مدلسازی و شبیه سازی توربین بادی مجهز به DFIG و STATCOM به منظور بررسی عملکرد سیستم در شرایط خطا

بخشی از فهرست مطالب پروژه مدلسازی و شبیه سازی توربین بادی مجهز به DFIG و STATCOM به منظور بررسی عملکرد سیستم در شرایط خطا

    چکیده
    مقدمه
    فصل اول : مقدمه
    فصل دوم : مروری بر کارهای انجام شده
    انواع توربین بادی
    خصوصیات استاتیکی
    اجزای نیروگاه بادی
    انواع مختلف توربین های سرعت متغیر
    ژنراتور های سنکرون
    ژنراتورهای سنکرون با سیم پیچ میدان
    ژنراتور های سنکرون مغناطیس دایم
    ژنراتور القایی
    ژنراتورالقایی از دو سو تغذیه
    ژنراتورالقایی روتور قفسی
    انواع دیگر
    ژنراتور القایی ازدو سو تغذیه بدون جاروبک
    ژنراتور القایی دو سرعته
    انواع توپولوژی اتصال توربین های بادی در مزرعه
    سیستم های قدرت بادی مجهز به DFIG
    فصل سوم : مدل سازی و کنترل
    ژنراتور القایی از دو سو تغذیه
    مدل ماشین
    کنترل
    STATCOM
    مدل سازی وکنترل STATCOM
    crowbar
    محدود کننده جریان خطا
    راکتور های محدود کننده جریان خطا
    Is limiter
    محدود کننده جریان خطای حالت جامد
    محدود کننده جریان خطا ابر رسانا
    نوع مقاومتی
    نوع سلفی
    نوع راکتور DC
    فصل چهارم : شبیه سازی
    عملکرد بی وقفه توربین بادی
    سیستم قدرت نمونه
    نتایج حاصل از شبیه سازی
    اتصال کوتاه سه فاز بدون حفاظت مبدل سمت روتور
    اتصال کوتاه سه فاز با استفاده از روش انسداد و STATCOM
    اتصال کوتاه سه فاز با استفاده از FCL و بدون STATCOM
    اتصال کوتاه سه فاز با استفاده از FCL و STATCOM
    فصل پنجم : نتیجه‌گیری و پیشنهادات
    نتیجه‌گیری
    پیشنهادات
    پیوست ها
    ضمیمه
    منابع و ماخذ
    فهرست منابع فارسی
    فهرست منابع لاتین
    چکیده انگلیسی

