در این مقاله جنبههای مختلف فنی و به خصوص قابلیت گذار از ولتاژ کم انواع توربینهای بادی رایج شامل توربین بادی سرعت ثابت، توربین بادی دارای ژنراتور القایی دو تحریکه و توربین بادی دارای مبدل الکترونیک قدرت با ظرفیت کامل با یکدیگر مقایسه میشود. سپس این توربین-ژنراتورها با ژنراتور القایی دو تحریکه بدون جاروبک که اخیرا جهت کاربرد در توربینهای بادی مطرح شدهاند، مقایسه میشوند. قابلیت گذار این نوع ژنراتورها با کمک شبیه سازی در حوزه زمان بررسی میشود.
- مقایسه کلی BDFIG و سایر توربین ژنراتورهای بادی
توربینهای بادی سرعت ثابت مزایایی از قبیل سادگی، قابلیت اطمینان بالا و هزینه ساخت و بهرهبرداری پایین دارند. عیب عمده آنها پایین بودن بازدهی به علت کارکرد در سرعت تقریبا ثابت در سرعتهای مختلف باد است.
جهت رفع نقیصه فوق، توربینهای بادی سرعت متغیر طراحی شدهاند که با تنظیم سرعت چرخش رتور در سرعتهای مختلف باد، بیشترین توان ممکن را در یک محدوده مشخص از باد جذب میکنند. دو نوع پرکاربرد این توربینها، توربینهای بادی دارای مبدل با ظرفیت کامل و توربینهای بادی دارای ژنراتور القایی دو تحریکه (DFIG) هستند.
رایج ترین نوع توربین نصب شده در سالهای اخیر، نوع سرعت متغیر دارای DFIG است. این ژنراتور به دلیل کارکرد سرعت متغیر بازدهی خوبی دارد و در ضمن، توان مبدل الکترونیک قدرت به کار رفته در آن حدود ۳۰ درصد توان ژنراتور است. اما این نوع ژنراتور نیز مشکلاتی از قبیل استفاده از جاروبک و حلقههای لغزان دارد که باعث کاهش قابلیت اطمینان آن و نیاز بیشتر به تعمیر و نگهداری میشود. این مساله به خصوص در مورد توربین های بادی نصب شده در دریا و مناطق دور از دسترس بسیار مهم است.
برای رفع مشکلات مذکور، اخیرا ژنراتور القایی دوتحریکه بدون جاروبک (=BDFIG) مورد توجه قرار گرفته است. همانگونه که در شکل (۱) نشان داده شده است، استاتور BDFIG دارای دو سیمپیچی سه فاز مستقل است. یکی از این سیمپیچیها به صورت مستقیم به شبکه متصل میشود و در نتیجه دارای فرکانس ثابت شبکه است. بخش عمده تبادل توان توسط آن انجام میشود و از این رو سیمپیچی توان (PW) نامیده میشود. سیمپیچی دیگر از طریق یک مبدل فرکانسی دوسویه با ظرفیت کسری به شبکه متصل میشود. کنترل گشتاور یا سرعت و همچنین کنترل ولتاژ یا توان راکتیو PW، از طریق تنظیم جریان این سیمپیچی صورت میپذیرد و به همین علت، به سیمپیچی کنترل (CW) موسوم است. فرکانس جریان این سیمپیچی به گونهای تنظیم میشود که سرعت رتور مورد نظر به دست آید.
سیم پیچی رتور (RW) BDFM ساختار خاصی دارد و تا کنون طرحهای متنوعی برای آن پیشنهاد و آزمایش شده است که شناخته شده ترین آنها “رتور حلقه تودرتو” یا “رتور حلقه آشیانهای” است .. در شکل (۲) نمونه ای از آن نشان داده شده است.
در مقایسه با توربین بادی سرعت ثابت، توربین بادی دارای BDFIG به دلیل قابلیت کارکرد سرعت متغیر دارای بازدهی بیشتری خواهد بود. همچنین، امکان تنظیم ضریب توان و حتی تزریق توان راکتیو به شبکه توسط BDFIG وجود خواهد داشت.
توربین بادی سرعت متغیر دارای مبدل با ظرفیت کامل نیز گرچه بازدهی بالایی دارد، اما هزینه تمام شده قابل توجهی خواهد داشت، چرا که توان مبدل الکترونیک قدرت بین ژنراتور و شبکه باید حداقل برابر توان نامی ژنراتور باشد. بنابراین در مقایسه با این نوع توربین، توربین بادی دارای BDFIG هزینه تمام شده کمتری خواهند داشت.
DFIG و BDFIG دارای مزایای مشترک زیر هستند:
- کارکرد سرعت متغیر در فرکانس ثابت شبکه که منجر به افزایش بازدهی توربین میشود؛
- بهرهگیری از مبدل الکترونیک قدرت دارای ظرفیت کسری که باعث اقتصادی بودن سیستم میگردد؛
- قابلیت کنترل توان راکتیو در حالتهای پسفازی و پیشفازی بنا به نیاز شبکه.
