استفاده از انرژی باد در مناطق دورافتاده و فاقد دسترسی مناسب به شبکه سراسری برق، یکی از راهکارهای مهم برای کاهش هزینه‌های تولید انرژی الکتریکی محسوب می‌شود. در چنین مناطقی، ترکیب نیروگاه‌های بادی با مولدهای دیزلی می‌تواند یک سیستم تولید هیبریدی ایجاد کند که علاوه بر افزایش قابلیت اطمینان، مصرف سوخت فسیلی را نیز کاهش دهد. یکی از نمونه‌های مهم در این زمینه، سیستم Wind-Diesel با نفوذ بالای انرژی باد و بدون سیستم ذخیره‌سازی انرژی (High-Penetration No-Storage Wind-Diesel System) است که توسط مرکز تحقیقات هیدروکبک کانادا توسعه داده شده است.

در این شبیه سازی، عملکرد یک توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی (Asynchronous Generator) در یک شبکه ایزوله بررسی می‌شود. هدف اصلی، تحلیل رفتار دینامیکی سیستم در شرایطی است که توان تولیدی توربین بادی تغییر می‌کند و بار مصرف‌کننده نیز دچار تغییرات ناگهانی می‌شود. در این ساختار، کنترل فرکانس شبکه، تنظیم توان اضافی تولیدشده توسط توربین و حفظ ولتاژ شبکه از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.

معرفی سیستم Wind-Diesel با نفوذ بالای انرژی باد

سیستم مورد بررسی یک شبکه مستقل از شبکه برق سراسری است که برای تأمین انرژی الکتریکی مناطق دورافتاده طراحی شده است. در این ساختار، یک ژنراتور سنکرون دیزلی، یک توربین بادی متصل به ژنراتور القایی، یک بار مصرف‌کننده اصلی و یک بار ثانویه قابل کنترل وجود دارد.

مدل شبیه سازی شده شامل یک ماشین سنکرون با توان نامی 300 کیلوولت‌آمپر و ولتاژ 480 ولت است که توسط موتور دیزلی تغذیه می‌شود. همچنین یک توربین بادی با ژنراتور القایی 275 کیلوولت‌آمپر و ولتاژ 480 ولت در سیستم قرار گرفته است. بار اصلی مصرف‌کننده دارای توان 50 کیلووات بوده و یک بار ثانویه متغیر نیز برای تنظیم فرکانس شبکه در محدوده صفر تا 446.25 کیلووات در نظر گرفته شده است.

در سرعت‌های پایین باد، هر دو منبع تولید انرژی یعنی ژنراتور القایی توربین بادی و ژنراتور سنکرون دیزلی باید به صورت همزمان توان مورد نیاز بار را تأمین کنند. اما زمانی که سرعت باد افزایش یافته و توان تولیدی توربین از میزان مصرف بار بیشتر شود، امکان خاموش کردن ژنراتور دیزلی وجود دارد. در این حالت، سیستم وارد حالت تمام‌بادی (All-Wind Mode) می‌شود.

در حالت تمام‌بادی، ماشین سنکرون دیگر به عنوان ژنراتور فعال عمل نمی‌کند، بلکه به صورت کندانسور سنکرون (Synchronous Condenser) مورد استفاده قرار می‌گیرد. وظیفه اصلی این ماشین، کنترل ولتاژ شبکه و نگه داشتن آن در مقدار نامی است. در همین زمان، بار ثانویه با جذب توان اضافی تولیدشده توسط توربین بادی، فرکانس شبکه را در مقدار ثابت 60 هرتز حفظ می‌کند.

مدل‌سازی توربین بادی و ژنراتور آسنکرون

در شبیه سازی Matlab، بلوک توربین بادی برای محاسبه گشتاور مکانیکی خروجی توربین از یک جدول دوبعدی Lookup Table استفاده می‌کند. این جدول، رابطه بین سرعت باد، سرعت چرخش توربین و توان مکانیکی تولیدی را مشخص می‌کند.

