با افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر در شبکه‌های قدرت، استفاده از توربین‌های بادی با فناوری‌های پیشرفته به یکی از مهم‌ترین موضوعات مهندسی قدرت تبدیل شده است. در میان انواع مختلف توربین‌های بادی، توربین‌های نوع چهار (Type 4 Wind Turbine) به دلیل استقلال کامل سرعت ژنراتور از فرکانس شبکه، قابلیت کنترل دقیق توان اکتیو و راکتیو و همچنین عملکرد مناسب در شرایط اغتشاشات شبکه، جایگاه ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. در این شبیه سازی، یک مزرعه بادی ۱۰ مگاواتی شامل پنج توربین بادی ۲ مگاواتی با استفاده از مدل میانگین (Average Model) مورد بررسی قرار می‌گیرد. این مدل در محیط Matlab/Simulink و Simscape Electrical توسعه یافته و رفتار دینامیکی توربین در شرایط عادی و همچنین هنگام افت ولتاژ شبکه تحلیل می‌شود.

اهمیت استفاده از مدل میانگین در شبیه سازی توربین‌های بادی نوع چهار

توربین‌های بادی مدرن دارای مبدل‌های الکترونیک قدرت با فرکانس کلیدزنی بالا هستند. مدل‌سازی دقیق این تجهیزات اگرچه دقت بسیار زیادی ایجاد می‌کند، اما زمان شبیه سازی را به شدت افزایش می‌دهد. به همین دلیل در بسیاری از مطالعات شبکه قدرت، به جای مدل‌های سوئیچینگ از مدل‌های میانگین استفاده می‌شود. در این روش رفتار متوسط مبدل‌های الکترونیک قدرت در هر سیکل کلیدزنی مدل می‌شود و اثرات هارمونیکی حذف می‌شوند، اما پاسخ دینامیکی سیستم کنترل و تعامل آن با شبکه همچنان حفظ می‌شود.

این رویکرد باعث می‌شود بتوان بازه‌های زمانی طولانی‌تر را با گام زمانی بزرگ‌تر شبیه سازی کرد و بدون افزایش بیش از حد زمان محاسبات، عملکرد سیستم قدرت را مورد ارزیابی قرار داد.

روش‌های مختلف شبیه سازی توربین بادی Type 4

در کتابخانه Specialized Power Systems سه روش اصلی برای شبیه سازی توربین‌های بادی مبتنی بر مبدل‌های منبع ولتاژ وجود دارد که هر یک برای هدف مشخصی طراحی شده‌اند.

مدل دقیق (Detailed Model)

در مدل دقیق، تمامی کلیدهای نیمه‌هادی IGBT به صورت واقعی مدل‌سازی می‌شوند و فرآیند کلیدزنی با دقت بالا شبیه سازی می‌شود. این روش مناسب بررسی هارمونیک‌ها، کیفیت توان، عملکرد PWM و تحلیل گذرای سریع مبدل‌ها است. برای دستیابی به نتایج دقیق، گام زمانی بسیار کوچکی در حدود ۲ میکروثانیه مورد نیاز است که باعث افزایش زمان اجرای شبیه سازی می‌شود. این مدل بیشتر برای تحلیل‌هایی با زمان چند صد میلی‌ثانیه تا حدود یک ثانیه کاربرد دارد.

مدل میانگین (Average Model)

مدل استفاده شده در این شبیه سازی از نوع Average Model است. در این روش مبدل‌های مبتنی بر IGBT به صورت منابع ولتاژ معادل مدل می‌شوند که مقدار متوسط ولتاژ خروجی آن‌ها را تولید می‌کنند. در نتیجه، هارمونیک‌های ناشی از کلیدزنی حذف شده اما رفتار کنترلی سیستم کاملاً حفظ می‌شود. این ویژگی امکان استفاده از گام زمانی حدود ۵۰ میکروثانیه را فراهم می‌کند و اجرای شبیه سازی‌های چند ثانیه‌ای را بسیار سریع‌تر می‌سازد.

مدل فازوری (Phasor Model)

در مطالعات پایداری بلندمدت شبکه، مدل فازوری بهترین انتخاب محسوب می‌شود. در این روش به جای ولتاژها و جریان‌های لحظه‌ای، از کمیت‌های فازوری استفاده می‌شود و رفتار سیستم در فرکانس نامی شبکه بررسی می‌شود. این مدل برای تحلیل نوسانات الکترومکانیکی که ممکن است چندین دقیقه ادامه داشته باشند بسیار مناسب است.

