری در خلال بهره برداری تغییر دهند. این کار امکان به کار گرفتن انرژی چرخشی موجود در توربین-ژنراتور را جهت تأمین پشتیبانی موقّت توان اکتیو در زمان بروز اغتشاشی در فرکانس شبکه بدست می‌دهد.

3-2-2- مدل توربین بادی

در پایان‌نامه حاضر توربین بادی سرعت متغیّر  با واسط الکترونیک قدرت جهت استحصال انرژی بادی حاصل از DFIG مورد بهره گیری قرار گرفته می باشد. مدل چاپ گردیده ای از توربین بادی تجاری چند مگاواتی سرعت متغیّر در شبیه سازی این پایان نامه مورد بهره گیری قرار گرفته که از مراجع [53] [54] اقتباس گردیده می باشد. بلوک دیاگرام مدل توربین بادی در شکل 3-1 نشان داده شده ‌می باشد.
شکل 3- 1 بلوک دیاگرام مدل توربین بادی سرعت متغیّر [35].
همانطور که در ارتباط (3-1) آمده می باشد، سرعت مرجع  ، بر اساس توان الکتریکی ‌اندازه گیری شده  تولید می گردد:

(3-1)

توان مکانیکی تولید شده  تابعی از سرعت باد ، سرعت روتور  و زاویه پره  می‌باشد:

(3-2)

که در آن  چگالی هوا،  محیط تحت پوشش پره در هوا،  مقدار بهینه  در  می باشد.
مقادیر ضریب تأثیر قدرت   در چند جمله ای از درجه 4 متشکّل از  (نرخ سرعت پره) و  به مقصود اظهار ریاضی منحنی‌های  گنجانده شده ‌می باشد. این چند جمله ای عبارتست از:

(3-3)

مقادیر ضرایب  در [35] در دسترس می باشد.  به صورت زیر  تواند اظهار گردد:

(3-4)

که در آن  سرعت روتور در واحد مبنا،  سرعت باد به ،  سرعت مبنای روتور به  و  شعاع روتور به متر می باشد.
وقتی توان کمتر از 0.7 مبنای واحد می باشد، مرجع سرعت بوسیله ارتباط (3-1) محاسبه می گردد. برای توان‌های بالاتر از 0.7 مبنای واحد، سرعت در مقدار 1.2 مبنای واحد ثابت می‌ماند. وقتی توربین بادی به محدودیت‌های حد بالای تولید توان خود می‌رسد، سرعت گردش روتور بوسیله کنترلر زاویه و با تغییر زاویه پره  کنترل می گردد. سرعت روتور با بهره گیری از معادله لختی مدل تک-جرم معادل توربین-ژنراتور محاسبه می گردد. معادله لختی از توان مکانیکی استخراج شده از نیروی بادی  و همچنین توان الکتریکی تزریق شده به شبکه  برای محاسبه سرعت روتور بهره گیری می کند. معادله لختی روتور به صورت زیر اظهار می گردد:

(3-5)

که در آن  و  به ترتیب گشتاور مکانیکی و الکتریکی می‌باشد. اگر به جای ،  گذاشته و دو طرف در  ضرب شوند، داریم:

(3-6)

جهت مطالعه بیشتر در باب مدل مورد مطالعه می‌توان به مراجع [53] [54] مراجعه نمود.
منحنی‌های  توربین بر اساس ارتباط (3-3) برای زاویه‌های مختلف شیب پره همانطور که در مراجع [53] [54] ذکر گردیده ‌می باشد در شکل 3-2 رسم شده‌اند.
شکل 3- 2 منحنی‌های C_p برای زاویه‌های پره متفاوت
توان و سرعت روتور توربین محاسبه و در شکل 3-3 رسم شده‌اند.
شکل 3- 3 توان و سرعت روتور توربین به عنوان تابعی از سرعت باد

