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

مشخصات فایل

مقطع:کارشناسی
رشته تحصیلی:مهندسی برق
نوع ارائه:پایان نامه
تعداد صفحات:108
قالب بندی:word قابل ویرایش

نحوه خرید

دانلود رایگان فایل
شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

برای دسترسی به این فایل ابتدا باید اشتراک خریداری کنید. برای خرید اشتراک بر روی لینک زیر کلیک کنید.

ارتقاء عضویت

در صورت بروز هر گونه مشکل در روند خرید اینترنتی، بخش پشتیبانی کاربران آماده پاسخگویی به مشکلات و سوالات شما می باشد

چکیده

چکیده ۱

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 ۹ مگاواتی شامل شش عدد توربین بادی ۵/۱ 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 ۲

۱-۱ مقدمه ۳

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 ژنراتور۱۲ KW DC برای آسیاب‌های بادی ساخته شدند، اما این تنها در دهه ۱۹۸۰ میلادی است که صنعت به بلوغ کافی و لازم برای تولید برق به‌گونه‌ای اثر بخش و کارآمد دست می‌یابد.

در واقع ازسال ۱۹۷۵ پیشرفت‌های شگرفی در زمینه توربین‌های بادی در جهت تولید برق به‌عمل آمده است. در سال۱۹۸۰ 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 ۱۹۹۰ ظرفیت توربین‌های برق بادی متصل به شبکه در جهان به ۲۰۰MW رسید که توانایی تولید سالانه ۳۲۰۰Gwh برق را داشته که تقریباً تمام این تولید مربوط به ایالات کالیفرنیا آمریکا و کشور دانمارک بود.[۱]

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.

۱-۲ انرژی باد ۴
۱-۳ مزایای بهره برداری از انرژی باد ۴
۱-۴ اهمیت کنترل توان راکتیو در نیروگاه بادی ۵
۱-۵ پیکربندی پایان نامه ۶

فصل دوم : مشخصه‌های سیستم‌های بادی ۷

۲-۱ مقدمه ۸
۲-۲- فن‌آوری توربین‌های بادی ۹
۲-۲-۱- اجزای اصلی توربین بادی ۱۱
۲-۲-۲- چگونگی تولید توان در سیستم‌های بادی ۱۲
۲-۲-۳- منحنی پیش بینی توان توربین بادی ۱۳
۲-۲-۴- پارامترهای مهم در توربین بادی ۱۳
۲-۳- انواع توربین‌ها از لحاظ سیستم عملکرد ۱۴
۲-۳-۱- عملکرد توربین‌های سرعت ثابت ۱۴
۲-۳-۱-۱- توربین‌های ممانعت قابل تنظیم سرعت ثابت ۱۵
۲-۳-۱-۲- توربین‌های ممانعت تنظیم شده دو سرعتی ۱۵
۲-۳-۱-۳- توربین‌های زاویه گام قابل تنظیم فعال سرعت ثابت ۱۶
۲-۳-۱-۴- توربین‌های زاویه گام قابل تنظیم غیر فعال ۱۶
۲-۳-۲- الگوی عملکرد سرعت متغیر ۱۶
۲-۳-۲-۱- توربین‌های ممانعت تنظیم شده سرعت متغیر ۱۷
۲-۳-۲-۲- توربین‌های سرعت متغیر با زاویه گام قابل تنظیم فعال ۱۷
۲-۳-۲-۳- توربین‌های سرعت متغیر با محدوده عملکرد کوچک ۱۸
۲-۴- کنترل توربین بادی ۱۸
۲-۴-۱- فعالیت‌های قابل کنترل در توربین‌های بادی ۱۹

