شکل (۴-۱۹) نمودار گشتاور الکترومغناطیسی در هنگام بروز افت ولتاژ و سرعت باد متغیر
شکل (۴-۲۰) سرعت روتور بر حسب (rad/s) در هنگام بروز افت ولتاژ و سرعت باد متغیر
شکل (۴-۲۱) نمودار توان‌های اکتیو و راکتیو مربوط به استاتور در هنگام بروز افت ولتاژ و سرعت باد متغیر
شکل (۴-۲۲) نوسانات ولتاژ لینک DC در هنگام بروز افت ولتاژ و سرعت باد متغیر
شکل (۴-۲۳) نمودار گشتاور الکترومغناطیسی در شرایط ولتاژ نامتقارن
شکل (۴-۲۴) نمودار سرعت روتور بر حسب (rad/s)در شرایط ولتاژ نامتقارن
شکل (۴-۲۵) نمودار توان‌های اکتیو در حالت با وبدون اتصال GSC به شبکه در شرایط ولتاژ نامتقارن
شکل (۴-۲۶) نوسانات ولتاژ لینکDC در شرایط ولتاژ نامتقارن
شکل(۴-۲۷) گشتاور تولیدی توسط توربین بادی برای تحلیل در دستگاه مرجع سنکرون

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

شکل (۴-۲۸) گشتاور الکترومغناطیسی ژنراتور DFIG در دستگاه مرجع سنکرون
شکل (۴-۲۹) سرعت روتور بر حسب (rad/s) در دستگاه مرجع سنکرون
شکل (۴-۳۰) نمودار توان‌های اکتیو در حالت با وبدون اتصال GSC به شبکه در دستگاه مرجع سنکرون
شکل (۴-۳۱) نوسانات ولتاژ لینک DC در دستگاه مرجع سنکرون
چکیده
در این پایان‌نامه با بهره گرفتن از مدل مشروح ژنراتور القایی با تغذیه دو سو، رفتار نیروگاه بادی مورد بررسی قرار می‌گیرد. مبدل‌های الکترونیک قدرت نیروگاه و سیستم‌های کنترلی آن و رفتار نیروگاه شامل قسمت‌های الکتریکی و آئرودینامیکی شبیه‌سازیمی‌شود. تغییرات سرعت باد و شرایط بهره برداری مورد مطالعه قرار می‌گیرد و عملکرد سیستم‌های کنترلی که با بهره گرفتن از کنترل‌برداری ماشین القایی طراحی شده‌اند، ارزیابی می‌شود. در این تحقیق استراتژی ماکزیمم توان که با توان اکتیو DFIG یکی شده و وظیفه تولید توان اکتیو رفرنس را بر عهده دارد، اجرا شده و کنترل‌برداری به روش جهت‌دهی بردار شار استاتور برای کنترل مجزای توان اکتیو و راکتیو تولیدی به وسیله DFIG بر پایه توربین بادی اعمال می‌شود. صحت و عملکرد روش با شبیه‌سازی سیستم قدرت نمونه در محیط نرم افزار MATLAB/Simulink تایید می‌شود. نتایج حاصل می‌تواند به خوبی برای بررسی عملکرد متقابل سیستم‌های قدرت با تولید پراکنده که از منابع انرژی تجدید پذیر استفاده می‌کنند به کار گرفته شود.
مقدمه
امروزه انواع زیادی از سیستم‌های توربین بادی در بازار رقابت می‌کنند که آنها را به دو گروه اصلی می‌توان تقسیم کرد. گروه اول، توربین‌های بادی سرعت ثابت هستند که ژنراتور بطور مستقیم به شبکه متصل شده است. در واقع هیچ‌گونه کنترل الکتریکی برای این سیستم وجود ندارد. به علاوه تغییرات سریع در میزان سرعت باد به سرعت روی بار القا می‌شود (به علت تغییرات توان). این تغییرات برای توربین بادی که به سیستم قدرت متصل است خوشایند نیست و باعث ایجاد فشارهای مکانیکی روی توربین می‌شود و عمر توربین را کم می‌کند و نیز از کیفیت توان می‌کاهد. در توربین بادی سرعت ثابت فقط یک سرعت باد وجود دارد که توربین در آن سرعت بهینه کار می‌کند، از این رو توربین بادی سرعت ثابت اغلب خارج از عملکرد بهینه خود کار می‌کند و بطور معمول ماکزیمم توان از باد گرفته نمی‌شود. نوع سرعت متغیر توربین بادی قابلیت کنترل سرعت روتور را فراهم می‌کند، این کار به ما اجازه می‌دهد تا توربین بادی نزدیک نقطه بهینه خود کار کند. بیشتر توربین‌های بادی با بازده توان بیشتر از ۱.