پایان نامه کنترل توربین های بادی مجهز به ژنراتورسنکرون با آهنربای دائم به منظور استحصال توان با استفاده ازمبدل های منبع امپدانسی

پایان نامه کنترل  توربین های بادی مجهز به ژنراتورسنکرون با آهنربای دائم به منظور استحصال توان با استفاده ازمبدل های منبع امپدانسی

چکیده

در سال های  گذشته با توجه به مزیتهای ژنراتور  سنکرون آهن ربای دایم(PMSG) از جمله حجم و وزن کم بازدهی بالا و حذف جعبه دنده از این نوع ژنراتور در توربین های بادی استفاده شده است.در این پروژه استفاده از ژنراتور سنکرون (PMGS) با اینورتر منبع امپدانسی (Z-Source) در توربین های بادی با سرعت متغییر پیشنهاد شده است.و کنترل و تحویل حداکثر توان به شبکه به طور هم زمان از مشخصه ی  اینورتر z-source میباشد.که دو متد کنترل ولتاژ خازن و کنترل ولتاژلینک dc پیشنهاد شده و عملکرد سیستم بر اساس این اینورتر از لحاظ کیفیت توان و سوئچینگ مقایسه شده  و با توجه به اینکه سوئچینگ سبب ریپل جریان سلف و در کل  اعوجاج هارمونیکی جریان را به وجود می آورد نتایج استخراج شده و کارآیی مبدل پیشنهادی توسط شبیه سازی بررسی شده است.

فهرست عناوین

فصل اول(مقدمه)

