چکیده: در سال‌های اخیر، نصب ژنراتورهای توربین بادی (WTG) در سراسر جهان رشد چشمگیری داشته است، به طوری که در سال ۲۰۱۷ مجموع ظرفیت نصب‌شده به حدود ۵۳۹ گیگاوات رسید. در میان انواع مختلف این توربین‌ها، ژنراتور القایی دوطرفه (DFIG) از سال ۲۰۰۴ سهم عمده‌ای از بازار را به خود اختصاص داده است. محبوبیت DFIG به مزایای متعدد آن بازمی‌گردد؛ از جمله استخراج بازدهی بالاتر نسبت به مدل‌های سرعت ثابت و کاهش هزینه‌ها به دلیل استفاده از کنورترهایی با سایز یک‌سوم در مقایسه با نوع کامل. با وجود این مزایا، DFIG در برابر نقص‌های شبکه آسیب‌پذیر است. مقاله حاضر، کاربردی تازه از رگولاتور جریان هیسترزیس مبتنی بر بردار (VBHCR) را در STATCOM برای بهبود عملکرد دینامیکی مزرعه بادی مبتنی بر DFIG معرفی می‌کند. سیستم پیشنهادی با استفاده از نرم‌افزار شبیه‌سازی MATLAB ارزیابی شده و استحکام آن از طریق بررسی عملکرد تحت سطوح مختلف افت ولتاژ مورد سنجش قرار گرفته است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که در برخی محدوده‌های افت ولتاژ در نقطه اتصال مشترک (PCC)، سیستم VBHCR-STATCOM قادر به بهبود مؤثر عملکرد DFIG است. در نتیجه، با این روش می‌توان پروفایل ولتاژ در PCC را مطابق با کدهای غلبه بر خطای شبکه اسپانیا تنظیم کرد و از قطع اتصال توربین‌ها به شبکه جلوگیری نمود.

کلمات کلیدی: DFIG، انرژی باد، رگولاتور جریان هیسترزیس مبتنی بر بردار، STATCOM.

مقدمه

در دهه گذشته، استقرار نیروگاه‌های مبتنی بر منابع انرژی تجدیدپذیر به‌طور چشمگیری افزایش یافته است؛ هدفی که پشت این گسترش قرار دارد، تأمین ۲۵ درصد از برق جهان از منابع تجدیدپذیر تا سال ۲۰۲۵ می‌باشد.

طبق آمار شورای جهانی انرژی بادی، تا سال ۲۰۱۷ حدود ۵۳۹,۱۲۳ مگاوات ظرفیت نیروگاه بادی در سطح جهان نصب شده است. در اتحادیه اروپا نیز پیش‌بینی می‌شود که مزارع بادی دریایی تا سال ۲۰۳۰ به ظرفیت حدود ۶۵ گیگاوات برسند. انواع گوناگونی از توربین‌های بادی در بازار وجود دارند؛ از جمله ژنراتور سنکرون مغناطیسی دائمی (PMSG)، توربین‌های با سرعت ثابت و ژنراتور القایی دوطرفه (DFIG). در میان این‌ها، DFIG به فناوری غالب بدل شده و در سال ۲۰۱۶ حدود ۶۴ درصد از نصب‌های جهانی را به خود اختصاص داده بود. این برتری ناشی از مزایای متعدد DFIG است؛ از جمله کاهش اندازه کنورترها و بهره‌وری بالاتر از انرژی باد.

اگرچه DFIG برای حفظ عملکرد مناسب در نوسانات سرعت باد طراحی شده است، اما در برابر اعوجاج‌های شبکه آسیب‌پذیر می‌باشد. به همین دلیل، برخی کشورها کدهای سخت‌گیرانه‌ای را برای حفاظت از توربین‌های بادی در برابر عیوب شبکه با سطح و مدت مشخص اعمال کرده‌اند. به عنوان نمونه، شکل ۱ نمودار کد غلبه بر خطای (FRT) شبکه اسپانیا برای نیروگاه‌های بادی را نشان می‌دهد.

