طراحی کنترل‌کننده مود لغزشی انتگرالی برای عبور از خطا در سیستم‌های انرژی بادی مبتنی بر DFIG برای کمبود ولتاژهای متقارن و نامتقارن

نویسندگان

1 دانشیار، گروه برق، دانشکده مهندسی - دانشگاه لرستان - لرستان - ایران

2 استاد، گروه برق، دانشکده مهندسی - دانشگاه شهید چمران اهواز – اهواز - ایران

3 دانشجوی دکتری، گروه برق، دانشکده مهندسی - دانشگاه لرستان - لرستان - ایران

چکیده

با نفوذ زیاد منابع توان بادی متصل به شبکه، قابلیت عبور از خطا در توربین‌های بادی با DFIG شدیداً نیاز است تا از افت ولتاژ شدید در نقطة اتصال DFIG و در نتیجه، صدمه به آن جلوگیری کنند. در این مقاله، روش کنترلی مود لغزشی انتگرالی (ISMC) برای کنترل مبدل‌های سمت روتور (RSC) و سمت شبکة (GSC) توربین‌های بادی مبتنی بر DFIG برای عبور از شرایط خطا پیشنهاد شده است. همچنین کنترل‌کننده پیشنهادی علاوه‌بر مبدل‌های DFIG برای مبدل سری سمت شبکه (SGSC) به‌صورت جداگانه، طراحی و نتایج را با روش PI مقایسه کرده است. در روش پیشنهادی، مسئلة چترینگ روش‌های مرسوم مود لغزشی برطرف شده است. نتایج شبیه‌سازی، توانایی روش پیشنهادی را در کنترل مؤثر توربین‌های بادی مبتنی بر DFIG در شرایط مختلف کمبود ولتاژهای متقارن و نامتقارن اثبات کرده‌اند. رویکرد پیشنهادی، توانایی حفظ جریان‌ها و ولتاژهای DFIG را در بازه‌های درخور قبول دارد و در نتیجه از صدمه به مبدل‌ها در طی شرایط مختلف خطا جلوگیری می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Enhancement Fault Ride-Through of DFIG with Applications of ISM Control for Balance and Unbalance Voltage Sag

نویسندگان [English]

  • Mahmood Reza Shakarami 1
  • Mahmood Joorabian 2
  • Ehsan Afzalan 3
1 Department of Electrical Engineering, Engineering Faculty, Lorestan University, Khorram Abad, Iran
2 Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran
3 Department of Electrical Engineering, Engineering Faculty, Lorestan University, Khorram Abad, Iran
چکیده [English]

With the high penetration of the grid-connected wind power sources, the FRT capability is significantly required for the DFIG wind turbine to mitigate the system instability. For the FRT problem, because the DFIG is very vulnerable to the grid faults, it may not be able to ride through. These faults may result in a large voltage dip at the connection point of the DFIG. Subsequently, the voltage dip will cause the over current in the stator and rotor windings which may be damaged. In this paper, applications of integral sliding mode control (ISMC) will be investigated for the fault ride -through (FRT) enhancement of the doubly-fed induction generator wind power system. In ISMC will be studied for rotor-side converter (RSC) and stator-side converter (SSC) and series grid side converter (SGSC) control. In ISMC approach, supplementary control generated by the complete models is achieved for FRT enhancement. Since the proposed methods are based on the general non-linear system theory, the FRT capability can indeed improve even under severe fault conditions. Performance comparisons among several existing FRT enhanced control will also be examined to show the effectiveness of these PI control schemes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Integral Sliding Mode Control (ISMC)
  • Wind Turbine
  • Voltage Sag

1- مقدمه [1]

استفادة ژنراتورهای القایی از دوسوتغذیه (DFIG) در سیستم‌های تولید و توزیع انرژی بادی بسیار رایج است. به‌منظور تغذیة روتور در DFIGها معمولاً از مبدل‌های منبع ولتاژ سری در هر دو سمت روتور (RSC) و سمت شبکه (GSC) استفاده می‌شود. کمبود ولتاژ بر عملکرد DFIG متصل به شبکه تأثیر می‌گذارد و به آن صدمه وارد می‌کند. در حالت کمبود ولتاژ، جریان روتور به‌صورت چشمگیری افزایش می‌یابد که منجر به واردشدن مبدل سمت روتور (RSC) به فرا - مدولاسیون و از دست رفتن تنظیم جریان روتور می‌شود. این افزایش در مراحل ابتدا و انتهای زمان کمبود ولتاژ از سایر زمان‌ها بیشتر است. در زمان خطا، گشتاور الکترومغناطیسی و ولتاژ لینک DC نیز نوسانات زیادی را تجربه می‌کنند که ممکن است به قطع DFIG از شبکه منجر شود؛ بنابراین، اندازة جریان‌های روتور و استاتور باید محدودشده و در بازه‌های پذیرفته‌شدۀ خود باقی بمانند تا از قطع DFIG از شبکه جلوگیری شود. یادآوری می‌شود کنترل‌کنندة مبدل‌های RSC و GSC به تنهایی قادر به جلوگیری از قطع توربین‌های بادی از شبکه نیستند؛ بنابراین، طرح گذر از خطا باید توسط کنترل‌کننده‌های اضافی تقویت شود تا اتصال مداوم به شبکه را مستقل از اندازة خطا تضمین کند.