  فهرست جدول¬ها

۱-۱ : هزینه های مربوط به ساخت یک توربین بادی دو مگا واتی

۲-۱ : ظرفیت نصب شده نیروگاه های بادی در چند کشورصنعتی

۳-۱ : رشد اندازه توربین های بادی

۱-۲ : شرکت های سازنده توربین های بادی

۲-۲ : مقایسه بین انواع توپولوژی اتصال توربین بادی درمزرعه بادی

۱-۳ : نصب STATCOM در آمریکا

فهرست نمودارها

۱-۱ : تغییرات سالیانه قیمت و نرخ تغییرات انرژی الکتریکی بادی

۲-۱ : ظرفیت نیروگاه های بادی نصب شده درجهان

۳-۱: ظرفیت نصب شده انواع نیروگاه های در اتحادیه اروپا در سال

فهرست شکل‌ها

۱-۱ : اجزای اصلی سیستم توربین بادی

۱-۲ : برش پره توربین

۲-۲: مدل سازی توربین بادی

۳-۲: نمودار ضریب قدرت

۴-۲: اجزای داخلی توربین بادی

۵-۲: ژنراتور سنکرون با سیم پیچی میدان

۶-۲ : ژنراتور سنکرون مغناطیس دایم

۷-۲ : PMSG با مبدل PWM

۸-۲ : ژنراتور القایی از دو سو تغذیه

۹-۲ : ژنراتور القایی ازدو سو تغذیه تمام کنترلی

۱۰-۲ : ژنراتور القایی روتور قفسی

۱۱-۲ : نحوه اتصال BDFM

۱۲-۲ : جزییات عملکرد BDFM

۱۳-۲ : انواع اتصال توربین بادی در مزارع بادی

۱۴-۲ : منحنی LVRT در شبکه آلمان

۱۵-۲ : منحنی LVRT در شبکه ایرلند

۱-۳ : ساختار DFIG

۲-۳ : نحوه اتصال مبدل سمت روتور و شبکه به ژنراتور

فهرست شکل‌ها

۳-۳ : مدارمعادل DFIG

۴-۳ : ساختار اصلی کنترل RSC

۵-۳ : ساختاراصلی کنترل GSC

۶-۳ : حلقه کنترل جریان مبدل سمت شبکه

۷-۳ : حلقه کنترل ولتاژ اتصال DC

۸-۳ : طراحی حلقه کنترل جریان برای ثابت نگه داشتن فرکانس سوییچینگ

۹-۳ : حلقه کنترل جریان مبدل سمت روتور با در نظر گرفتن دینامیک PWM

۱۰-۳ : حلقه کنترل سرعت DFIG

۱۱-۳ : شمای کلی و مشخصه V-I برای SVC

۱۲-۳ : شمای کلی و مشخصه V-I برای STATCOM

۱۳-۳ : ساختارکنترل STATCOM

۱۴-۳ : مدار مبدل منبع ولتاژ

۱۵-۳ : بلوک دیاگرام کنترلر جریان

۱۶-۳ : مدار های crowbar

۱۷-۳ : برخی اتصالات متداول CLR

۱۸-۳ : ساختار Is limiter

۱۹-۳ : ساختارهای نمونه ای از محدود کننده جریان خطا جامد

۲۰-۳ : ساختار نمونه ای ازمحدود کننده جریان خطای جامد

فهرست شکل‌ها

۲۱-۳ : مدار معادل محدود کننده رزونانسی سری موازی در زمان اتصال کوتاه

۲۲-۳ : ساختار دیگری ازمحدود کننده جریان خطای حالت جامد

۲۳-۳ : مدل یک سیم ابر رسانا در دماهاو جریان های مختلف

۲۴-۳ : تغییرات مقاومت ابر رسانا با تغییرات دما

۲۵-۳ : تغییرات مقاومت ابر رسانا با تغییرات چگالی جریان

۲۶-۳ : مدل مداری یک محدود کننده جریان خطای ابررسانای نوع سلفی

۲۷-۳ : تغییرات امپدانس محدودکننده با تغییرات چگالی جریان

۲۸-۳ : ساختار های مختلف محدود کننده جریان خطای ابر رسانای راکتور

۲۹-۳ : محدود کننده جریان خطای ابر رسانا نوع راکتور DC در حالت سه فاز

۳۰-۳ : محدود کننده بدون استفاده از ابر رسانا با مدار جبران کننده

