انرژی باد یکی از مهم‌ترین منابع تولید انرژی تجدیدپذیر در سیستم‌های قدرت مدرن محسوب می‌شود. با افزایش ظرفیت نیروگاه‌های بادی، بررسی رفتار دینامیکی این نیروگاه‌ها در شرایط مختلف کاری و اختلالات شبکه اهمیت زیادی پیدا کرده است. در این شبیه سازی، یک نیروگاه بادی با ظرفیت ۹ مگاوات شامل توربین‌های بادی با سرعت متغیر و ژنراتورهای القایی قفس سنجابی (Induction Generator) در محیط Matlab و Simulink بررسی می‌شود. هدف اصلی این مدل، مطالعه عملکرد نیروگاه بادی در برابر تغییرات سرعت باد، نحوه کنترل توان خروجی، عملکرد سیستم جبران توان راکتیو و بررسی عملکرد سیستم‌های حفاظتی در شرایط خطا است.

معرفی سیستم نیروگاه بادی ۹ مگاواتی

در این شبیه سازی، یک مزرعه بادی شامل شش توربین بادی با ظرفیت هر کدام ۱.۵ مگاوات طراحی شده است. مجموع توان تولیدی این نیروگاه برابر با ۹ مگاوات بوده و نیروگاه از طریق یک شبکه توزیع ۲۵ کیلوولت به شبکه انتقال ۱۲۰ کیلوولت متصل می‌شود. اتصال نیروگاه به شبکه انتقال از طریق یک فیدر ۲۵ کیلومتری با سطح ولتاژ ۲۵ کیلوولت انجام می‌شود.

برای کاهش حجم محاسبات و افزایش سرعت شبیه سازی، شش توربین ۱.۵ مگاواتی به صورت سه مجموعه دو توربینی مدل شده‌اند. هر بلوک توربین بادی در مدل نشان‌دهنده دو توربین با توان نامی ۱.۵ مگاوات است. ژنراتور مورد استفاده در این نیروگاه از نوع ژنراتور القایی قفس سنجابی است که سیم‌پیچ استاتور آن به صورت مستقیم به شبکه ۶۰ هرتز متصل شده و روتور توسط توربین بادی با زاویه پره متغیر به حرکت درمی‌آید.

مدل ژنراتور القایی در نیروگاه بادی

ژنراتورهای القایی یکی از پرکاربردترین ماشین‌های الکتریکی در نیروگاه‌های بادی هستند. دلیل استفاده گسترده از این ژنراتورها، ساختار ساده، هزینه پایین، قابلیت اطمینان بالا و نیاز کم به تجهیزات کنترلی پیچیده است. در این شبیه سازی، ژنراتور القایی برای تولید توان اکتیو باید با سرعتی کمی بیشتر از سرعت سنکرون خود کار کند. این اختلاف سرعت باعث ایجاد لغزش منفی شده و انرژی مکانیکی دریافت‌شده از توربین به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

سرعت ژنراتور در شرایط مختلف بار تغییر می‌کند. در حالت بدون بار، سرعت تقریباً برابر با سرعت سنکرون یعنی حدود ۱ پریونیت است، در حالی که در بار کامل این مقدار به حدود ۱.۰۰۵ پریونیت افزایش پیدا می‌کند. این تغییر کوچک سرعت نشان‌دهنده عملکرد ژنراتور القایی در محدوده نزدیک به سرعت سنکرون است.

کنترل زاویه پره‌های توربین بادی

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این شبیه سازی، مدل‌سازی سیستم کنترل زاویه پره یا Pitch Control است. سرعت باد در یک نیروگاه واقعی ثابت نیست و تغییرات آن می‌تواند باعث افزایش بیش از حد توان تولیدی ژنراتور شود. برای جلوگیری از افزایش توان خروجی بیش از مقدار نامی، زاویه پره‌های توربین تغییر داده می‌شود.