در مرجع [1] از افزودن مدارهایی به ساختار DFIG استفاده شده که باعث جذب مقادیر زیاد توان راکتیو در طی کمبود ولتاژها شده است و ممکن است منجر به تشدید بیشتر کمبود ولتاژ شود. یک اینورتر 9 سویچه با دو ولتاژ خروجی مستقل در مرجع [2]، جایگزینی برای مبدل‌های GSC و سری پیشنهاد شده است که منجر به افزایش تلفات ناشی از فرکانس کلیدزنی در مقایسه با اینورترهای مرسوم می‌شود. تزریق توان راکتیو با استفاده از المان‌های راکتیو موازی از قبیل STATCOM به‌عنوان جایگزین در مرجع [3] پیشنهاد شده است. یک امپدانس غیرفعال سری سمت شبکه (SGSPI) به‌منظور کنترل DFIG در طی کمبود ولتاژها در نظر گرفته شد [4]. به‌کارگیری SGSPI منجر به نوسان‌های بزرگ در گشتاور الکترومغناطیسی هم در نقطة آغاز و هم نقطة پایان کمبود ولتاژ می‌شود. مقاومت‌های دینامیکی سری رویکرد دیگری است که برای حفظ ولتاژهای استاتور و جریان‌های روتور در بازه‌های قابل قبول استفاده شده است [5]. این روش زمانی مناسب نیست که DFIG به شبکه توان راکتیو تزریق کند. همچنین رویکردهای گذر از خطای ذکرشده معمولاً ولتاژ استاتور را در سطوح قبل از خطای خود نگه نمی‌دارند؛ بنابراین به گذراهای مکانیکی و الکتریکی نامطلوب در سیستم منجر می‌شوند. DVR، جبران‌ساز سری فعال در مراجع [8-6] پیشنهاد شده است. پیچیدگی اجرای کنترل‌کننده‌ها در DVR مانع گسترش وسیع آن در سیستم‌های انرژی بادی شده است. همچنین، افزایشی بیشتر از 100% در اضافه جریان روتور و استاتور تحت کمبود ولتاژهای تکفاز و سه فاز هنگام استفاده از روش پیشنهادی در این مراجع گزارش شده است.

به‌تازگی، مبدل‌های سری سمت شبکه (SGSC) به‌عنوان مکانیزم گذر از شرایط خطا پیشنهاد شده‌اند [9]؛ این مبدل، کمبود ولتاژها را با تزریق ولتاژ اضافی به DFIG، حذف و اتصال مداوم آن به شبکه را تضمین می‌کند. در مرجع [9] از مبدل سمت روتور (RSC) به‌منظور کنترل جریان توالی منفی تزریق‌شده ازطریق استاتور استفاده شد؛ درحالی‌که مبدل SGSC برای کنترل ولتاژ توالی منفی استاتور و کمینه‌سازی نوسانات گشتاور الکترومغناطیسی در نظر گرفته شده است. در این پژوهش از کنترل‌کننده‌های PI برای کنترل مبدل‌های RSC، GSC وSGSC در شرایط کمبود ولتاژ استفاده شده است. تکنیک‌های کنترلی کلاسیک از قبیل کنترل‌کننده‌های مبتنی بر PI [13-10] فقط در شرایط ولتاژ شبکة ایدئال، عملکرد مناسبی دارند و در شرایط خطا، بیشتر منجر به نوسان‌های چشمگیر در توان‌های اکتیو و راکتیو، ولتاژ لینک DC و گشتاور الکترومغناطیسی می‌شوند [14]؛ بنابراین، استفاده از روش‌های کنترلی که عملکرد بهتری در شرایط بروز خطا دارند، ضروری به نظر میرسد.‌

در این مقاله همانند مرجع [9] برای حفظ ولتاژ استاتور در بازه‌های قابل قبول و ممانعت از قطع DFIG از شبکه در طی کمبود ولتاژهای عمیق، یک SGSC به ساختار DFIG اضافه شده است. هدف این مقاله، ارائة روش کنترل مد لغزشی انتگرالی (ISMC) به‌منظور کنترل جداگانة مبدل‌های RSC، GSC و SGSC برای بهبود عملکرد DFIG نصب‌شده در ریزشبکه در شرایط خطا است. این نوع کنترل‌کنندة غیرخطی باعث عملکرد نرم DFIG در طی شرایط کمبود ولتاژ شده است و در عین حال، الزامات اخیر کد شبکة
(grid code) نشان داده شده در شکل (1) را نیز برآورده می‌کند. این روش با افزودن یک جملة انتگرالی به متغیرهای مد لغزشی، به همگرایی در زمان محدود و حفظ ویژگی‌های مقاوم‌بودن کنترل مد لغزشی (SMC) دست یافته است و در عین حال، دو ضعف روش کنترل مد لغزشی را بر طرف می‌کند که عبارت‌اند از پدیدة چترینگ (chattering) ناشی از فرکانس سویچینگ بالای کنترل و الزام قید برابر واحدبودن درجه نسبی [20-15]. به‌منظور بررسی عملکرد گذر از خطای کنترل‌کنندة پیشنهادی، خطاهای متقارن و نامتقارن در سیستم مورد مطالعه، ارزیابی و نتایج روش پیشنهادی با کنترل‌کنندة PI مقایسه شده‌اند.

 

شکل (1): الزامات کد شبکة اخیر برای گذر از خطا

2- کنترل مبدل سمت روتور (RSC)

در این مقاله، DFIG به‌صورت مدل غیرخطی مطابق مراجع [23-21] در نظر گرفته شده است.

2-1- مدل‌سازی

معادلات RSC در قاب مرجع d-q گردان با سرعت سنکرون به‌صورت ذیل هستند:

(1)

 

شارهای پیوندی با معادلات زیر بیان می‌شوند:

(2)

 

معادلات دینامیکی مؤلفه‌های طولی و متعامد جریان‌های روتور با جایگذاری معادلات (2) در (1) به دست می‌آیند. با صرف‌نظر از مقاومت استاتور و در نظر گرفتن محور q، هم‌‌راستا با ولتاژ استاتور، می‌توان نوشت [19]:

 

 

 

(3)

که  و  و  پارامترهای نشان‌دهندة دینامیک‌های مدل‌نشده و اغتشاش خارجی مبدل سمت روتور (RSC) هستند.

