مهندسی برق قدرت دانشگاه آزاد گناباد

بدترين شرايط (بيشترين تلفات مبدل) و در يك سرعت باد از پيش تعيين شده، بررسي ميكنيم. با مقايسه اين سه مبدل به اين نتيجه رسيديم،
كه مبدل توربين بادي سرعت ثابت، قابليت اطمينان بيشتري نسبت به مبدل توربين بادي با ژنراتور القايي تغذيه دوگانه دارد و توربين بادي با
ژنراتور القايي تغذيه دوگانه، از اين نظر بر توربين بادي با مبدل فركانسي ظرفيت كامل برتري دارد. در توربين بادي سرعت متغير، مبدل سمت
ژنراتور نسبت به مبدل سمت شبكه، قابليت اطمينان كمتري دارد.
كليد واژه- توربين بادي، ژنراتور القايي، مبدل الكترونيك قدرت، قابليت اطمينان
-1 مقدمه
با افزايش قيمت سوخت و جدي شدن مسائل زيست محيطي، گرايش به استفاده از منابع انرژي تجديد پذير فزوني يافته و درصد استفاده از اين منابع نيز سال به سال گسترش مي يابد. به طوري كه تا سال 2020 ، پيش بيني ميشود 20 درصد .[ انرژي الكتريكي توليد شده، از طريق منابع بادي فراهم شود[ 1 از آنجا كه هزينه هاي مربوط به ژنراتورهاي بادي روزبه روز در حال كاهش است، لذا به رهبرداري از انرژي باد جهت توليد برق ميتواند از لحاظ اقتصادي و زيست محيطي به صرفه باشد. و همچنين امروزه حمايتهاي زيادي از اين منبع تجديد پذير در .[ مناطق بادخيز شده است[ 2 در ميان منابع انرژي تجديد پذير هيچ انرژي مانند باد توانايي رقابت با نيروگاههاي بزرگ را ندارد. سيستم تبديل انرژي باد يك سيستم مركب است، كه از تعدادي زير سيستم از قبيل سيستم مكانيكي (رتور، گيربكس …) و سيستم الكتريكي (مبدل/اينورتر، يكسوكننده، تجهيزات كنترل) و بارها تشكيل شده است. خرابي در هر يك از اين زير سيستمها باعث هزينه هاي زياد به منظور جايگزيني و تعمير خواهد شد. مسئله اساسي در سيستمهايي با توربين باد، هزينه هاي نصب و نياز به داشتن عملكرد قابل اعتماد در دوره هاي طولاني مدت است. در نتيجه بررسي قابليت اطمينان اين سيستمها يك نياز اساسي است تا بتوان سيستمي با عملكرد قابل اعتماد و هزينه اوليه كم بدست- .[  توربين باد سرعت ثابت براي اتصال به شبكه به يك استارتر نرم نياز دارد. استارتر نرم يك مبدل الكترونيك قدرت است كه در اين توربين باد براي كاهش جريانهاي گذراي ژنراتور در اتصال و يا عدم اتصال به شبكه استفاده ميشود. اين مبدل داراي 6 تريستور است، كه در هر فاز دو تريستور موازي معكوس قرار
ميگيرد. شكل 1 شماي كلي اين توربين باد و استارتر نرم را
نشان ميدهد. توربين باد سرعت متغير با ژنراتور القايي تغذيه
دوگانه كه استاتور مستقيم به شبكه وصل ميشود و روتور با
IGBT استفاده از يك مبدل منبع ولتاژ با كليد هاي
و طبقات پشت (Insulated Gate Bipolar Transistor)
به پشت به شبكه وصل ميشود. ظرفيت اين مبدل، حدود 30
درصد توان نامي ژنراتور است. اين مبدل كه همان سيستم
ميباشد، (Power conditioning system) حالت دهي توان
متشكل از دو مبدل است ، مبدل سمت شبكه و مبدل سمت
روتور ، كه هر كدام به صورت مستقل كنترل م يشوند. وظيفه ي
