طراحی و کنترل توربین-ژنراتورهای محرکه مستقیم مبتنی بر ماشین های شار محور و مبدل های الکترونیک قدرت چند سطحی

با توجه به ضرورت های استفاده از منابع انرژی پاک در جهت کاهش آلودگی محیط زیست و توسعه پایدار، در حال حاضر نصب وگسترش نیروگاه های بادی به عنوان یکی از اقتصادی ترین منابع انرژی تجدیدپذیر در اولویت توسعه انرژی بسیاری از کشورها قرار گرفته است. سه ساختار اصلی که برای تبدیل انرژی مکانیکی توربین بادی به انرژی الکتریکی به کار می روند شامل توربین-ژنراتورهای سرعت ثابت، سرعت متغیر با گستره محدود، و سرعت متغییر با محدود تغییرات وسیع می باشند. یکی از مزایای ساختار نوع سوم امکان استفاده از ماشین های خاص با تعداد قطب زیاد است که امکان کار در سرعت کم با گشتاور زیاد را فراهم می-آورند. با استفاده از این نوع ماشین ها، امکان حذف جعبه دنده و اتصال مستقیم محور روتور توربین به محور روتور ژنراتور فراهم می گردد. استفاده از فناوری محرکه مستقیم علاوه بر حذف هزینه تعمیر و نگهداری جعبه دنده و افزایش بازده کل سیستم، زمان تعمیر درصورت بروز خرابی در سیستم را نیز کاهش می دهد. چالش اصلی در بهره برداری از توربین-ژنراتورهای محرکه مستقیم، استفاده از ساختارهای مقاوم و مطمئن برای بخش های الکتریکی توربین-ژنراتورهای بادی، شامل ژنراتور و مبدل الکترونیک قدرت توان بالا می باشند. این پایان نامه به بررسی و ارائه ساختاری مناسب برای توربین ژنراتورهای بادی محرکه مستقیم می پردازد. ساختار پیشنهادی این پژوهش شامل دو بخش می باشد. بخش اول ژنراتور شار محور و بخش دوم اینورتر چندسطحی بخش پذیر را به عنوان گزینه های مناسبی برای سیستم های بادی محرکه مستقیم معرفی می کند. ماشین های شار محور به دلیل عدم استفاده از جاروبک هزینه تعمیرات کمتری دارند. همچنین در ماشین شار محور به راحتی امکان افزایش تعداد قطبها وجود دارد، به گونه ای که نسبت چگالی گشتاور یا توان ماشین به حجم و وزن ماشین به نحو چشمگیری بیشتر از سایر انواع ماشین های القایی و سنکرون مرسوم برای توربین - زنراتورهای بادی است. مبدل های چند سطحی بخش پذیر نیز با امکان سری کردن مبدل های پایه امکان ایجاد ولتاژ بالا و تزریق جریان/توان در ولتاژ بالا با جریان کمتر را فراهم می سازند. این مبدل ها بازده انتقال توان را به دلیل استفاده از ولتاژ بالاتر، افزایش می دهند. راست آزمایی مدل پیشنهادی از طریق شبیه سازی یک سیستم مطالعاتی با یک ژنراتور شار محور 9 فاز و یک اینورتر چند سطحی بخش پذیر با چهار سلول برشگر در هر فاز انجام می گیرد. برای شبیه سازی ژنراتور 9 فاز از سه ژنراتور سه فاز که خروجی آن ها به هم متصل شده، استفاده می شود. برای اینورتر نیز باید تعادل ولتاژ خازن های دو سر برشگرها برقرار باشد که برای این منظور از دو مدار کنترل میانگین و کنترل تعادل استفاده می شود. نتایج به دست آمده از شبیه سازی نشان می دهد که ریپل ولتاژ سیستم 9 فاز نسبت به سیستم سه فاز کمتر است که در نتیجه سیستم به خازن با ظرفیت کمتری در خروجی یکسوساز نیاز دارد. هم چنین کارایی اینورتر پیشنهادی با توانایی کنترل کننده ها در تعقیب سرعت مرجع و توان راکتیو مرجع مورد بررسی قرار گرفته است. بر اساس بررسی های انجام گرفته سیستم پیشنهادی علاوه بر کاهش تلفات و هزینه ی تعمیرات، قابلیت انتقال توان به شبکه در ولتاژ بالا را داراست و نسبت به تغییرات سرعت باد و تغییرات توان مرجع مقاوم می باشد.