شار استاتور به‌صورت زیر در نظر گرفته می‌شود:

(4)

 

2-2- طراحی کنترل ISMC برای RSC

سطوح لغزشی زیر در نظر گرفته می‌شوند.

(5)

 

با مشتق‌گیری مرتبه اول از سطوح لغزشی فوق، نتیجة زیر به دست می‌آید:

(6)

 

با جایگذاری (3) در (6) نتیجه می‌شود:

 

(7)

 

که در آن .

مشتق دوم رابطة (5) به‌صورت زیر است:

(8)

 

یک منیفولد مود لغزشی انتگرالی به‌صورت زیر تعریف می‌شود:

(9)

 

که در آن  انتگرال علامت خطای ردیابی مؤلفه‌های d-q است.

قوانین کنترلی را می‌توان با استفاده از روند ذیل به دست آورد.

روابط ذیل تعریف می‌شوند:

(10)

 

با جایگذاری (8) در (9) رابطة ذیل به دست می‌آید:

(11)

 

فرضیه (1):

به‌منظور تضمین اینکه  و مقید باشند، فرض می‌شود دو قید زیر برقرار هستند [20]:

(12)

 

 

قضیه (1):

برای سیستم غیرخطی غیرمعین (3)، قانون کنترلی زیر تعریف می‌شود:

(13)

 

 به‌صورت زیر به دست می‌آید:

 

(14)

 

بنابراین:

(15)

 

و  از رابطة زیربه دست می‌آید:

 

(16)

بنابراین:

 

(17)

اثبات:

تابع لیاپانوف زیر در نظر گرفته می‌شود.

(18)

 

برای تضمین همگرایی، مشتق (18) باید منفی باشد:

(19)

 

جایگذاری معادلات (11) در (19) و استفاده از قوانین کنترلی معادلات (15) و (17) نتیجه می‌دهد:

 

 

(20)

بنابراین:

 

(21)

با اعمال فرضیه (1)، نتیجه می‌دهد:

(22)

 

بنابراین، همگرایی  و  به صفر در زمان محدود تضمین می‌شود.

در صورتی که قید زیر ارضا شود، منیفولد لغزشی در زمان محدود به صفر همگرا خواهد شد:

(23)

 

با حل معادلة (23) کل زمان همگرایی می‌تواند به‌صورت زیر محاسبه شود:

 

(24)

 

که  زمانی است که  از نقطة  به صفر می‌رسد.

3- طراحی کنترل برای مبدل سمت شبکه (GSC)

3-1- مدل‌سازی

معادلات الکتریکی بیان کنندة عملکرد GSC در قاب مرجع (d-q) به‌صورت زیر تعریف می‌شوند:

 

 

(25)

که  و  جملات غیرمعین نشان‌دهندة دینامیک‌های مدل‌نشده و اغتشاشات خارجی GSC هستند.

 

3-2- طراحی کنترل ISMC برای GSC

روش ISMC به‌منظور کنترل مبدل سمت شبکة (GSC) DFIG با استفاده از متغیرهای سویچینگ زیر پیشنهاد می‌شود:

(26)

 

که  مقدار مرجع مؤلفة d جریان مبدل سمت شبکه  است.

مشتق اول سطوح لغزشی نتیجه می‌دهد:

(27)

 

 

که  مشتق دوم (27) نتیجه می‌دهد:

(28)

 

منیفولدهای لغزشی انتگرالی زیر در نظر گرفته می‌شوند:

(29)

 

قوانین کنترلی را مانند روش طراحی کنترل RSC به دست می‌آوریم که در بخش قبلی توضیح داده شده است؛ بنابراین:

(30)

 

فرضیه (2):

شرط زیر باید برای مقیدماندن  و  برآورده شود [17].

(31)

 

قانون کنترلی بر مبنای قضیه (1) به‌صورت زیر طراحی می‌شود:

(32)

 

 به‌صورت زیر تعریف می‌شود:

(33)

 

بنابراین:

(34)

 

 به‌صورت زیر به دست می‌آید:

 

(35)

بنابراین:

 

(36)

یادآوری می‌شود تحلیل پایداری لیاپانوف مشابه با تحلیل انجام‌شده در بخش قبلی است.

4- مبدل سری سمت شبکه (SGSC)

4-1- ساختار SGSC

برای حذف مؤثر کمبود ولتاژها، یک اینورتر سری در لینک DCی DFIG قرار داده شده است و با استفاده از سه ترانسفورماتو تکفاز به شبکه متصل می‌شود که باعث تزریق ولتاژ به باس DFIG در طی خطاها و همچنین محافظت از مدارهای روتور و قدرت در برابر اضافه جریان‌ها می‌شود [24]؛ بنابراین، وقتی در ریزشبکه خطاها رخ می‌دهند، مبدل سوم، ولتاژ باس DFIG را بین 95/0 تا 05/1 پریونیت حفظ می‌کند؛ بنابراین، جریان‌های استاتور و روتور DFIG را در مقادیر نامی خود نگه می‌دارد و اتصال مداوم توربین‌ها را به شبکه تضمین می‌کند.