۱-۴ : ساختار FCL مورد استفاده در مدار روتور

۲-۴ : سیستم قدرت نمونه

۳-۴ : جریان روتور طی اتصال کوتاه سه فاز بدون حفاظت RSC

۴-۴ : جریان روتور با استفاده از STATCOM 20 مگاواری

۵-۴ : جریان روتور با استفاده از STATCOM 20 مگاواری

۶-۴ : ولتاژ شین توربین بادی با استفاده از STATCOM 20 مگاواری

۷-۴ : ولتاژ شین توربین بادی با استفاده از STATCOM 20 مگاواری

۸-۴ : جریان روتور با استفاده از STATCOM 50 مگاواری

فهرست شکل‌ها

۹-۴ : جریان روتور با استفاده از STATCOM 50 مگاواری

۱۰-۴ : ولتاژ شین توربین بادی با استفاده از STATCOM 50 مگاواری

۱۱-۴ : ولتاژ شین توربین بادی با استفاده از STATCOM 50 مگاواری

۱۲-۴ : جریان روتور با استفاده از STATCOM 70 مگاواری

۱۳-۴ : جریان روتور با استفاده از STATCOM 70 مگاواری

۱۴-۴ : ولتاژ شین توربین بادی با استفاده از STATCOM 70 مگاواری

۱۵-۴ : ولتاژ شین توربین بادی با استفاده از STATCOM 70 مگاواری

۱۶-۴ : جریان روتور با استفاده از STATCOM 100 مگاواری

۱۷-۴ : جریان روتور با استفاده از STATCOM 100 مگاواری

۱۸-۴ : ولتاژ شین توربین بادی با استفاده از STATCOM 100 مگاواری

۱۹-۴ : ولتاژ شین توربین بادی با استفاده از STATCOM 100 مگاواری

۲۰-۴ : توان تزریقی STATCOM

۲۱-۴ : جریان روتور

۲۲-۴ : جریان روتور

۲۳-۴ : ولتاژ شین توربین بادی

۲۴-۴ : ولتاژ شین توربین بادی درحالت بزرگ شده

۲۵-۴ : جریان روتور با استفاده از STATCOM 20 مگاواری

 فهرست شکل‌ها

۲۶-۴ : جریان روتور با استفاده از STATCOM 20 مگاواری

۲۷-۴ : ولتاژ شین توربین بادی با استفاده از STATCOM 20 مگاواری

۲۸-۴ : ولتاژ شین توربین بادی با استفاده از STATCOM 20 مگاواری

۲۹-۴ : جریان روتور با استفاده از STATCOM 50 مگاواری

۳۰-۴ : جریان روتور با استفاده از STATCOM 50 مگاواری

۳۱-۴ : ولتاژ شین توربین بادی با استفاده از STATCOM 50 مگاواری

۳۲-۴ : ولتاژ شین توربین بادی با استفاده از STATCOM 50 مگاواری

۳۳-۴ : جریان روتور با استفاده از STATCOM 100 مگاواری

۳۴-۴ : جریان روتور با استفاده از STATCOM 100 مگاواری

۳۵-۴ : ولتاژ شین توربین بادی با استفاده از STATCOM 100 مگاواری

۳۶-۴ : ولتاژ شین توربین بادی با استفاده از STATCOM 100 مگاواری

۳۷-۴ : توان تزریقی STATCOM

مقدمه :
امروزه انواع زیادی از سیستم های توربین بادی در بازار رقابت می کنند که آن ها را به دو گروه اصلی می توان تقسیم کرد. گروه اول، توربین های بادی سرعت ثابت هستند که ژنراتور به طور مستقیم به شبکه متصل شده است. در واقع هیچ گونه کنترل الکتریکی برای این سیستم وجود ندارد.