طراحی سیستم قدرت یکپارچه ی dc برای کلکتورِ نیروگاه های بادی فراساحل متصل به شبکه

در دو دهه ی اخیر گسترش تولید توان با استفاده از نیروگاه های بادی به عنوان یکی از منابع اصلی انر‍‍‍‍‍‍ژی تجدیدپذیر، در زمره ی سیاست های توسعه ی پایدار اکثر کشورها قرار گرفته است. در این راستا نیروگاه های بادی فراساحل، به دلیل قابلیت تولید توان بالاتر سهم عمده ای از تولید نیروگاه های بادی را به خود اختصاص داده اند. هم زمان با افزایش توان تولیدی، فاصله ی نیروگاه های فراساحل از شبکه ی ساحلی و ابعاد سیستم الکتریکی داخلی آن ها افزایش می یابد. به دلیل خاصیت خازنی بالای کابل های زیر دریایی، سیستم انتقال ac مرسوم، سیستم کارآمدی برای این نیروگاه ها نخواهد بود و در نتیجه انتقال توان در نیروگاه های فراساحل به عنوان یک چالش مهم در توسعه ی این نیروگاه ها مطرح می گردد. پژوهش های اخیر، سیستم یکپارچه ی dc شامل سیستم انتقالdc ولتاژ بالا به همراه سیستم کلکتور dc با ولتاژ پایین یا متوسط را به عنوان یک راه حل مناسب برای انتقال توان نیروگاه های بادی به شبکه پیشنهاد می کند. سیستم کلکتور در یک نیروگاه بادی، شامل کابل های اتصال واحدهای توربین- ژنراتور، ترانسفورمرها و واحدهای الکترونیک قدرت از ترمینال ژنراتور تا نقطه ی اتصال به سیستم انتقال است. این پایان نامه، ابتدا به بررسی سیستم یکپارچه ی dc در کاربرد خاص نیروگاه های بادی فراساحل می پردازد و توپولوژی مناسبی برای سیستم کلکتور dc در این نیروگاه ها ارائه می دهد. در این راستا، ساختارهای مورد استفاده در یک سیستم یکپارچه ی قدرت dc بررسی گردیده اند و ساختار مناسبی شامل ژتراتور سنکرون مغناطیس دائم با واسطه دیودی و مبدل dc/dc برای اتصال به سیستم کلکتور dc یک نیروگاه فراساحل ارائه گردیده است. برای تحلیل و طراحی سیستم پیشنهادی، مدل دینامیکی ساده شده ای بر مبنای ایده ی جداسازی دینامیک های تُند و کُند ارائه و با استفاده از مدل پیشنهادی سیستم کنترل مناسب برای ساختار توربین- ژنراتور طراحی گردیده است. راست آزمایی مدل و راهکار کنترل پیشنهادی از طریق آنالیز حساسیت و شبیه سازی یک سیستم مطالعاتی دو ماشینه با اتصالات سری انجام شده است. نتایج این بررسی، توانایی کنترل کننده ها در تعقیب سرعت مرجع و پس زنی اعوجاج را با درصد خطای کم تر از 1% نشان می دهد. هم چنین براساس آنالیز حساسیت انجام شده، مقاوم بودن سیستم کنترل نسبت به تغییر پارامترهای مدل ارائه شده بررسی و ارزیابی گردیده است. در ادامه توپولوژی اتصال ماتریسی بر مبنای سیستم کلکتور dc سری- موازی پیشنهاد گردیده است که در آن با ایجاد مسیرهای مناسب بین شاخه ها هنگام وقوع شکست گسترده در واحدها، مشکل اضافه ولتاژ که درتوپولوژی سری- موازی مرسوم وجود دارد، برطرف می گردد. این توپولوژی امکان جذب حداکثر توان قابل دسترس از نیروگاه را در شرایط شکست یک یا چند واحد فراهم می آورد و به این ترتیب بازده و قابلیت اطمینان سیستم را بهبود می بخشد. مقایسه ی کارایی توپولوژی ماتریسی با روش اتصال سری-موازی براساس تحلیل ریاضی ارائه شده و بر روی یک سیستم مطالعاتی شامل 12 واحد توربین-ژنراتور بادی پیاده سازی شده است. براساس این تحلیل نشان داده شده است که ناحیه ی عملکرد و کارایی روش اتصال ماتریسی با افزودن تعداد شاخه-های موازی به سیستم کلکتور گسترش می یابد. تحلیل ارائه شده همچنین معیاری برای تعیین تعداد شاخه های موازی و تعیین تعداد واحدهای مناسب در شاخه های سری ارائه می نماید که می تواند در طراحی سیستم کلکتور مورد استفاده قرار گیرد.