است، تا از DC مبدل سمت شبكه، ثابت نگهداشتن ولتاژ لينك
عملكرد مبدل در ضريب توان واحد (توان راكتيو صفر) اطمينان
حاصل شود. و وظيفه ي مبدل سمت روتور، كنترل توان اكتيو و
راكتيو در استاتور ميباشد. همانطور كه در شكل 2 مشاهده
ميكنيم، هر مبدل در هر فاز يك پايه و در مجموع سه پايه دارد
است و با هر ترانزيستور IGBT و هر پايه شامل 2 ترانزيستور
يك ديود به صورت موازي قرار دارد. علت قرار دادن ديود به
صورت موازي با آن، اين است كه ترانزيستورها تحمل ولتاژ
IGBT معكوس را ندارند. پس هر مبدل داراي شش ترانزيستور
و شش ديود است. سيستم حالت دهي توان توربين باد سرعت
متغير با ژنراتور القايي و مبدل فركانسي ظرفيت كامل، يك مبدل
پل پشت به پشت است كه بين شبكه و ژنراتور به صورت سري
متصل ميشود. در نتيجه اين مبدل بايد متناسب با قدرت ژنراتور
طراحي و ساخته شود، زيرا بايد بتواند تمام توان استاتور را از
IGBT خود عبور دهد. هر مبدل در هر فاز داراي دو ترانزيستور
است، كه با هر ترانزيستور يك ديود موازي قرار دارد پس هر
و شش ديود ميباشد. IGBT مبدل داراي شش ترانزيستور
-2 تحليل قابليت اطمينان نيمه هاديها در مبدلهاي
الكترونيك قدرت
قابليت اطمينان يك سيستم عبارتاست از احتمال عملكرد
رضايت بخش آن سيستم تحت شرايط كار مشخص براي مدت
زمان معين و متوسط زمان عملكرد رضايت بخش سيستم با
مقداري بيشتر به سيستمي با قابليت اطمينان بيشتر اشاره دارد.
يك سيستم را براي دوره عمر مفيد تجهيز، كه نرخ MTBF
خرابي طبق منحني تغييرات نرخ خرابي نسبت به زمان (وام
حمام) ثابت است، محاسبه ميكنيم. تجهيزات سيستم از نقطه
نظر قابليت اطمينان به صورت اتصال سري در نظر گرفته شده
اند. طول عمر نيمه هاديهاي قدرت را ميتوان به صورت تابعي از
دماي پيوند و ميزان توان بهره برداري قطعه كه متناسب با
متوسط توان تلف شده در آن است، مدلسازي كرد. براي مدل-
استفاده Arrhenius سازي نرخ خرابي نيمه هاديها از مدل عمر
ميكنيم، كه فاكتور استرس در اين مدل دما ميباشد. دماي
پيوند را ميتوان با استفاده از توان تلف شده در قطعه و مقاومت
معادل حرارتي از پيوند تا محيط محاسبه كرد. رابطه ( 1) نحوه
.[ محاسبه اين دما را نشان ميدهد[ 11
TJ  TA  PD JA (1)
مقاومت معادل حرارتي بين پيوند و ،θJA در اين رابطه
PD به ترتيب دماي پيوند و محيط و TA و TJ . محيط است
تلفات توان (تلفات هدايت و سوئيچينگ) توليد شده در نيمه-
( هادي است. طول عمر نيمه هادي را با استفاده از رابطه ( 2
بدست ميآوريم.
1× ميزان عمر نرمال ميباشد، كه 106 L در اين رابطه 0
ثابت بولتزمن و K كه ،B=(EA/K) . ساعت در نظر ميگيريم
4
10-5 (ev/°k) انرژي فعالسازي است. ثابت بولتزمن را EA
0.2 فرض ميكنيم. (ev) 8.6 و انرژي فعالسازي را ×
TJ TA TJ
با توجه به اينكه تجهيزات سيستم از نقطه نظر قابليت
اطمينان به صورت اتصال سري در نظر گرفته شده اند. در نتيجه
نرخ خرابي سيستم، از جمع نرخهاي خرابي تجهيزات موجود در
آن بدست ميآيد.