یک شناسایی‌کنندة کمبود ولتاژ به‍‌منظور تشخیص کمبود ولتاژها موقع رخ‌دادن طراحی می‌شود. شناسایی ازطریق مقایسة ولتاژ سرعتی ناشی از شار سنکرون استاتور () با ولتاژ استاتور  انجام می‌شود. شناسایی وقتی انجام می‌شود که ولتاژ استاتور  از یک مقدار مرزی از پیش تنظیم شده  مطابق [25] بیشتر شود:

 

(37)

 

4-2- طراحی ISMC برای SGSC

هدف اصلی کنترل مبدل سری، تزریق ولتاژ به شبکه به‌منظور متعادل‌کردن ولتاژهای استاتور و در نتیجه، جریان‌های استاتور و روتور است. مطابق روابط ذیل از روش ISMC به‌منظور طراحی کنترلر برای SGSC استفاده می‌شود. در نظر بگیرید:

(38)

 

جایی که:

(39)

 

با مشتق‎گیری مرتبه اول سطوح لغزشی رابطة (39)، رابطة زیر به دست می‌آید.

(40)

 

منیفولد زیر در نظر گرفته می‌شود:

(41)

 

کنترل‌کنندة SGSC مطابق رابطة ذیل طراحی می‌شود.

(42)

 

 

قانون کنترلی براساس قضیه 1 به‌صورت زیر در نظر گرفته می‌شود:

(43)

 

که در آن  به‌صورت زیر به دست می‌آید:

(44)

 

 

 

(45)

 

 

 

شکل (2): دیاگرام شماتیکی کل سیستم

 


5- نتایج شبیه‌سازی

روش پیشنهادی در نرم‌افزارMATLAB  برای سیستم نشان داده شده در شکل (2) به کار گرفته شده است.DFIG  در نظر گرفته شده در یک ساختار ریزشبکه نصب شده است که جزئیات آن در مراجع [28-26] ارائه شده‌اند. ISMC به‌منظور کنترل جداگانة مبدل‌های RSC و GSC و همچنین کنترل SGSC طراحی شده است. شناسایی کمبود ولتاژ با استفاده از شناسایی‌کنندة کمبود ولتاژ پیشنهادی انجام شده است. پارامترهای توربین بادی (RSC، GSC و لینک DC) و SGSC (ترانسفورمر و فیلتر) در نظر گرفته شده در ضمیمه ارائه شده‌اند.

به‌منظور ارزیابی دقیق عملکرد روش پیشنهادی، خطاهای متقارن (سه خط به زمین) و نامتقارن (دو خط به زمین و تکفاز به زمین) در نظر گرفته شده و همچنین نتایج روش پیشنهادی با کنترل‌کنندة PI مقایسه شده است. برای هر دو خطاهای متقارن و نامتقارن، یک کمبود ولتاژ 90% به طول مدت 200 میلی‌ثانیه در زمان  در نظر گرفته شده است. کنترل‌کننده باید به‌منظور اجتناب از قطع DFIG از شبکه، ولتاژ استاتور را در کمتر از 150 میلی‌ثانیه بازیابی کند؛ بنابراین، مدت زمان 200 میلی‌ثانیه بهترین گزینه برای بررسی قابلیت‌های گذر از خطای ولتاژ پایین است.

5-1- عملکرد DFIG به‌ازای شرایط سنکرون

ولتاژ PCC ولتاژ تزریق‌شده با SGSC و ولتاژ استاتور DFIG در شکل (3) نشان داده شده‌اند. این شکل نشان می‌دهد ولتاژهای باس DFIG حتی در طی کمبود ولتاژ نیز در سطوح نامی خود باقی می‌مانند؛ همچنین به‌دلیل جبران لحظه‌ای ولتاژ توسط SGSC، هیچ تغییری روی ولتاژهای DFIG ایجاد نشده است. جریان‌های استاتور و روتور در شکل (4) نشان داده شده‌اند. شکل موج‌های گشتاور الکترومغناطیسی و ولتاژ لینک DC به ترتیب در شکل‌های 5 (الف-ج) نشان داده شده‌اند. مشاهده می‌شود پس از رخ‌دادن کمبود ولتاژ، جریان‌های روتور و استاتور در بازة زمانی درخور قبولی حفظ شده‌اند؛ همچنین، پدیدة چترینگ در جریان‌ها، ولتاژ لینک DC و گشتاور الکترومغناطیسی مشاهده نمی‌شود؛ این ویژگی مهمی است که به افزایش طول عمر تجهیزات الکترونیک قدرت منجر می‌شود.

 

 

 

شکل (3): الف) ولتاژ نقطة PCC (pu)، ب) ولتاژ تزریق‌شده (pu)، ج) ولتاژ استاتور DFIG (pu) برای حالت اول

 

 

شکل (4): الف) جریان استاتور، ب) جریان روتور DFIG (pu) برای حالت اول

 

 

شکل (5): الف) توان DFIG (pu)، ب) گشتاور الکترومغناطیسی (pu)، ج) ولتاژ لینک DC (V) برای حالت نخست


5-2- عملکرد DFIG در مود سنکرون و در طی کمبود ولتاژ سه فاز عمیق همراه با پارامترهای متغیر

به‌منظور بررسی مقاوم‌بودن روش پیشنهادی، افزایش 20% در مقاومت‌ها و اندوکتانس‌های استاتور و روتور و همچنین شرایط ولتاژ شبکه مشابه بخش (5-1) در نظر گرفته شده است. نتایج شبیه‌سازی در شکل‌های (8-6) نشان داده شده‌اند. مشاهده می‌شود با وجود تغییرات پارامترها، گشتاور، ولتاژ لینک DC و جریان‌های DFIG رفتاری مشابه شرایط نرمال (بخش (5-1)) از خود نشان می‌دهند. این موضوع، مقاوم‌بودن کنترل‌کننده در برابر تغییرات پارامترها و نیز کارایی آن در کنترل DFIG در طی کمبود ولتاژهای عمیق تغییریافتۀ پارامترها را نشان می‌دهد.