شکل ۱: نمودار غلبه بر خطای شبکه اسپانیا

این شکل سه ناحیه اصلی عملکردی را تعریف می‌کند. ناحیه «A» حداکثر مجاز افزایش ولتاژ را بر اساس استاندارد اسپانیا مشخص می‌سازد، که طبق آن افزایش ولتاژ تا ۱۳۰ درصد به مدت ۰.۵ ثانیه و سپس ۱۲۰ درصد به مدت ۰.۵ ثانیه بعدی مجاز است. ناحیه «B» شرایط عادی و محدوده ولتاژ مجاز را تعریف می‌کند که در آن هرگونه نوسان ولتاژ در محدوده ±۱۰ درصد (بین ۹۰ تا ۱۱۰ درصد) قابل پذیرش است. در ناحیه «C»، حداقل آستانه ولتاژ و مدت زمان مجاز آن تعیین شده است. در این ناحیه، افت ولتاژ تا ۵۰ درصد به مدت ۰.۱۵ ثانیه مجاز بوده و سپس ولتاژ باید به تدریج طی ۱۵ ثانیه به سطح ۹۰ درصد بازگردد. در صورت افت ولتاژ فراتر از محدوده ناحیه «C»، توربین بادی مجبور به قطع اتصال از شبکه خواهد شد.

مقالات متعددی به بررسی سیستم‌های کنترلی پیشرفته برای DFIG به منظور انطباق با کدهای شبکه پرداخته‌اند. اما تمامی تکنیک‌های ارائه‌شده عمدتاً برای نصب‌های جدید کاربرد دارند. از آنجا که چندین نسل اول DFIG از اوایل دهه ۲۰۰۰ در سراسر جهان نصب شده‌اند، استفاده از یک جبرانساز خارجی به عنوان راه‌حلی اقتصادی‌تر برای ارتقای قابلیت FRT این توربین‌ها مطرح شده است.

برخی منابع به استفاده از واحد ذخیره‌سازی انرژی مغناطیسی ابررسانا (SMES) در توربین‌های بادی متصل به شبکه برای جبران افت ولتاژ در PCC در زمان عیوب شبکه اشاره کرده‌اند. با این حال، این فناوری همچنان به دلیل نیاز به سیستم کریوژنیک برای نگهداری سیم‌پیچ در حالت ابررسانایی، بسیار پرهزینه است. کاربرد جبرانساز استاتیک همزمان (STATCOM) در سیستم‌های DFIG نیز در مطالعات مختلف بررسی شده است. در یکی از این مطالعات، استفاده از STATCOM صرفاً به سیستم‌های تبدیل انرژی بادی با کنورتر کامل محدود شده بود. مطالعه دیگری نیز بیشتر بر بررسی اثرات خطاهای سوئیچ الکترونیک قدرت بر عملکرد کلی DFIG تمرکز داشته که از نظر هزینه اجرایی چندان مقرون به صرفه نیست، چرا که خطای سوئیچ یک رویداد نادر است. پژوهش دیگری نیز تنها به ولتاژ در PCC پرداخته و پارامترهای مهم دیگر مانند ولتاژ لینک DC، توان خروجی و سرعت روتور را مد نظر قرار نداده است.

ایده نوینی که در این مقاله ارائه می‌شود، به‌کارگیری رگولاتور جریان هیسترزیس مبتنی بر بردار (VBHCR) برای کنترل عملکرد STATCOM متصل به یک سیستم تبدیل انرژی بادی مبتنی بر DFIG است.

سیستم مورد مطالعه

کاربرد نوین رگولاتور جریان هیسترزیس مبتنی بر بردار برای STATCOM به منظور بهبود عملکرد دینامیکی DFIG

محتوای اصلی (بخش ۲ از ۴)

سیستم مورد بررسی در شکل ۲ نمایش داده شده است. این سیستم متشکل از ۶ واحد DFIG با قدرت ۱.۵ مگاوات بوده و از طریق دو ترانسفورماتور و یک خط توزیع به طول ۳۰ کیلومتر به شبکه متصل می‌شود. STATCOM از طریق یک ترانسفورماتور استپی‌آپ به نقطه اتصال مشترک (PCC) پیوند می‌خورد. تمامی پارامترهای مربوط به سیستم در جداول ۱ و ۲ ذکر شده‌اند.