ساختار مزرعه بادی مورد مطالعه

مزرعه بادی مورد بررسی دارای ظرفیت نامی ۱۰ مگاوات است و از پنج واحد توربین بادی ۲ مگاواتی تشکیل شده است. این توربین‌ها به یک شبکه توزیع ۲۵ کیلوولت متصل هستند و توان تولیدی خود را از طریق یک خط انتقال ۳۰ کیلومتری به شبکه اصلی ۱۲۰ کیلوولت منتقل می‌کنند.

این ساختار نمونه‌ای مناسب برای بررسی عملکرد مزرعه‌های بادی متصل به شبکه انتقال محسوب می‌شود و امکان تحلیل رفتار سیستم در شرایط بهره‌برداری واقعی را فراهم می‌کند.

اجزای اصلی توربین بادی Type 4

توربین بادی نوع چهار مورد استفاده در این شبیه سازی از چند بخش اصلی تشکیل شده است که هر کدام نقش مهمی در تبدیل انرژی باد به انرژی الکتریکی ایفا می‌کنند.

• ژنراتور سنکرون
• یکسوساز دیودی
• مبدل افزاینده DC-DC مبتنی بر IGBT
• مبدل DC/AC مبتنی بر PWM
• سیستم کنترل سرعت
• سیستم کنترل ولتاژ لینک DC
• کنترل توان راکتیو
• سیستم مکانیکی توربین و محور انتقال توان

استفاده از ژنراتور سنکرون در کنار مبدل تمام‌مقیاس باعث می‌شود ژنراتور از شبکه الکتریکی ایزوله باشد و بتوان سرعت آن را مستقل از فرکانس شبکه کنترل کرد. این ویژگی یکی از مهم‌ترین مزایای فناوری Type 4 محسوب می‌شود.

کنترل سرعت توربین

در این شبیه سازی سرعت باد برابر ۱۵ متر بر ثانیه در نظر گرفته شده است. سیستم کنترل مبدل DC-DC وظیفه دارد سرعت ژنراتور را در مقدار یک پریونیت نگه دارد تا بیشترین توان قابل استخراج از انرژی باد حاصل شود. این روش باعث افزایش بازده انرژی و کاهش تنش‌های مکانیکی وارد بر توربین در هنگام تغییرات سرعت باد می‌شود.

در سرعت باد ۱۵ متر بر ثانیه، توان خروجی توربین برابر مقدار نامی بوده و زاویه گام پره‌ها حدود ۸٫۹ درجه تنظیم می‌شود. همچنین سرعت ژنراتور در مقدار نامی باقی می‌ماند که نشان‌دهنده عملکرد صحیح سیستم کنترل است.

کنترل توان راکتیو

یکی از مهم‌ترین قابلیت‌های توربین‌های نوع چهار، کنترل مستقل توان راکتیو است. در این مدل مقدار توان راکتیو روی صفر مگاوار تنظیم شده است تا توربین بدون ایجاد بار راکتیو اضافی، انرژی اکتیو را به شبکه تزریق کند. این قابلیت موجب بهبود کیفیت ولتاژ و افزایش پایداری شبکه می‌شود.

مشاهده مشخصات آیرودینامیکی توربین

در محیط Matlab امکان مشاهده مشخصات کامل توربین وجود دارد. اطلاعات مربوط به ژنراتور، مبدل‌ها، سیستم انتقال قدرت، کنترل‌کننده‌ها و مشخصات مکانیکی در بلوک Wind Turbine Type 4 قرار گرفته‌اند.

همچنین منحنی‌های ضریب توان آیرودینامیکی (Cp)، نسبت سرعت نوک پره (Tip Speed Ratio) و توان خروجی توربین بر حسب سرعت باد قابل نمایش هستند. این منحنی‌ها نقش مهمی در تحلیل عملکرد توربین و بررسی نقطه کار بهینه دارند.

بررسی عملکرد مزرعه بادی در حالت ماندگار

در ابتدای شبیه سازی تمامی شرایط اولیه از قبل ذخیره شده‌اند تا سیستم مستقیماً در حالت ماندگار شروع به کار کند. در این وضعیت مزرعه بادی توان نامی ۱۰ مگاوات را به شبکه تحویل می‌دهد. ولتاژ لینک DC روی مقدار ۱۱۰۰ ولت تنظیم شده و توان راکتیو نیز برابر صفر باقی می‌ماند.

شروع مستقیم از حالت ماندگار موجب می‌شود زمان مورد نیاز برای رسیدن سیستم به شرایط پایدار حذف شده و تحلیل رفتار دینامیکی سریع‌تر انجام شود.

