مقدمه

با رشد روزافزون استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر، نیروگاه‌های بادی به یکی از مهم‌ترین اجزای شبکه‌های قدرت مدرن تبدیل شده‌اند. در میان فناوری‌های مختلف مورد استفاده در توربین‌های بادی، ژنراتور القایی دوسوتغذیه یا DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) جایگاه ویژه‌ای دارد. این ساختار به دلیل امکان کنترل مستقل توان اکتیو و راکتیو، راندمان بالا، قابلیت عملکرد در محدوده وسیعی از سرعت باد و کاهش هزینه تجهیزات الکترونیک قدرت، به یکی از رایج‌ترین گزینه‌ها در نیروگاه‌های بادی تبدیل شده است.

در این شبیه سازی، یک مزرعه بادی با ظرفیت 9 مگاوات مورد بررسی قرار می‌گیرد که از شش توربین بادی 1.5 مگاواتی تشکیل شده است. مدل ارائه شده از نوع Detailed Model بوده و تمامی اجزای اصلی شامل توربین، ژنراتور، مبدل‌های الکترونیک قدرت، سیستم انتقال توان و کنترل‌کننده‌ها با جزئیات کامل مدل‌سازی شده‌اند. این سطح از مدل‌سازی امکان تحلیل دقیق رفتار گذرا، بررسی هارمونیک‌ها و ارزیابی عملکرد سیستم کنترل را فراهم می‌کند.

معرفی ساختار ژنراتور القایی دوسوتغذیه (DFIG)

ژنراتور القایی دوسوتغذیه یکی از پیشرفته‌ترین ماشین‌های الکتریکی مورد استفاده در نیروگاه‌های بادی است. در این ساختار، سیم‌پیچ استاتور مستقیماً به شبکه قدرت متصل می‌شود، در حالی که سیم‌پیچ روتور از طریق یک مبدل AC/DC/AC مبتنی بر کلیدهای IGBT تغذیه می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود که ژنراتور بتواند در سرعت‌هایی بالاتر یا پایین‌تر از سرعت سنکرون نیز به تولید انرژی ادامه دهد.

وجود مبدل الکترونیک قدرت باعث کنترل مستقل توان اکتیو و توان راکتیو شده و علاوه بر افزایش راندمان، کیفیت توان خروجی نیروگاه را نیز بهبود می‌بخشد. همچنین تنش‌های مکانیکی وارد بر توربین در هنگام تغییرات سرعت باد کاهش یافته و عمر مفید تجهیزات افزایش می‌یابد.

روش‌های مختلف شبیه سازی DFIG در Matlab

در محیط Simscape Electrical و Specialized Power Systems سه روش اصلی برای شبیه سازی سیستم‌های مبتنی بر مبدل‌های منبع ولتاژ وجود دارد که هر کدام برای هدف خاصی طراحی شده‌اند.

1- مدل دقیق (Detailed Model)

در این روش تمامی کلیدهای نیمه‌هادی IGBT، مدارهای سوئیچینگ، فیلترها و تجهیزات قدرت به صورت کاملاً دقیق مدل‌سازی می‌شوند. به علت وجود فرکانس‌های کلیدزنی بالا، برای دستیابی به دقت مناسب باید از گام زمانی بسیار کوچک استفاده شود. در این شبیه سازی مقدار گام زمانی برابر 5 میکروثانیه در نظر گرفته شده است.

مزیت اصلی این روش امکان مشاهده شکل موج‌های واقعی ولتاژ و جریان، بررسی هارمونیک‌ها، تحلیل کیفیت توان و ارزیابی دقیق عملکرد کنترل‌کننده‌ها است. البته زمان اجرای شبیه سازی نسبتاً زیاد بوده و معمولاً برای بازه‌های زمانی کوتاه مانند چند صد میلی‌ثانیه تا یک ثانیه استفاده می‌شود.

2- مدل میانگین (Average Model)

در مدل میانگین، کلیدهای IGBT به صورت منابع ولتاژ معادل مدل می‌شوند و اثر کلیدزنی حذف می‌شود. در نتیجه هارمونیک‌های ناشی از سوئیچینگ قابل مشاهده نیستند اما رفتار دینامیکی سیستم کنترل و تعامل آن با شبکه همچنان حفظ می‌شود.