شکل ۲: سیستم مورد بررسی

سیستم DFIG نشان‌داده‌شده در شکل ۳ شامل دو مبدل است که توسط یک خازن لینک DC به یکدیگر متصل هستند. این ارتباط پیچش‌های روتور ژنراتور القایی را به ترانسفورماتور PCC مرتبط می‌سازد که همچنین به پیچش‌های استاتور ژنراتور القایی متصل شده است.

شکل ۳: سیستم معمولی یک DFIG

رگولاتور جریان هیسترزیس مبتنی بر بردار برای STATCOM

اصول رگولاتور جریان هیسترزیس مبتنی بر بردار با باند برابر فاصله (VBHCR) در منبع [۲۰] معرفی شد. این رگولاتور برای دو نوع مبدل DFIG، یعنی مبدل سمت روتور (RSC) و مبدل سمت شبکه (GSC) به کار گرفته می‌شود. VBHCR با این ویژگیها، در حالت پایدار از عملکرد خوبی برخوردار است؛ از جمله پاسخ گذرا سریع، انعطاف‌پذیری در مواجهه با تغییرات پارامترهای ماشین و سادگی در الگوریتم کنترلی. همان‌طور که گفته شد، طراحی کنترلر جدید برای تأسیسات موجود DFIG ممکن است از نظر اقتصادی به‌صرفه نباشد. به همین دلیل، استفاده از VBHCR-STATCOM به‌عنوان یک جبران‌کننده خارجی می‌تواند راه‌حلی عملی و اقتصادی برای سیستم‌های موجود DFIG باشد.

VBHCR پیشنهادی برای STATCOM در کاربردهای DFIG

VBHCR پیشنهادی برای STATCOM در شکل ۴ نشان داده شده است. در این کنترلر، از تبدیل dq-abc استفاده می‌شود. جریان‌های مرجع Id* و Iq* از سیگنال‌های خطای ولتاژ در لینک DC (ΔVdc)، ولتاژ در PCC (ΔVs) و دو کنترلر پروپوشیونال-انتگرالی (PI) سنتی به‌دست می‌آیند. جریان خروجی تبدیل dq-abc با جریان‌های خطی مقایسه می‌شود تا سیگنال خطای جریان (ΔIabc) تولید گردد. این سیگنال به VBHCR فرستاده می‌شود تا سیگنال‌های سوئیچینگ مناسب برای سوئیچ‌های STATCOM تولید کند. به منظور از بین بردن تداخل بین فازها و حفظ مزایای کنترلر هیسترزیس، از تکنیک حلقه قفل‌شونده فاز (PLL) بهره‌برداری می‌شود.

شکل ۴: VBHCR-STATCOM معمولی

نکته کلیدی در ویژگی اصلی VBHCR بر اساس استفاده از جدول سوئیچینگ برای VSC می‌باشد (که در جدول ۲ نمایش داده شده است) و در منبع [۲۰] به تفصیل توضیح داده شده است. پیش از ورود به جدول سوئیچینگ، خروجی‌های دیجیتال مقایسه‌گرها (Dx و Dy) از طریق یک مقایسه‌گر هیسترزیس چهار سطحی برای محور x و سه سطحی برای محور y تولید می‌شوند. VBHCR عملیاتی پیشنهادی در شکل ۵ نشان داده شده است.

شکل ۵: اجرا معمول VBHCR با باند برابر فاصله [۲۰]

نتایج و بحث

برای بررسی پایداری کنترلر STATCOM پیشنهادی در کاربردهای DFIG، مطالعه و سناریوهای مختلفی در نظر گرفته شده‌اند.

مطالعه مورد ۱: افت ولتاژ متوسط ۰.۷ پرسی‌یونی در سمت شبکه

در این مطالعه، افت ولتاژ شبکه به میزان ۰.۷ پرسی‌یونی در زمان ۱.۵ ثانیه اعمال شده و در زمان ۱.۵۵ ثانیه برطرف می‌شود. نتایج شبیه‌سازی برای این مطالعه در شکل ۶ نمایش داده شده‌اند.

