سیستم تبدیل انرژی باد و انرژی تجدیدپذیر

شکل ‏11: رشد انرژی باد در تولید انرژی [2]
با توجه به شکل ‏11، کشورهای انگلیس، دانمارک و چین از کشورهاییاند که بیشترین توان بادی نصب شده را دارند. همچنین گزارش شده است که در سال 2020، اروپا 20 درصد از توان مصرفی خود را از طریق منابع انرژی تجدیدپذیر تآمین میکند. اروپا همچنین در حال توسعه دادن مزارع بادی خود به بیش از 30 گیگاوات تا سال 2015 است [3]. در ایران با توجه به وجود مناطق بادخیز طراحی و ساخت آسیابهای بادی از 2000 سال پیش از میلاد مسیح رایج بوده و هماکنون نیز بستر مناسبی جهت گسترش بهرهبرداری از توربینهای بادی است. مطالعات و محاسبات انجام شده در زمینه تخمین پتانسیل انرژی باد در ایران نشان دادهاند که تنها در 26 منطقه از کشور (شامل بیش از 45 سایت مناسب) میزان ظرفیت اسمی سایتها، با در نظر گرفتن یک راندمان کلی 33 درصد، در حدود 6500 مگاوات است و این در شرایطی است که ظرفیت اسمی کل نیروگاههای برق کشور، در حال حاضر 36000 مگاوات است. نیروگاه بادی منجیل و رودبار به عنوان اولین نیروگاه بادی است که در ایران در تولید انرژی الکتریکی مورد بهرهبرداری قرار گرفته است. جدول ‏11، اطلاعاتی در مورد ظرفیت مزارع بادی نصب شده در سایتهای منجیل، هرزویل و سیاهپوش واقع در استان گیلان در سالهای مختلف در آمده است [4].
جدول ‏11: ظرفیت نصب شده در نیروگاه منجیل و رودبار [4]
نیروگاه دیگری که در شبکه برق ایران قرار گرفته، نیروگاه بادی بینالود است. این نیروگاه با هزینهی 280 میلیارد دلار و در زمینی به مساحت 700 هکتار ساخته شده است. ظرفیت نصب شده این نیروگاه به میزان 28.3 مگاوات است که شامل 43 دستگاه توربین بادی 660 کیلوواتی است. بر اساس گزارش سازمان انرژیهای نو ایران ساخت این نیروگاه به گونهای است که سبب صرفهجویی 20 میلیون متر مکعب گاز و جلوگیری از تولید گاز آلاینده دی اکسید کربن به میزان 40 میلیون متر مکعب در سال خواهد شد و در ساخت آن از توان علمی کارشناسان ایرانی استفاده شده است. ظرفیت مزارع بادی نصب شده در سایت بینالود واقع در استان خراسانرضوی در سالهای مختلف و توان ژنراتور به کار رفته در آن را نشان میدهد [4].