-1-2 تحليل تلفات توان نيمههاديها در توربين باد
سرعت ثابت
براي محاسبه قابليت اطمينان نيمههاديها، ابتدا بايستي
تلفات هدايت و سوييچينگ آنها را محاسبه كنيم. در حالت
هدايت، تريستور را با يك افت ولتاژ ثابت و يك مقاومت، مطابق
رابطه خطي ( 8) مدل ميكنيم. براي محاسبه تلفات هدايت و
.[ سوييچينگ تريستور از روابط ( 9) و ( 10 ) استفاده ميكنيم
ولتاژ آستانه تريستور :VT(TO) ، تلفات هدايت تريستور :Pcd,T
مقاومت :rT ، جريان موثر حالت وصل عبوري از تريستور :IT
انرژي :ERQ ، تلفات سوييچينگ تريستور : Psw,T ، حالت وصل
كل : Psoft starter ، فركانس اصلي :f ، تلف شده خاموشي تريستور
تلفات توان سافت استارتر.
-2-2 تحليل تلفات توان نيمههاديها در توربين باد
سرعت متغير
تلفات نيمه هاديها به دو تلفات هدايت و سوييچينگ تقسيم
ميشود. تلفات سوييچينگ ترانزيستور شامل تلفات روشن بودن
و خاموش بودن است. و تلفات سوييچينگ ديود فقط شامل
تلفات خاموش بودن كه همان انرژي بازيافت معكوس است، مي-
شود. داده هاي مورد نياز براي محاسبه تلفات روشن بودن و
خاموش بودن ترانزيستور و انرژي بازيافت معكوس ديود از
ديتاشيت هاي كارخانه هاي سازنده نيمه هاديها بدست ميآيد.
ولتاژ حالت : Vcd,T ، ولتاژ حالت وصل خطي شده ديود : Vcd,D
افت ولتاژ حالت وصل ديود، : VTO ، وصل خطي شده ترانزيستور 
مقاومت حالت : rT ، افت ولتاژ حالت وصل ترانزيستور : VCEO
مقاومت حالت وصل ترانزيستور : rCE ، وصل ديود
براي محاسبه تلفات هدايت، فرض ميكنيم كه سوييچها
بينهايت سريع هستند. در نتيجه سوييچها يا در حالت وصل و يا
در حالت قطع ميباشند. و براي ساده سازي، نسبت اشتعال
و با تزريق هارمونيك PWM سوييچها را براي روش مدولاسيون
سوم بدست ميآوريم.
شاخص مدولاسيون كه مقدار آن از صفر تا يك تغيير مي- :mi
جريان موثر عبوري : Irms ، سرعت زاويهاي :ω ، زاويه فاز :Φ ، كند
از نيمه هادي تلفات سوييچينگ :Psw,D ، تلفات سوييچينگ ترانزيستور :Psw,T
تلفات :Eoff ، تلفات انرژي روشن بودن ترانزيستور :Eon ، ديود
انرژي بازيافت معكوس ديود، :Err ، انرژي خاموشي ترانزيستور
جريان نامي. : IC,nom ، فركانس سوييچينگ :fsw
-3 نتايج
در بخش قبل، نحوه محاسبه قابليت اطمينان و تلفات
هدايت و سوييچينگ نيمه هاديها شرح داده شد. براي محاسبه
قابليت اطمينان سيستمهاي حالت دهي توان، فرض ميكنيم
14.5(m/s) 2 در سرعت باد MW توان نامي توربين بادها
براي محاسبه SKKQ باشد. از دادههاي تريستور مدل 1200
، قابليت اطمينان استارتر نرم، استفاده شده است[ 15 ]. جدول 1
دادههاي محاسبه شده براي يك تريستور را نشان ميدهد. براي
محاسبه قابليت اطمينان مبدلها در دو توربين باد سرعت متغير
Skiip 942GB120-317CTV از دادههاي ترانزيستور مدل
استفاده شده است[ 15 ]. شاخص مدولاسيون و فركانس
سوييچينگ را به ترتيب 0.8 و 5 كيلوهرتز در نظر گرفتيم. داده-
6
هاي محاسبه شده براي يك ديود و يك ترانزيستور هر مبدل در
توربين بادهاي سرعت متغير با ژنراتور القايي تغذيه دوگانه و با
مبدل فركانسي ظرفيت كامل به ترتيب در جدول 2 و 3 آورده
شده است.