۲-۴-۱-۱- کنترل گشتاور آیرودینامیکی ۱۹
۲-۴-۱-۲- کنترل گشتاور ژنراتور ۲۰
۲-۴-۱-۳- کنترل گشتاور ترمز ۲۰
۲-۴-۱-۴- کنترل جهت گیری دوران حول محور قائم ۲۱
۲-۴-۲- کلیات عملکرد توربین‌های متصل به شبکه ۲۱
۲-۵- ژنراتورهای مورد استفاده در توربین‌های بادی ۲۲
۲-۵-۱- ژنراتورهای سنکرون ۲۳
۲-۵-۲- ژنراتورهای جریان مستقیم ۲۴
۲-۵-۳- ژنراتورهای القائی ۲۵
۲-۵-۴- تحلیل عملکرد ژنراتور القائی ۲۵
۲-۵-۴-۱- راه‌اندازی توربین بادی با ژنراتور القائی ۲۶
۲-۵-۴-۲- تحلیل دینامیک ماشین القائی ۲۷
۲-۵-۴-۳- شرایط عملکرد خارج از محدوه طراحی ۲۸
۲-۵-۴-۴- مشخصه ژنراتور القایی دو سوتغذیه‌ ۲۸
خلاصه فصل ۲ ۳۰

در این فصل سعی شد تا اجزای مختلف سیستم‌های بادی معرفی شوند . نحوه تولید توان در توربین توصیف و پارامترهای مهم توربین معرفی شدند. انواع توربین از لحاظ سیستم عملکرد (سرعت ثابت یا سرعت متغیر) مورد بررسی قرار گرفت. فعالیت‌های قابل کنترل در توربین بادی و چگونگی کنترل توربین‌های مختلف توضیح داده شد و در انتها مزایا و معایب انواع ژنراتورهای قابل استفاده در سیستم‌های بادی (سنکرون، جریان مستقیم و القائی) بیان شد. در فصل بعد با مدل دینامیکی ژنراتورالقائی دوتغذیه ایی آشنا می‌شویم.

فصل سوم : مدلسازی ژنراتور القائی با تغذیه دو‌بل ۳۱

۳-۱- مقدمه ۳۲
۳-۲- عملکرد فوق سنکرون و زیر سنکرون ژنراتور القایی دو سو تغذیه ۳۳
۳-۳- تبدیل قاب مرجع ۳۵
۳-۳-۱- تبدیل قاب مرجع abc/dq 35
۳-۳-۲- تبدیل قاب مرجع abc به αβ ۳۹
۳-۴- مدل‌های ژنراتور القایی ۳۹
۳-۴-۱- مدل بردار-فضا ۴۰
۳-۴-۲- مدل قاب مرجع dq 43
۳-۵- مدل مرتبه ۳ ژنراتور القایی دو سو تغذیه ۴۵
۳-۶- بیان پارامترها در سیستم پریونیت ۴۵
۳-۷- کنترل اینورتر متصل به شبکه ۴۷
۳-۸- کنترل چرخش ولتاژ(VOC) 48
۳-۹- کنترل چرخش میدان(FOC) 51
خلاصه فصل ۳ ۵۳

در این فصل توصیف مفصلی از ژنراتورهای القایی دو سو تغذیه، حالتهای فوق سنکرون و زیر سنکرون آنها ارائه شد. تبدیل قاب‌های مرجع و مدلهای ژنراتور ( مدل بردار- فضا، مدل قاب مرجع dq) توضیح داده شد، بیان پارامترها در سیستم پریونیت و در نهایت روش‌های کنترل همراستای ولتاژ و کنترل همراستای میدان بیان گردید. در فصل بعد کنترل فیدبک حالت و خروجی توان راکتیو در نیروگاه‌های بادی مجهز به ژنراتورهای القایی دوسو تغذیه توصیف خواهد شد

فصل چهارم : طراحی کنترل‌کننده بهینه فیدبک حالت و خروجی ۵۴

۴-۱- مقدمه ۵۵
۴-۲- مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه کنترل توان در DFIG 56
۴-۳- توصیف سیستم ۵۸
۴-۴- مدل توربین بادی ۵۹
۴-۵- مدل ژنراتور القایی دو سو تغذیه ۶۰
۴-۶- مدل جعبه دنده ۶۱
۴-۷- مدل فیلتر RL 62
۴-۸- فضای حالت سیستم ۶۴
۴-۹- طراحی با جایدهی قطب ۶۷
۴-۱۰- طراحی کنترل‌کننده برای مدل تقویت شده ۷۱
۴-۱۱-شبیه سازی ۷۳
۴-۱۲- طراحی کنترل‌کننده PI جهت کنترل سرعت روتور (wr) 83
خلاصه ۸۶