به دلیل حذف جزئیات کلیدزنی، امکان استفاده از گام زمانی بزرگ‌تر در حدود 50 میکروثانیه فراهم شده و زمان اجرای شبیه سازی به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.

3- مدل فازوری (Phasor Model)

این روش برای تحلیل رفتارهای الکترومکانیکی کند شبکه قدرت طراحی شده است. در مدل فازوری، ولتاژها و جریان‌های سینوسی به مقادیر مختلط تبدیل شده و فقط مولفه اصلی فرکانس شبکه مورد بررسی قرار می‌گیرد.

این مدل برای تحلیل پایداری گذرا، بررسی نوسانات کم‌فرکانس شبکه و مطالعات چند ده ثانیه‌ای یا حتی چند دقیقه‌ای بسیار مناسب است و شباهت زیادی به نرم‌افزارهای تحلیل پایداری سیستم قدرت دارد.

مشخصات مزرعه بادی مورد بررسی

در این شبیه سازی، یک مزرعه بادی با ظرفیت نامی 9 مگاوات شامل شش توربین بادی 1.5 مگاواتی در نظر گرفته شده است. خروجی این توربین‌ها به یک شبکه توزیع 25 کیلوولت متصل بوده و از طریق یک خط انتقال به طول 30 کیلومتر، توان تولیدی به شبکه 120 کیلوولت منتقل می‌شود.

سرعت باد در کل مدت شبیه سازی برابر 15 متر بر ثانیه فرض شده است. سیستم کنترل با استفاده از کنترل‌کننده گشتاور، سرعت ژنراتور را روی مقدار 1.2 پریونیت تنظیم می‌کند. همچنین کنترل‌کننده توان راکتیو خروجی را برابر صفر مگاوار نگه می‌دارد تا ضریب توان مناسب در محل اتصال به شبکه حفظ شود.

اجزای مدل شبیه سازی

مدل طراحی شده شامل بخش‌های مختلفی است که هر کدام نقش مهمی در عملکرد کلی نیروگاه دارند. مهم‌ترین اجزای مدل عبارت‌اند از:

• توربین بادی
• ژنراتور القایی دوسوتغذیه
• مبدل سمت روتور
• مبدل سمت شبکه
• لینک DC
• سیستم کنترل سرعت
• کنترل‌کننده توان راکتیو
• کنترل‌کننده ولتاژ DC
• شبکه 25 کیلوولت
• شبکه انتقال 120 کیلوولت
• خط انتقال 30 کیلومتری

ویژگی‌های عملکرد توربین بادی

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

در سرعت باد 15 متر بر ثانیه، توربین با توان نامی کار می‌کند. در این شرایط زاویه گام پره حدود 8.7 درجه بوده و سرعت ژنراتور برابر 1.2 پریونیت است. این نقطه کاری نشان‌دهنده عملکرد بهینه توربین در استخراج حداکثر انرژی از باد است.

فرآیند اجرای شبیه سازی

هدف اصلی این شبیه سازی، بررسی عملکرد پایدار ژنراتور DFIG و همچنین تحلیل پاسخ دینامیکی آن در برابر افت ولتاژ ناشی از وقوع خطا در شبکه انتقال است.

در مدل، یک افت ولتاژ به مقدار 0.5 پریونیت به مدت شش سیکل در زمان 0.03 ثانیه روی شبکه 120 کیلوولت اعمال می‌شود. این اغتشاش شرایط واقعی وقوع اتصال کوتاه یا خطا در شبکه انتقال را شبیه‌سازی می‌کند.

در ابتدای شبیه سازی، مزرعه بادی توان نامی 9 مگاوات تولید می‌کند. ولتاژ لینک DC روی مقدار 1150 ولت تثبیت شده و توان راکتیو خروجی برابر صفر مگاوار است.

با وقوع افت ولتاژ، دامنه ولتاژ مثبت شبکه به نصف مقدار نامی کاهش یافته و نوساناتی در ولتاژ لینک DC و توان خروجی ژنراتور مشاهده می‌شود. سیستم کنترل تلاش می‌کند با تنظیم سریع مبدل‌های سمت شبکه و سمت روتور، ولتاژ DC و توان راکتیو را روی مقادیر مرجع نگه دارد.

