ر فرکانس در حضور همزمان تولید بادی و خورشیدی با ضریب نفوذ بالا در شبکه عنوان می شود.

 

 

 

 

 

 

 

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 بررسی می گردند. همانطور که ذکر شد با افزایش ظرفیت نفوذ تولید بادی، شبکه با کاهش ظرفیت پشتیبانی تنظیم فرکانس مواجه می‌شود. اگرچه طرح‌های کنترلی برای بهبود کنترل فرکانس در ادامه معرفی می‌شود، 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، استفاده از ذخیره‌سازهای توان برای بهبود مرز‌های پایداری سیستم اجتناب ناپذیر می نماید. در ادامه مدلی مناسب جهت استفاده ذخیره‌ساز باتری در کنترل فرکانس بیان می‌شود. جهت بهینه‌سازی پارامترهای مرتبط با کنترل فرکانس شبکه، از الگوریتم بهینه‌سازی نوسان ذرات استفاده می‌شود. در انتهای فصل مختصراً الگوریتم بهینه‌سازی نوسان ذرات شرح داده می‌شود.

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

در کنار افزایش ضریب نفوذ بادی در سیستم قدرت، نقش 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 یافت. این جایگزینی نرخ تغییرات فرکانس را افزایش و مقاومت سیستم در قبال اغتشاشات وارده به شبکه را کاهش می‌دهد. اما تحقیقات اخیر نشان داده است، اگر کنترل مطلوبی بر توربین‌های مدرن بادی سرعت متغیّر صورت پذیرد، با وارد شدن نیروی بادی به شبکه لزوماً لختی شبکه کاهش نخواهد یافت [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 است. 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 است [52].

 نتایج مشابهی در [49] به ثبت رسیده است. طرح مشابهی (سیگنال کنترلی اضافی وابسته به فرکانس شبکه) به منظور بدست آوردن پاسخ لختی سیستم ژنراتور القایی دو سو تغذیه در [50] [51] مورد توجّه قرار گرفته است. 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 استفاده از مقدار بیشینه پشتیبانیِ موقّت توانِ اکتیوی است 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 تحقیق شرکت دادن و مشخّص نمودن کاربرد پشتیبانی کوتاه مدت توان اکتیو، به صورت خاص، در یک شبکه دو ناحیه ای حرارتی مورد توجّه قرار گرفته است.

ابتدا 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 می‌گردد. 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 ‌است و سهم آن در کاهش افت اولیّه فرکانس پس از کسر تولید در یک سیستم حرارتی، مشخّص می‌شود.

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

در خلال عملکرد یک توربین بادی، مقداری انرژی در توربین و ژنراتور وجود دارد که کاملاً با ژنراتورهای متداول قابل قیاس است [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 شود. 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 استفاده قرار گرفته است. مدل منتشر شده ای از توربین بادی تجاری چند مگاواتی سرعت متغیّر در شبیه سازی این پایان نامه مورد استفاده قرار گرفته که از مراجع [53] [54] اقتباس گردیده است. بلوک دیاگرام مدل توربین بادی در شکل 3-1 نشان داده شده ‌است.

شکل 3- 1 بلوک دیاگرام مدل توربین بادی سرعت متغیّر [35].

همانطور که در رابطه (3-1) آمده است، سرعت مرجع  ، بر اساس توان الکتریکی ‌اندازه گیری شده  تولید می‌شود:

(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 منظور بیان ریاضی منحنی‌های  گنجانده شده ‌است. این چند جمله ای عبارتست از:

(3-3)

مقادیر ضرایب  در [35] در دسترس است.  به صورت زیر  تواند بیان شود:

(3-4)

که در آن  سرعت روتور در واحد مبنا،  سرعت باد به ،  سرعت مبنای روتور به  و  شعاع روتور به متر است.

وقتی توان کمتر از 0.7 مبنای واحد است، مرجع سرعت بوسیله رابطه (3-1) محاسبه می‌شود. 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 می‌شود. سرعت روتور با بهره گرفتن از معادله لختی مدل تک-جرم معادل توربین-ژنراتور محاسبه می‌شود. معادله لختی از توان مکانیکی استخراج شده از نیروی بادی  و همچنین توان الکتریکی تزریق شده به شبکه  برای محاسبه سرعت روتور استفاده می‌کند. معادله لختی روتور به صورت زیر بیان می‌شود:

(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 کرد.

منحنی‌های  توربین بر اساس رابطه (3-3) برای زاویه‌های مختلف شیب پره همانطور که در مراجع [53] [54] ذکر شده ‌است 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 منظور سنجش میزان انرژی قابل استخراج از توربین بادی، قدرتی که به شبکه تزریق می‌شود به صورت موقّت به مقدار  بالاتر از مقدار حالت مانگار آن  (که برای سرعت باد مشخّصی است) افزایش می‌یابد. به این منظور 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 ‌است، تنظیم می‌شود.