 

 

 

شکل (6): الف) ولتاژ نقطة PCC (pu)، ب) ولتاژ تزریق‌شده (pu)، ج) ولتاژ استاتور DFIG (pu) برای حالت دوم

 

 

شکل (7): الف) جریان استاتور، ب) جریان روتور DFIG (pu) برای حالت دوم

 

شکل (8): الف) توان DFIG (pu)، ب) گشتاور الکترومغناطیسی (pu)، ج) ولتاژ لینک DC (V) برای حالت دوم

 


5-3- عملکرد DFIG در مود سنکرون و در طی کمبود ولتاژهای دو فاز عمیق

در این بخش، عملکرد روش پیشنهادی تحت شرایط خطای دو فاز نامتقارن ارزیابی می‌شود. DFIG همانند حالت‌های قبلی در معرض کمبود ولتاژ 90% قرار می‌گیرد. ولتاژ PCC، ولتاژ تزریق‌شده توسط SGSC و ولتاژ استاتور DFIG در شکل (9) و جریان‌های استاتور و روتور DFIG در شکل (10) نشان داده شده‌اند. شکل‌های 11 (الف و ب) به ترتیب گشتاور الکترومغناطیسی و ولتاژ لینک DC را نشان می‌دهند. به وضوح مشاهده می‌شود روش پیشنهادی حتی در شرایط نامتقارن دو فاز نیز به حفظ ولتاژهای باس DFIG در بازه‌های پذیرفتنی قادر است.

 

 

 

 

شکل (9): الف) ولتاژ نقطة PCC (pu)، ب) ولتاژ تزریق‌شده (pu)، ج) ولتاژ استاتور DFIG (pu) برای حالت سوم

 

شکل (10): الف) جریان استاتور، ب) جریان روتور DFIG (pu) برای حالت سوم

 

شکل (11): الف) توان DFIG (pu)، ب) گشتاور الکترومغناطیسی (pu)، ج) ولتاژ لینک DC (V) برای حالت سوم

 


5-4- عملکرد DFIG در مود سنکرون و در طی کمبود ولتاژهای تکفاز عمیق

در این بخش عملکرد روش پیشنهادی در طی کمبود ولتاژ 90% بررسی می‌شود. شکل (12) ولتاژ PCC، ولتاژ تزریق‌شده توسط SGSC و ولتاژ استاتور DFIG را نشان می‌دهد. جریان‌های روتور و استاتور DFIG در شکل (13) نشان داده شده‌اند. شکل موج‌های گشتاور الکترومغناطیسی و ولتاژ لینک DC به ترتیب در شکل‌های 14 (الف و ب) ارائه شده‌اند. نتایج شبیه‌سازی، توانایی روش پیشنهادی در حفظ ولتاژهای باس DFIG در سطوح نامی در شرایط در نظر گرفته شده را نشان داده است؛ همچنین، نشان می‌دهد روش مذکور در کنترل DFIG و ممانعت آن از جداشدن از ریزشبکه، حتی در طی کمبود ولتاژهای عمیق و خطاهای نامتقارن، بسیار کارا است.

 

 

 

شکل (12): الف) ولتاژ نقطة PCC (pu)، ب) ولتاژ تزریق‌شده (pu)، ج) ولتاژ استاتور DFIG (pu) برای حالت چهارم

 

شکل (13): الف) جریان استاتور، ب) جریان روتور DFIG (pu) برای حالت چهارم

 

شکل (14): الف) توان DFIG (pu)، ب) گشتاور الکترومغناطیسی (pu)، ج) ولتاژ لینک DC (V) برای حالت چهارم

 


5-5- عملکرد DFIG در شرایط زیر سنکرون

در شرایط زیر سنکرون، توان روتور منفی بوده است؛ درحالی‌که توان استاتور مثبت است؛ بنابراین، بدون کنترل مناسب، شرایط زیر سنکرون ناپایدار است. عملکرد DFIG در این حالت و سرعت باد 6 متر بر ثانیه در طی کمبود ولتاژ 90% به مدت 200 میلی‌ثانیه تحلیل شده است که در شروع می‌شود. روش پیشنهادی برای کنترل ساختار DFIG در نظر گرفته می‌شود. همان‌طور که در شکل 15 (الف-ب) نشان داده شده است، کنترلر قادر به حفظ جریان‌های استاتور و روتور در بازه‌های خود در طی افت ولتاژ است. شکل موج‌های توان DFIG، گشتاور الکترومغناطیسی و ولتاژ لینک DC به ترتیب در شکل‌های 16 (الف-ج) نشان داده شده‌اند. به وضوح مشاهده می‌شود DFIG در طی کمبود ولتاژهای عمیق و مودهای زیر سنکرون پایدار است.


 

 

شکل (15): الف) جریان استاتور، ب) جریان روتور DFIG (pu) برای حالت پنجم

 

 

شکل (16): الف) توان DFIG (pu)، ب) گشتاور الکترومغناطیسی (pu)، ج) ولتاژ لینک DC (V) برای حالت پنجم

 


5-6- عملکرد DFIG در شرایط فوق سنکرون

در مود فوق سنکرون، مبدل سمت روتور به‌عنوان یکسوکننده عمل می‌کند؛ درحالی‌که مبدل سمت شبکه توان روتور را به شبکه با فرکانس شبکه تبدیل می‌کند. این ساختار توان حقیقی را هم از سمت استاتور و هم از سمت روتور به شبکه تزریق میکند و بار توان راکتیو را روی شبکة متصل‌‌‌شده کاهش میدهد. شرایط فوق سنکرون، مقادیر ویژة ناپایدار دارد که به ناپایداری DFIG منجر می‌شود. در این حالت، عملکرد DFIG با کمبود ولتاژ 90% برای مدت 200 میلی‌ثانیه و زمان شروع  مطالعه می‌شود. سرعت باد در نظر گرفته شده در این تست 14 متر بر ثانیه بوده است و رویکرد کنترلی پیشنهادی به ساختار DFIG اعمال می‌شود. شکل‌های 17 (الف و ب) به ترتیب جریان‌های استاتور و روتور را نشان می‌دهند. به وضوح مشاهده می‌شود رویکرد پیشنهادی قادر به حفظ مقادیر جریان‌های استاتور و روتور در بازة قابل قبولی است. شکل موج‌های توان DFIG، گشتاور الکترومغناطیسی و ولتاژ لینک DC به ترتیب در شکل‌های 18 (الف-ج) نشان داده شده‌اند. مشاهده می‌شود DFIG در طی کمبود ولتاژ عمیق و در مود فوق سنکرون پایدار باقی می‌ماند.