جدول ‏12: ظرفیت نصب شده نیروگاه بینالود [4]
کلیات تحقیق
در سیستم تبدیل انرژی بادی، توربین بادی می‌تواند با سرعت ثابت و سرعت متغیر عمل کند. در توربینهای بادی با سرعت ثابت، معمولاً از ژنراتور القائی قفس سنجابی استفاده میشود [5]. برای سیستم تبدیل انرژی بادی با سرعت ثابت، راندمان تبدیل انرژی در موقع تغییرات سرعت باد بسیار پایین میباشد، بنابراین استفاده از توربین بادی با سرعت متغیر بیشتر مورد توجه قرار گرفته است، زیرا می‌توان حداکثر توان را در سرعت‌های مختلف باد به دست آورد [6]. ژنراتور القائی از دو سو تغذیه و ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم، برای سیستم تبدیل انرژی بادی با سرعت متغیر مورد استفاده قرار میگیرند [7]. ژنراتور القائی از دو سو تغذیه دارای مزیت‌هایی است، از قبیل اینکه توان کانورتر تنها در حدود 20 الی 30 درصد توان نامی ژنراتور بوده [8] و از مزیت‌های دیگر این ژنراتور می‌توان به عملکرد در رنج وسیعی از سرعت، ثابت بودن فرکانس و کنترل مستقل توان اکتیو و راکتیو اشاره کرد [9]. استفاده از ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم بنا به دلایلی افزایش پیدا کرده است از قبیل: گشتاورهای خیلی بالا از این ژنراتور در سرعت‌های پایین باد می‌توان به دست آورد زیرا این ژنراتور به طور مستقیم و بدون استفاده از جعبه‌دنده به توربین بادی متصل می‌شود و راندمان این ژنراتور بالاتر از سایر ژنراتورها نیز است [10]، و در این ژنراتور، تلفات روتور نیز وجود ندارد و تلفات فقط مربوط به سیمپیچی و آهنربای استاتور است [11]. برای طرف شبکه و طرف ژنراتور یک کانورتر در نظر گرفته شده است که از نوع کانورتر الکترونیک قدرت پشت به پشت است، که از طریق این کانورتر، ژنراتور و توربین بادی به شبکه متصل می‌شود. برای کنترل کانورتر طرف شبکه از روش کنترل برداری یا کنترل ولتاژ جهتدار (VOC) [12] و برای کنترل کانورتر طرف ژنراتور القائی از دو سو تغذیه و کانورتر طرف ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم، از روش کنترل میدان هم راستا (FOC) استفاده شده است [13, 14]. با توجه به اینکه در موقع راهاندازی توربین بادی، سرعت باد کمتر از مقدار سرعت نامی میباشد، بایستی حداکثر توان را در سرعتهای پایین باد به دست آورد. لذا برای به دست آوردن حداکثر توان در سرعتهای کم باد از روش ردیابی ماکسیمم توان (MPPT) استفاده میشود [15]. در هنگام بروز خطا، توربین بادی متصل شده به شبکه، بایستی بعد از رفع خطا، بدون قطع شدن از شبکه به حالت عادی خود برگردد و به این دلیل است که، در صورت قطع شدن توربین بادی از شبکه، تلفات زیادی ایجاد شده و موجب ناپایداری سیستم قدرت میشود [16].
هدف پایاننامه
با توجه به مطالب گفته شده، نیاز به انتخاب ژنراتوری که بتواند در موقع تغییرات سرعت باد و در موقع بروز خطا در شبکه، با قابلیت اطمینان بالا و سرعت عملکرد بهتری عمل کند، لازم و ضروری است. بنابراین هدف این پایاننامه مقایسهی عملکرد دینامیکی ژنراتور القائی از دو سو تغذیه و ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم بوده و مقایسه مذکور در شرایط تغییرات سرعت باد و بروز خطای سه فاز در شبکه است. همچنین مقایسه مذکور در شبکهای با توربینهای بادی کوچک انجام شده است. برای کنترل کانورتر طرف شبکه از روش کنترل برداری (VOC) استفاده شده، که با استفاده از این روش کنترل میتوان ضریب توان واحد را در سمت شبکه به دست آورده و ولتاژ لینک DC را نیز در موقع تغییرات سرعت باد ثابت نگه داشت. برای کنترل کانورتر طرف ژنراتور القائی از دو سو تغذیه از روش کنترل برداری (FOC) استفاده شده، که با استفاده از این روش کنترل میتوان توان اکتیو و راکتیو را به صورت مستقل کنترل کرد. برای کنترل کانورتر طرف ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم نیز از روش کنترل برداری (FOC) استفاده شده است که با استفاده از این روش کنترل نیز میتوان سرعت ژنراتور را کنترل کرده و در نهایت موجب کنترل توان خروجی ژنراتور سنکرون میشود. برای اینکه در سرعتهای کمتر باد، بتوان حداکثر توان را از توربین بادی به دست آورد، از روش ردیابی ماکسیمم توان (MPPT) استفاده شده، که در این روش برای ژنراتور القائی از دو سو تغذیه، خروجی کنترلکننده، مقدار توان خروجی توربین بادی میباشد که به عنوان مقدار توان اکتیو مرجع به کنترلکننده کانورتر طرف ژنراتور اعمال میشود و در ژنراتور سنکرون، خروجی این کنترل کننده مقدار سرعت میباشد که به عنوان سرعت مرجع به کانورتر طرف ژنراتور اعمال میشود.
