پشتیبانی سریع فرکانس توسط مزارع باد با استفاده از پارامتر انحراف فرکانس و حد گشتاور روتور ژنراتور القایی دوسو تغذیه

سید عبدالرحمان احمدنژاد ¹ ( دانشکده مهندسی برق- دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، ایران )
رامتین صادقی ² ( دانشکده مهندسی برق- دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، ایران )
بهادر فانی ³ ( دانشکده مهندسی برق- دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، ایران )

تاريخ الإرسال : 22 الأحد , ذو القعدة, 1444 تاريخ التأكيد : 08 السبت , ربيع الأول, 1445

الکلمات المفتاحية: کنترل فرکانس, توربین باد, ژنراتور القایی دوسو تغذیه, پشتیبانی موقت فرکانس, افت دوم فرکانس,

ملخص المقالة :

با توجه به نفوذ منابع انرژی تجدیدپذیر و توربین های باد در سیستم های قدرت، اهمیت این منابع در حفظ و کمک به کنترل فرکانس برای افزایش سطح حداقل فرکانس (FN) در شرایط گذرای سیستم بسیار معنادار و لازم خواهد بود. این مقاله برای پشتیبانی فرکانس سیستم و حذف افت دوم فرکانس و همچنین بازیابی سرعت روتور توربین باد مبتنی بر ژنراتور القایی دوسو تغذیه (DFIG) یک طرح پیشنهاد می کند. در این طرح به محض تشخیص اختلال، مرجع توان به صورت خودکار و تابعی از دو پارامتر تغییرات فرکانس سیستم و سرعت روتور توربین باد مبتنی بر حد گشتاور افزایش می یابد و سپس با همین دو پارامتر برای وادار کردن سرعت روتور به همگرا شدن به یک محدوده عملیاتی پایدار، مرجع توان کاهش می‌یابد تا جائی که توان الکتریکی از توان مکانیکی به صورت شیب ملایم و نه پله ای کمتر شده و منجر به بازیابی سریع سرعت روتور می گردد و در تمام مدت پشتیبانی از فرکانس، خواص مشخصه ردیابی نقطه بیشینه توان (MPPT) حفظ شده تا در صورت تغییرات در سرعت باد به بهبود بهتر فرکانس سیستم کمک کند. نتایج شبیه سازی در نرم افزار متلب بر اساس سیستم آزمون نشان می دهد طرح پیشنهادی به خوبی توانسته است فرکانس سیستم را بدون ایجاد افت دوم در فرکانس بهبود بخشد و سرعت روتور را به خوبی و سریع بازیابی کند.

المصادر:

[1] H.R. Chamorro, F.R.S. Sevilla, F. Gonzalez-Longatt, K. Rouzbehi, H. Chavez, V.K. Sood, "Innovative primary frequency control in lowinertia power systems based on wide-area RoCoF sharing", IET Energy Systems Integration, vol. 2, no. 2, pp. 151-160, June 2020 (doi: 10.1049/iet-esi.2020.0001).

[2] N. Al-Masood, M. N. H. Shazon, S.R. Deeba, S.R. Modak, "A frequency and voltage stability-based load shedding technique for low inertia power systems", IEEE Access. vol. 9, May 2021 (doi: 10.1109/AC­CESS.2021.3084457).

[3] J.V. Vyver, J.D.M. Kooning, B. Meersman, L. Vandevelde, T.L. Vandoorn, "Droop control as an alternative inertial response strategy for the synthetic inertia on wind turbines", IEEE Trans. on Power Systems, vol. 31, no. 2, pp. 1129–1138, Mar. 2016 (doi: 10.1109/TPWRS.2015.2417758)

[4] M.M. Kabsha, Z.H. Rather, "A New Control Scheme for Fast Frequency Support from HVDC connected offshore wind farm in low inertia system", IEEE Trans. on Sustainable Energy, vol. 11, no. 3, pp. 1829-1837, July 2020 (doi: 10.1109/TSTE.2019.2942541).

[5] M. Tsili, S. Papathanassiou, "A review of grid code technical requirements for wind farms", IET Renewable Power Generation, vol. 3, no. 3, pp. 308–332, Sept. 2009 (doi: 10.1049/iet-rpg.2008.0070).

[6] M. Debouza, A. Al-durra, "Grid ancillary services from doubly fed induction generator based wind energy conversion system: A review", IEEE Access, vol. 7, pp. 7067–7081, Dec. 2018 (doi: 10.1109/ACCE­SS.2­01­8.­2­­890168).

[7] M. Mehrabankhomartash, M. Saeedifard, A. Yazdani, "Adjustable wind farm frequency support through multi-terminal HVDC grids", IEEE Trans. on Sustainable Energy, vol. 12, no. 2, April 2021 (doi: 10.110­9/TS­TE.20­21.3049762).

[8] R.G. Almeida, J.A.P. Lopes, "Participation of doubly fed induction wind generators in system frequency regulation", IEEE Trans. on Power Systems, vol. 22, no. 3, pp. 944–950, Aug. 2007 (doi: 10.1109/TPW­RS.2­007.901096).

[9] G. Ramtharan, J.B. Ekanayake, N. Jenkins, "Frequency support from doubly fed induction generator wind turbines", IET Renewable Power Generation, vol. 1, no. 1, pp. 3–9, Mar. 2007 (doi: 10.1049/iet-rpg: 2006­0019).

[10] J. Morren, S.W.H. Haan, W.L. Kling, J.A. Ferreira, "Wind turbines emulating inertia and supporting primary frequency control", IEEE Trans. on Power System, vol. 21, no. 1, pp. 433–434, Feb. 2006 (doi: 10.1­10­9/TPWRS.2005.861956).