در عین حال، تفاوتهای قابل توجهی در ساختار و نحوه عملکرد دو ژنراتور وجود دارد. مزیتهای ناشی از این تفاوتها برای BDFIG عبارتند از:
- BDFIG فاقد جاروبک است. بنابراین قابلیت اطمینان بیشتر و نرخ خرابی کمتری خواهد داشت [۴]؛
- رتور حلقه آشیانهای BDFIG میتواند از نوع قفسی باشد، در حالی که رتور DFIG حتما باید از نوع سیمبندی شده باشد. این مسئله به معنای استحکام بیشتر رتور BDFIG است؛
- به صورت نوعی، سرعت نامی BDFIG های ساخته شده از DFIGهای رایج کمتر است. در نتیجه، نسبت دور چرخدنده واسط بین توربین و ژنراتور کمتر خواهد بود. بنابراین، از حجم و وزن ناسل توربین کاسته میشود؛
همچنین، میتوان از موارد زیر به عنوان معایب BDFIG های ساخته شده تا کنون در مقایسه با DFIG نام برد:
- MMF رتورهای ساخته شده برای BDFIG دارای هارمونیکهای فضایی قابل توجهی است که باعث ایجاد گشتاورهای نوسانی و درنتیجه سر وصدای بیشتر و کاهش بازدهی میشود؛
- به ازای ظرفیت یکسان، BDFIG تا حدودی حجم و وزن بیشتری نسبت به DFIG دارد [۵]؛
- ساختمان و عملکرد BDFIG پیچیدهتر است و بر خلاف DFIG، برای بسیاری از بهرهبرداران و سازندگان ناشناخته است.
البته در صورت پیشرفت در طراحی BDFIG و به خصوص رتور آن میتوان امیدوار بود که موارد فوق تا حدود زیادی مرتفع گردد.
- مقایسه قابلیت گذار از ولتاژِ کم BDFIG و انواع توربینهای بادی
مسئله بسیار مهم دیگر، قابلیت گذار از ولتاژ کم (LVRT) توربینهای بادی است. LVRT بدین معنی است که توربین-ژنراتورهای بادی باید بتوانند در هنگام بروز افت ولتاژ در سیستم قدرت متصل به شبکه باقی بمانند. علاوه بر این، توربینهای بادی باید قادر به تولید توان راکتیو در حین افت ولتاژ در شبکه باشند.
توربینهای بادی سرعت ثابت دارای ژنراتور القایی هستند که توان راکتیو مصرف میکنند، مگر اینکه با بانک خازنی مجهز شوند. در توربین بادی دارای مبدل با ظرفیت کامل، گرچه شبکه و ژنراتور توسط مبدل تقریبا از هم ایزوله شدهاند، اما به علت از دست رفتن توازن بین توان اکتیو تولیدی ژنراتور و توان اکتیو قابل تزریق به شبکه در هنگام افت ولتاژ، ولتاژ لینک DC ممکن است به اندازهای افزایش یابد که به مبدل آسیب بزند.
توربینهای بادی دارای DFIG با مشکلات فراوانی در حین افت ولتاژ پایانه از جمله جریانهای گذرای شدید در رتور، افزایش ولتاژ لینک DC، نوسانات گشتاور و عدم توانایی جهت تامین توان راکتیو مورد نیاز روبرو هستند [۶]،[۷].
در مقایسه با DFIG، BDFIG دارای قابلیت گذار از ولتاژ کم بهتری خواهد بود. دلیل عمده این مسئله، اندوکتانس نشتی بالای رتور آن است که باعث افزایش امپدانس گذرا در حین افت ولتاژ پایانه ژنراتور شده، جریان گذرا را تا حدود زیادی کاهش میدهد. خاطر نشان میسازد که اندوکتانس نشتی زیاد رتور ناشی از ساختار غیر معمول آن است که البته جهت حصول کارکرد سنکرون آن اجتناب ناپذیر است.
در شکل (۳)، نتایج شبیهسازی افت ولتاژ در حوزه زمان برای یک BDFIG نشان داده شده است. افت ولتاژ ۱۰۰ درصدی در پایانه ژنراتور و در بیشترین سرعت ممکن رتور (بدترین شرایط) اعمال شده است. همانگونه که مشاهده میشود، پیک جریان سیمپیچ کنترل حدود ۷۲/۰ پریونیت بیشتر از مقدار بیشینه قابل تحمل (۲ پریونیت) است. طبق شکل (۴)، اگر حدود ۳۶ درصد به ظرفیت ولتاژ مبدل افزوده شود، جریان سیمپیچ کنترل کمتر از ۲ پریونیت میشود.
نتیجه گیری
در این مقاله نشان داده شد که تنها با چند درصد افزایش ولتاژ مبدل، BDFIG قادر به تامین نیازمندیهای LVRT خواهد بود. در نتیجه، با توجه به بازدهی بالا، استفاده از مبدل با ظرفیت کسری، حذف جاروبک و قابلیت LVRT قابل قبول، میتوان امیدوار بود که BDFIG بتواند سهم خوبی را در توربینهای بادی نسل آینده از آن خود کند.