در این فصل تحقیقات انجام شده در زمینه کنترل توان مورد بررسی قرار گرفته و سیستم به طور کامل توصیف شده است. ضمناً روش طراحی کنترل‌کننده با جایدهی قطب بیان گردید. در انتها برای کنترل سرعت روتور یک کنترل کننده PI و همچنین برای کنترل توان راکتیو یک کنترل‌کننده بهینه فیدبک حالت و خروجی طراحی شده است.

فصل پنجم : نتیجه گیری و پیشنهادات ۸۷

همانگونه که در فصول قبل تشریح شد یکی از نیازهای شرکت‌های تولیدکننده برق از طریق انرژی باد تنظیم ولتاژ می‌باشد. در واقع اتصال توربین‌های بادی به شبکه قدرت موجب اختلال در ولتاژ شبکه‌های قدرت گشته و بر روی کیفیت توان شبکه تأثیر می‌گذارد. کیفیت توان اغلب به سه بخش دسته بندی می‌گردد.

  • کیفیت ولتاژ
  • کیفیت فرکانس
  • قطعی‌ها

کیفیت ولتاژ نیز شامل چهار عامل

  • تغییرات ولتاژ
  • فلیکر
  • هارمونیک‌ها
  • اغتشاشات گذرا

می‌باشد.

۵-۱- فلیکر:

یکی از روش‌های قدیمی تشخیص نوسانات ولتاژ به حساب می‌آید. فلیکر ناشی از توربین‌های بادی در دو حالت ۱) عملکرد حالت دائم و ۲) عملیات کلید زنی توربین‌های بادی اتفاق می‌افتد.

۵-۱-۱- عملکرد حالت دائم:

علت اصلی در این حالت، تغییرات توان اکتیو خروجی توربین می‌باشد. تغییرات توان اغلب ناشی از تغییرات سرعت باد، اثر سایه‌ایی برج نگهدارنده توربین و تجهیزات مکانیکی توربین می‌باشد. پره‌های توربین در هنگام روبه‌رو شدن با برج نگهدارنده توربین دچار افت سرعت می‌شوند و این امر برای یک توربین سه پره ‌ایی سبب می‌گردد تا در هر چرخش، سرعت پره‌ها سه بار افت کرده و در نتیجه توان اکتیو سه برابر کاهش یابد.

۵-۱-۲- عملیات کلیدزنی:

عملیات کلیدزنی شامل قطع و وصل توربین به شبکه قدرت است. عملیات قطع و وصل میان ژنراتورها سبب تغییر در توان تولیدی این ژنراتورها می‌گردد و تغییرات توان نیز سبب تغییرات ولتاژ در نقطه اتصال توربین به شبکه می‌شود.

۵-۲- هارمونیک‌ها:

هارمونیک‌ها مؤلفه‌هایی با فرکانس مضربی از فرکانس اصلی می‌باشند که به ولتاژ شبکه اضافه می‌گردند. توربین‌های سرعت ثابت هارمونیکی به شبکه تزریق نمی‌کنند در حالیکه توربین‌های بادی سرعت متغیر که به مبدل‌های الکترونیک قدرت مجهزند، در طی عملکرد حالت دائم سبب تزریق جریان‌های هارمونیکی به شبکه قدرت می‌شوند.

۵-۳- اغتشاشات گذرا:

 اغتشاشات گذرا معمولاً هنگام قطع و وصل توربین‌های بادی سرعت ثابت به شبکه قدرت اتفاق می‌افتد. جریان‌های گذرای زیاد که هنگام اتصال ژنراتور و بانک‌های خازنی از شبکه کشیده می‌شوند باعث ایجاد ولتاژهای گذرا در شبکه‌های ضعیف می‌گردد.

