شکل ‏۵‑۴: سیستم کنترل سرعت در PMSG 53
شکل ‏۵‑۵: مشخصه توان توربین بادی ۵۵
شکل ‏۵‑۶: مقادیر a و تقریب a در مقابل تغییرات R 57
شکل ‏۶‑۱: مشخصات بار سه فاز روی پایانه PMSG 60
شکل ‏۶‑۲: توربین بادی با ژنراتور مغناطیس دائم همراه زیرسیستمهای کنترل و شناسایی پارامتر R 60
شکل ‏۶‑۳: تغییرات سرعت باد ۶۴
شکل ‏۶‑۴: ردگیری سرعت دورانی بهینه مرتبط با توان بیشینه ۶۴
شکل ‏۶‑۵: ردگیری توان بیشینه ۶۴
شکل ‏۶‑۶: روند شناسایی پارامتر R 65
شکل ‏۶‑۷: ردگیری گشتاور بیشینه بخوبی صورت نگرفته است ۶۵
شکل ‏۶‑۸: ردگیری سرعت ۶۶

مقدمه

پیشگفتار

استفاده از سوخت­های فسیلی و منابع بازیافت ناپذیر انرژی نظیر زغال سنگ و نفت، باعث شده که در سال­های اخیر با مسأله آلودگی هوا روبرو شویم. امروزه سیستم­های تبدیل انرژی باد (WECS)^[1] به عنوان یک جایگزین مناسب برای سوخت­های فسیلی مورد توجه هستند.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

به همین دلیل بهره ­برداری پایدار و کارآمد از انرژی باد و بدنبال آن بررسی سیستم­های مبدل انرژی باد به عنوان یک موضوع مهم مورد مطالعه قرار گرفته اند. این سیستم­های مبدل عمدتا شامل توربین­های بادی با سرعت متغیر (VSWT)^[2] هستند. اگرچه سیسم­های توربین بادی با سرعت متغیر معمولا بر پایه ژنراتورهای القایی با تغذیه دوگانه (DFIGs)^[3] هستند، با این حال کاربرد ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم، (PMSGs)^[4] در سال­های اخیر مورد توجه قرار گرفته است[۷-۱]. سیستم­های مبدل انرژی باد کنونی با PMSG بطور کلی از یک سیستم تبدیل AC-DC-AC استفاده می­ کنند. در این سیستم­ها، WECS نیازی به سنکرون کردن سرعت دورانی خود با فرکانس شبکه قدرت ندارد. به علاوه، به دلیل سرعت دورانی پایین PMSG می­توان از جعبه دنده توربین هم صرف نظر کرد. به وضوح مشخص شده است که برای هر سرعت معین از باد، یک سرعت دورانی مربوط به ژنراتور وجود دارد که در آن، توربین بادی بیشترین توان را به ژنراتور تحویل می­دهد. این سرعت دورانی را سرعت بهینه می­نامیم. در توربین­های بادی سرعت متغیر(VSWTs)، ردگیری نقطه توان بیشینه (MPPT)، با تنظیم سرعت دورانی ژنراتور روی سرعت بهینه بدست می ­آید.