به علاوه تغییرات سریع در میزان سرعت باد به سرعت روی بار القار می شود( به علت تغییرات توان). این تغییرات برای توربین بادی که به سیستم قدرت متصل است خوشایند نیست و باعث ایجاد فشارهای مکانیکی روی توربین می شود و عمر توربین را کم می کند و نیز از کیفیت توان می کاهد. در توربین بادی سرعت ثابت فقط یک سرعت باد وجود دارد که توربین در آن سرعت بهینه کار می کند، از این رو توربین بادی سرعت ثابت اغلب خارج از عملکرد بهینه خود کار می کند و به طور معمول ماکزیمم توان از باد گرفته نمی شود. گروه دوم، توربین بادی سرعت متغیر هستند. در این نوع ژنراتور به طور مستقیم به شبکه متصل نمی شود. نوع سرعت متغیر توربین بادی قابلیت کنترل سرعت روتور را فراهم می کند، این کار به ما اجازه می دهد تا توربین بادی نزدیک نقطه بهینه خود کار کند. بیشتر توربین های بادی با بازه توان بیشتر از ۵/۱ مگا وات از نوع سرعت متغیرمی باشند. یکی از انواع توربین های سرعت متغیر، توربین های بادی مجهز به ژنراتور القایی از دو سو تغذیه است. امروزه اکثر توربین های بادی به ژنراتور القایی از دو سو تغذیه مجهز شده اند. . در این نوع، ژنراتور القایی روتور سیم پیچی از طریق استاتور به شبکه قدرت متصل می شود و روتور از طریق مبدل الکترونیک قدرت ac/dc/ac فرکانس متغیر با توان نامی در حدود ۲۵-۳۰ درصد توان نامی ژنراتور به شبکه قدرت متصل می شود.  مبدل الکترونیک قدرت شامل مبدل طرف روتور و مبدل طرف شبکه است که به طور پشت به پشت از طریق یک خازن اتصال dc به هم متصل شده اند. ایراد اصلی توربین های بادی سرعت متغیر به خصوص توربین هایی که به DFIG مجهز اند، عملکرد آن ها در طی بروز اتصال کوتاه در شبکه است. اتصال کوتاه روی سیستم قدرت حتی اگر از محل توربین بادی دور باشد باعث ایجاد افت ولتاژ در نقطه اتصال توربین بادی با شبکه قدرت می شود. این امر باعث افزایش جریان در سیم پیچ استاتور می شود. به خاطر کوپل مغناطیسی بین استاتور وروتور، این جریان در مدار روتور و مبدل الکترونیک قدرت دیده می شود، چون ظرفیت مبدل ۲۵-۳۰ درصد ظرفیت ژنراتور است این جریان منجر به آسیب دیدن مبدل می شود. تا پنج سال پیش، بیشتر اپراتور های شبکه نیاز نداشتند تا  توربین های بادی در هنگام اتصال کوتاه، شبکه را تغذیه کنند و هنگامی که یک حالت غیر عادی در ولتاژ شبکه شناسایی می شد، آن ها را از شبکه جدا می کردند. با افزایش ظرفیت انرژی بادی در سیستم قدرت در سال های اخیر و افزایش سهم آن ها در تامین توان در سیستم قدرت، از دست دادن ناگهانی و بزرگ توربین های بادی در طی بروز اتصال کوتاه در شبکه می تواند باعث خاموشی های وسیع و ناپایداری در سیستم قدرت شود. در این پروژه یک روش جدید برای عملکرد بی وقفه توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی از دو سو تغذیه با استفاده از محدود کننده جریان خطا و STATCOM ارایه شده است.

بخشی از منابع و مراجع پروژه مدلسازی و شبیه سازی توربین بادی مجهز به DFIG و STATCOM به منظور بررسی عملکرد سیستم در شرایط خطا

