پايان نامه كنترل توربين هاي بادي مجهز به ژنراتورسنكرون با آهنرباي دائم به منظور استحصال توان با استفاده ازمبدل هاي منبع امپدانسي

پايان نامه كنترل  توربين هاي بادي مجهز به ژنراتورسنكرون با آهنرباي دائم به منظور استحصال توان با استفاده ازمبدل هاي منبع امپدانسي

چكيده

در سال هاي  گذشته با توجه به مزيتهاي ژنراتور  سنكرون آهن رباي دايم(PMSG) از جمله حجم و وزن كم بازدهي بالا و حذف جعبه دنده از اين نوع ژنراتور در توربين هاي بادي استفاده شده است.در اين پروژه استفاده از ژنراتور سنكرون (PMGS) با اينورتر منبع امپدانسي (Z-Source) در توربين هاي بادي با سرعت متغيير پيشنهاد شده است.و كنترل و تحويل حداكثر توان به شبكه به طور هم زمان از مشخصه ي  اينورتر z-source ميباشد.كه دو متد كنترل ولتاژ خازن و كنترل ولتاژلينك dc پيشنهاد شده و عملكرد سيستم بر اساس اين اينورتر از لحاظ كيفيت توان و سوئچينگ مقايسه شده  و با توجه به اينكه سوئچينگ سبب ريپل جريان سلف و در كل  اعوجاج هارمونيكي جريان را به وجود مي آورد نتايج استخراج شده و كارآيي مبدل پيشنهادي توسط شبيه سازي بررسي شده است.

فهرست عناوين

فصل اول(مقدمه)