با توجه به توضیحاتی که پیش از این ارائه شد، پر واضح است که تنظیم ولتاژ نقش اساسی و کلیدی در مزارع بادی ایفا می‌کند. در این میان کنترل توان راکتیو یکی از روش‌های متداول کنترل ولتاژ می‌باشد؛ بنابراین این تحقیق به طور ویژه به کنترل توان راکتیو در سیستم بادی پرداخته است.

در این پایان نامه بک مزرعه بادی ۹ مگاواتی شبیه سازی شده است. این سیستم  شامل شش توربین بادی ۱٫۵ مگاواتی است که همگی در یک راستا قرار گرفته‌اند، بنحویکه هر شش توربین، بادهای یکسانی را دریافت، و توان یکسانی  تولید  می‌کنند. از آنجائیکه در ماشین‌های القایی دو سو تغذیه امکان کنترل توان اکتیو و راکتیو ‌بصورت مستقل وجود دارد، بنابراین در این تحقیق تنها بر روی کنترل توان راکتیو تمرکز شده است. برای کنترل این پارامتر معادلات فضای حالت ژنراتور و فیلترRL ی که کانورتر سمت شبکه را به شبکه متصل می‌کند، استخراج گردیده است. با استفاده از فضای حالت به دست آمده توان راکتیو جاری شده در استاتور و فیلترRL از طریق طراحی کنترل کننده فیدبک حالت و خروجی کنترل شده‌اند. همانطور که در فصل پیش اشاره شد برای کنترل سرعت روتور از یک کنترل‌کننده PI استفاده شده است. با توجه به نتایج شبیه سازی می‌توان نتیجه گرفت که با افزایش ورودی‌ها و کاهش خروجی‌ها امکان دستیابی به نتایج بهتری وجود دارد.

در مورد کارهایی که می‌توانند در آینده مورد مطالعه قرار گیرند، پیشنهادات زیر ارائه می‌گردند:

مبحث کنترل توان و سرعت در نیروگاه‌های بادی از مهم ترین بخش‌های این نیروگاهها است و با توجه به اینکه این سیستم‌ها دارای ماهیت غیر خطی می‌باشند

  • بررسی استفاده از کنترل‌کننده‌های غیر خطی در این سیستم پیشنهاد می‌شود.

  • بررسی نیروگاههای ترکیبی بادی با سایر نیروگاههای انرژیهای نو از قبیل انرژی خورشیدی و …

  • بررسی مزارع بادی با چند توربین که هر کدام بادهای متفاوتی را دریافت نموده و همگی به یک شبکه متصل باشند.

  • با توجه به ماهیت تصادفی باد در سیستم غیرخطی تبدیل انرژی بادی، حالت‌های سیستم نویزدار می‌باشند بنابراین استفاده از روش‌های کنترل تصادفی و کنترل مقاوم در این سیستم‌ها بنظرمفید می‌آید.

پیوست‌ها ۹۱
منابع و مأخذ ۹۲
فهرست منابع فارسی ۹۳
فهرست منابع لاتین ۹۵
چکیده انگلیسی ۹۶
صفحه عنوان انگلیسی ۹۷
اصالت نامه ۹۸

نحوه خرید

دانلود رایگان فایل
شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

برای دسترسی به این فایل ابتدا باید اشتراک خریداری کنید. برای خرید اشتراک بر روی لینک زیر کلیک کنید.

ارتقاء عضویت

در صورت بروز هر گونه مشکل در روند خرید اینترنتی، بخش پشتیبانی کاربران آماده پاسخگویی به مشکلات و سوالات شما می باشد

راهنمای سایت

برخلاف سایت های دیگر که فایل ها را به صورت تکی می فروشند روال سایت ما این است که شما با عضویت در سایت ما میتوانید از تمام فایل های موجود استفاده کنید.

تمام مطالب سایت فقط برای اعضای سایت رایگان است.

نحوه عضویت در سایت