در این مدل، سرعت نامی باد برابر ۹ متر بر ثانیه در نظر گرفته شده است. زمانی که سرعت باد کمتر از مقدار نامی باشد، زاویه پره‌ها برابر صفر درجه است و توربین بیشترین انرژی ممکن را از باد دریافت می‌کند. اما زمانی که سرعت باد از مقدار نامی عبور کند، سیستم کنترل زاویه پره را افزایش می‌دهد تا توان مکانیکی ورودی محدود شده و توان الکتریکی خروجی ژنراتور در مقدار نامی ثابت باقی بماند.

در شرایطی که سرعت باد به ۱۱ متر بر ثانیه افزایش پیدا می‌کند، زاویه پره‌ها از صفر درجه تا حدود ۸ درجه تغییر می‌کند تا توان خروجی توربین در حدود مقدار نامی حفظ شود.

جبران توان راکتیو با بانک خازنی و STATCOM

ژنراتورهای القایی برای تولید توان اکتیو، مقدار قابل توجهی توان راکتیو از شبکه دریافت می‌کنند. مصرف توان راکتیو می‌تواند باعث کاهش سطح ولتاژ شبکه و ایجاد مشکلات عملکردی در نقطه اتصال نیروگاه شود. به همین دلیل در این شبیه سازی از دو روش برای جبران توان راکتیو استفاده شده است.

در مرحله اول، بانک‌های خازنی در سمت ولتاژ پایین هر توربین نصب شده‌اند. برای هر مجموعه شامل دو توربین ۱.۵ مگاواتی، یک بانک خازنی با ظرفیت ۴۰۰ کیلووار در نظر گرفته شده است. بخش باقی‌مانده توان راکتیو مورد نیاز شبکه توسط یک جبران‌کننده توان راکتیو استاتیکی یا STATCOM تأمین می‌شود.

STATCOM استفاده‌شده در این مدل دارای ظرفیت ۳ مگاوار بوده و با تنظیم افت ولتاژ ۳ درصدی، ولتاژ باس ۲۵ کیلوولت را نزدیک مقدار یک پریونیت نگه می‌دارد. مدل STATCOM و مدل توربین بادی از نوع فازوری هستند که امکان انجام مطالعات پایداری گذرا با زمان‌های شبیه سازی طولانی را فراهم می‌کنند.

اعمال تغییرات سرعت باد و بررسی پاسخ توربین‌ها

در این شبیه سازی، سرعت باد ورودی توربین‌ها توسط بلوک‌های Wind 1 تا Wind 3 کنترل می‌شود. در ابتدا سرعت باد برای تمام توربین‌ها برابر ۸ متر بر ثانیه تنظیم شده است. سپس از زمان ۲ ثانیه، سرعت باد توربین اول به صورت تدریجی در مدت ۳ ثانیه از ۸ به ۱۱ متر بر ثانیه افزایش می‌یابد.

همین تغییر سرعت باد برای توربین دوم و سوم نیز اعمال می‌شود، اما با تأخیرهای زمانی متفاوت. این تأخیر باعث می‌شود رفتار نیروگاه در برابر یک تغییر واقعی باد که به صورت هم‌زمان تمام توربین‌ها را تحت تأثیر قرار نمی‌دهد، بررسی شود.

با افزایش سرعت باد، توان اکتیو تولیدی هر مجموعه توربین افزایش می‌یابد و پس از حدود ۸ ثانیه به مقدار نامی ۳ مگاوات می‌رسد. در این مدت سرعت ژنراتور از حدود ۱.۰۰۲۸ پریونیت به ۱.۰۰۴۷ پریونیت افزایش پیدا می‌کند. همچنین توان راکتیو مصرفی ژنراتورها همراه با افزایش توان اکتیو افزایش می‌یابد.

بررسی عملکرد سیستم حفاظتی نیروگاه

هر توربین بادی دارای یک سیستم حفاظتی مستقل است که پارامترهایی مانند ولتاژ، جریان و سرعت ماشین را کنترل می‌کند. در زمان ۱۵ ثانیه یک خطای فاز به فاز در ترمینال ولتاژ پایین توربین دوم اعمال می‌شود.