ورودی‌های اصلی این مدل شامل سرعت باد (Wind Speed) و سرعت مکانیکی توربین (Turbine Speed) هستند. با استفاده از مشخصه‌های توربین، مقدار گشتاور مکانیکی تولیدشده محاسبه شده و به ژنراتور القایی اعمال می‌شود. در زمان باز شدن مدل، مشخصه‌های توان توربین به صورت خودکار در محیط Matlab بارگذاری می‌شوند.

ژنراتور آسنکرون در این سیستم نقش تبدیل انرژی مکانیکی حاصل از توربین به انرژی الکتریکی را بر عهده دارد. از آنجا که این ماشین در حالت ژنراتوری کار می‌کند، سرعت روتور آن باید کمی بیشتر از سرعت سنکرون باشد. در شرایط شبیه سازی، سرعت ماشین حدود 1.011 پریونیت نسبت به سرعت سنکرون است که نشان‌دهنده عملکرد صحیح آن در حالت تولید انرژی است.

کنترل بار ثانویه برای تنظیم فرکانس شبکه

یکی از چالش‌های اصلی در شبکه‌های مستقل، ثابت نگه داشتن فرکانس در برابر تغییرات توان تولیدی و مصرفی است. در این سیستم، برای حل این مشکل از یک بار ثانویه هوشمند استفاده شده است. این بار شامل هشت مجموعه مقاومت سه‌فاز است که هر مجموعه از طریق کلیدهای تریستوری GTO کنترل می‌شود.

توان هر مجموعه بار ثانویه بر اساس یک ساختار باینری تنظیم شده است. این روش باعث می‌شود توان جذب‌شده توسط بار بتواند در محدوده صفر تا 446.25 کیلووات با گام‌های کوچک 1.75 کیلووات تغییر کند. کلیدهای GTO در مدل شبیه سازی به صورت کلیدهای ایده‌آل در نظر گرفته شده‌اند.

کنترل فرکانس توسط بلوک Discrete Frequency Regulator انجام می‌شود. این کنترل‌کننده ابتدا با استفاده از یک حلقه قفل فاز سه‌فاز (PLL)، فرکانس لحظه‌ای شبکه را اندازه‌گیری می‌کند. سپس مقدار اندازه‌گیری‌شده با فرکانس مرجع 60 هرتز مقایسه شده و خطای فرکانس به دست می‌آید.

خطای ایجادشده پس از انتگرال‌گیری به خطای فاز تبدیل شده و سپس توسط یک کنترل‌کننده تناسبی-تفاضلی (PD Controller) پردازش می‌شود. خروجی این کنترل‌کننده میزان توان مورد نیاز بار ثانویه را تعیین می‌کند. در نهایت، این سیگنال به یک فرمان دیجیتال 8 بیتی تبدیل شده و روشن و خاموش شدن مجموعه بارهای ثانویه را کنترل می‌کند.

برای کاهش اغتشاشات ولتاژی، عملیات کلیدزنی در نقاط عبور ولتاژ از صفر انجام می‌شود. این تکنیک باعث کاهش تغییرات ناگهانی ولتاژ و جلوگیری از ایجاد پدیده فلیکر در شبکه می‌شود.

نتایج شبیه سازی در Matlab

در شرایط آزمایش، سرعت باد برابر 10 متر بر ثانیه در نظر گرفته شده است. این سرعت باد توان کافی برای تأمین انرژی بار اصلی را فراهم می‌کند و ژنراتور دیزلی خاموش می‌شود. در این وضعیت، ماشین سنکرون فقط نقش کندانسور سنکرون را ایفا کرده و توان مکانیکی ورودی آن برابر صفر تنظیم می‌شود.

بر اساس مشخصه توربین، در سرعت باد 10 متر بر ثانیه توان خروجی توربین حدود 0.75 پریونیت یا تقریباً 206 کیلووات است. پس از در نظر گرفتن تلفات ژنراتور القایی، توان واقعی تولیدی توربین حدود 200 کیلووات خواهد بود.

