بهبود رفتار گذرای توربین‏های بادی مبتنی بر DFIG با به کارگیری استراتژی کنترلی با میرایی فعال

محورهای موضوعی : انرژی های تجدیدپذیر

سعید سلیمانی ¹ (کارشناسی ارشد- اداره آموزش و پرورش شهرستان مبارکه، مبارکه، اصفهان)
بهادر فانی ² (استادیار – دانشکده مهندسی برق، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، اصفهان، ایران)
محمدرضا یوسفی ³ (استادیار – دانشکده مهندسی برق، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، اصفهان، ایران)

تاریخ دریافت : 1393/09/29 تاریخ پذیرش : 1394/09/25 تاریخ انتشار : 1394/11/01

کلید واژه: پهنای باند, توربین بادی, میرایی فعال, ژنراتور القایی با تغذیه دو سو, Foc,

چکیده مقاله :

در این پژوهش ابتدا درباره مشخصات دینامیکی توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی دو سو تغذیه بحث می شود. DFIG نسبت به کمبود ولتاژ پایانه ژنراتور بسیار حساس است. زیرا افت ولتاژ عمیق باعث القای ولتاژ های ضد محرکه ی بزرگ در روتور می شود که این امر منجر به عبور جریان گذرای شدید از روتور و افزایش ولتاژ لینک DC در مبدل قدرت و در نتیجه آسیب دیدن مبدل الکترونیک قدرت می گردد. ولتاژهای نیروی ضد محرکه ی القایی (BACK EMF) در DFIG اثرهای دینامیکی استاتور را روی جریان های دینامیکی روتور منعکس می کند و نقش مهمی روی جریان هجومی روتور در ضمن کمبود ولتاژ ژنراتور دارد. جبران سازی این ولتاژها می تواند قابلیت اتصال به شبکه ژنراتور را بهبود دهد و جریان های گذرای روتور را محدود کند. طرح کنترل خطی به طور مناسب تحت کمبود ولتاژهای بزرگ نمی تواند کار کند، در این مورد از کنترل کننده با میرایی فعال جهت بهبود حالت گذرا و پایداری استفاده می شود. دیدگاه پیشنهاد شده حالت های دینامیکی داخلی را از طریق کنترل ولتاژ روتور پایدار می کند و رفتار دینامیکی DFIG را بعد از برطرف شدن خطا بهبود می بخشد.نتایج حاصل از مطالعات نظری توسط شبیه سازی حوزه زمان کاهش پیک و نوسانات پاسخ گذرای توربین بادی مبتنی بر DFIG را نشان می‌دهند

چکیده انگلیسی:

This paper Analytically investigates the effects of system and controller parameters and operating conditions on the dynamic and transient behavior of wind turbines (WTs) with doubly-fed induction generators (DFIGs) under voltage dips and wind speed fluctuations. Also, it deals with the design considerations regarding rotor and speed controllers. The poorly damped electrical and mechanical modes of the system are identified, and the effects of system parameters, and speed/rotor controllers on these modes are investigated by modal and sensitivity analyses. The results of theoretical studies are verified by time domain simulations. It is found that the dynamic behavior of the DFIG-based WT under voltage dips is strongly affected by the stator dynamics. Further, it is shown that the closed loop bandwidth of the rotor current control, rotor current damping, DFIG power factor and the rotor back-emf voltages have high impact on the stator modes and consequently on the DFIG dynamic behavior. Moreover, it is shown that the dynamic behavior of DFIG-based WT under wind speed fluctuation is significantly dependent on the bandwidth and damping of speed control loop.

منابع و مأخذ:

[1] T. Ackerman, Wind power in power systems. J. Wiley & Sons, Ltd., 2012.

[2] M. Mahdavian, N. Wattanapongsakorn, Gh. Shahgholian, S.H. Mozafarpoor, M. Janghorbani, S.M. Shariatmadar, "Maximum power point tracking in wind energy conversion systems using tracking control system based on fuzzy controller", IEEE/ECTICON, Nakhon Ratchasima, Thailand, 2014.

[3] R. Pena, J.C. Clare, G.M. Asher,  "Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable-speed wind-energy generation", Proceeding of the IEE/EPA, Vol. 143, No. 3, pp. 231-241, May 1996.