۵ مگاوات از نوع سرعت متغیر می‌باشند. یکی از انواع توربین‌های بادی سرعت متغیر، توربین‌های بادی مجهز به ژنراتور القایی از دو سو تغذیه است. امروزه اکثر توربین‌های بادی به ژنراتور القایی از دو سو تغذیه مجهز شده‌اند. در این نوع، ژنراتور القایی روتور سیم‌پیچی از طریق استاتور به شبکه قدرت متصل می‌شود و روتور از طریق مبدل الکترونیک قدرت ac/dc/acفرکانس متغیر با توان نامی در حدود ۲۵-۳۰ درصد توان نامی ژنراتور به شبکه قدرت متصل می‌شود. مبدل الکترونیک قدرت شامل مبدل طرف روتور و مبدل طرف شبکه است که بطور پشت به پشت از طریق یک خازن اتصال dc به هم متصل شده‌اند. ایراد اصلی توربین‌های بادی سرعت متغیر به خصوص توربین‌هایی که به DFIG مجهز شده‌اند، عملکرد آنها 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 می‌شود. این امر باعث افزایش جریان در سیم پیچ استاتور می‌شود. به خاطر کوپل مغناطیسی بین استاتور و روتور، این جریان در مدار روتور و مبدل الکترونیک قدرت دیده می‌شود، چون ظرفیت مبدل ۲۵-۳۰ درصد ظرفیت ژنراتور است این جریان منجربه آسیب دیدن مبدل می‌شود. در این پروژه نیروگاه بادی مجهز به ژنراتور القایی از دو سو تغذیه شبیه‌سازی و کنترل شده و تاثیر پارامترهای باد و ولتاژ شبکه بر روی نیروگاه مورد بررسی قرار گرفته است.
فصل اول
مقدمه
۱-۱- مکانیزم پیدایش باد
تشعشعات دریافتی خورشید توسط زمین، موجب گرم شدن هوای اتمسفر شده و به همین دلیلهوا به سمت بالا حرکت می‌کند. شدت این گرمایش در استوا؛ جایی که خورشید عمود می‌تابد؛ بیشتر از هوای اطراف قطبین؛ جایی که زاویه تابش خورشید تند می‌باشد؛ خواهد بود و هوای اطراف قطبین نسبت به هوای استوا کمتر گرم می‌گردد .دانسیته هوا با افزایش دما کاهش پیدا کرده و بنابراین هوای سبکتر استوا به سمت بالا حرکت کرده و در اطراف پخش می‌گردد. این عمل موجب افت فشار در این ناحیه گردیده و موجب می‌گردد هوای سرد از قطبین به سمت استوا جذب گردند[۱].
شکل (۱-۱) مکانیزم چرخش باد در مدارات مختلف سیاره زمین
همچنین وقتی خورشید در طول روز می‌تابد، هوای روی سرزمین‌های خشک سریعتر از هوای روی دریا ها و آب ها گرم می‌شود. هوای گرم روی خشکی بالا رفته و هوای خنک‌تر و سنگین‌تر روی آب جای آنرا می‌گیرد که این فرایند بادهای محلی را می‌سازد این به آن معناست که روز از سمت دریا به سمت ساحل باد می‌وزد. در شب، از آنجا که هوا روی خشکی سریعتر از هوای روی آب خنک می‌شود، جهت باد برعکس می‌شود. بنابراین باد به علت گرادیان فشار به وجود آمده از تابش غیر یکنواخت خورشید به سطح زمین به وجود می‌آید[۱].
شکل(۱-۲) فرایند به وجود آمدن باد در شب و روز
۱-۲- تاریخچه انرژی بادی
۱-۲-۱- آغاز استفاده از انرژی باد
اولین آسیاب‌های بادی برای آسیاب کردن غلات و پمپاژ آب به کار گرفته شده بودند و قدیمی‌ترین مدل طراحی شده آن از نوع محور عمودی بوده که در طی سال‌های ۹۰۰-۵۰۰ میلادی در ایران توسعه یافته است. ظاهراً اولین استفاده از این آسیاب‌ها برای پمپاژ آب بوده است ولی نحوه دقیق کار آن معلوم نیست.نخستین مستندات مربوط به طراحی این آسیاب‌های بادی نیز مربوط به ایرانیان می‌باشد. که پره‌های آن یا اصطلاحاً بادبان‌های آنها از جنس چوب و یا نی بوده که با تیرهای افقی به یک محور عمودی متصل می شدند.آسیاب نمودن غلات اولین استفاده مستند شده و بسیار ساده آسیاب‌های بادی می‌باشد. بطوری که سنگ آسیاب به همان محور عمودی متصل می شده است. کلیه قسمت‌های آسیاب بادی معمولا در داخل یک ساختمان محصور می‌شده‌اند و ورودی ساختمان در جهت وزش باد فضای بازی داشته تا باد بتواند به سمت داخل هدایت شود[۱].