فصول این پایاننامه بدین صورت میباشد که در فصل دوم پایاننامه، انرژی باد و توربینبادی معرفی شده و روابط حاکم بر توربینهای بادی آمده است. در ادامه انواع ژنراتورهای به کار رفته در توربینبادی و روابط حاکم بر ژنراتور القائی از دو سو تغذیه و ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم و روشهای کنترل دو ژنراتور القائی از دو سو تغذیه و ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم ذکر شده است. همچنین کدهای شبکه در موقع بروز خطا مورد بررسی قرار گرفته است.
در فصل سوم پایاننامه، روش کنترل برداری، که برای کنترل کانورتر طرف شبکه و کانورتر طرف ژنراتور مورد استفاده قرار گرفته، توضیح داده شده است.
در فصل چهارم پایاننامه، عملکرد این دو ژنراتور در موقع تغییرات سرعت باد و همچنین با توجه به اینکه احتمال خطای سه فاز در شبکه نیز وجود دارد، بررسی عملکرد این دو ژنراتور در موقع بروز خطای سه فاز در شبکه نیز مورد بررسی قرار گرفته است.
در فصل پنجم پایاننامه، نتایج حاصل از فصل گذشته در موقع تغییرات سرعت باد و همچنین در موقع بروز خطای سه فاز در شبکه مورد بررسی قرار گرفته و می توان به این نتیجه رسید که سرعت عملکرد ژنراتور سنکرون سریعتر از ژنراتور القائی است. همچنین برای به دست آوردن نتایج بهتر، پیشنهاداتی نیز ارائه گردیده است.
فصل دوم
انرژی بادی و روابط حاکم بر توربین بادی و انواع ژنراتورهای توربین بادی و روابط آنها و انواع روشهای کنترل
انرژی بادی و روابط حاکم بر توربین بادی و انواع ژنراتورهای توربین بادی و روابط آنها و انواع روشهای کنترل
مقدمه
باد هوای در حال حرکت است که به وسیلهی گرمای غیر یکنواخت سطح کره زمین که حاصل تابش خورشید است، بوجود می‌آید. با توجه به سطح زمین از نظر خشکی و دریاها، اشعه خورشید بطور غیریکنواخت جذب آن میشود. وقتی خورشید در طول روز می‌تابد، هوای موجود در سطح خشکی سریعتر از هوای روی دریاها گرم می‌شود. هوای گرم شده در اثر کاهش چگالی رو به بالا رفته و هوای خنک تر و سنگین تر روی آب جای آنرا می‌گیرد. در نتیجه بادهای محلی از سمت آب به خشکی شکل میگیرد. و بطور معکوس در شب، هوای سطح زمین سریعتر از هوای روی آب خنک شده و جهت وزش باد از سطح زمین به دریا و مناطق آبی خواهد بود. هوای سطح مناطق نزدیک به استوا در اثر گرمای خورشید بیشتر از هوای قطب شمال و جنوب گرم شده و بادهای بزرگ جوی را که حول زمین میچرخند بوجود میآورد. از آنجا که خورشید به زمین می‌تابد، بطور پیوسته این فرآیند ادامه خواهد داشت. به همین علت باد را منبع انرژی تجدید شونده می‌نامند [17].
توربین بادی انرژی جنبشی را در رتور که متشکل از دو یا تعداد بیشتری پره است و به طور مکانیکی به ژنراتور کوپل شده است، را استخراج می‌کند. توربین بر روی یک برج بلند سوار می‌شود تا انرژی بیشتری دریافت گردد. تعدادی توربین بادی در یک سایت نصب می‌شوند تا یک مزرعه بادی با ظرفیت تولیدی مورد نظر ساخته شود. کاملاً واضح است که سایت‌های با باد زیاد و ماندگار انرژی بیشتری در طول سال تولید می‌کنند. شکل ‏21، شکل یک توربین بادی با جزئیات را نشان میدهد.