 

 

 

شکل (17): الف) جریان استاتور، ب) جریان روتور DFIG (pu) برای حالت ششم

 

شکل (18): الف) توان DFIG (pu)، ب) گشتاور الکترومغناطیسی (pu)، ج) ولتاژ لینک DC (V) برای حالت ششم


5-7- مقایسة روش پیشنهادی با روش‌های متداول

روش پیشنهادی در این مقاله در طی کمبود ولتاژهای عمیق تکفاز و سه فاز بهتر از روش‌های موجود عمل می‌کند که دلیل این امر در نظر گرفتن یک مبدل سوم برای بهبود عملکرد DFIG در طی نامتعادلی ولتاژ و استفاده از روش کنترلی مناسب پیشنهادی است. ارزیابی مقدار کمبود ولتاژ، اضافه جریان روتور و استاتور و اضافه ولتاژ لینک DC این نتیجه‌گیری را تأیید می‌کند؛ برای‌مثال، در صورت استفاده از روش ارائه‌شده در این پژوهش به‌ازای کمبود ولتاژ 90% فقط 4% اضافه جریان به وجود می‌آید؛ در صورتی که روش مشخص‌شده در مرجع [10] به 5% اضافه جریان برای کمبود ولتاژ فقط 33% منجر شده است. رویکرد پیشنهادشده در مرجع [8]، غلبه بر کمبود ولتاژهای تا 93% را مقدور کرد؛ در صورتی که روش ارائه‌شده در این پژوهش، اجازة حداکثر 90% کمبود ولتاژ سه فاز و 93% کمبود ولتاژ تکفاز را می‌دهد؛ باوجوداین، در صورت استفاده از رویکرد گزارش‌شده در مرجع [8]، افزایش بیشتر از 100% در اضافه جریان روتور و استاتور تحت کمبود ولتاژهای تکفاز و سه فاز یادشده لحاظ شده است.

 

 

 

5-8- مقایسة رویکرد پیشنهادی با کنترلر PI

در این بخش برای نشان‌دادن عملکرد مناسب روش پیشنهادی در این مقاله در مقایسه با کنترل‌کننده‌های مبتنی بر PI، DFIG همانند حالت‌های قبلی در معرض کمبود ولتاژ 90% قرار می‌گیرد. همان‌طور که اشاره شد، تکنیک‌های کنترلی مبتنی بر PI فقط در شرایط ولتاژ شبکة نرمال کار می‌کنند و در شرایط حادثه، عملکرد خوبی را از خود نشان نمی‌دهند؛ این مشکل با استفاده از روش پیشنهادی در این مقاله به مقدار زیادی رفع شده و احتمال آسیب‌رسیدن به ساختارDFIG به مقدار زیادی کاهش یافته است. شکل‌های (19) و (20) به ترتیب ولتاژ PCC و جریان روتور DFIG را بدون استفاده از کنترلر نشان می‌دهند. شکل‌های (21)، (22) و (23) به ترتیب ولتاژ باس DFIG، جریان استاتور و جریان روتور DFIG با استفاده از کنترلرISMC را نشان می‌دهند. شکل‌های (24) و (25) به ترتیب جریان روتور وجریان استاتور DFIG با استفاده از کنترلر PI را نشان می‌دهند و در نهایت شکل (26) مقایسة گشتاور الکترومغناطیسی DFIG با استفاده از کنترلر PI وISMC را نشان می‌دهد. همان‌طور که در شکل‌ها مشخص است رویکرد پیشنهادی در کنترل DFIG و ممانعت آن از جداشدن از ریزشبکه نسبت به کنترل‌کنندة PI، بسیار مؤثرتر است.

 

 

 

 

شکل (19): ولتاژ نقطة PCC (pu) بدون استفاده از کنترلر

 

شکل (20): جریان روتور DFIG بدون استفاده از کنترلر

 

 

شکل (21): ولتاژباس DFIG با استفاده از کنترلر ISMC.

 

 

شکل (22): جریان استاتور DFIG با استفاده از کنترلر ISMC.

 

شکل (23): جریان روتور DFIG با استفاده از کنترلر ISMC.

 

شکل (24): جریان روتور DFIG با استفاده از کنترلر PI

 

شکل (25): جریان استاتور DFIG با استفاده از کنترلر PI

 

شکل (26): مقایسة گشتاور الکترومغناطیسی  DFIGبا استفاده از کنترلر PI و ISMC.