شکل (۱-۳) ساختمان اولین آسیاب های بادی برای کوبیدن غلات و پمپاژ آب
۱-۲-۲- آسیاب‌های بادی در غرب جهان
اولین آسیاب‌های بادی در غرب اروپا از نوع محور افقی بوده‌اند. چرخآب اروپائیان پیکربندی با محور افقی داشته است و ظاهرا آنها این تکنولوژی را برای آسیاب‌های بادی اولیه خود نیز به خدمت گرفته‌اند. و یکی دیگر از دلایل شاید این باشد که راندمان نیروی درگ در سیستم‌های با محور افقی بسیار بالاتر از سیستم‌های با محور عمودی است. برجهای آسیاب‌های بادی در قرن ۱۳ طراحی جدیدی به خود گرفت. آسیاب‌های بادی بر بالای برجهای بزرگ سنگی که به صورت کلاهکی دوار بوده نصب می شدند بادنما نیز در پشت پره‌ها نصب می گردید[۱].
اولین آسیاب‌ها ۴ پرهچوبی داشتند که بیشتر آنها اهرمی در پشت خود داشتند تا پره‌ها را به سمت جهت باد بچرخانند ولی برخی از آنها برجهایشان را در مسیر باد برپا می‌کردند) ۱ اسب بخار و یا کمتر) تنها در آمریکا نصب گردید. استفاده اولیه آنها برای پمپاژ آب برای تهیه آب مورد نیاز آبیاری مزارع و خانه‌ها بوده است[۱].
شکل (۱-۴) آسیاب‌های بادی چوبی برای پمپاژ آب
آسیاب‌های بادی از سال ۱۸۸۸ تا کنون در اواخر قرن ۱۹ میلادی اولین آسیاب بادی برای تولید برق طراحی گردید. این آسیاب بادی در سال ۱۸۸۸ میلادی در کلیولند اوهایو توسط CharlesF. Brush ساخته شد. روتورهای این آسیاب بادی به قطر ۱۷ متر بوده که یک اهرم جانبی برای چرخاندن آن به سمت باد داشته است. و اولین آسیاب بادی بوده که گیربکسی با نسبت ۵۰:۱ و ژنراتور جریان مستقیم با سرعت RPM500 داشته است. با وجود موفقیت نسبی این آسیاب بادی در مدت ۲۰ سال محدودیت‌هایی در سرعت کم و استحکام بالای روتور برای تولید برق وجود داشت. میزان برق تولیدی این آسیاب بادی ۱۲ کیلوواتی با روتور ۱۷ متری در مقابل توربین‌های بادی مدرن با این قطر روتور و ظرفیت ۷۰ تا ۱۰۰ کیلوواتی بسیار ناچیز می‌باشد. از این زمان بود که نام توربین‌های بادی جایگزین آسیاب‌های بادی شدند[۱].
شکل (۱-۵) اولین آسیاب بادی مورد استفاده برای تولید برق
در سال ۱۸۹۱ میلادی فردی دانمارکی اولین سیستم بادی با پره‌های آیرودینامیکی را طراحی نمود و در بهترین برج آسیاب بادی به کار گرفت. سرعت بالاتر حرکت پره‌ها باعث تولید برق بیشتری گردید. با پایان جنگ جهانی دوم استفاده از سیستم‌های بادی ۲۵ کیلوواتی در سرتاسر دانمارک رواج پیدا کرد ولی قیمت ارزان تر سوختهای فسیلی در نیروگاههای بخاری باعث شد تا استفاده از این آسیاب‌های بادی از رونق بیفتد. بزرگترین توربین بادی به ظرفیت ۱.۲۵ مگاوات در سال ۱۹۴۱ در ورمونت نصب گردید. این توربین از نوع محور افقی و با ۲ پره با قطر ۱۷۵ فوت رو به باد ساخته شده بود. روتور آن از جنس فولاد ضد زنگ و به وزن ۱۶ تن بوده و سیستم کنترل آن روی ۲۸ دور در دقیقه تنظیم شده بود[۱].
