مقدمه

با گسترش استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، نیروگاه‌های بادی به یکی از مهم‌ترین منابع تولید انرژی الکتریکی در شبکه‌های قدرت تبدیل شده‌اند. افزایش ظرفیت نصب‌شده مزارع بادی در سراسر جهان باعث شده است که تحلیل دقیق رفتار دینامیکی این سیستم‌ها اهمیت ویژه‌ای پیدا کند. در میان فناوری‌های مختلف مورد استفاده در توربین‌های بادی، ژنراتور القایی دوسوتغذیه یا Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) به دلیل قابلیت کنترل مستقل توان اکتیو و راکتیو، راندمان بالا، هزینه مناسب و امکان عملکرد در محدوده وسیعی از سرعت باد، یکی از رایج‌ترین گزینه‌ها محسوب می‌شود.

در محیط Matlab/Simulink و به‌ویژه کتابخانه Specialized Power Systems، مدل‌های مختلفی برای شبیه سازی عملکرد DFIG ارائه شده است. هر یک از این مدل‌ها برای نوع خاصی از مطالعات طراحی شده‌اند و بسته به هدف تحلیل، می‌توان از مدل‌های دقیق، مدل میانگین یا مدل فازوری استفاده کرد. در این شبیه سازی، یک مزرعه بادی با ظرفیت ۹ مگاوات که از شش توربین بادی ۱٫۵ مگاواتی تشکیل شده است، توسط مدل میانگین DFIG مورد بررسی قرار می‌گیرد تا رفتار سیستم در شرایط عملکرد عادی و همچنین در هنگام افت ولتاژ شبکه ارزیابی شود.

روش‌های شبیه سازی ژنراتور DFIG

در کتابخانه Specialized Power Systems سه روش اصلی برای مدل‌سازی سیستم‌های تبدیل انرژی مبتنی بر مبدل‌های ولتاژ منبع (VSC) وجود دارد. انتخاب هر روش به محدوده فرکانسی مورد نیاز، دقت مورد انتظار و زمان شبیه سازی بستگی دارد.

۱- مدل دقیق (Detailed Model)

در مدل دقیق، تمامی کلیدهای نیمه‌هادی از جمله IGBTها به صورت واقعی مدل‌سازی می‌شوند. بنابراین فرآیند کلیدزنی مبدل PWM با تمام جزئیات در شبیه سازی لحاظ می‌شود. به دلیل فرکانس کلیدزنی نسبتاً بالا (مانند ۱۶۲۰ یا ۲۷۰۰ هرتز)، این مدل نیازمند گام زمانی بسیار کوچک در حدود ۵ میکروثانیه است.

مهم‌ترین مزیت این روش، امکان مشاهده هارمونیک‌های تولیدشده توسط مبدل‌های الکترونیک قدرت و تحلیل دقیق رفتار گذرای سیستم کنترل است. البته به علت حجم بالای محاسبات، معمولاً مدت زمان شبیه سازی به چند صد میلی‌ثانیه تا حداکثر یک ثانیه محدود می‌شود.

۲- مدل میانگین (Average Model)

در مدل میانگین، مبدل‌های PWM دیگر به صورت کلیدهای نیمه‌هادی مدل نمی‌شوند، بلکه توسط منابع ولتاژ معادل جایگزین می‌شوند که مقدار متوسط ولتاژ خروجی در هر سیکل کلیدزنی را تولید می‌کنند. به همین دلیل هارمونیک‌های ناشی از کلیدزنی حذف می‌شوند اما رفتار دینامیکی سیستم کنترل و شبکه قدرت همچنان حفظ می‌شود.

این روش امکان استفاده از گام زمانی بزرگ‌تر، معمولاً در حدود ۵۰ میکروثانیه را فراهم می‌کند و در نتیجه می‌توان شبیه سازی‌هایی با مدت چندین ثانیه را با سرعت بسیار بیشتری اجرا کرد. به همین دلیل مدل میانگین یکی از بهترین گزینه‌ها برای مطالعات دینامیکی سیستم‌های قدرت محسوب می‌شود.

۳- مدل فازوری (Phasor Model)

مدل فازوری برای بررسی پدیده‌های الکترومکانیکی با فرکانس پایین طراحی شده است. در این روش به جای استفاده از شکل موج‌های لحظه‌ای ولتاژ و جریان، از کمیت‌های فازوری در فرکانس نامی شبکه (۵۰ یا ۶۰ هرتز) استفاده می‌شود. این همان روشی است که در بسیاری از نرم‌افزارهای تحلیل پایداری گذرای شبکه قدرت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مزیت اصلی مدل فازوری، امکان اجرای شبیه سازی‌های طولانی در بازه زمانی چندین ده ثانیه تا چند دقیقه است که برای بررسی نوسانات الکترومکانیکی و پایداری شبکه بسیار مناسب خواهد بود.

