در سال‌های اخیر، استفاده از انرژی بادی به عنوان یکی از مهم‌ترین منابع تولید توان تجدیدپذیر، رشد چشمگیری داشته است. افزایش ظرفیت نیروگاه‌های بادی و اتصال آن‌ها به شبکه‌های قدرت، نیازمند تحلیل دقیق رفتار دینامیکی و گذرای این واحدها در شرایط مختلف بهره‌برداری است. یکی از فناوری‌های پرکاربرد در توربین‌های بادی مدرن، ژنراتور القایی دوسو تغذیه (DFIG) است که به دلیل قابلیت کنترل مستقل توان اکتیو و راکتیو، امکان استخراج حداکثر انرژی از باد و پشتیبانی ولتاژ شبکه را فراهم می‌کند. در این شبیه سازی، یک مزرعه بادی 9 مگاواتی شامل شش توربین بادی 1.5 مگاواتی با استفاده از مدل فازوری DFIG در محیط Matlab/Simulink مورد بررسی قرار می‌گیرد.

ساختار سیستم قدرت مورد مطالعه

سیستم مورد مطالعه شامل یک مزرعه بادی با ظرفیت نامی 9 مگاوات است که از شش توربین بادی 1.5 مگاواتی تشکیل شده است. این مزرعه از طریق یک شبکه توزیع 25 کیلوولت به یک شبکه انتقال 120 کیلوولت متصل می‌شود. اتصال مزرعه بادی به شبکه اصلی از طریق یک فیدر 30 کیلومتری 25 کیلوولت انجام می‌شود. علاوه بر مزرعه بادی، یک بار صنعتی شامل یک موتور القایی 1.68 مگاوات با ضریب توان 0.93 و یک بار مقاومتی 200 کیلووات نیز در باس B25 به همین فیدر متصل شده‌اند.

وجود این بار صنعتی باعث می‌شود که رفتار دینامیکی سیستم در هنگام وقوع اغتشاشات، مانند افت ولتاژ یا خطاهای شبکه، واقع‌بینانه‌تر باشد. هر دو تجهیز، یعنی توربین بادی و موتور القایی، مجهز به سیستم حفاظتی هستند که ولتاژ، جریان و سرعت ماشین را پایش می‌کند. همچنین ولتاژ لینک DC مبدل DFIG نیز به صورت پیوسته اندازه‌گیری می‌شود.

فناوری DFIG و مزایای آن

ژنراتور القایی دوسو تغذیه از یک ژنراتور القایی روتور سیم‌پیچی شده و یک مبدل AC/DC/AC مبتنی بر IGBT تشکیل شده است. سیم‌پیچ استاتور مستقیماً به شبکه 60 هرتز متصل است، در حالی که روتور از طریق مبدل الکترونیک قدرت با فرکانس متغیر تغذیه می‌شود. این ساختار امکان کنترل سرعت روتور را در محدوده‌ای بالاتر و پایین‌تر از سرعت سنکرون فراهم می‌کند.

یکی از مهم‌ترین مزایای DFIG، قابلیت استخراج حداکثر توان از باد در سرعت‌های پایین است. سرعت بهینه توربین برای تولید بیشترین توان مکانیکی متناسب با سرعت باد تغییر می‌کند. در سرعت‌های کمتر از 10 متر بر ثانیه، روتور در حالت زیرسنکرون و در سرعت‌های بالاتر در حالت فوق‌سنکرون کار می‌کند. این ویژگی باعث کاهش تنش‌های مکانیکی توربین در هنگام تندبادها و افزایش بازده انرژی می‌شود.

مزیت دیگر DFIG، توانایی تولید یا جذب توان راکتیو توسط مبدل‌های الکترونیک قدرت است. در نتیجه، برخلاف ژنراتورهای القایی قفس سنجابی، نیازی به نصب بانک‌های خازنی برای جبران توان راکتیو وجود ندارد و توربین می‌تواند به تنظیم ولتاژ شبکه کمک کند.