فصل دوم

1.2 تعریف توربین بادی.. 3

2.2 كاربرد توربینهای بادی.. 3

1.2.2 كاربردهای غیر نیروگاهی.. 3

2.2.2 كاربردهای نیروگاه 3

3.2 انواع توربینهای  بادی.. 3

1.3.2تقسیم بندی از نظراندازه 4

2.3.2 تقسیم بندی توربینهای بادی از نظر استقرار. 5

4.2 عملکرد توربین بادی.. 6

5.2 ساختمان پره های توربین بادی.. 8

6.2 مقایسه  تاثیر نیروی باد بر توربین‌های عمودی و افقی.. 9

2.7 تنظیم دور توربین های بادی.. 10

2.8تنظیم دور توربین‌های بادی.. 11

2.9قرار دادن توربین در جهت باد. 13

10.2 کارکرد توربین‌های بادی د ر انواع بادها 13

2-11- انرژی دریافتی از توربین. 15

12.2توان پتانسیل توربین. 17

13.2 ضریب یکپارچگی.. 18

14.2ضریب سرعت نوک... 18

2-15نیروگاه برق بادی.. 19

2-16قسمتهای نیروگاه بادی.. 20

2-17- اجزاء اصلی نیروگاه بادی محور افقی.. 23

2-18اجزاء مختلف یک توربین بادی ساخت ایران. 26

فصل سوم

1.2.3تعریف ژنراتور. 30

2.2.3 تعریف سنکرون. 30

3.2.3   تعریف سنکرون کردن. 31

3.3قسمت های تشکیل دهنده ی ژنراتور: 31

4.3.3  انواع روتور ژنراتور،بسته به نوع وسیله گرداننده 33

4.3   اساس کار ژنراتور سنکرون. 34

5.3  اصل فیزیکی مرتبط با عملکرد ژنراتورها 34

6.3   فاکتور های تاثیر در اختلاف ولتاژ درونی و ولتاژ بیرونی.. 34

7.3   مولد های AC یا آلترناتورها: 35

1.7.3   ژنراتور ها با ولتاژ بالا. 35

8.3  بررسی روشهای مختلف تولید قدرت.. 36

1.8.3ژنراتور سنكرون. 37

2.8.3    ژنراتورهای القایی.. 43

1.2.8.3  مزایای ژنراتورهای القایی.. 44

2.2.8.3 معایب ژنراتورهای القایی.. 44

3.8.3  ژنراتورهای مغناطیسی دائم. 45

10.3 طراحی ژنراتور. 46

1.10.3  طراحی ژنراتور مغناطیس دائم. 46

1.1.10.3 ابعاد مغناطیس دائم. 47

2.1.10.3  ابعاد استاتور و روتور. 48

3.1.10.3 سیم بندی استاتور. 49

11.3حفاظت ژنراتور. 50

1.11.3 حفاظت در برابر خطاهای داخلی.. 50

2.11.3  حفاظت در برابر خطرات خارجی.. 51

12.3   انواع سیستم تحریک ژنراتورسنکرون. 52

1.12.3  تحریک استاتیکی.. 52

2.12.3  تحریک دینامیکی.. 52

13.3  تنظیم کننده فرکانس مولد( گاور نر )Governor. 52

فصل چهارم

2.4عملکرد  Z-Source Inverter  58

1.2.4.محاسبه ولتاژ لینک dc. 59

2.2.4 محاسبه دامنه ولتاژخروجی اینوتر. 61

3.4  روش های کلید زنی  Z-Source Inverter. 62

1.3.4  روش های ساده مدولاسیون عرض پالس(PWM) 62

2.3.4. روش افزایش حداکثر. 64

4.4 مقایسه Z-Source Inverter،اینورتر دوطبقه با مبدل بوست و اینورتر معمولی.. 70

1.4.4توان المان کلیدزنی(SDP) 71

2.4.4 عناصر ذخیره کننده‌انرژی.. 73

3.4.4 قابلیت اطمینان. 75

فصل پنجم

2.5  کنترل سیستم. 83

1.2.5  کنترل توان تزریقی به شبکه. 83

2.2.5کنترل حدکثر توان تحویلی (MPPT) 84

1.3.5نمای کلی شبیه سازی شده 87

1.1.3.5  نمای داخل توربین بادی.. 88

2.1.3.5 نمای داخل بلوک شفت : 89

3.1.3.5  مدل توربین. 90

2.3.5 نتایج شبیه سازی: 90

1.2.3.5 سرعت روتور بر حسب rad/sec : 90

2.2.3.5  توان مکانیکی تولیدی : 91

3.2.3.5  ولتاژ خروجی توربین. 92

4.2.3.5  جریان خروجی.. 92

5.2.3.5 توان خروجی توربین بادی.. 93

فهرست جداول

شکل 2-1- تقسیم بندی توربین‌های بادی از نظر اندازه[5]......... 4

شکل 2-2- توربین بادی محور عمودی[1]................................................... 5

شکل 2-3 نمایی از توربین بادی محور افقی نیروگاه منجیل[1] 6

شکل 2-4- استفاده از نیروی باد برای ابکشی از چاه[2]........... 7

شکل 2-5- شمای توربین بادی با محور قائم و دو پره قابل برگشت [2]       7

شکل 2-6- نمایی از نیروی آیرودینامیکی بر روی پره[2]........... 8

شکل 2-7- ساختمان پره های توربین های بادی [2].......................... 9

شکل 2-8- انواع توربین‌های بادی با محور افقی و قائم[1].... 10

شکل 2-9- بارهای وارد بر پره یک توربین بادی افقی[ 1]...... 11

شکل 2-10- روشهای تنظیم کردن توربین بادی[1]............................. 11

شکل 2-11- مکانیزم تغیر زاویه پره[1]............................................... 12

شکل 2-12- تاثیر ارتفاع در سرعت و انرژی دریافتی از باد[7]            14

جدول 2-2- نسبت انرژی تولیدی به سرعت باد در شرایط استاندارد[5]           15

شکل 2-13- نمودار دریافت انرژی با افزایش سرعت[5]................. 16

شکل 2-14- توزیع مدت زمان وزش باد در سرعت‌های مختلف[5].... 16

شکل 2-15- توزیع انرژی تولید شده توسط بادهای با سرعت‌های متفاوت در طول یکسال[5]........................................................................................ 17

شکل 2-16- شمای سطح جارو شده توربین ساونیوس و توربین بادی با محور افقی[1].................................................................................................... 18

شکل 2-17- نمودار گشتاور راه اندازی به ضریب سرعت نوک 3 نوع توربین بادی[1].................................................................................................... 19

شکل 2-18- نمودار ضریب یکپارچگی به ضریب سرعت نوک 4 نوع توربین بادی[1]   19

شکل 2-19- قسمت‌های عمده نیروگاه بادی[1]....................................... 21

شکل 2-20- شماتیک عملکرد نیروگاه بادی[6]..................................... 23

شکل 2-21- اجزای اصلی تشکیل دهنده نیروگاه بادی محور افقی[8]     23

شکل 2-22- توربین بادی ساخت ایران[3]............................................... 27

شکل3-1 قسمتهای تشکیل دهنده ژنراتور[1]......................................... 31