[11] P.K. Keung, P. Li, H. Banakar, B.T. Ooi, "Kinetic energy of wind-turbine generators for system frequency support", IEEE Trans. on Power Systems, vol. 24, no. 1, pp. 279–287, Feb. 2009 (doi: 10.1109/TPW­RS.2­00­8.2004827).

[12] K. Liu, Y. Qu, H.M. Kim, H. Song, "Avoiding frequency second dip in power unreserved control during wind power rotational speed recovery", IEEE Trans. on Power Systems., vol. 33, no. 3, pp. 3097–3106, May 2018 (doi: 10.1109/TPWRS.2017.2761897).

[13] J. Lee, G. Jang, E. Muljadi, F. Blaabjerg, Z. Chen, Y. Cheol Kang, "Stable short-term frequency support using adaptive gains for a DFIG-based wind power plant", IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 31, no. 3, pp. 1068–1079, Sept. 2016 (doi: 10.1109/TEC.2016.2532366).

[14] Y.K. Wu, W.H. Yang, Y.L. Hu, P.Q. Dzung, "Frequency regulation at a wind farm using time-varying inertia and droop controls", Proceeding of the IEEE/IAS, pp. 1–9, Niagara Falls, ON, Canada, May 2018 (doi: 10.1109/ICPS.2018.8369978).

[15] M. Hwang, E. Muljadi, G. Jang, Y.C. Kang, "Disturbance-adaptive short-term frequency support of a DFIG associated with the variable gain based on the ROCOF and rotor speed", IEEE Trans. on Power Systems, vol. 32, no. 3, pp. 1873–1881, May 2017 (doi: 10.1109/TPWRS.2016.2592535).

[16] X. Zhao, Y. Xue, X.P. Zhang, "Fast frequency support from wind turbine systems by arresting frequency nadir close to settling frequency", IEEE Open Access Journal of Power and Energy, vol. 7, pp. 191–202, May 2020 (doi: 10.1109/OAJPE.2020.2996949).

[17] M. Garmroodi, G. Verbic, D. J. Hill, "Frequency support from wind turbine generators with a time-variable droop characteristic", IEEE Trans. on Sustainable Energy, vol. 9, no. 2, pp. 676–684, April 2018 (doi: 10.1109/TSTE.2017.2754522).

[18] D. Yang, J. Kim, Y. Cheol Kang, E. Muljadi, N. Zhang, J. Hong, S.H. Song, T. Zheng, "Temporary frequency support of a DFIG for high wind power penetration", IEEE Trans. on Power Systems, vol. 33, no. 3, pp. 3428–3437, May 2018 (doi: 10.1109/TPWRS.2018.2810841).

[19] M. Kang, K. Kim, E. Muljadi, J.W. Park, Y.C. Kang, "Frequency control support of a doubly-fed induction generator based on the torque limit", IEEE Trans. on Power Systems, vol. 31, no. 6, pp. 4575−4583, Nov. 2016 (doi: 10.1109/TPWRS.2015.2514240).

[20] M.Č. Bošković, T.B. Šekara, M.R. Rapaić, "Novel tuning rules for PIDC and PID load frequency controllers considering robustness and sensitivity to measurement noise", Electrical Power and Energy Systems, vol. 114, Article Number: 105416, Jan. 2020 (doi: 10.1016/j.ijepes.2019.105416).

[21] T. Ujjwol, S. Dipesh, M. Manisha, P.B. Bishnu, M.H. Timothy, T. Reinaldo, "Virtual inertia: Current trends and future directions", Applied. Sciences. vol. 7, no. 7, June 2017 (doi: 10.3390/app7070654).

[22] M. Hong, H. Xin, W. Liu, Q. Xu, T. Zheng, D. Gan, "Critical short circuit ratio analysis on DFIG wind farm with vector power control and synchronized control", Journal of Electrical Engineering and Technology, vol. 11, no. 2, pp. 320−328, Mar. 2016 (doi: 10.5370/JEET.2016.11.2.320).

[23] M.R. Moradian, A. Soltani-Mohammadi, "A new control system for a dual stator-winding cage rotor induction generator in direct grid connected condition with maximum power point tracking of wind turbine", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 9, no. 35, pp. 3-10, Nov. 2019 (dor: 20.1001.1.23223871.1397.9.35.1.4).

[24] D. Bustan, H. Moodi, "Adaptive interval type-2 fuzzy controller for variable-speed wind turbine", Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, vol. 10, no. 2, pp. 524−530, Mar. 2022 (doi: 10.35833/MPC­E.2019­.000374).

[25] M. Fooladgar, E. Rok-Rok, B. Fani, G. Shahgholian, "Evaluation of the trajectory sensitivity analysis of the DFIG control parameters in response to changes in wind speed and the line impedance connection to the grid DFIG", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 5, no. 20, pp. 37-54, March 2015 (dor: 20.1001.1.23223871.1393.5.20.4.9).

[26] K. Khani, G. Shahgholian, B. Fani, M. Moazzami, M. Mahdavian, M. Janghorbani, “A comparsion of different structures in wind energy conversion systems”, Proceeding of the IEEE/ECTICON, Phuket, Thailand, pp. 58-61, June 2017 (doi: 10.1109/ECTICon.2017.8096172).

[27] B. Boukhezzar, H. Siguerdidjane, "Nonlinear control of a variabl-speed wind turbine using a two-mass model", IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 26, no. 1, pp. 149−162, Mar. 2011 (doi: 10.1109/TEC.201­0­.2­0­90155)

[28] L. Guo, M. Yin, C. Cai, Y. Xie, Y. Zou, "Optimal decreased torque gain control for maximum wind energy extraction under varying wind speed", Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, vol. 11, no. 3, pp. 853−862, May. 2023 (doi: 10.35833/MPCE.2021.000274).