 

 

6- نتیجه‌گیری

در این مقاله، طراحی کنترل انتگرال ترمینال مد لغزشی برای ژنراتورهای القایی تغذیه دوگانه با قابلیت گذر از شرایط حادثه پیشنهاد شده است. الگوی کنترلی پیشنهادی، DFIG را قادر به گذر از وقایع کمبود ولتاژ عمیق تحت شرایط عملکردی مختلف سنکرون، زیرسنکرون و فوق سنکرون می‌کند. عملکرد طرح کنترلی پیشنهادی با استفاده از شرایط عملکردی مختلف DFIG شامل شرایط نرمال و تحت کمبود ولتاژهای سه فاز و تکفاز به‌صورت گسترده تحلیل شد. طراحی با استفاده از مبدل سری سمت شبکه به‌منظور اجتناب از قطع DFIG از شبکه در طی شرایط خطا تکمیل شده است. با وجود قرارگرفتن DFIG در معرض مودهای مختلف عملکردی و شرایط خطای شدید، اضافه جریان‌های روتور و استاتور به مقدار زیادی کنترل شده که در مقایسه با رویکردهای موجود عملکرد بسیار خوبی است؛ بنابراین جریان ها و ولتاژهای DFIG در بازه‌های مورد مطالعه، کنترل شده و در نتیجه از صدمه به مبدل‌ها در طی شرایط مختلف خطا جلوگیری می‌شود. رویکرد پیشنهادی، DFIG را قادر به گذر از خطاها برای کمبود ولتاژهای متقارن و نامتقارن کرده است و اتصال مداوم آن به شبکه را تضمین می‌کند. در روش پیشنهادی، مسئلة چترینگ برطرف شده است که از نقاط ضعف روش‌های قبلی مبتنی بر مود لغزشی بوده است. به‌عنوان پیشنهاد در ادامة پژوهش فوق می‌توان به تجمیع طرح پیشنهادی با الگوریتم‌های بهبود کیفیت توان، استفاده از ترانس‌های الکترونیکی و پیاده‌سازی الگوریتم‌های شناسایی خطا اشاره کرد.

ضمیمه الف:

جدول (الف-1): پارامترهای ترانسفورماتور سری و فیلتر

Series transformer

Rating/Voltage/Frequency

4.50 (MVA)/575(V)/60(Hz)

Total resistance/ inductance

0.002(pu)/0.2021(pu)

Filter

 

0.00 ()/ 0.13 (mH)/ 700.00 (

Induction Machine

Nominal Power/Voltage/Frequency

5.0 (MW)/575 (V)/60 (Hz)

Pairs of Pole

3

 

0.007060(pu)/0.1710(pu)/2.9000 (pu)

 

0.0050 (pu)/0.156 (pu)

 

0.19838 / 0.052621

Cut-in wind speed

4 (m/s)

Cut-out wind speed

16 (m/s)

Rated wind speed

12 (m/s)

DC-link:

Nominal voltage/Capacitor of DC-link

1200(V)/ 0.03

 

نمادگذاری:

   نقطة اتصال مشترک.

   محور مستقیم (متعامد).

    زیرنویس استاتور (روتور).

    قاب مرجع ساکن.

 مقاومت (اندوکتانس) مبدل سمت شبکه.

 مقاومت (اندوکتانس) استاتور DFIG.

 مقاومت (اندوکتانس) روتور DFIG.

       اندوکتانس متقابل بین استاتور و روتور DFIG.

 جریان مرجع روتور DFIG در قاب مرجع .d-q

 جریان مرجع مبدل سمت شبکة DFIG در قاب مرجع d-q.

         لغزش.

   ولتاژ (جریان) روتور DFIG.

   ولتاژ (جریان) استاتور DFIG.

  ولتاژ (جریان) سمت شبکة .DFIG

      ولتاژ جبران‌ساز تزریق‌شده توسط .SGSC

 سرعت مکانیکی (سنکرون) .DFIG

 شار استاتور (روتور).

 مقاومت، اندوکتانس و خازن فیلتر اینورتر سری.

 نماد اختصاصی برای متغیر سمت روتور (شبکه).

 سطح (منیفولد) کنترل‌کنندة مد لغزشی.

 ثوابت مثبت تعریف‌شده در منیفولد مد لغزشی.

 ثوابت مثبت تعریف‌شده در قانون کنترل.

 ماکزیمم حد شار استاتور برای شرایط نامتعادل.

 ولتاژ تزریق‌شده توسط SGSC در قاب مرجع ساکن.

 ولتاژهای واقعی شبکه در قاب مرجع ساکن.

 ولتاژهای مطلوب شبکه در قاب مرجع ساکن.

 ولتاژهای مرجع SGSC در قاب مرجع ساکن.

 



[1]تاریخ ارسال مقاله: 08/06/1397

تاریخ پذیرش مقاله: 20/09/1397

نام نویسندۀ مسئول: محمودرضا شاکرمی

نشانی نویسندۀ مسئول: ایران، لرستان، خرم آباد، دانشگاه لرستان، گروه برق

[1] .J. Justo, F. Mwasilu, J.-W. Jung, Enhanced crowbarless FRT strategy for DFIGbased wind turbinesunder three-phase voltage dip, Electr. Power Syst. Res, Vol.142, pp. 215–226, 2017.

[2] B.B. Ambati, P. Kanjiya, V. Khadkikar, A low component count series voltagecompensation scheme for DFIG WTs to enhance fault ride through capability,IEEE Trans. Energy Convers,Vol. 30, No.1,pp.1–10,2015.

[3] S.W. Mohod, M.V. Aware, A STATCOM-Control scheme for grid connectedwind energy system for power improvement, IEEE Syst. J, Vol. 4,No. 3, pp.346–352,2010.

[4] X. Yan, G. Venkataramanan, P.S. Flannery, Y. Wang, Q. Dong, B. Zhang,Voltage-sag tolerance of DFIG wind turbine with a series grid sidepassive-impedance network, IEEE Trans. Energy Convers,Vol. 25,No.4, pp.1048–1056,2010.

[5] S. Zhang, K. Tseng, S. Choi, T. Nguyen, D. Yao, Advanced control of seriesvoltage compensation to enhance wind turbine ride through, IEEE Trans.Power Electron,Vol. 27, No. 2, pp. 763–772, 2012.