شکل ۶: پاسخ‌های دینامیکی DFIG با و بدون VBHCR-STATCOM برای افت مقدار ۰.۳ پرسی‌یونی: (الف) خروجی توان؛ (ب) پروفایل ولتاژ لینک DC؛ (ج) پروفایل ولتاژ در PCC و (د) سرعت روتور (ωr)

همان‌طور که در شکل ۶(a) مشخص است، در عدم وجود VBHCR-STATCOM پیشنهادی، خروجی توان به سطحی کمتر از ۰.۴ پرسی‌یونی کاهش می‌یابد. با اتصال VBHCR-STATCOM به PCC، این کاهش جبران‌شده و خروجی توان به سطح ۰.۸ پرسی‌یونی می‌رسد. شکل ۶(b) همچنین نشان می‌دهد که بدون VBHCR-STATCOM، ولتاژ در لینک DC به دلیل افت ولتاژ در سمت شبکه نوسانات شدیدی دارد. با اتصال VBHCR-STATCOM پیشنهادی به سیستم، این نوسانات به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابند. لازم به ذکر است که نوسانات شدید در ولتاژ لینک DC ممکن است عملکرد سیستم حفاظتی مبدل را تحت تأثیر قرار دهد [۷]. شکل ۶(c) نشان می‌دهد که ولتاژ در PCC تحت تأثیر افت ولتاژ ۰.۶ پرسی‌یونی قرار گرفته و در طول مدت خرابی، به سطح ۰.۴ پرسی‌یونی می‌رسد. این سطح در مقایسه با کد FRT اسپانیا، حداقل ولتاژ مجاز را نقض می‌کند. با اتصال VBHCR-STATCOM به PCC، جبران توان واکنشی توسط STATCOM این ولتاژ را به سطح ۰.۵ پرسی‌یونی می‌رساند، که حد ایمنی قابل قبولی است طبق کد FRT اسپانیا. به علت کاهش توان فعال ژنراتور، سرعت شفت (ωr) نیز افزایش یافته، همان طور که در شکل ۶(d) نشان داده شده است. سرعت به مقدار قله‌ای ۱.۲۱۵ پرسی‌یونی می‌رسد و مدت زمان زیادی طول می‌کشد تا پس از رفع خرابی به مقدار اسمی بازگردد. با اتصال VBHCR-STATCOM، هم حداکثر نوسان و هم زمان گذار به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابند.

شکل ۷: پاسخ‌های دینامیکی DFIG با و بدون VBHCR-STATCOM با افت مقدار ۰.۱ پرسی‌یونی: (الف) خروجی توان؛ (ب) پروفایل ولتاژ لینک DC؛ (ج) پروفایل ولتاژ در PCC و (د) سرعت روتور (ωr)

مطالعه مورد ۲: افت ولتاژ بزرگ ۰.۹ پرسی‌یونی در سمت شبکه

برای ارزیابی توانایی STATCOM پیشنهادی در مواجهه با سطح‌های بالای افت ولتاژ، میزان افت ولتاژ در سمت شبکه به ۰.۹ پرسی‌یونی افزایش یافته است. شکل ۷(a) نشان می‌دهد که خروجی توان DFIG به‌طور قابل توجهی در طول مدت خرابی به سطح تقریباً صفر کاهش می‌یابد. با اتصال VBHCR-STATCOM به سیستم، کاهش خروجی توان می‌تواند تا حدود ۵۰% جبران شود، که این نشان‌دهنده‌ توانایی DFIG در تأمین حدود ۵۰% توان فعال در طول رویداد خرابی است. این یک مزیت مهم برای VBHCR-STATCOM پیشنهادی محسوب می‌شود.

شکل ۷(b) نوسانات قابل توجهی را به تصویر می‌کشد که پروفایل ولتاژ لینک DC در صورت عدم وجود کنترلر پیشنهادی خواهد داشت. با اتصال VBHCR-STATCOM به سیستم، نوسانات حداکثری ولتاژ لینک DC به‌طور معنی‌داری کاهش می‌یابند. در یک افت ولتاژ شبکه به میزان ۰.۹ پرسی‌یونی، ولتاژ در PCC به میزان حدود ۰.۷ پرسی‌یونی کاهش یافته و این موضوع حدولای حفاظتی کد شبکه اسپانیا را نقض می‌کند، همان‌طور که در شکل ۷(c) نشان داده شده است.