فهرست منابع فارسی
[۱]    تحلیل ماشین های الکتریکی، پل سی کراس، ترجمه سید مرتضی سقائیان نژاد و حسن نیک خواجوئی. انتشارات دانشگاه صنعتی اصفهان، دی ۱۳۷۶.
فهرست منابع لاتین
[۲]    A. V. da Rosa, Fundamental of renewable energy processes, 2nd edition. Academic press in an imprint of Elsevier, 2009.
[۳]    R. Fiestas, et al., “wind power 2008 sectors year book: analysis and data”, Spanish wind power association, 2008.
[۴]    J. Marques, H. Pinheiro, H. A. Grundling, J. R. Pinheiro, H. L. Hey, “A Survey on Variable Speed wind Turbine System”, conference of federal university of santa maria, Brazil, 2002.
[۵]    Global Wind Energy Council (GWEC). Available online: http:/www.gwec.net.
[۶]    G. Shrestha, H. Polinder, D. J. Bang, J. A. Ferreira, “Review of Energy Conversion system for Large wind Turbines”, European Wind Energy Conference (EWEC),2008.
[۷]    F. Blaabjerg, Z. Chen, power electronics for modern wind turbines. Morgan & claypool publisher, 2006.
[۸]    S. Soter, R. Wegener, “Development of Induction Machines in Wind Power Technology”, IEEE Electric Machines and drives Conference, Antalya, 2007.
[۹]    R. Pena, J. C. Clare, and G. M. Asher, “Doubly fed induction generator using bavk-to-back PWM converter and its application to variable speed wind energy generation” , Proc. Inst. Elect. Eng.-Elect. Power Appl., vol. 143, no. 3, pp. 231-241, May. 1996.
[۱۰]    J. B. Ekanayake, L. Holdsworth, X. WU, N. JENKIS, “Dynamic Modeling Of Doubly Fed Induction Generator Wind Turbines” , IEEE Trans On Power System,Vol.18, No.2, May 2003
[۱۱]    P. C. Roberts, R. A. Mcmahon, P. J. Tavner, J. M. Maciejouski, T. J. Flack, “Equivalent circuit for Brushless Doubly Fed Machine Including Parameter Estimation and experimental Verification”, IEE Proc-electr.Power Appl, vol.152, No.4, July 2005.
[۱۲]    www.sabaniroo.com
[۱۳]    L. M. de Alegria, J. L. Villate, J. Andreu, I. Gabiola, P. Ibanez, “Grid Connection of Doubly Fed Induction Generator Wind Turbines : A Survey”, European Wind Energy Conference (EWEC), 2004.
[۱۴]    A. Mullane, G. Lightbody, R. Yacamini, “Wind Turbine Fault Ride through Enhancement”, IEEE Trans. On power sys, Vol.20, No.4, November 2005.
[۱۵]    V. Akhmatov, “Analysis of dynamic behavior of electric power system with large amount of wind power”, Ph.D. dissertation, Tech. univ. Denmark, Kgs. Lyngby, Denmark, Apr.2003.
[۱۶]    W. Qiao, G. K. Venayagamoorthy, R. G. Harley, “Real Time Implementation of a STATCOM on a Wind Farm Equipped With Doubly Fed Induction Generators”, IEEE Trans. On Industry appl, Vol.45, No.1, Feb 2009.
[۱۷]    J. Morren, S. W. H. de Haan, “Ridethrough of Wind Turbines with Doubly Fed Induction Generator during a Voltage Dip”, IEEE Trans. On Energy Convers, Vol.20, No.2, June 2005.
[۱۸]    R. G. de almeida, J. A. Pecas Lopes, J. A. L. Barreiros, “Improving Power System Dynamic Behavior Through Doubly Fed Induction Machines Controlled By Static Converter Using Fuzzy Control”, IEEE Trans. On power sys, Vol.19, No.4, November 2004.
[۱۹]    W. Qiao, R. G. Harley, G. K. Venayagamoorthy, “Coordinated Reactive Power Control of a Large Wind Farm and a STATCOM Using Heuristic Dynamic Programming”, IEEE Trans. On Energy Convers. Accepted for future application.
[۲۰]    A. D. Hansen, G. Michalke, P. Sorensen, T. Lund, F. Iov, “Co-ordinated Voltage Control of DFIG Wind Turbines IN Uninterrupted Operation During Grid Faults”, Wiley Interscience. Wind Energy, Aug 2006.
[۲۱]    N. Joshi, and N. Mohan, “A novel scheme to connect wind turbines to the power grid,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 24, no. 2, June. 2009.
[۲۲]    S. K. Salman, and B. Badrzadeh, “New Approach for Modelling DFIG for grid connection studies,” Eropean Wind Energy Conference (EWEC), 2004.
[۲۳]    K. R. Padiyar, FACTS controllers in power transmission and distribution, first edition, June 2007.
[۲۴]    C. Schauder and H. Mehta, “Vector analysis and control of advancsd static VAR compensator”, Proc. Inst. Elect. Eng.-Gener. Transm. Distrib., vol. 140, no. 4, pp. 299-306, Jul. 1993.
[۲۵]    N. G. Hingorani, L. Gyugyi, Understanding FACTS: Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems, New York, Wiley-IEEE Press, 1999