[6] A. Ibrahim, T.H. Nguyen, D. Lee, S. Kim, A fault ride through technique of DFIGwind turbine systems using dynamic voltage restorers, IEEE Trans. EnergyConvers, Vol.12, pp. 871–882,2011.

[7] C. Wessels, F. Gebhardt, F. Wilhelm Fuchs, Fault ride-through of a DFIG windturbine using a dynamic voltage restorer during symmetrical andasymmetrical grid faults, IEEE Trans. Power Electron,Vol. 26, No.3, pp. 807–815,2011.

[8] I. Spyros, G. kavanoudis, C.S. Demoulias, FRT capability of a DFIG in isolatedgrids with dynamic voltage restorer and energy storage, Proceedings of theIEEE 5th International Symposium on Power Electronics for DistributedGeneration Systems (PEDG), pp. 1–8,2014.

[9] .P. Suppioni, A.P. Grilo, J.C. Teixe, Control methodology for compensation ofgrid voltage unbalanceusing a series-converter scheme for the DFIG, Electr.Power Syst. Res, Vol. 133, pp.198–208, 2016.

[10] O. Abdel, B. Nasiri, A. Nasiri, Series voltage compensation for DFIG windturbine low-voltage ride-through solution, IEEE Trans. Energy Convers,Vol. 26, No.1, pp.272–281, 2011.

[11] S.I. Yannopoulos, G. Lyberatos, N. Theodossiou, W. Li, M. Valipour, A.Tamburrino, A.N. Angelakis, Evolution of water lifting devices (pumps) overthe centuries worldwide, Water, Vol.7, pp. 5031–5060, 2015.

[12] R. Pe˜na, R. Cárdenas, J. Proboste, G. Asher, J. Clare, Sensorless control ofdoubly-fed induction generators using a rotor-current-based MRAS observer,IEEE Trans. Ind. Electron,Vol. 55, pp. 330–339, 2008.

[13] J. Hu, H. Nian, B. Hu, Y. He, Z.Q. Zhu, Direct active and reactive powerregulation of DFIG using sliding-mode control approach, IEEE Trans. EnergyConvers,Vol. 25, No. 4, pp. 1028–1039, 2010.

[14] S. Swain, P.K. Ray, Short circuit fault analysis in a grid connected DFIG basedwind energy system with active crowbar protection circuit for ride throughcapability and power quality improvement, Electr. Power Energy Syst, Vol. 84, pp. 64–75, 2017.

[15] F.J. Chang, E.C. Chang, T.J. Liang, J.F. Chen, Digital-signal-processor-basedDC/AC inverter with integral-compensation terminal sliding-mode control,IET Power Electron, Vol.4, No.1, pp.159–167, 2011.

[16] H. Huerta, A.G. Loukianov, J.M. Canedo, Robust multimachine power systemscontrol via high order sliding modes, Electr. Power Syst. Res, Vol. 81, pp.1602–1609, 2011.

[17] X. Li, X. Yu, Q.L. Han, Stability analysis of second order sliding mode controlsystems with input-delay using poincar map, IEEE Trans. Autom. Control, Vol.58, No. 9, pp. 2410–2415, 2013.

[18] Y. Ayoubia, M. Elsieda, A. Oukaoura, H. Chaouib, Y. Slamania, H. Gualous,Four-phase interleaved DC/DC boost converter interfaces forsuper-capacitorsin electric vehicle application based onadvancedsliding mode control design,Electr. Power Syst. Res, Vol.134, pp. 186–196, 2016.

[19] B. Beltran, M.E.H. Benbouzid, T. Ahmed-Ali, Second-order sliding modecontrol of a doubly fed induction generator driven wind turbine, IEEE Trans.Energy Convers, Vol.27, No. 2, pp. 261–269, 2012.

[20] S. Mondal, C. Mahanta, Adaptive second order terminal sliding modecontroller for robotic manipulators, J. Franklin Inst,Vol. 351, pp. 2356–2377, 2014.

[21] M. Valipour, M.E. Banihabib, S.M.R. Behbahani, Comparison of the ARMAARIMA, and the autoregressive artificial neural network models in forecastingthe monthly inflow of Dez dam reservoir, J. Hydrol. Vol.476, pp. 433–441, 2013.

[22] M. Valipour, Critical areas of Iran for agriculture water managementaccording to the annual rainfall, Eur. J. Sci. Res, Vol. 84,No. 4, pp. 600–608,2012.

[23] M. Valipour, Temperature analysis of reference evapotranspiration models, Meteorol. Appl, Vol. 22, No.3, pp. 385–394, 2015.

[24] H.C. So, Y.S. Lee, M.H.L. Chow, Design of a 1-kVA parallel-type AC voltage sagcompensator, IET Power Electron,Vol. 5, No. 5, pp. 591–599.2012.

[25] M.K. Dosoglu, A new approach for low voltage ride through capability in DFIGbased wind farm, Electr. Power Energy Syst, Vol. 83, pp. 251–258, 2016.

[26] EirGrid Grid Code. Ver. 3.5, EirGrid plc, Ireland, 2011.

[27] F. Katiraei, M.R. Iravani, P.W. Lehn, Microgrid Autonomous Operation Duringand Subsequent to Islanding Process, IEEE Trans. Power Electron, Vol. 20, NO.1, PP. 248–257, 2005.

[28] M.J. Morshed, A. Fekih, Integral terminal sliding mode control to provide faultride-through capability for a grid connected wind turbine driven DFIG,Proceedings of IEEE International Conference on Industrial Technology , pp.1059–1064, 2015.

[29] Y. Mishra, S. Mishra, F. Li, Z. Dong, R. Bansal, Small-signal stability analysis of a DFIG-based wind power system under different modes of operation, IEEE Trans. Energy Convers, Vol. 24, No. 42, pp. 972–982, 2009.