3-2-3- مقدارسنجی انرژی چرخشی قابل دسترسی از توربین-ژنراتور

به مقصود سنجش اندازه انرژی قابل استخراج از توربین بادی، قدرتی که به شبکه تزریق می گردد به صورت موقّت به مقدار  بالاتر از مقدار حالت مانگار آن  (که برای سرعت باد مشخّصی می باشد) افزایش می‌یابد. به این مقصود برای سرعت وزش کم و متوسط باد، کنترلر سرعت غیر فعّال شده و نقطه مرجع توان به صورت مستقل همانطور که در شکل 3-4 نشان داده شده ‌می باشد، تنظیم می گردد.
مقدار انرژی بادی قابل استحصال قبل از رسیدن سرعت توربین به سرعت کمینه برای سرعت‌های متفاوت وزش باد محاسبه شده ‌می باشد. این محاسبات به مقصود تعین اندازه پشتیبانی اضافی توان اکتیو یک توربین بادی سرعت متغیّر در سرعت مشخّصی از وزش باد (مضاف بر مقدار حالت ماندگار توان الکتریکی تزریقی توربین به شبکه در آن سرعت) همان انرژی مازادی که از انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین-ژنراتور  بدست می‌آید و همچنین به مقصود مشخّص کردن مدت زمان تداوم چنین پشتیبانی قبل از رسیدن سرعت توربین به محدودیت سرعت کمینه آن، صورت پذیرفته می باشد.
شکل 3- 4 مدل توربین بادی سرعت متغیّر برای وزش باد با سرعت‌های کم و متوسط (کنترلر زاویه غیر فعّال شده می باشد) [35]
شایان ذکر می باشد، محاسبات تنها نیازمند به در دست داشتن مقادیر ثابت لختی معادل توربین-ژنراتور بادی ، منحنی  برای کمینه مقدار  و همچنین اطلاعات منحنی سرعت روتور توربین بادی بر اساس سرعت باد می‌باشد. این محاسبات ساده می‌تواند مشخّص نماید که چه اندازه توان اکتیو اضافی قابل استحصال در مزرعه بادی موجود می باشد که می‌تواند قابلیّت تزریق به شبکه جهت مطالعات پایداری سیستم قدرت گسترده و به صورت خاص، کنترل بار-فرکانس را داشته باشد.
توجّه به این نکته ضروری می باشد، تغییر در توان الکتریکی برابر با   به این معنی می باشد که خروجی الکتریکی از توربین بادی، ، معادل می باشد با  مبنای واحد(  بیشتر از مقدار حالت ماندگار برای این سرعت باد که برابر می باشد با   مبنای واحد می‌باشد). توان اضافی  در مبنای واحد از طریق جذب بخشی از انرژی چرخشی موجود در توربین-ژترانور تأمین می گردد.
شکل3-5 توان مکانیکی جذب شده توربین بادی از انرژی باد را برای سرعت‌های مختلف وزش باد ( 6-11  ) نشان می‌دهد. متذکر می گردد شکل این منحنی‌ها شدیداً به مقدار  توربین وابسته می‌باشد. همانطور که از شکل مشهود می باشد، زمانیکه توان مکانیکی جذب شده بیشینه می باشد، در هر سرعت باد به خصوصی سرعت روتور بهینه ای هست. این مطلب مبیّن این موضوع می باشد عملکرد معمولی توربین بادی منوط به شرایطی می باشد که توربین در نقطه بیشینه منحنی  مورد بهره برداری قرار بگیرد. در این شکل مطلب بوسیله به هم پیوستن نقاط پیداست.
شکل 3- 5 توان مکانیکی تأمین شده از طرف DFIG برای سرعت‌های مختلف باد (B=0)
به غیر از بهره برداری در این سرعت‌های بهینه روتور، توان مکانیکی جذب شده به صورت قابل توجّهی افت می کند. زمانیکه محدودیت بیشینه سرعت روتور حاصل می گردد، با افزایش سرعت باد نقطه فعّالیت در صفحه  به سمت بالا رانده می گردد (جهت حرکت در شکل3-2 ).
انرژی چرخشی قابل استحصال از توربین-ژنراتور بر اساس مطالبی که در ابتدای بخش عنوان گردید، محاسبه شده ‌می باشد [35]. تعادل توان در خلال کاهش سرعت توربین بادی می‌تواند به صورت زیر اظهار گردد:

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   دانلود پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی برق درباره اشتراک گزاری رمز

(3-7)

که در آن  تفاوت بین توان مکانیکی جذب شده  و توان الکتریکی تزریقی به شبکه  (توان شتابدهنده) نام دارند. اگر توان ورودی مکانیکی  با خروجی توان الکتریکی توربین  در حالت ماندگار برابر باشد و  کاهشی در توان مکانیکی ورودی به توربین به سبب کاهش سرعت چرخشی و خروج از نقطه بهینه باشد با توجّه به ، معادله (3-7) را می‌توان به صورت زیر بازنویسی نمود:

(3-8)

 مدت زمان تداوم تغییر ورودی پله ای در توان الکتریکی  می باشد که می‌تواند مضاف بر حالت ماندگار آن  برای سرعت بار مشخّصی قبل از رسیدن به حد کمینه سرعت توربین  استحصال گردد.
سرعت روتور توربین بادی به صورت خطی با افزایش سرعت باد تا جایی افزایش می‌یابد  که از مرز بیشینه سرعت تجاوز ننماید (محدودیت بیشینه سرعت روتور برای این توربین 1.2 مبنای واحد می‌باشد). اگرچه کاهش توان ورودی مکانیکی به توربین ، از مقدار بهینه ، با افزایش سرعت باد افزایش می‌یابد (شکل3-5)، افزایش در  با افزایش سرعت باد کاهش توان ورودی مکانیکی به توربین را متوقف می‌سازد و با افزایش سرعت وزش باد، می‌توان افزایشی در  را انتظار داشت.
از سوی دیگر، وقتی محدودیت بیشینه سرعت فرا می‌رسد، سرعت چرخش  با افزایش سرعت وزش باد، با افزایش توان ورودی مکانیکی ، افزایش نمی‌یابد. در پی افزایش سرعت وزش باد و افزایش طریقه کاهشی در توان مکانیکی از مقدار بهینه خود،  با افزایش سرعت وزش باد افزایش می‌یابد و همچنین کاهشی در  مورد انتظار می باشد.
انرژی چرخشی موجود برای سه مقطع مشخّص از سرعت وزش باد مورد سنجش قرار گرفته می باشد:

  • سرعت کم وزش باد: مقطعی که در آن سرعت روتور کمتر از 1.2 مبنای واحد می باشد
  • سرعت متوسط وزش باد: مقطعی که در آن سرعت روتور کمتر از 1.2 مبنای واحد و توان تولیدی کمتر از 1 مبنای واحد می باشد.
  • سرعت زیاد وزش باد: مقطعی که در آن سرعت روتور و توان تولیدی به مقادیر بیشینه شان محدود شده‌اند (1.2 مبنای واحد و 1 مبنای واحد، به ترتیب) و زاویه شیب پره در مقدار بالاتری تنظیم شده ‌می باشد.