فصل دوم

1.2 تعريف توربين بادي.. 3

2.2 كاربرد توربينهاي بادي.. 3

1.2.2 كاربردهاي غير نيروگاهي.. 3

2.2.2 كاربردهاي نيروگاه 3

3.2 انواع توربينهاي  بادي.. 3

1.3.2تقسيم بندي از نظراندازه 4

2.3.2 تقسيم بندي توربينهاي بادي از نظر استقرار. 5

4.2 عملكرد توربين بادي.. 6

5.2 ساختمان پره هاي توربين بادي.. 8

6.2 مقايسه  تاثير نيروي باد بر توربين‌هاي عمودي و افقي.. 9

2.7 تنظيم دور توربين هاي بادي.. 10

2.8تنظيم دور توربين‌هاي بادي.. 11

2.9قرار دادن توربين در جهت باد. 13

10.2 كاركرد توربين‌هاي بادي د ر انواع بادها 13

2-11- انرژي دريافتي از توربين. 15

12.2توان پتانسيل توربين. 17

13.2 ضريب يكپارچگي.. 18

14.2ضريب سرعت نوك... 18

2-15نيروگاه برق بادي.. 19

2-16قسمتهاي نيروگاه بادي.. 20

2-17- اجزاء اصلي نيروگاه بادي محور افقي.. 23

2-18اجزاء مختلف يك توربين بادي ساخت ايران. 26

فصل سوم

1.2.3تعريف ژنراتور. 30

2.2.3 تعريف سنكرون. 30

3.2.3   تعريف سنكرون كردن. 31

3.3قسمت هاي تشكيل دهنده ي ژنراتور: 31

4.3.3  انواع روتور ژنراتور،بسته به نوع وسيله گرداننده 33

4.3   اساس كار ژنراتور سنكرون. 34

5.3  اصل فيزيكي مرتبط با عملكرد ژنراتورها 34

6.3   فاكتور هاي تاثير در اختلاف ولتاژ دروني و ولتاژ بيروني.. 34

7.3   مولد هاي AC يا آلترناتورها: 35

1.7.3   ژنراتور ها با ولتاژ بالا. 35

8.3  بررسي روشهاي مختلف توليد قدرت.. 36

1.8.3ژنراتور سنكرون. 37

2.8.3    ژنراتورهاي القايي.. 43

1.2.8.3  مزاياي ژنراتورهاي القايي.. 44

2.2.8.3 معايب ژنراتورهاي القايي.. 44

3.8.3  ژنراتورهاي مغناطيسي دائم. 45

10.3 طراحي ژنراتور. 46

1.10.3  طراحي ژنراتور مغناطيس دائم. 46

1.1.10.3 ابعاد مغناطيس دائم. 47

2.1.10.3  ابعاد استاتور و روتور. 48

3.1.10.3 سيم بندي استاتور. 49

11.3حفاظت ژنراتور. 50

1.11.3 حفاظت در برابر خطاهاي داخلي.. 50

2.11.3  حفاظت در برابر خطرات خارجي.. 51

12.3   انواع سيستم تحريك ژنراتورسنكرون. 52

1.12.3  تحريك استاتيكي.. 52

2.12.3  تحريك ديناميكي.. 52

13.3  تنظيم كننده فركانس مولد( گاور نر )Governor. 52

فصل چهارم

2.4عملكرد  Z-Source Inverter  58

1.2.4.محاسبه ولتاژ لينك dc. 59

2.2.4 محاسبه دامنه ولتاژخروجي اينوتر. 61

3.4  روش هاي كليد زني  Z-Source Inverter. 62

1.3.4  روش هاي ساده مدولاسيون عرض پالس(PWM) 62

2.3.4. روش افزايش حداكثر. 64

4.4 مقايسه Z-Source Inverter،اينورتر دوطبقه با مبدل بوست و اينورتر معمولي.. 70

1.4.4توان المان كليدزني(SDP) 71

2.4.4 عناصر ذخيره كننده‌انرژي.. 73

3.4.4 قابليت اطمينان. 75

فصل پنجم

2.5  كنترل سيستم. 83

1.2.5  كنترل توان تزريقي به شبكه. 83

2.2.5كنترل حدكثر توان تحويلي (MPPT) 84

1.3.5نماي كلي شبيه سازي شده 87

1.1.3.5  نماي داخل توربين بادي.. 88

2.1.3.5 نماي داخل بلوك شفت : 89

3.1.3.5  مدل توربين. 90

2.3.5 نتايج شبيه سازي: 90

1.2.3.5 سرعت روتور بر حسب rad/sec : 90

2.2.3.5  توان مكانيكي توليدي : 91

3.2.3.5  ولتاژ خروجي توربين. 92

4.2.3.5  جريان خروجي.. 92

5.2.3.5 توان خروجي توربين بادي.. 93

فهرست جداول

شكل 2-1- تقسيم بندي توربين‌هاي بادي از نظر اندازه[5]......... 4

شكل 2-2- توربين بادي محور عمودي[1]................................................... 5

شكل 2-3 نمايي از توربين بادي محور افقي نيروگاه منجيل[1] 6

شكل 2-4- استفاده از نيروي باد براي ابكشي از چاه[2]........... 7

شكل 2-5- شماي توربين بادي با محور قائم و دو پره قابل برگشت [2]       7

شكل 2-6- نمايي از نيروي آيروديناميكي بر روي پره[2]........... 8

شكل 2-7- ساختمان پره هاي توربين هاي بادي [2].......................... 9

شكل 2-8- انواع توربين‌هاي بادي با محور افقي و قائم[1].... 10

شكل 2-9- بارهاي وارد بر پره يك توربين بادي افقي[ 1]...... 11

شكل 2-10- روشهاي تنظيم كردن توربين بادي[1]............................. 11

شكل 2-11- مكانيزم تغير زاويه پره[1]............................................... 12

شكل 2-12- تاثير ارتفاع در سرعت و انرژي دريافتي از باد[7]            14

جدول 2-2- نسبت انرژي توليدي به سرعت باد در شرايط استاندارد[5]           15

شكل 2-13- نمودار دريافت انرژي با افزايش سرعت[5]................. 16

شكل 2-14- توزيع مدت زمان وزش باد در سرعت‌هاي مختلف[5].... 16

شكل 2-15- توزيع انرژي توليد شده توسط بادهاي با سرعت‌هاي متفاوت در طول يكسال[5]........................................................................................ 17

شكل 2-16- شماي سطح جارو شده توربين ساونيوس و توربين بادي با محور افقي[1].................................................................................................... 18

شكل 2-17- نمودار گشتاور راه اندازي به ضريب سرعت نوك 3 نوع توربين بادي[1].................................................................................................... 19

شكل 2-18- نمودار ضريب يكپارچگي به ضريب سرعت نوك 4 نوع توربين بادي[1]   19

شكل 2-19- قسمت‌هاي عمده نيروگاه بادي[1]....................................... 21

شكل 2-20- شماتيك عملكرد نيروگاه بادي[6]..................................... 23

شكل 2-21- اجزاي اصلي تشكيل دهنده نيروگاه بادي محور افقي[8]     23

شكل 2-22- توربين بادي ساخت ايران[3]............................................... 27

شكل3-1 قسمتهاي تشكيل دهنده ژنراتور[1]......................................... 31