شکل 3-2- مدار معادل یك فاز از یك ژنراتور سه فاز سنكرون 37

شکل 3-3- منبع و بار سه فاز متعادل با اتصال مثلث................ 38

شکل 3-4- دیاگرام فازوری یك فاز از ژنراتور سه فاز سنكرون 39

شکل 3-5- جریان قدرت ژنراتورac  بصورت تابعی از زاویه قدرت 40

شکل 3-6- دیاگرام سیم‌بندی برای یك موتور القایی سه فاز.... 43

شکل 3-7- مدار معادل یك فاز از یك موتور القایی سه فاز.... 44

شکل 3-8- ژنراتور مغناطیسی دائم متصل به بار مقاومتی.......... 45

شکل3-9:ماشین مغناطیس دائم سطحی روتور خارجی............................. 48

شکل3-10: ولتاژ القایی بی باری برای سرعت  های چرخش متفاوت           50

شکل 2-4:ساختار دو طبقه برای کاربردهایی که ولتاژdcورودی محدود دارد   56

شکل 4-3 اینورتر منبع جریان..................................................................... 56

شکل 4-4:z-source Inverter....................................................................................... 57

شکل 5-4 :Z-Source Inverter با ورودی منبع ولتاژ.................................... 58

شکل4-6:مدار معادل مبدل از دید شبکه امپدانسی.......................... 59

شکل 4-7:مدار معادل از دید شبکه امپدانسیدر حالتSHT............. 59

شکل 4-8:مدار معادل از دید شبکه امپدانسی در حالت NSHT..... 59

شکل4-10:روش ساده ایجاد پالس های گیتZ-Source Inverter[16].......... 63

شکل 3-11:بهره مبدل در روش مدولاسین ساده بر حسب ضریب مدولاسیون[16]     64

شکل4-12 استرس ولتاژ کلید بر حسب بهره مبدل در روش ساده مدولاسیون[17]   64

شکل 4-13:روش افزایش حداکثر [17]......................................................... 65

شکل 4-14:بهره مبدل نسبت به ضریب مدولاسیون در روش افزایش حداکثر[17]   66

شکل4-15:استرس ولتاژ کلید بر حسب بهره مبدل در روش افزایش حداکثر[16]   66

شکل 4-16:روش افزایش ثابت حداکثر [18]............................................ 67

شکل4-17 بهره مبدل نسبت به ضریب مدولاسیون در روش افزایش ثابت حداکثر[18]............................................................................................. 68

شکل 4-18:مقایسه استرس ولتاژکلیدها در سه روش مدولاسیون[18]            68

شکل4-19: روش مدولاسیون Z-Sourcw Inverter،بهینه شده از لحاظ تلفات کلیدزنی[19]........................................................................................... 69

شکل4-20:شکل موج فرمان کلیدها در روش بهینه شده[19]............ 69

شکل 4-21 مبدل‌های مورد مقایسه................................................................ 71

شکل 4-22 مقایسه SDPدر سه مبدل[20]..................................................... 73

جدول4-1 مقایسهSDPسه مبدل........................................................................... 75

جدول4-2 مقایسه سلف و خازن مورد نیاز سه مبدل.......................... 75

شکل4-23 مقایسه بازده سه مبدل[20]...................................................... 76

شکل4-24 بازده اندازه‌گیری شدهz-source Inverter[20]............................ 76

شکل 1-5: نمای کلی z-source Inverter.............................................................. 79

شکل 5-2 نمای شبیه سازی شده در متلب................................................. 79

نمودارهای  اینورتر  z-source Inverter........................................................... 80

شکل 5-3 نمودار های z-source Inverter............................................................ 80

شکل5-4 سیگنال سوئیچینگ............................................................................... 81

شکل5-5 rms ولتاژ خروجی.................................................................................. 81

شکل5-6 سگنال خروجی......................................................................................... 82

شکل5-7: ساختار سیستم کنترلی.................................................................. 83

شکل5-8   سرعت روتور...................................................................................... 85

جدول 5-1:پارامترهای PMSG.......................................................................... 86

جدول 5-2: پارامترهای شبیه سازی........................................................... 86

شکل 5-9: ساختار کلی شبیه سازی شده................................................... 87

شکل5-10:نمای داخلی توربین....................................................................... 88

5-4: نمای واقعی سیستم................................................................................. 89

شکل 5-11:نمای داخلی بلوک شیفت............................................................. 89

شکل5-12:مدل توربین......................................................................................... 90

شکل 5-13  نمودار سرعت روتور بر حسب rad/sec................................... 90

5-14: نمودار توان مکانیکی تولیدی...................................................... 91

شکل5-15:  نمودار ولتاژ خروجی توربین.............................................. 92

شکل5-16: نمودار جریان خروجی.................................................................. 92

‏شکل 5-17 :توان خروجی توربین بادی...................................................... 93