ساختار مزرعه بادی مورد مطالعه

در این شبیه سازی یک مزرعه بادی با ظرفیت کل ۹ مگاوات در نظر گرفته شده است. این مزرعه از شش توربین بادی تشکیل شده که هر کدام دارای توان نامی ۱٫۵ مگاوات هستند. خروجی این توربین‌ها به یک شبکه توزیع ۲۵ کیلوولت متصل شده و انرژی تولیدی از طریق یک خط انتقال ۳۰ کیلومتری به شبکه اصلی ۱۲۰ کیلوولت منتقل می‌شود.

ژنراتور مورد استفاده در هر توربین از نوع DFIG است. سیم‌پیچ استاتور مستقیماً به شبکه متصل شده و سیم‌پیچ روتور از طریق یک مبدل AC/DC/AC تغذیه می‌شود. این ساختار امکان کنترل مستقل سرعت، توان اکتیو و توان راکتیو را فراهم می‌کند و باعث افزایش راندمان بهره‌برداری از انرژی باد می‌شود.

مزایای استفاده از ژنراتور DFIG

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های DFIG قابلیت عملکرد در سرعت‌های متغیر است. برخلاف ژنراتورهای القایی معمولی که تقریباً با سرعت ثابت کار می‌کنند، در این فناوری می‌توان سرعت چرخش توربین را متناسب با سرعت باد تغییر داد تا همواره بیشترین انرژی ممکن استخراج شود.

کنترل سرعت متغیر علاوه بر افزایش توان تولیدی، موجب کاهش تنش‌های مکانیکی وارد بر محور، گیربکس و پره‌های توربین نیز می‌شود. این ویژگی طول عمر تجهیزات مکانیکی را افزایش داده و هزینه تعمیر و نگهداری را کاهش می‌دهد.

مزیت دیگر DFIG امکان کنترل مستقل توان راکتیو است. در نتیجه نیروگاه بادی می‌تواند علاوه بر تولید توان اکتیو، در تنظیم ولتاژ شبکه نیز نقش مؤثری ایفا کند.

سیستم کنترل توربین بادی

در این مدل سرعت باد برابر ۱۵ متر بر ثانیه و ثابت فرض شده است. سیستم کنترل از یک کنترل‌کننده گشتاور استفاده می‌کند تا سرعت ژنراتور را در مقدار ۱٫۲ پریونیت نگه دارد. همچنین مقدار توان راکتیو خروجی روی صفر مگاوار تنظیم شده است تا ضریب توان تقریباً برابر یک باقی بماند.

در ساختار مدل، اطلاعات مربوط به ژنراتور، مبدل قدرت، توربین، سیستم انتقال قدرت مکانیکی و کنترل‌کننده‌ها در بلوک DFIG Wind Turbine قرار گرفته‌اند. این بلوک امکان مشاهده مشخصات کامل تجهیزات و همچنین منحنی‌های عملکرد توربین را فراهم می‌کند.

مشخصات آیرودینامیکی توربین

یکی از مهم‌ترین پارامترهای عملکرد توربین، ضریب توان آیرودینامیکی یا Cp است که نشان می‌دهد چه سهمی از انرژی باد به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود. مقدار Cp تابع نسبت سرعت نوک پره (Tip Speed Ratio یا λ) و زاویه گام پره‌ها (Pitch Angle) است.

در این شبیه سازی برای سرعت باد ۱۵ متر بر ثانیه، توان خروجی توربین برابر توان نامی، زاویه گام پره‌ها حدود ۸٫۷ درجه و سرعت ژنراتور برابر ۱٫۲ پریونیت است. این نقطه کاری نزدیک به شرایط بهینه استخراج انرژی از باد محسوب می‌شود.

بررسی عملکرد سیستم در حالت ماندگار

در ابتدای شبیه سازی، مزرعه بادی توان نامی ۹ مگاوات را تولید می‌کند. ولتاژ لینک DC روی مقدار ۱۱۵۰ ولت تثبیت شده و توان راکتیو خروجی برابر صفر است. به دلیل استفاده از شرایط اولیه ذخیره‌شده، سیستم از همان لحظه آغاز شبیه سازی در حالت ماندگار قرار دارد و نیازی به صرف زمان طولانی برای رسیدن به شرایط پایدار وجود ندارد.

استفاده از شرایط اولیه مناسب باعث کاهش چشمگیر زمان تحلیل شده و امکان تمرکز مستقیم بر روی بررسی رفتار دینامیکی سیستم را فراهم می‌کند.

تحلیل پاسخ سیستم در هنگام افت ولتاژ

یکی از مهم‌ترین اهداف این شبیه سازی بررسی عملکرد DFIG در برابر خطاهای شبکه است. برای این منظور در زمان ۰٫۰۳ ثانیه یک افت ولتاژ به میزان ۰٫۵ پریونیت در شبکه ۱۲۰ کیلوولت اعمال می‌شود که به مدت شش سیکل ادامه دارد.