شكل 3-2- مدار معادل يك فاز از يك ژنراتور سه فاز سنكرون 37

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

شكل 3-4- دياگرام فازوري يك فاز از ژنراتور سه فاز سنكرون 39

شكل 3-5- جريان قدرت ژنراتورac  بصورت تابعي از زاويه قدرت 40

شكل 3-6- دياگرام سيم‌بندي براي يك موتور القايي سه فاز.... 43

شكل 3-7- مدار معادل يك فاز از يك موتور القايي سه فاز.... 44

شكل 3-8- ژنراتور مغناطيسي دائم متصل به بار مقاومتي.......... 45

شكل3-9:ماشين مغناطيس دائم سطحي روتور خارجي............................. 48

شكل3-10: ولتاژ القايي بي باري براي سرعت  هاي چرخش متفاوت           50

شكل 2-4:ساختار دو طبقه براي كاربردهايي كه ولتاژdcورودي محدود دارد   56

شكل 4-3 اينورتر منبع جريان..................................................................... 56

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

شكل 5-4 :Z-Source Inverter با ورودي منبع ولتاژ.................................... 58

شكل4-6:مدار معادل مبدل از ديد شبكه امپدانسي.......................... 59

شكل 4-7:مدار معادل از ديد شبكه امپدانسيدر حالتSHT............. 59

شكل 4-8:مدار معادل از ديد شبكه امپدانسي در حالت NSHT..... 59

شكل4-10:روش ساده ايجاد پالس هاي گيتZ-Source Inverter[16].......... 63

شكل 3-11:بهره مبدل در روش مدولاسين ساده بر حسب ضريب مدولاسيون[16]     64

شكل4-12 استرس ولتاژ كليد بر حسب بهره مبدل در روش ساده مدولاسيون[17]   64

شكل 4-13:روش افزايش حداكثر [17]......................................................... 65

شكل 4-14:بهره مبدل نسبت به ضريب مدولاسيون در روش افزايش حداكثر[17]   66

شكل4-15:استرس ولتاژ كليد بر حسب بهره مبدل در روش افزايش حداكثر[16]   66

شكل 4-16:روش افزايش ثابت حداكثر [18]............................................ 67

شكل4-17 بهره مبدل نسبت به ضريب مدولاسيون در روش افزايش ثابت حداكثر[18]............................................................................................. 68

شكل 4-18:مقايسه استرس ولتاژكليدها در سه روش مدولاسيون[18]            68

شكل4-19: روش مدولاسيون Z-Sourcw Inverter،بهينه شده از لحاظ تلفات كليدزني[19]........................................................................................... 69

شكل4-20:شكل موج فرمان كليدها در روش بهينه شده[19]............ 69

شكل 4-21 مبدل‌هاي مورد مقايسه................................................................ 71

شكل 4-22 مقايسه SDPدر سه مبدل[20]..................................................... 73

جدول4-1 مقايسهSDPسه مبدل........................................................................... 75

جدول4-2 مقايسه سلف و خازن مورد نياز سه مبدل.......................... 75

شكل4-23 مقايسه بازده سه مبدل[20]...................................................... 76

شكل4-24 بازده اندازه‌گيري شدهz-source Inverter[20]............................ 76

شكل 1-5: نماي كلي z-source Inverter.............................................................. 79

شكل 5-2 نماي شبيه سازي شده در متلب................................................. 79

نمودارهاي  اينورتر  z-source Inverter........................................................... 80

شكل 5-3 نمودار هاي z-source Inverter............................................................ 80

شكل5-4 سيگنال سوئيچينگ............................................................................... 81

شكل5-5 rms ولتاژ خروجي.................................................................................. 81

شكل5-6 سگنال خروجي......................................................................................... 82

شكل5-7: ساختار سيستم كنترلي.................................................................. 83

شكل5-8   سرعت روتور...................................................................................... 85

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

جدول 5-2: پارامترهاي شبيه سازي........................................................... 86

شكل 5-9: ساختار كلي شبيه سازي شده................................................... 87

شكل5-10:نماي داخلي توربين....................................................................... 88

5-4: نماي واقعي سيستم................................................................................. 89

شكل 5-11:نماي داخلي بلوك شيفت............................................................. 89

شكل5-12:مدل توربين......................................................................................... 90

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

5-14: نمودار توان مكانيكي توليدي...................................................... 91

شكل5-15:  نمودار ولتاژ خروجي توربين.............................................. 92

شكل5-16: نمودار جريان خروجي.................................................................. 92

‏شكل 5-17 :توان خروجي توربين بادي...................................................... 93