سرعت کم وزش باد: شکل (3-6) مدت زمان تداوم افزایش پله ای در خروجی توان الکتریکی  توربین بادی برای دو سرعت متفاوت وزش باد (7.5  و 10.1  ) قبل از رسیدن سرعت روتور به محدوده سرعت کمینه 0.7 مبنای واحد را نشان می‌دهد. همانطور که در شکل مشهود می باشد مدت زمان تداوم افزایش پله ای در خروجی توربین بادی، وقتی مقدار توان الکتریکی پله ای افزایش میابد، طریقه نزولی به خود می‌گیرد.
شکل 3- 6 مدت زمان تداوم افزایش توان پله ای موقت در خروجی توان الکتریکی توربین بادی برای سرعت‌های کم وزش باد
 در سرعت‌های بالاتر وزش باد، مدت زمان تداوم این افزایش موقّتی توان، در قیاس با سرعت‌های پایین وزش باد، کما اینکه انتظار می‌رود، بیشتر می باشد. اگرچه که محدودیت کمینه سرعت توربین مورد مطالعه GE 3.6 MW، 0.7 مبنای واحد در نظر گرفته شده ‌می باشد، کاهش بیشتری نیز در سرعت روتور امکان پذیر می باشد (0.5 مبنای واحد). در سرعت وزش باد 7.5  ، وقتی محدودیت کمینه سرعت، 0.5 مبنای انتخاب گردد، توان اضافی معادل با 0.05 مبنای واحد برای مدت زمان 41 ثانیه متصوّر می‌باشد (در مقایسه با 36 ثانیه وقتی محدودیت کمینه سرعت 0.7 مبنای واحد در نظر گرفته گردد) [35]. 
سرعت متوسط وزش باد: محاسبات مشابهی برای سرعت‌های وزش باد 10 تا 11  انجام شده ‌می باشد که به ترتیب معادل با 0.85 و 1 مبنای واحد از توان تولیدی بادی می باشد (شکل3-7). در سرعت وزش باد 10.5 ، پشتیبانی توان اکتیوی معادل با 0.05 مبنای واحد، به مدت 38 ثانیه، قبل از اینکه سرعت روتور به محدوده کمینه سرعت مجاز روتور برابر با 0.7 مبنای واحد برسد، متصوّر می‌باشد (در سر عت 10 ، این ظرفیت معادل 49 ثانیه می‌باشد). در سرعت وزش باد 11 ، این ظرفیت به 30 ثانیه کاهش پیدا می کند. همانطور که انتظار می‌رفت، مدت زمان تداوم این پشتیبانی با افزایش سرعت باد در مطقعی که سرعت وزش باد متوسط می باشد، کاهش پیدا می کند.
شکل 3- 7 مدت زمان تداوم افزایش توان پله ای موقت در خروجی توان الکتریکی توربین بادی برای سرعت‌های متوسّط وزش باد
علی رغم کاهش ظرفیت جهت تأمین چنین پشتیبانی توان اکتیوی در سرعت‌های متوسط وزش باد، توربین بادی مورد مطالعه براحتی توانایی تأمین توان اکتیو اضافی معادل با 0.1 مبنای واحد برای بیش از مدت 20 ثانیه، پیش از رسیدن سرعت روتور به محدوده ی کمینه سرعت مجاز روتور را داراست.
سرعت زیاد وزش باد: با افزایش سرعت وزش باد و در خلال وزش بادهای شدید، زمانی که سرعت توربین توسط کنترلر زاویه و با افزایش زاویه پره کنترل می گردد، قدرت تولیدی به مقدار نامی آن محدود می گردد. به بیانی دیگر، در خلال این وضعیت، افزایشی در خروجی الکتریکی  می‌تواند توسط مبدل الکترونیک قدرت فراهم گردد. البته با این شرط که درایو، ژنراتور و مبدل توانایی جذب این توان اضافی را در این زمان داشته باشند. در سرعت مشخّصی از وزش باد، افزایش در خروجی الکتریکی موقّتاً می‌تواند توسط افزایشی در ورودی توان مکانیکی بوسیله کنترلر زاویه (کاهش زاویه شیب) جبرانسازی گردد. ذکر این نکته ضروری می باشد، بسته به سرعت کنترلر زاویه، کاهش موقّتی در سرعت چرخش توربین ظاهر می گردد که منجر خواهد گردید توربین بادی برای لحظاتی در سرعت بهینه نچرخد. این مسئله توان تولیدی بادی را پس از اعمال فرمان افزایش توان پس از میان رفتن افت فرکانس شبکه، برای لحظاتی کاهش خواهد داد. جنبه مهّم دیگر موضوع که قابل ذکر به نظر می‌رسد، مسائل مرتبط با

دسته‌ها: مهندسی برق