از آنجا که بار اصلی مصرف‌کننده تنها 50 کیلووات توان نیاز دارد، مقدار اضافی توان تولیدی توسط بار ثانویه جذب می‌شود. بنابراین بار ثانویه حدود 150 کیلووات توان مصرف می‌کند تا تعادل توان و فرکانس شبکه در مقدار 60 هرتز حفظ شود.

در زمان 0.2 ثانیه، یک بار اضافی 25 کیلوواتی به شبکه متصل می‌شود. این تغییر ناگهانی باعث کاهش لحظه‌ای فرکانس تا حدود 59.85 هرتز می‌شود. کنترل‌کننده فرکانس این کاهش را تشخیص داده و با کاهش توان جذب‌شده توسط بار ثانویه، توان بیشتری را در اختیار بار مصرف‌کننده قرار می‌دهد.

پس از عملکرد کنترل‌کننده، فرکانس دوباره به مقدار نامی 60 هرتز بازمی‌گردد. همچنین ولتاژ شبکه در مقدار یک پریونیت ثابت باقی می‌ماند و هیچ‌گونه نوسان یا فلیکر قابل توجهی مشاهده نمی‌شود. این نتیجه نشان می‌دهد که ساختار کنترلی استفاده‌شده توانایی مناسبی برای مدیریت تغییرات بار در شبکه‌های مستقل دارد.

تنظیم شرایط اولیه در شبیه سازی

برای دستیابی به نتایج دقیق، مدل با شرایط اولیه مناسب راه‌اندازی شده است تا شبیه سازی از حالت پایدار آغاز شود. مقادیر اولیه متغیرهای حالت در فایل power_windgen.mat ذخیره شده‌اند و هنگام باز شدن مدل به صورت خودکار توسط تابع InitFcn بارگذاری می‌شوند.

در صورتی که پارامترهای مدل تغییر داده شوند، شرایط اولیه قبلی دیگر معتبر نخواهند بود و لازم است دوباره تولید شوند. برای این منظور، ابتدا حالت اولیه از تنظیمات شبیه سازی غیرفعال شده و ذخیره حالت نهایی فعال می‌شود.

سپس کلیدهای قطع و وصل سه‌فاز غیرفعال شده و زمان توقف شبیه سازی روی یک مقدار سازگار با دوره 60 هرتز تنظیم می‌شود. پس از اجرای شبیه سازی و رسیدن سیستم به حالت پایدار، مقادیر نهایی به عنوان شرایط اولیه جدید ذخیره می‌شوند.

این فرآیند باعث می‌شود مدل اصلاح‌شده بتواند در دفعات بعدی بدون خطا و از شرایط پایدار شروع به کار کند. استفاده از شرایط اولیه صحیح در مدل‌های سیستم قدرت اهمیت زیادی دارد، زیرا بسیاری از خطاهای عددی و رفتارهای غیرواقعی ناشی از مقداردهی نامناسب اولیه هستند.

جمع‌بندی

شبیه سازی ژنراتور آسنکرون توربین بادی در شبکه ایزوله نشان می‌دهد که چگونه می‌توان با استفاده از ترکیب توربین بادی، ماشین سنکرون، کنترل‌کننده فرکانس و بار ثانویه هوشمند، یک سیستم تولید انرژی پایدار ایجاد کرد.

این مدل در Matlab و Simulink یک نمونه کاربردی برای بررسی سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر در مناطق دورافتاده است. نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد که کنترل مناسب توان اضافی تولیدشده توسط توربین بادی می‌تواند باعث حفظ فرکانس و ولتاژ شبکه حتی در شرایط تغییرات ناگهانی بار شود.

این شبیه سازی می‌تواند به عنوان یک نمونه آموزشی و تحقیقاتی برای مطالعه سیستم‌های Wind-Diesel، ژنراتورهای القایی، کنترل فرکانس شبکه‌های مستقل و کاربرد انرژی باد در شبکه‌های کوچک مورد استفاده قرار گیرد.