مقدار انرژی بادی قابل استحصال قبل از رسیدن سرعت توربین به سرعت کمینه برای سرعت‌های متفاوت وزش باد محاسبه شده ‌است. این محاسبات به منظور تعین میزان 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 منظور مشخّص نمودن مدت زمان تداوم چنین پشتیبانی قبل از رسیدن سرعت توربین به محدودیت سرعت کمینه آن، صورت پذیرفته است.

شکل 3- 4 مدل توربین بادی سرعت متغیّر برای وزش باد با سرعت‌های کم و متوسط (کنترلر زاویه غیر فعّال شده است) [35]

شایان ذکر است، 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 میزان توان اکتیو اضافی قابل استحصال در مزرعه بادی موجود است 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 است، تغییر در توان الکتریکی برابر با   به این معنی است که خروجی الکتریکی از توربین بادی، ، معادل است با  مبنای واحد(  بیشتر از مقدار حالت ماندگار برای این سرعت باد که برابر است با   مبنای واحد می‌باشد). توان اضافی  در مبنای واحد از طریق جذب بخشی از انرژی چرخشی موجود در توربین-ژترانور تأمین می‌شود.

شکل3-5 توان مکانیکی جذب شده توربین بادی از انرژی باد را برای سرعت‌های مختلف وزش باد ( 6-11  ) نشان می‌دهد. متذکر می‌شود شکل این منحنی‌ها شدیداً به مقدار  توربین وابسته می‌باشد. همانطور که از شکل مشهود است، زمانیکه توان مکانیکی جذب شده بیشینه است، در هر سرعت باد به خصوصی سرعت روتور بهینه ای وجود دارد. این مطلب مبیّن این موضوع است عملکرد معمولی توربین بادی منوط به شرایطی است 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 می‌کند. زمانیکه محدودیت بیشینه سرعت روتور حاصل می‌شود، با افزایش سرعت باد نقطه فعّالیت در صفحه  به سمت بالا رانده می‌شود (جهت حرکت در شکل3-2 ).

انرژی چرخشی قابل استحصال از توربین-ژنراتور بر اساس مطالبی که در ابتدای بخش عنوان شد، محاسبه شده ‌است [35]. تعادل توان در خلال کاهش سرعت توربین بادی می‌تواند به صورت زیر بیان شود:

(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 کرد:

(3-8)

 مدت زمان تداوم تغییر ورودی پله ای در توان الکتریکی  است 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 روند کاهشی در توان مکانیکی از مقدار بهینه خود،  با افزایش سرعت وزش باد افزایش می‌یابد و همچنین کاهشی در  مورد انتظار است.

انرژی چرخشی موجود برای سه مقطع مشخّص از سرعت وزش باد مورد سنجش قرار گرفته است:

  • سرعت کم وزش باد: مقطعی که در آن سرعت روتور کمتر از 1.2 مبنای واحد است
  • سرعت متوسط وزش باد: مقطعی که در آن سرعت روتور کمتر از 1.2 مبنای واحد و توان تولیدی کمتر از 1 مبنای واحد است.
  • 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 ‌است.

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 است مدت زمان تداوم افزایش پله ای در خروجی توربین بادی، وقتی مقدار توان الکتریکی پله ای افزایش میابد، روند 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 است. اگرچه که محدودیت کمینه سرعت توربین مورد بررسی GE 3.6 MW، 0.7 مبنای واحد در نظر گرفته شده ‌است، کاهش بیشتری نیز در سرعت روتور امکان پذیر است (0.5 مبنای واحد). در سرعت وزش باد 7.5  ، وقتی محدودیت کمینه سرعت، 0.5 مبنای انتخاب شود، 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 شود) [35]. 

سرعت متوسط وزش باد: محاسبات مشابهی برای سرعت‌های وزش باد 10 تا 11  انجام شده ‌است که به ترتیب معادل با 0.85 و 1 مبنای واحد از توان تولیدی بادی است (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 می‌کند. همانطور که انتظار می‌رفت، مدت زمان تداوم این پشتیبانی با افزایش سرعت باد در مطقعی که سرعت وزش باد متوسط است، کاهش پیدا می‌کند.

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 بررسی 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 می‌شود، قدرت تولیدی به مقدار نامی آن محدود می‌شود. به عبارت 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 شود. ذکر این نکته ضروری است، بسته به سرعت کنترلر زاویه، کاهش موقّتی در سرعت چرخش توربین ظاهر می‌گردد که منجر خواهد شد 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