با توجه به محاسبات انجام شده، نرخ خرابي سيستم حالت-
MTBF 5.77563 و ×10- دهي توان توربين باد سرعت ثابت 6
19.76 سال) است، در حاليكه نرخ خرابي ) 1.73141 × آن 105
DFIG سيستم حالت دهي توان توربين باد سرعت متغير با
-5 3.87 سال) و نرخ ) 3.394 × آن 104 MTBF 2.9465 و ×10
خرابي سيستم حالت دهي توان توربين باد سرعت متغير با مبدل
2.4043 × آن 104 MTBF 4.1592 و ×10- ظرفيت كامل 5
2.75 سال) ميشود. با توجه به دادههاي بدست آمده، ميتوان )
نتيجهگيري كرد، كه نياز به جايگزيني سيستم حالتدهي توان
آن تقريبا چهار سال و DFIG براي توربين باد سرعت متغير با
براي توربين باد سرعت متغير با مبدل ظرفيت كامل حدود سه
است. كه اين نشان ميدهد، اين سيستمها در مقايسه با عمر
توربين باد كه معمولا 15 تا 20 سال است، بسيار آسيبپذير
هستند. و همچنين از نظر مالي، جايگزيني و يا تعمير اين چنين
سيستمهاي پيچيدهاي گران ميباشد. در حاليكه سيستم حالت-
دهي توان توربين باد سرعت ثابت، عمر طولانيتري داشته و
سازگاري زيادتري با عمر توربين باد دارد.
جدول 1: دادههاي محاسبه شده نيمههادي در توربين باد سرعت ثابت
DFIG جدول 2: دادههاي محاسبه شده نيمههاديهاي توربين باد
جدول 3: دادههاي محاسبه شده نيمههاديهاي توربين باد با مبدل فركانسي
ظرفيت كامل
شكل 5 و 6، قابليت اطمينان اين سه سيستم را براي يك
دوره يك ساله ( 8760 ساعت) و در طول زمان نشان ميدهد.
قابليت اطمينان سيستم حالتدهي توان توربين باد سرعت ثابت،
بعد از يك سال به 95 درصد افت ميكند. و همچنين به كمتر از
50 درصد بعد از 150000 ساعت ميرسد. در حاليكه قابليت
اطمينان سيستم حالتدهي توان توربين بادهاي سرعت متغير
بعد از يك سال به ترتيب به 77 و Full converter و DFIG
68.5 درصد افت ميكنند. و همچنين به كمتر از 50 درصد بعد
از تقريبا 20000 ساعت ميرسند. اين نتايج نشان ميدهد، كه
سيستم حالتدهي توان توربين باد سرعت ثابت، در مقايسه با
سيستمهاي حالتدهي توان دو توربين باد سرعت متغير، از نظر
هزينه تعميرات و جايگزيني مقرون به صرفهتر است. و در ادامه
محاسبات قابليت اطمينان سيستمهاي حالتدهي توان توربين
بادهاي سرعت متغير، به اين نتيجه رسيديم، كه مبدلهاي سمت
ژنراتور نسبت به مبدلهاي سمت شبكه قابليت اطمينان كمتري
اينورتر سمت شبكه اينورتر سمت ژنراتور 
دارند، كه ميتوان آن را به خاطر جريان بيشتر عبوري از نيمه-
هاديها و تلفات توان بيشتر آنها دانست.