شکل (۱-۶) اولین آسیاب بادی با طراحی پره‌های آیرودینامیکی برای تولید برق
و اما توربین‌های مدرن امروزی بیشتر از نوع محور افقی و با سه پره می‌باشند. پره‌های این توربین‌ها بسیار شبیه به بال هواپیما طراحی گردیده و از نیروی لیفت استفاده می‌کنند. میزان برق تولیدی آنها به ظرفیت توربین و محل قرار گیری آن مربوط می‌باشد. اکثر توربین‌های تجاری بین ۱ تا ۲.۵ مگاوات می‌باشند. با توجه به شرایط وزش باد و میزان برق مصرفی خانوارها توربین‌های ۱ مگاواتی برق مورد نیاز تقریبا ۵۰۰ خانه را تامین می‌کنند[۱].
۱-۳-صنعت انرژی بادی
قیمت انرژی بادی در بازه زمانی سال‌های ۲۰۰۵ تا ۲۰۰۹ به خاطر افزایش تقاضای جهانی و افزایش قیمت فولاد افزایش یافته است. ولی کاهش قیمت اخیر آن به خاطر ظرفیت بیش از حد تولید کنندگان، افزایش رقابت، افزایش اندازه و بازده بیشتر توربین‌های می‌باشد که تمامی این عوامل افزایش ضریب تولید و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری و ساخت شده است. ۱۰ تولید کننده برتر جهان در حدود ۸۰% از بازار جهانی را به خود اختصاص داده اند که از این میان ۴ تولید کننده از اروپا، ۴ تولید کننده مربوط به کشور چین و ۱ تولید کننده هندی و ۱ تولید کننده آمریکایی می‌باشند. وستاس دانمارک در مقام اول این رتبه بندی قرار دارداما سهم بازار جهانی آن نزدیک به ۲% کاهش داشته است. شرکت Goldwind از مقام چهارمی به مقام دومی صعود کرد و جای شرکت Sinovel که به مقام هفتمی تنزل کرده، گرفته است. شرکت Gamesa اسپانیایی ۴ پله صعود کرد و شرکت United Power چینی ۲ پله صعود نموده و شرکت Mingyang چینی به فهرست ۱۰ تولید کننده برتر پیوسته است در حالی که شرکت Dongfang چینی از این لیست حذف گردیده است[۲].
شکل (۱-۷) بازار مشارکت ده کشور برجسته تولید کننده توربین بادی در سال ۲۰۱۱ برحسب درصد
۱-۴- هزینه‌ها
جدول زیر تفکیک هزینه‌های ​سرمایه‌گذاری برای سیستم‌های انرژی بادی خشکی و offshore در کشورهای توسعه یافته در سال۲۰۱۱ را نشان می‌دهد[۳].
جدول (۱-۱) تفکیک هزینه‌های ​سرمایه‌گذاری برای سیستم‌های انرژی بادی خشکی و offshore

خشکی
offshore

هزینه‌های سرمایه‌گذاری(USD/kW)

۲۴۵۰-۱۷۰۰

۵۰۰۰-۳۳۰۰