تاریخچه

توربین بادی

اولین کاربرد‌های انرژی باد به استفاده در توربین‌های چرخان در آسیاب‌های بادی برمی‌گردد. نخستین آسیاب‌های بادی، از آسیاب‌های بادی معروف هلندی، که تصویر آن‌ها در ذهن بسیاری از ما ثبت شده است،کاملا متفاوت بود. تعداد پره‌های این آسیاب‌ها به ۱۲ عدد می‌رسید و پره‌ها از بالای یک دیرک عمودی، همانند بادبان‌های یک کشتی که از فراز دکل و بازوی افقی دکل آویزانند، آویخته شده بود. شاید بتوان شکل کلی این آسیاب‌ها را با چرخ و فلک‌های شهربازی‌های امروزی مقایسه کرد که محور اصلی آن‌ها در مرکز یک دایره روی زمین نصب شده است و اتاقک‌های چرخ و فلک همیشه فاصله ثابتی از سطح زمین دارند. این نوع طراحی برای آسیاب‌های بادی، شاید از بادبان‌های یک کشتی، یا از چرخ‌های دعای بودایی‌های آسیایی، که با نیروی باد می‌چرخید، الهام گرفته شده باشد. استفاده از انرژی باد پیشینه دراز مدتی داشته و به حدود سده ۲ پیش از میلاد در ایران باستان باز می‌گردد. برای نخستین بار، ایرانیان موفق شدند با بهره گرفتن از نیروی باد، دلو (دولاب) یا چرخ چاه را به گردش درآورده و آب را از چاه‌ها به سطح مزارع برسانند. نخستین ماشینی که با بهره گرفتن از نیروی باد به حرکت درآمد، چرخ بادی هرون بود؛ ولی نخستین آسیاب بادی عملی، در سده ۷ میلادی در سیستان ساخته شد. پیدایش آسیاب‌های بادی در اروپا مربوط به سده‌های میانه است. نخستین مورد ثبت‌شده در مورد استفاده از آسیاب‌هاب بادی در انگلستان مربوط به سده‌های ۱۱ و ۱۲ میلادی است.
نخستین توربین بادی با کاربرد تولید برق، یک ماشین شارژ باتری بود که در ژوئیه ۱۸۸۷ توسط یک مهندس اسکاتلندی به نام جیمز بلایث ساخته شد. چند ماه بعد، مخترع آمریکایی چارلز فرانسیس براش نخستین توربین باد خودکار را برای تولید برق در کلیولند در اوهایو ساخت. در سال ۱۹۰۸، ۷۲ توربین بادی با کاربرد تولید برق (بین ۵ تا ۲۵ کیلووات) در آمریکا فعال بودند. در دهه ۱۹۳۰، توربین‌های بادی کوچک برای تولید برق مورد نیاز مزارع در آمریکا، که هنوز سامانه سراسری توزیع برق راه‌اندازی نشده بود، بسیار متداول بودند. در پاییز سال ۱۹۴۱، نخستین توربین بادی در کلاس مگاوات در ورمونت راه‌اندازی شد. نخستین توربین بادی متصل به شبکه برق در بریتانیا در سال ۱۹۵۱ در جزایر اورکنی ساخته شد.
در سال ۲۰۰۶ برای اولین بار در اتحادیه اروپا رشد تولید برق از انرژی‌های نو بیش از رشد تولید برق از منابع فسیلی بود. از سال ۱۳۷۹ تا ۱۳۸۶ شمسی، ظرفیت تولید برق بادی جهان از ۱۸۰۰۰ مگاوات به ۹۲۰۰۰ مگاوات افزایش یافته است. از سال ۲۰۰۰ تاکنون این صنعت سالانه ۲۵٪ رشد کرده و هر سه سال دو برابر شده است و این در شرایطی است که رشد اقتصاد جهانی از یک تا دو درصد در سال بیشتر نیست [۸].

توربین‌های بادی در ایران

در سال ۲۰۰۴ میلادی تنها ۲۵ مگاوات از ۳۳۰۰۰ مگاوات برق تولید شده در ایران با بهره گرفتن از انرژی بادی تولید شده بود. در سال ۲۰۰۶ میلادی سهم برق تولید شده در ایران با بهره گرفتن از انرژی بادی ۴۵ مگاوات بود (رتبه سی ام در دنیا) که به نسبت سال ۲۰۰۵ رشد چهل درصدی را نشان می‌داد. در سال ۲۰۰۸ میلادی نیروگاه بادی منجیل (در استان گیلان) و بینالود (در استان خراسان رضوی)، ظرفیت ۸۲ مگاوات برق را داشته‌اند. ظرفیت برق بادی در ایران در سال ۲۰۰۹ میلادی ۱۳۰ مگاوات ساعت بوده‌است.
شکل ‏۱‑۱: مزرعه بادی در نزدیکی منجیل