شكل 5: قابليت اطمينان سيستمهاي حالتدهي توان در مدت يك سال
شكل 6: قابليت اطمينان سيستمهاي حالتدهي توان در طول زمان
-4 نتيجه گيري
در اين تحقيق، ارزيابي قابليت اطمينان مبدلهاي
الكترونيك قدرت را براي سه تكنولوژي مهم توربين باد متصل به
شبكه، شامل توربين باد سرعت ثابت، توربين باد سرعت متغير با
ژنراتورالقايي تغذيه دوگانه و توربين باد سرعت متغير با مبدل
فركانسي ظرفيت كامل انجام داديم. در محاسبات قابليت
اطمينان، از دما به عنوان يك فاكتور استرس استفاده شد. با
توجه به دادههاي بدست آمده از محاسبات، به اين نتيجه
رسيديم، كه مبدل الكترونيك قدرت توربين باد سرعت ثابت،
Full و DFIG نسبت به مبدلهاي توربين باد سرعت متغير
قابليت اطمينان بيشتري دارد. و در توربين بادهاي ،converter
سرعت متغير، مبدل سمت ژنراتور نسبت به مبدل سمت شبكه،
قابليت اطمينان كمتري دارد. توجه به اين نكته مهم ميباشد، كه
از جهات بسياري ،Full converter و DFIG توربين بادهاي
برتوربين بادي سرعت ثابت برتري دارند. كه از آن جمله ميتوان
به افزايش انرژي به دست آمده از باد، بهبود كيفيت توان، كنترل
مستقل توانهاي اكتيو و راكتيو و كاهش استرس مكانيكي را
بيان نمود. در حاليكه در توربين بادي سرعت ثابت، با توجه به
اينكه، قابليت اطمينان بالا و قيمت اجزاي الكتريكي و درايو
پايين است، اما از معايب مهم آن ميتوان به مصرف غيرقابل
كنترل توان راكتيو، استرس مكانيكي و كنترل محدود كيفيت
توان اشاره كرد.
مراجع
M. Parsa Moghaddam, E. Talebi Ghadikolayi and M.
Mohamadian, “A new method for pricing of wind power in
short-term power markets,” Pscc 2008.
[1]
S.N.Singh and I. Erlich, “Strategies for wind power trading in
competitive electricity markets,” IEEE Trans. On Energy
Conversion, vol. 23, no. 1, pp. 249-256, March 2008.
[2]
Md. Arifujjaman, M. T. Iqbal and J. E. Quaicoe, “A comparative
study of the reliability of the power electronics in grid connected
small wind turbine systems,” IEEE 2009.
[3]
A. Gaspar Gonzalez Rodriguez, “Improvement of a fixed-speed
wind turbine soft-starter based on a sliding-mode controller,”
University Of Seville Department Of Electrical Engineering,
March 2006.
[4]
B. Mistry, “Different control techniques of wind turbine
inverters,” National Conference On Recent Trends In
Engineering & Technology, May 2011.
[5]
[6] A. H. Ranjbar, M. Kiani and B. Fahimi, “Dynamic markov
8
model for reliability evaluation of power electronic systems,”
Proceedings of the 2011 International Conference on Power
Engineering, Energy and Electrical Drives, Spain. May 2011.
D. Hirschmann, D. Tissen, S. Schroder, and R.W. De Doncker,
“Reliability prediction for inverters in hybrid electrical
vehicles,” IEEE Transactions On Power Electronics, 2007.
[7]
Md. Arifujjaman, M.T. Iqbal and J.E. Quaicoe, “Reliability
analysis of grid connected small wind turbine power
electronics,” Memorial University of Newfoundland, Applied
Energy 86 , 1617–1623, 2009.
[8]
Md. Arifujjaman, M.T. Iqbal and J.E. Quaicoe, “Power
electronics reliability comparison of grid connected small wind
energy conversion systems,” vol. 35, no. 1, 2011.
[9]
Z. Chen, J. M. Guerrero and F. Blaabjerg, “A review of the state
of the art of power electronics for wind turbines,” IEEE Trans.
On Power Electronics, vol. 24, no. 8, August 2009.
[10]
J. David Neely, “Fault types and reliability estimates in
permanent magnet ac motors,” A Thesis Submitted to Michigan
State University In Partial Fulfillment Of The Requirements For
The Degree Of Master Of Science 2005.
[11]
“Technical information bipolar semiconductor,” Published by
infineon technologies ag, Application Note, V2.2, March 2006.
[12]
F. Abrahamsen, “Energy optimal control of induction motor
drives,” Institute of energy technology, Aalborg University,
February 2000.
[13]
A. Petersson, “Analysis, modeling and control of doubly-fed
induction generators for wind turbines,” Chalmers University Of
Technology, Göteborg, Sweden 2003.
[14]
[15] http://www.semikron.de.__