این خطا باعث کاهش ولتاژ شده و سیستم حفاظت کاهش ولتاژ AC فعال می‌شود. در نتیجه توربین دوم پس از حدود ۰.۱۱ ثانیه از شبکه جدا می‌شود. پس از قطع توربین دوم، توربین‌های اول و سوم همچنان به تولید توان ادامه داده و هر کدام حدود ۳ مگاوات توان اکتیو تولید می‌کنند.

بررسی تأثیر STATCOM بر پایداری ولتاژ

یکی از اهداف مهم این شبیه سازی، بررسی نقش STATCOM در حفظ ولتاژ شبکه است. برای این منظور، STATCOM از مدار خارج شده و رفتار سیستم بدون جبران‌کننده توان راکتیو بررسی می‌شود.

با حذف STATCOM، ولتاژ باس ۲۵ کیلوولت به دلیل کمبود توان راکتیو کاهش یافته و مقدار آن تا حدود ۰.۹۱ پریونیت افت می‌کند. این کاهش ولتاژ باعث افزایش جریان ژنراتور القایی توربین اول شده و شرایط اضافه‌جریان ایجاد می‌کند.

در نتیجه، سیستم حفاظت اضافه‌جریان فعال شده و توربین اول در زمان حدود ۱۳.۴۳ ثانیه از شبکه جدا می‌شود. این نتیجه نشان می‌دهد که تجهیزات جبران توان راکتیو مانند STATCOM نقش مهمی در افزایش قابلیت اطمینان و پایداری نیروگاه‌های بادی متصل به شبکه دارند.

تنظیم شرایط اولیه در شبیه سازی Matlab

برای شروع شبیه سازی در شرایط پایدار، مقادیر اولیه تمام متغیرهای سیستم در فایل power_wind_ig.mat ذخیره شده‌اند. هنگام باز کردن مدل، تابع InitFcn به صورت خودکار این مقادیر را بارگذاری کرده و متغیر xInitial را در محیط کاری Matlab قرار می‌دهد.

در صورت تغییر پارامترهای تجهیزات قدرت یا اصلاح ساختار مدل، شرایط اولیه ذخیره‌شده دیگر معتبر نخواهند بود و باید مجدداً تولید شوند. برای این کار ابتدا حالت Initial State غیرفعال شده و گزینه Final States فعال می‌شود. سپس تغییرات سرعت باد و خطاهای شبکه به صورت موقت غیرفعال شده و شبیه سازی تا رسیدن سیستم به حالت ماندگار اجرا می‌شود.

پس از پایان شبیه سازی، مقادیر نهایی سیستم در متغیر xFinal ذخیره شده و می‌توان آن‌ها را به عنوان شرایط اولیه جدید استفاده کرد. این فرآیند باعث می‌شود مدل پس از تغییرات، همچنان از نقطه کار پایدار شروع به شبیه سازی کند.

جمع‌بندی شبیه سازی نیروگاه بادی با ژنراتور القایی

این شبیه سازی یک نمونه کامل از بررسی رفتار دینامیکی یک نیروگاه بادی ۹ مگاواتی متصل به شبکه قدرت را ارائه می‌دهد. در این مدل، عملکرد توربین‌های بادی با ژنراتور القایی، کنترل زاویه پره‌ها، جبران توان راکتیو توسط بانک خازنی و STATCOM، عملکرد سیستم حفاظتی و تأثیر خطاهای شبکه مورد بررسی قرار گرفته است.

نتایج نشان می‌دهد که کنترل مناسب توربین، استفاده از تجهیزات جبران‌کننده توان راکتیو و طراحی صحیح سیستم‌های حفاظتی، نقش بسیار مهمی در افزایش پایداری و قابلیت اطمینان نیروگاه‌های بادی دارند. محیط Matlab و Simulink با ارائه مدل‌های دقیق ماشین‌های الکتریکی، سیستم‌های قدرت و تجهیزات FACTS، ابزار قدرتمندی برای تحلیل و طراحی سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر فراهم می‌کند.