مدل فازوری در Matlab/Simulink

مدل مورد استفاده از نوع فازوری است. در این روش، متغیرهای الکتریکی به صورت فازور نمایش داده می‌شوند و دینامیک سریع کلیدزنی مبدل‌ها حذف می‌شود. این موضوع باعث کاهش قابل توجه زمان محاسباتی شده و امکان انجام مطالعات پایداری گذرا با زمان شبیه سازی طولانی را فراهم می‌کند. در این شبیه سازی، رفتار سیستم در بازه زمانی 50 ثانیه بررسی می‌شود.

برای مدل‌سازی شش توربین بادی، تنها یک بلوک توربین بادی در Simulink استفاده شده و پارامترهای مکانیکی، الکتریکی و ظرفیت خازن لینک DC در عدد شش ضرب شده‌اند. این روش ضمن حفظ دقت دینامیکی، پیچیدگی مدل را کاهش می‌دهد.

حالت تنظیم ولتاژ و تنظیم توان راکتیو

کنترل DFIG می‌تواند در دو حالت اصلی عمل کند:

• تنظیم ولتاژ (Voltage Regulation)
• تنظیم توان راکتیو (Var Regulation)

در حالت تنظیم ولتاژ، ولتاژ ترمینال توربین در مقدار مرجع (معمولاً 1 pu) نگه داشته می‌شود و مبدل روتور توان راکتیو لازم را تولید یا جذب می‌کند. در حالت تنظیم توان راکتیو، مقدار توان راکتیو تولیدی مستقیماً تنظیم می‌شود و ولتاژ شبکه ممکن است تغییر کند.

شبیه سازی تغییر سرعت باد

در سناریوی اول، سرعت باد در ابتدا 8 متر بر ثانیه است و در زمان 5 ثانیه به طور ناگهانی به 14 متر بر ثانیه افزایش می‌یابد. نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد که توان اکتیو تولیدی به صورت نرم و تدریجی افزایش یافته و در حدود 15 ثانیه به مقدار نامی 9 مگاوات می‌رسد. هم‌زمان، سرعت توربین از 0.8 pu به حدود 1.21 pu افزایش می‌یابد.

در ابتدا زاویه گام پره‌ها صفر درجه است و نقطه کار توربین روی منحنی بهینه توان حرکت می‌کند. پس از رسیدن به ناحیه توان نامی، کنترل‌کننده گام پره‌ها فعال شده و زاویه پره‌ها تا حدود 0.76 درجه افزایش می‌یابد تا توان مکانیکی محدود شود. این رفتار نشان‌دهنده عملکرد صحیح سیستم کنترل توان توربین است.

در حالت تنظیم ولتاژ، توربین برای حفظ ولتاژ 1 pu حدود 0.68 مگاوار توان راکتیو جذب می‌کند. اما اگر حالت کنترل به تنظیم توان راکتیو با مرجع صفر تغییر یابد، ولتاژ شبکه تا حدود 1.021 pu افزایش پیدا می‌کند که نشان‌دهنده نقش مهم DFIG در کنترل ولتاژ است.

شبیه سازی افت ولتاژ در شبکه 120 کیلوولت

در سناریوی دوم، یک افت ولتاژ 0.15 pu به مدت 0.5 ثانیه در شبکه 120 کیلوولت در زمان 5 ثانیه اعمال می‌شود. ابتدا توربین در حالت تنظیم توان راکتیو قرار دارد. در این شرایط، ولتاژ باس B25 به کمتر از 0.9 pu کاهش می‌یابد و پس از گذشت حدود 0.2 ثانیه، سیستم حفاظتی بار صنعتی را از مدار خارج می‌کند. جریان بار به صفر رسیده و سرعت موتور القایی به تدریج کاهش می‌یابد.