نتیجه‌گیری

این مقاله به معرفی یک کاربرد نوآورانه از رگولاتور جریان هیسترزیس مبتنی بر بردار (VBHCR) در سیستم STATCOM می‌پردازد که هدف آن بهبود قابلیت گذر از ولتاژ پایین (Low Voltage Ride Through) در سیستم‌های انرژی بادی مبتنی بر ژنراتور القایی دو سو تغذیه (DFIG) است. با بررسی سطوح افت ولتاژ متوسط و بالا، می‌توان به نتایج زیر دست یافت:

• در غیاب هر گونه جبران‌کننده، عملکرد یک سیستم انرژی بادی مبتنی بر DFIG به شدت تحت تأثیر حوادث افت ولتاژ در شبکه قرار می‌گیرد. چنین خطاهایی منجر به کاهش توان تولیدی DFIG، نوسانات قابل توجه ولتاژ در لینک DC، نقض حداقل محدودیت‌های کد شبکه در ولتاژ نقطه اتصال مشترک (PCC) و افزایش سرعت شفت روتور می‌شود؛ عواملی که همگی بر پایداری کلی سیستم اثر می‌گذارند.
• رگولاتور جریان هیسترزیس مبتنی بر بردار پیشنهادی (VBHCR-STATCOM) وظیفه جبران قدرت را در نقطه اتصال مشترک در حوادث خطا بر عهده دارد. این عملکرد موجب حفظ پارامترهای کلیدی سیستم، نظیر توان تولیدی و ولتاژ در PCC، در سطوح قابل قبول می‌شود و به این ترتیب، به DFIG این امکان را می‌دهد که در شرایط خطا از شبکه حمایت کند و از آن جدا نشود.

تشکر و قدردانی

نویسنده اول مایل است از وزارت تحقیقات، فناوری و آموزش عالی اندونزی برای حمایت‌هایشان در راستای این تحقیق، صمیمانه تشکر کند.