بررسی پاسخ دینامیکی در هنگام افت ولتاژ

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این شبیه سازی، بررسی رفتار توربین هنگام وقوع خطا در شبکه انتقال است. در زمان ۰٫۰۳ ثانیه یک افت ولتاژ معادل ۰٫۲۵ پریونیت به مدت شش سیکل در شبکه ۱۲۰ کیلوولت اعمال می‌شود.

با وقوع این خطا، ولتاژ مؤلفه مثبت شبکه تا مقدار ۰٫۷۵ پریونیت کاهش پیدا می‌کند. این کاهش ولتاژ موجب افزایش ولتاژ لینک DC و کاهش موقت توان خروجی توربین می‌شود. کنترل‌کننده‌های سیستم بلافاصله وارد عمل شده و تلاش می‌کنند ولتاژ لینک DC را مجدداً روی مقدار ۱۱۰۰ ولت و توان راکتیو را روی مقدار صفر مگاوار تثبیت کنند.

پس از رفع خطا، تمامی متغیرهای سیستم به تدریج به شرایط عادی بازمی‌گردند که نشان‌دهنده عملکرد مناسب سیستم کنترل و پایداری مطلوب توربین بادی است.

مزیت استفاده از شرایط اولیه ذخیره شده

از آنجا که ثابت زمانی بخش مکانیکی توربین نسبتاً بزرگ است، رسیدن سیستم به حالت ماندگار ممکن است ده‌ها ثانیه زمان ببرد. برای جلوگیری از این مسئله، تمامی متغیرهای حالت در فایل xInitial ذخیره شده‌اند و در ابتدای هر شبیه سازی به صورت خودکار بارگذاری می‌شوند.

در صورتی که پارامترهای مدل تغییر کنند، این شرایط اولیه دیگر معتبر نخواهند بود و لازم است شرایط اولیه جدید تولید شود.

بازتولید شرایط اولیه مدل

در صورت تغییر پارامترهای ژنراتور، مبدل‌ها یا سایر تجهیزات، لازم است فرآیند تولید مجدد شرایط اولیه انجام شود. در این فرآیند ابتدا استفاده از شرایط اولیه قبلی غیرفعال شده و ذخیره‌سازی وضعیت نهایی مدل فعال می‌شود. سپس تغییرات موقتی مانند حذف تغییرات ولتاژ منبع و کاهش اینرسی مجموعه توربین و ژنراتور انجام می‌شود تا سیستم سریع‌تر به حالت ماندگار برسد.

پس از اجرای شبیه سازی، وضعیت نهایی سیستم در متغیر xFinal ذخیره می‌شود و این اطلاعات به عنوان شرایط اولیه جدید در فایل جداگانه ذخیره خواهند شد. در ادامه فایل جدید در بخش Initialization معرفی شده و پس از بازگرداندن تمامی پارامترها به مقادیر اصلی، مدل مجدداً اجرا می‌شود تا از شروع صحیح سیستم در حالت ماندگار اطمینان حاصل گردد.

مزایای استفاده از مدل میانگین در Matlab

مدل میانگین تعادل بسیار مناسبی میان دقت و سرعت محاسبات ایجاد می‌کند. حذف کلیدزنی واقعی مبدل‌ها باعث کاهش قابل توجه زمان اجرای شبیه سازی می‌شود، در حالی که رفتار دینامیکی سیستم کنترل، پاسخ گذرا، کنترل ولتاژ، کنترل توان راکتیو و عملکرد مزرعه بادی همچنان با دقت مناسبی حفظ می‌شوند. به همین دلیل این مدل یکی از پرکاربردترین روش‌ها برای تحلیل اتصال نیروگاه‌های بادی به شبکه قدرت محسوب می‌شود.

جمع‌بندی

شبیه سازی مزرعه بادی Type 4 با استفاده از مدل میانگین در Matlab ابزاری مناسب برای تحلیل عملکرد توربین‌های بادی مدرن در شبکه قدرت است. این مدل ضمن کاهش چشمگیر زمان محاسبات، رفتار دینامیکی سیستم کنترل، پاسخ به اغتشاشات شبکه، کنترل ولتاژ لینک DC، تنظیم توان راکتیو و عملکرد ژنراتور سنکرون را با دقت مناسبی نمایش می‌دهد. بررسی وقوع افت ولتاژ، نحوه بازیابی سیستم پس از رفع خطا و امکان تولید مجدد شرایط اولیه نیز از قابلیت‌های مهم این مدل محسوب می‌شوند. به همین دلیل این شبیه سازی می‌تواند برای دانشجویان، پژوهشگران و مهندسان حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر و سیستم‌های قدرت به عنوان یک مرجع کاربردی جهت مطالعه رفتار نیروگاه‌های بادی متصل به شبکه مورد استفاده قرار گیرد.