توربین­های بادی با ژنراتور القایی تغذیه دوگانه (DFIG)^[22]

با گسترش استفاده از انرژی باد و تولید برق بادی، توربین­های بادی متصل به ژنراتور القایی با تغذیه دوگانه به طور گسترده­ای به کار گرفته می­شوند. این ژنراتورها به دلیل ویژگی که در کارکرد با سرعت­های متغیر باد دارند، مورد توجه ویژه قرار می گیرند. با افزایش تأثیر توان بادی این نوع از ژنراتورها در سیستم قدرت و در نتیجه کاهش سهم ژنراتورهای سنکرون در شبکه، کنترل فرکانس سیستم قدرت از اهمیت خاصی برخوردار می­ شود. ژنراتورهای سنکرون به طور طبیعی به تغییرات بار سیستم پاسخ می­ دهند بطوریکه در اثر کاهش فرکانس شبکه، سرعت روتور ژنراتور آن­ها کم شده و سرعت زاویه­ای آن از به خواهد رسید. در این هنگام جسم انرژی جنبشی به اندازه آزاد می­ کند که این انرژی به صورت توان خروجی به شبکه تزریق می­شود. بنابراین برای لحظه­ای توان خروجی ژنراتور در اثر آزاد شدن انرژی جنبشی، بالا خواهد رفت. ارزش این افزایش توان خروجی لحظه­ای، در آن است که در آن لحظه مجموع این افزایش توان­ها تا حدی نیاز شبکه را جبران کرده و مانع از افت شدید و ناگهانی فرکانس می­ شود. اما در ژنراتورهای القایی دو سو تغذیه، ، به واسطه حضور ادوات الکترونیک قدرت، سرعت چرخش توربین بادی از فرکانس شبکه جدا می­گردد و درنتیجه تغییرات فرکانس شبکه توسط روتور ژنراتور دیده نمی­ شود و در نتیجه اینرسی ظاهری سیستم قدرت با افزایش تولید بادی کاهش می­یابد. به عبارت دیگر با افزایش تولید بادی در سیستم، اینرسی شبکه حاصل از ژنراتور سنکرون، کاهش می­یابد. برای رفع این مشکل توربین­ها و مزارع بادی برای حفظ پایداری فرکانسی سیستم باید به گونه ای در کنترل اولیه فرکانس شرکت کنند [۱۳].

مدل دینامیکی توربین باد (DFIG)

برای مطالعات کنترل فرکانس، بحث بر روی حلقه­های کنترل توان حقیقی متمرکز می­ شود. مدل مورد استفاده برای این مطالعات به صورت شکل زیر می­باشد [۱۵و۱۴].
شکل ‏۲‑۷: بلوک دیاگرام مربوط به کنترلرهای توان اکتیو و زاویه­ی گام DFIG
توان مکانیکی ایجاد شده تابعی از سرعت باد، سرعت روتور و زاویه گام می­باشد که به صورت زیر محاسبه می­ شود :

(۲-۱)

در این معادله، چگالی هوا، سرعت باد و ضریب توان است و تابعی از و می­باشد. نسبت سرعت نوک تیغه روتور به سرعت باد می­باشد و زاویه گام پره است.
مشخصه توربین باد می باشد و معمولاً به صورت یک مجموعه از منحنی­های برحسب تهیه می­ شود و در آن بصورت یک پارامتر است. منحنی­های برحسب برای یک نمونه توربین باد جنرال الکتریک در شکل ۲-۸ نشان داده شده است.
شکل ‏۲‑۸: منحنی­های توان باد
برازش منحنی انجام شده برای بدست آوردن نمایش ریاضی منحنی­های به صورت رابطه (۲.۲) می­باشد.

(۲-۲)

برازش منحنی یک تقریب خوب برای مقادیر می­باشد. مقادیر خارج از این بازه، سرعت­های باد خیلی بالا و پایین را نشان می­دهد که خارج از محدوده کارکرد توربین می­باشد با توجه به منحنی های شکل ۲-۸ در توربین های بادی سرعت متغیر، سرعت توربین بسته به میزان سرعت باد به گونه ای کنترل می شود که حداکثر توان ممکن توسط توربین تولید شده و یا به عبارت دیگر نقطه کار روی اوج این منحنی قرار گیرد. از آن جا که اندازه گیری توان الکتریکی ساده تر و دقیقتر از اندازه گیری سرعت باد است، در عمل برای ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT) سرعت مرجع توربین برحسب توان اندازه گیری شده محاسبه می شود. سرعت مرجع به طور نرمال pu 2/1می­باشد. اما برای سطوح توان زیر ۷۵ درصد کاهش می­یابد. سرعت مرجع برای دنبال کردن ماکزیمم توان از باد برای سطوح زیر ۷۵/۰ توان نامی توسط رابطه زیر تعیین می شود:

(۲-۳)

که در این رابطه P توان الکتریکی اندازه گیری شده می­باشد. برای سطوح توان بیشتر از نامی، سرعت روتور توسط گام ملخ کنترل خواهد شد.
مروری بر روش های ردیابی حداکثر توان در توربین های بادی
براساس بررسی انجام شده در مقالات و تحقیقات ارائه شده، تا کنون روش های متعددی به منظور دستیابی به نقطه حداکثر توان در توربین های بادی ارائه شده است. در ادامه به بررسی این روش های پرداخته می شود.

روش کنترل نسبت سرعت قله (TSR)

دستیابی به TSR بهینه برای یک توربین بادی مشخص ثابت است. بدون توجه به سرعت باد، اگر TSR در میزان بهینه نگه داشته شود، تضمین کننده استخراج توان حداکثر است [۱۴].
بنابر این روش بدنبال آن است که سیستم تبدیل انرژی را مجبور کند تا در این نقطه کار کند. این کار را با مقایسه آن با مقدار واقعی و تغذیه کردن کنترلی با آن انجام می دهد که در نتیجه باعث سرعت در تغییر ژنراتور می شود تا این خطا کم شود.
مکان بهینه TSR می تواند توسط آزمایش تعیین شود یا همچنین بصورت تئوریک و بعنوان مبنا ذخیره شود.
این متد ساده است با این حال این روش ملزم به اندازه گیری سرعت بصورت لحظه به لحظه و دقیق است که کاربری آن را در واقعیت پیچیده می کند که در ضمن قیمت سیستم را بالا می برد. بلوک دیاگرام این روش در شکل (۴) آمده است.
شکل (۴) بلوک دیاگرام روش کنترل TSR

کنترل گشتاور بهینه^[۲۳]

همانطور که پیش از این اشاره شد، ادامه دادن نقطه کار توربین بادی در λ_opt ما را از استحصال بیشینه انرژی موجود در باد برای تبدیل شدن به انرژی مکانیکی مطمئن می سازد.
از بلوک دیاگرام استفاده شده در شکل (۵) قابل مشاهده است که قوانین این روش بر این اساس است که گشتاور PMSG را بر اساس گشتاور مبنای قدرت حداکثر توربین بادی در یک سرعت بادی تنظیم کند [۱۵].
برای این منظور که توان توربین بعنوان تابعی از λ و ω_m محاسبه می شود.