منابع

1. Ghislaine Kieffer, Toby D. Couture, Renewable Energy Target Setting, International Renewable Energy Agency (IRENA), June (2015).
2. Anonymous, Global Wind Statistic (2017).
3. M. Seghidi, M. Moradzadeh, O. Kukrer, M. Fahrioglu, Simultaneous Optimization of Electrical Interconnection Configuration and Cable Sizing in Offshore Wind Farms in Journal of Modern Power Systems and Clean Energy (2018), Vol.6, Issue:4, pp.749-762.
4. R. A. Priya, D. Dhanasekaran, P.C. Kishoreraja, Performance analysis of PMSG based wind energy conversion system using two stage matrix converter, Przeglad Elektrotechniczny (2019), Issue: 2, Pg. 112.
5. J. Pedra, F. Corcoles, LI. Monjo, S. Bogarra, A. Rolan, On fixed-speed WT generator modeling for rotor speed stability studies, IEEE Trans. on Power Syst. (2012). Vol. 27., Issue: 1, pp. 397-406.
6. C. Vázquez Hernández, T. Telsnig, A. Villalba Pradas, C. Vazquez Hernandez, T. Telsnig, and A. Villalba Pradas, JRC Wind Energy Status Report 2016 Edition (2017).
7. V. Akhmatov, Analysis of dynamic behaviour of electric power systems with large amount of wind power, PhD Theses (2003). Technical University Denmark.
8. M. Altin, Ö. Göksu, R. Teodorescu, P. Rodriguez, B. B. Jensen, and L. Helle, Overview of recent grid codes for wind power integration in Proc. Int. Conf. Optim. Electr. Electron. Equipment, OPTIM, (2010), pp. 1152–1160.
9. J. Lopez, E. Gubia, E. Olea, J. Ruiz, and L. Marroyo, Ride Through of Wind Turbines With Doubly Fed Induction Generator Under Symmetrical Voltage Dips, IEEE Trans. Ind. Electron., (2009) vol. 56, no. 10, pp. 4246–4254.
10. A. Bektache, B. Boukhezzar, Nonlinear predictive control of a DFIG-based wind turbine for power capture optimization, Electrical Power and Energy Systems (2018), Vol. 101. 92-102.
11. H. Mahvash, S. A. Taher, M. Rahimi, M. Shahidehpour, Enhancement of DFIG performance at high wind speed using fractional order PI controller in pitch compensation loop, Electrical Power and Energy Systems (2019), Vol. 104. pp. 259-268.
12. F.E.V. Taveiros, L.S. Barros, F.B. Costa, Heightened state-feedback predictive control for DFIG-based wind turbines to enhance its LVRT performance, Electrical Power and Energy Systems (2019), Vol. 104. pp. 259-268.
13. S.K. Raju, G.N. Pillai, Design and implementation of type-2 fuzzy logic controller for DFIG-based wind energy systems in distribution networks in IEEE Trans. Sustain. Energy (2016), vol. 7, no. 1, pp. 345-353.
14. A. M. S. Yunus, A. Abu-Siada, and M. A. S. Masoum, Effects of SMES on dynamic behaviors of type D-Wind Turbine Generator-Grid connected during short circuit, IEEE Power Energy Soc. Gen. Meet. (2011), pp. 11–16.
15. I. Ngamroo, Optimization of SMES-FCL for Augmenting FRT Performance and Smoothing Output Power of Grid- Connected DFIG Wind Turbine, IEEE Trans. Appl. Supercond. (2016), vol. 26, no. 7.
16. A. M. S. Yunus, A. Abu-Siada, and M. A. S. Masoum, Effect of SMES Unit on the Performance of Type-4 Wind Turbine Generator during Voltage Sag, IET on Renewable Power Generation RPG (2011), pp. 94.
17. A. M. S. Yunus, M. A. S. Masoum, A. Abu-Siada, Effect of STATCOM on the Low-Voltage- Ride-Through Capability of Type-D Wind Turbine Generator, IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies (2011), pp. 1-5.
18. A. F. Abdou, A. Abu-Siada, H. R. Pota, Application of STATCOM to improve the LVRT of DFIG during RSC fire-through fault, Universities Power Engineering Conference (AUPEC) 2012 22nd Australasian (2012), pp. 1-6.
19. Beheshtaein, Optimal Hysteresis Based DPC Strategy for STATCOM to Augment LVRT Capability of a DFIG Using a New Dynamic References Method, IEEE 23rd International Symposium on Industrial Electronics (ISIE) (2014), 612 – 619.
20. M. Mohseni, S. M. Islam, and M. A. S. Masoum, Enhanced hysteresis-based current regulators in vector control of DFIG wind turbines, IEEE Trans. Power Electron. (2011), vol. 26, no. 1, pp. 223–234.

نویسندگان

دکتر A. M. Shiddiq Yunus از گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه’État Teknologi Padaung‑Makassar (کد پستی ۹۰۲۴۵)، اندونزی؛ دکتر احمد ابوسیدا، استادیار بخش مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه Curtin، استرالیا (پدفلو ۶۱۰۲)؛ دکتر محمد A.S. Masoum، پژوهشگر رشته مهندسی برق، دانشگاه وادی یوتا، ایالات متحده. ایمیل‌های مربوطه می‌توانند از طریق لینک‌های زیر دریافت شوند: shiddiq@poliupg.ac.id؛ A.AbuSiada@curtin.edu.au؛ mmasoum@uvu.edu.

منبع و شناسه ناشر

منبع و شناسه ناشر: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN ۰۰۳۳‑۲۰۹۷، Volume ۹۶، Issue ۱/۲۰۲۰. doi: ۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۲۰.۰۱.۱۶

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس برق

بیشتر پست‌ها را مشاهده کنید

پرسش‌های متداول

رگولاتور جریان هیسترزیس چیست؟

رگولاتور جریان هیسترزیس یک سیستم کنترلی است که برای بهبود عملکرد دینامیکی سیستم‌های الکتریکی استفاده می‌شود.

DFIG چه مزایایی دارد؟

DFIG به دلیل بهره‌وری بالا و هزینه پایین‌تر کنورترها نسبت به دیگر انواع، از محبوبیت بالایی برخوردار است.

آیا DFIG به نقص‌های شبکه آسیب‌پذیر است؟

بله، DFIG به نقص‌های شبکه آسیب‌پذیر است و برای حفاظت از آن باید از تکنیک‌های خاصی استفاده شود.

منبع: powerquality.blog