در نتیجه این اغتشاش، ولتاژ لینک DC دچار نوسان شده و توان خروجی ژنراتور نیز تغییرات قابل توجهی را تجربه می‌کند. سیستم کنترل تلاش می‌کند ولتاژ لینک DC را روی مقدار ۱۱۵۰ ولت و توان راکتیو را روی مقدار صفر نگه دارد.

پس از برطرف شدن خطا، سیستم در مدت تقریباً چهار سیکل مجدداً به شرایط پایدار بازمی‌گردد که نشان‌دهنده عملکرد مناسب کنترل‌کننده‌ها و پایداری مطلوب نیروگاه بادی است.

مقایسه مدل دقیق و مدل میانگین

در این مثال امکان مقایسه مستقیم نتایج مدل دقیق و مدل میانگین فراهم شده است. نتایج نشان می‌دهد که پاسخ‌های دینامیکی شامل تغییرات سرعت، توان اکتیو، توان راکتیو و ولتاژ لینک DC در هر دو مدل تقریباً یکسان هستند.

تنها تفاوت اصلی در شکل موج ولتاژها مشاهده می‌شود. مدل دقیق هارمونیک‌های ناشی از کلیدزنی PWM را نمایش می‌دهد، در حالی که مدل میانگین این هارمونیک‌ها را حذف کرده و تنها رفتار فرکانس پایین سیستم را نمایش می‌دهد. به همین دلیل مدل میانگین برای مطالعات دینامیکی شبکه انتخاب بسیار مناسبی محسوب می‌شود.

بازتولید شرایط اولیه شبیه سازی

برای جلوگیری از صرف زمان طولانی جهت رسیدن سیستم به حالت ماندگار، شرایط اولیه تمامی متغیرهای حالت در یک فایل MAT ذخیره شده‌اند. هنگام شروع شبیه سازی این فایل به صورت خودکار بارگذاری شده و تمامی متغیرها مقداردهی اولیه می‌شوند.

در صورتی که کاربر پارامترهای مدل را تغییر دهد، شرایط اولیه قبلی دیگر معتبر نخواهد بود و لازم است شرایط اولیه جدید تولید شود. برای این منظور ابتدا بارگذاری شرایط اولیه غیرفعال شده و ذخیره وضعیت نهایی فعال می‌شود. سپس تغییرات موقتی مانند حذف اغتشاش ولتاژ، کاهش اینرسی توربین و افزایش زمان شبیه سازی اعمال می‌شوند تا سیستم به حالت ماندگار برسد.

پس از پایان شبیه سازی، مقادیر نهایی متغیرهای حالت به عنوان شرایط اولیه جدید ذخیره شده و در دفعات بعدی اجرای مدل مورد استفاده قرار می‌گیرند. در نهایت پارامترهای اصلی مدل شامل مقدار اینرسی، زمان شبیه سازی و نحوه اعمال تغییرات ولتاژ به مقادیر اولیه بازگردانده می‌شوند.

مزایای استفاده از مدل میانگین در مطالعات شبکه قدرت

مدل میانگین تعادل بسیار مناسبی میان سرعت محاسبات و دقت نتایج ایجاد می‌کند. حذف فرآیند کلیدزنی موجب کاهش قابل توجه حجم محاسبات شده و امکان اجرای مطالعات طولانی‌تر را فراهم می‌کند، در حالی که رفتار واقعی سیستم کنترل و دینامیک شبکه همچنان با دقت مناسبی حفظ می‌شود.

به همین دلیل این مدل در تحلیل پایداری گذرا، بررسی عملکرد نیروگاه‌های بادی در برابر خطاهای شبکه، طراحی کنترل‌کننده‌ها، ارزیابی کیفیت توان و مطالعات اتصال منابع تولید پراکنده به شبکه برق کاربرد گسترده‌ای دارد.

جمع‌بندی

شبیه سازی مزرعه بادی ۹ مگاواتی مبتنی بر ژنراتور القایی دوسوتغذیه با استفاده از مدل میانگین، ابزاری بسیار مناسب برای تحلیل رفتار دینامیکی نیروگاه‌های بادی در محیط Matlab/Simulink محسوب می‌شود. این مدل بدون نیاز به مدل‌سازی جزئیات کلیدزنی مبدل‌های قدرت، پاسخ سیستم کنترل، تغییرات توان اکتیو و راکتیو، رفتار لینک DC و اثر اغتشاشات شبکه را با دقت مطلوب نمایش می‌دهد. همچنین امکان اجرای شبیه سازی‌های طولانی با زمان محاسباتی بسیار کمتر نسبت به مدل دقیق را فراهم کرده و گزینه‌ای ایده‌آل برای مطالعات طراحی، توسعه و ارزیابی عملکرد سیستم‌های تولید انرژی بادی در شبکه‌های قدرت مدرن به شمار می‌آید.