بررسی کارهای انجام شده

تاکنون روش­های متعددی برای برای کنترل MPPT روی VSWTها ارائه شده است. در[۴و۱]، چند روش برای MPPT توربین بادی با ژنراتور مغناطیس دائم معرفی شده است و سرعت دورانی بهینه به وسیله ضریبی مرتبط با سرعت باد، محاسبه شده است. با این وجود در این مقالات اثر خطای پارامتری در مدل سیستم، اغتشاش در باد و شرایط آب و هوایی لحاظ نشده است. به همین دلیل ممکن است ضرایب تغییر کرده و نقطه سرعت بهینه بدرستی به سیستم کنترل معرفی نشود که نتیجه آن عدم ردگیری نقطه توان بیشینه خواهد بود. برای مقابله با این آثار روش کنترل تطبیقی MPPT، که براساس جستجوی هیل-کلایم^[۵] است، در [۴] ارائه شده است. اما در سیستم­های عملی، زمان این نوع محاسبات زیاد است، بخصوص زمانی که تغییرات سرعت باد زیاد و سریع باشد. این کندی در محاسبات خود باعث انحراف سیستم تبدیل انرژی از نقطه بیشینه توان خواهد شد. در [۹] یک روش کنترلی برای MPPT روی یک WECS بر پایه PMSG ارائه شده است که از شناسایی پارامتر برخط استفاده می­ کند. سیستم WECS توان الکتریکی خود را از طریق یک مبدل AC-DC-AC به شبکه سه فاز می­دهد. در این مورد سیستم کنترل شامل دو بخش است. کنترل کننده سمت ژنراتور که گشتاور PMSG را برای دریافت بیشینه توان از توربین بادی کنترل می­ کند و کنترل کننده سمت شبکه قدرت که ولتاژ dc روی پایانه شبکه قدرت را ثابت نگه می­دارد. همچنین ابتدا ارتباط بین توتان بیشینه و سرعت دورانی ژنراتور در سرعت وزش باد­های مختلف بررسی و استخراج می­ شود و سپس با بکارگیری شناسایی پارامتر اثر نامطلوب اغتشاشات را بر این رابطه، حذف می­ کند. در [۱۰] از کنترل سرعت ژنراتور برای MPPT استفاده شده است. در این مورد با بکارگیری یک سری پارامتر، سرعت وزش باد را به سرعت دورانی بهینه مرتبط می­ کنند. پارامترهای مذکور با شناسایی بدست می­آیند. سرعت دورانی بهینه به یک کنترل کننده سرعت داده شده و مقادیر مطلوب جریان­ها و همچنین ولتاژها برای PMSG محاسبه می­ شود. در نهایت با بهره گرفتن از یک مبدل مودولاسیون عرض پالس^[۶] ولتاژها و جریان­ها به پایانه ­های ژنراتور اعمال می­شوند.
ما در این تحقیق فرض کرده­ایم که یکی از پارامترهای سیستم کنترل مرتبط با توربین بادی را بدرستی انتخاب نکرده­ایم. این پارامتر نادرست طی یک فرایند شناسایی برخط^[۷] شناسایی و با بهره گرفتن از آن سرعت بهینه را بطور تقریبی محاسبه می­کنیم. پارامتر مذکور شعاع پره­های توربین بادی است. ارتباط بین شعاع پره­ها و سرعت دورانی بهینه با بکارگیری روش انطباق منحنی^[۸] بدست می ­آید. روش کار به این صورت است که ابتدا سیستم شناسایی برخط، پارامتر نامعلوم را شناسایی می­ کند و سپس با بهره گرفتن از پارامتر شناسایی شده، سرعت دورانی بهینه بطور تقریبی محاسبه و وارد سیستم کنترل سرعت ژنراتور مغناطیس دائم می­ شود. در فصل ۲ سیستم­های تبدیل انرژی باد معرفی خواهد شد. در فصل ۳ ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم را مورد توجه قرار داده و روابط حاکم بر آن را بررسی می­کنیم. شناسایی پارامتر هم در فصل ۴ معرفی می­ شود. کنترل MPPT با بکارگیری سرعت دورانی هم در فصل ۶ ارائه خواهد شد و در فصل ۷ شبیه سازی­های انجام شده را آورده­ایم.

مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه ردیابی حئاکثر توان در سیستم­های تبدیل انرژی باد به انرژی الکتریکی

مقدمه

لزوم توجه به استفاده از انرژی­های نو در اکثر کشورهای جهان به اثبات رسیده است. بررسی­ها نشان می­ دهند که در حال حاضر بیش از ۱۴درصد نیاز جهانی انرژی توسط انرژی­های نو تأمین می­شوند. در میان انواع مختلف انرژی­های نو، تولیدات بادی متداولترین آنها می­باشند. طی سال­های ۲۰۰۵ تا ۲۰۰۹ ظرفیت جهانی نصب شده توربین­های بادی نرخ متوسط رشدی برابر ۲۷درصد در سال را داشته است. همچنین گزارش­ها نشان می­ دهند که ظرفیت نصب شده این توربین­ها از ۲۴۳۰۰ مگاوات در سال ۲۰۰۱ به ۲۰۳۵۰۰ مگاوات در سال ۲۰۱۰ افزایش یافته است. در ایالات متحده، تا پایان سال ۲۰۰۹، ظرفیت تولیدات بادی نصب شده حدود ۳۵۰۰۰ مگاوات برآورد شده است. پیش ­بینی می­ شود تا پایان سال ۲۰۱۵ و ۲۰۲۰ میزان تولیدات بادی به ترتیب به ۳۰۰ و ۴۰۰ گیگاوات خواهد رسید.
شکل ‏۲‑۱: نیروگاه بادی ۱۰۰ مگاواتی منجیل
انرژی خورشیدی بیشتر در کشور ژاپن مورد توجه بوده و ظرفیت PV نصب شده تا سال ۲۰۱۰ در این کشور ۴.۵ گیگاوات برآورد شده است. علاوه بر کشورهای مدرن اروپایی و آمریکای شمالی، کشورهایی مانند چین، کره، هند، نیوزلند، برزیل، ایران، تونس، مصر و مراکش دارای تولیدات حاصل از انرژی­های نو هستند [۱۱].

مشکلات و موانع جدید

اضافه شدن مقادیر قابل توجهی از انرژی­های نو به سیستم قدرت باعث ایجاد چالش­های اقتصادی، زیست محیطی و تکنولوژیکی جدیدی می­ شود که با اضافه شدن انرژی­های نو به شبکه ایجاد شده است می­توان به لزوم تطبیق پذیری آن­ها با الزامات شبکه، خطر ایجاد اضافه بار روی خطوط ارتباطی و نیاز به گسترش شبکه( به علت دوری از مراکز اصلی بار) اشاره نمود. همچنین با توجه به روند رو به افزایش استفاده از انرژی­های نو، به­روز رسانی شبکه نیز ضروری بنظر می­رسد. مهمترین اثرات اتصال مقادیر زیاد انرژی­های نو در کنترل و بهره برداری سیستم عبارتند از :