[4] Gh. Shahgholian, Kh. Khani, M. Moazzami, "Frequency control in autanamous microgrid in the presence of DFIG based wind turbine", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, Vol. 6, No. 23, pp. 3-12, Autumn 2015 (in Persian).

[5] L. Xu, W. Cheng, "Torque and reactive power control of a doubly fed induction machine by position sensorless scheme", IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 31, No. 3, pp. 636-642, May/June 1995.

[6] M. Fooladgar, E. Rok-Rok, B. Fani, Gh. 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, winter 2015 (in Persian).

[7] T.J. Hammons, "Integrating renewable energy sources into European grids", International Journal of Electrical Power and Energy Systems, Vol. 30, No. 8, pp. 462-475, Oct. 2008.

[8] T. Lobos, J. Rezmer, P. Janik, H. Amarís, M. Alonso, C. Álvarez, "Application of wavelets and Prony method for disturbance detection in fixed speed wind farms", International Journal of Electrical Power and Energy Systems, Vol. 31, No. 9, pp. 429–436, Oct. 2009.

[9] M. Tavoosi, B. Fani, E. Adib, "Stability analysis and control of DFIG based wind turbine using FBC strategy", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, Vol. 4, No. 15, pp. 31-42, Autumn 2013 (in Persian).

[10] J. Lopez, P. Sanchis, X. Roboam, L. Marroyo, "Dynamic behavior of the doubly fed induction generator during three-phase voltage dips", IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 22, No. 3, pp. 709-717, Sep. 2007.

[11] J. Morren, S.W.H. de Haan, "Short-circuit current of wind turbines with doubly fed induction generator", IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 22, No. 1, pp. 174-180, March 2007.

[12] J. LÓpez, E. GubÍa, P. Sanchis, X. Roboam, L.Marroyo, "Wind turbines based on doubly fed induction generator under asymmetrical voltage dips", IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 23, No. 1, pp. 321-330, March 2008.

[13] L. Holdsworth, X.G. Wu, J.B. Ekanayake, N. Jenkins, "Comparison of fixed speed and doubly-fed induction wind turbines during power system disturbances", IEE Proceedings - Generation, Transmission and Distribution, Vol. 150, No. 3, pp. 343-352, May 2003.

[14] M.V.A. Nunes, J.A.P. Lopes, H.H. Zurn, U.H. Bezerra, R.G. Almeida, "Influence of the variable-speed wind generators in transient stability margin of the conventional generators integrated in electrical grids", IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 19, No. 4, pp. 692-701, Dec. 2004.

[15] A.A. El-Sattar, N.H. Saad, M.Z.S. El-Dein, "Dynamic response of doubly fed induction generator variable speed wind turbine under fault", Electric Power Systems Research, Vol. 78, No. 7, pp. 1240-1246, July 2008.

[16] F. Wu, X.P. Zhang, K. Godfrey, P. Ju, "Small signal stability analysis and optimal control of a wind turbine with doubly fed induction generator", IET Generation, Transmission and Distribution, Vol. No. 5, pp. 751–760, 2007.

[17] F. Wu, X. Zhang, K. Godfrey, P. Ju, "Modeling and Control of Wind Turbine with Doubly Fed Induction Generator", Proceeding of the IEEE/PSCE, pp. 1404–1409, Atlanta, GA, Oct./Nov. 2006.

[18] F. Mei, B. Pal, "Modal analysis of grid-connected doubly fed induction generators", IEEE Trans. on Energy Conversio­n, Vol. 22, No. 3, pp. 728-736, Sep. 2007.

[19] F. Mei, B.C. Pal, "Modelling and small-signal analysis of a grid connected doubly-fed induction generator", Proceeding of the IEEE/PES, Vol. 3, pp. 2101 – 2108, June 2005.

[20] Gh. Shahgholian, P. Shafaghi, "State space modeling and eigenvalue analysis of the permanent magnet DC motor drive system", IEEE/ICECT, pp. 63-67, Kuala Lumpur, Malaysia, May 2010.

[21] Gh. Shahgholian, J. Faiz, "The effect of power system stabilizer on small signal stability in single-machine infinite-bus", International Journal of Electrical and Engineering, Vol. 4, No. 2, pp.45-53, 2010.