با تغییر حالت کنترل توربین به تنظیم ولتاژ، رفتار سیستم به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد. در هنگام افت ولتاژ، توربین حدود 5 مگاوار توان راکتیو تولید می‌کند و ولتاژ باس در حدود 0.93 pu باقی می‌ماند. در نتیجه، حفاظت کم‌ولتاژ فعال نشده و بار صنعتی در مدار باقی می‌ماند. این نتیجه اهمیت قابلیت پشتیبانی ولتاژ توسط DFIG را در افزایش پایداری شبکه نشان می‌دهد.

شبیه سازی خطای تک‌فاز به زمین در شبکه 25 کیلوولت

در سناریوی سوم، یک خطای تک‌فاز به زمین به مدت 9 سیکل در باس B25 اعمال می‌شود. در حالت تنظیم ولتاژ، ولتاژ مؤلفه مثبت در ترمینال توربین تا حدود 0.8 pu کاهش می‌یابد که هنوز بالاتر از آستانه حفاظتی 0.75 pu است؛ بنابراین مزرعه بادی در مدار باقی می‌ماند.

اما در حالت تنظیم توان راکتیو با مرجع صفر، ولتاژ به کمتر از 0.7 pu می‌رسد و حفاظت کم‌ولتاژ باعث خروج مزرعه بادی از مدار می‌شود. پس از خروج توربین، سرعت آن به تدریج افزایش یافته و در حدود 40 ثانیه کنترل‌کننده گام پره‌ها برای محدود کردن سرعت وارد عمل می‌شود. این رفتار نشان می‌دهد که انتخاب استراتژی کنترلی مناسب نقش تعیین‌کننده‌ای در قابلیت عبور از خطا (Fault Ride Through) دارد.

بازسازی شرایط اولیه در Simulink

مدل به گونه‌ای تنظیم شده است که شبیه سازی از حالت ماندگار آغاز شود. شرایط اولیه در فایل power_wind_dfig.mat ذخیره شده‌اند و هنگام باز شدن مدل به صورت خودکار بارگذاری می‌شوند. در صورتی که پارامترهای مدل تغییر کنند، لازم است شرایط اولیه مجدداً محاسبه شوند.

برای این کار باید تغییرات موقت مانند تغییر سرعت باد، اعمال خطا و تغییر دامنه منبع ولتاژ غیرفعال شوند، سپس شبیه سازی اجرا گردد تا حالت ماندگار جدید به دست آید. در پایان، مقادیر نهایی متغیرهای حالت به عنوان شرایط اولیه جدید ذخیره شده و در اجرای بعدی مدل استفاده می‌شوند. این فرایند باعث می‌شود شبیه سازی بدون گذرای مصنوعی آغاز گردد و نتایج دقیق‌تری حاصل شود.

جمع‌بندی

شبیه سازی مزرعه بادی مبتنی بر DFIG در محیط Matlab/Simulink نشان می‌دهد که این فناوری علاوه بر تولید توان اکتیو، نقش مهمی در پشتیبانی ولتاژ و افزایش پایداری شبکه ایفا می‌کند. نتایج حاصل از سه سناریوی تغییر سرعت باد، افت ولتاژ شبکه و خطای تک‌فاز به زمین نشان داد که حالت تنظیم ولتاژ عملکرد بسیار بهتری نسبت به حالت تنظیم توان راکتیو دارد و می‌تواند از خروج بارها و خود مزرعه بادی در هنگام اغتشاشات جلوگیری کند.

استفاده از مدل فازوری امکان انجام مطالعات طولانی‌مدت پایداری را با هزینه محاسباتی کم فراهم می‌کند و ابزاری مناسب برای آموز

ش، پژوهش و تحلیل رفتار دینامیکی نیروگاه‌های بادی محسوب می‌شود. این شبیه سازی به خوبی نشان می‌دهد که ترکیب کنترل پیشرفته DFIG با مدل‌سازی مناسب در Matlab می‌تواند در طراحی و بهره‌برداری مطمئن شبکه‌های قدرت حاوی منابع انرژی تجدیدپذیر نقش مؤثری داشته باشد.