نتایج نشان می‌دهد که سیستم پس از حدود چهار سیکل مجدداً به شرایط پایدار بازمی‌گردد که بیانگر عملکرد مناسب کنترل‌کننده‌ها و پایداری دینامیکی سیستم است.

شرایط اولیه شبیه سازی

یکی از نکات مهم در مدل‌های بزرگ نیروگاهی، مقداردهی اولیه صحیح متغیرهای حالت است. اگر مدل از شرایط اولیه مناسب استفاده نکند، ممکن است رسیدن به حالت ماندگار ده‌ها ثانیه زمان ببرد.

به همین دلیل در این شبیه سازی تمامی متغیرهای حالت در فایل xInitial ذخیره شده‌اند. هنگام شروع شبیه سازی این فایل به صورت خودکار بارگذاری شده و مدل مستقیماً از حالت ماندگار آغاز به کار می‌کند.

بازتولید شرایط اولیه پس از تغییر مدل

در صورتی که پارامترهای مدل یا مشخصات تجهیزات تغییر کند، شرایط اولیه قبلی دیگر معتبر نخواهند بود. در این حالت لازم است شرایط اولیه مجدداً تولید شوند.

برای این منظور ابتدا بارگذاری شرایط اولیه غیرفعال شده و ذخیره حالت نهایی فعال می‌شود. سپس تغییرات موقتی مانند حذف اغتشاش شبکه و کاهش مقدار اینرسی مجموعه توربین و ژنراتور انجام می‌شود تا مدل سریع‌تر به حالت پایدار برسد.

پس از اجرای شبیه سازی و رسیدن سیستم به حالت ماندگار، متغیرهای حالت نهایی در فایل جدید ذخیره شده و در اجرای بعدی به عنوان شرایط اولیه مورد استفاده قرار می‌گیرند. در پایان نیز تمامی پارامترهای مدل به مقادیر اصلی بازگردانده می‌شوند.

مزایای استفاده از مدل دقیق DFIG

• مدل‌سازی دقیق کلیدهای IGBT
• امکان تحلیل هارمونیک‌ها
• بررسی کیفیت توان خروجی
• تحلیل عملکرد کنترل‌کننده‌ها
• بررسی رفتار گذرای سیستم در هنگام وقوع خطا
• مطالعه ولتاژ لینک DC
• امکان ارزیابی پاسخ دینامیکی شبکه
• دقت بالا در تحلیل عملکرد مبدل‌های الکترونیک قدرت

کاربردهای این شبیه سازی

این شبیه سازی برای دانشجویان مهندسی برق، پژوهشگران حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر، طراحان نیروگاه‌های بادی و مهندسان سیستم قدرت کاربرد فراوانی دارد. از این مدل می‌توان برای بررسی پایداری نیروگاه، طراحی کنترل‌کننده‌های پیشرفته، تحلیل رفتار مبدل‌های قدرت، ارزیابی کیفیت توان، بررسی عملکرد سیستم در شرایط خطا و توسعه الگوریتم‌های کنترلی جدید استفاده کرد.

جمع‌بندی

مدل دقیق مزرعه بادی مبتنی بر ژنراتور القایی دوسوتغذیه (DFIG) یکی از کامل‌ترین نمونه‌های موجود برای تحلیل عملکرد نیروگاه‌های بادی در محیط Matlab و Simulink محسوب می‌شود. در این شبیه سازی تمامی اجزای اصلی سیستم شامل توربین، ژنراتور، مبدل‌های الکترونیک قدرت، لینک DC، سیستم‌های کنترل و شبکه انتقال با جزئیات بالا مدل‌سازی شده‌اند. نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد که ساختار DFIG قادر است در شرایط عادی و همچنین هنگام وقوع افت ولتاژ شبکه، توان خروجی، ولتاژ لینک DC و توان راکتیو را با دقت مناسبی کنترل کرده و در مدت زمان کوتاهی به حالت پایدار بازگردد. به همین دلیل این مدل یکی از بهترین گزینه‌ها برای آموزش، تحقیق و توسعه سیستم‌های تولید برق بادی و طراحی کنترل‌کننده‌های پیشرفته در محیط Matlab به شمار می‌آید.