پایان نامه بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین های بادی

word
128
3 MB
32149
1392
کارشناسی ارشد
قیمت: ۱۶,۶۴۰ تومان
دانلود فایل
  • خلاصه
  • فهرست و منابع
  • خلاصه پایان نامه بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین های بادی

    پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق (گرایش قدرت)

    چکیده

    بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین­های بادی

     

     

    با توسعه روز­افزون توربین­های بادی، بالا بردن کارآیی آن حیاتی تر شده است. یکی از فاکتور­ها برای سنجش کارآیی توربین بادی، عملکرد آن در قبال مسائل حالت گذرا است. پدیده هایی که منجر به ایجاد حالات گذرای الکترومغناطیسی بر روی مزرعه بادی می شوند، به دو مقوله صاعقه و کلید­زنی تقسیم بندی شده است، که هر کدام به دو زیر ­شاخه تقسیم شده­اند: مطالعات درون سیستم و مطالعات درون شبکه ای. در بخش صاعقه، مواردی از جمله میزان تاثیر­پذیری مبدل ها از صاعقه، نقش سیستم زمین در اضافه ولتاژ­ها، تاثیر ارتفاع توربین بر اضافه ولتاژ­ها، تاثیر وجود هر یک از برقگیر­ها بر کاهش اضافه ولتاژ­ها، تاثیر طراحی مزرعه (وجود یا عدم وجود ترانسفورماتور­ های افزاینده) بر اضافه ولتاژ­ها، برخورد صاعقه به خط انتقال متصل به مزرعه و تاثیر آن بر توربین ها و برخورد صاعقه به ناسل توربین مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

    در بخش کلید­زنی، عوامل اصلی کلید­زنی در دو حوزه بررسی شده است: کلید­زنی بر روی سیستم DFIG و کلید­زنی بر روی شبکه. از جمله عامل­های کلید­زنی بر روی سیستم DFIG می توان به سنکرون کردن توربین ها با شبکه، بی برق کردن توربین ها، وصل بانک های خازنی و بروز خطا­های ناخواسته بر روی مبدل­ها اشاره کرد. در حوزه کلید­زنی بر روی شبکه تنها به قطع و وصل خطوط اشاره شده است.

    برای رسیدن به این اهداف، این پایان­نامه در پنج فصل تدوین شده است. در فصل اول مقدمه ای اجمالی بر توربین­های بادی شامل معرفی انواع تقسیم بندی­های توربین­ها و همچنین معرفی اجزای یک توربین بیان شده است. حالت­های گذرای ممکن در یک DFIG در فصل دوم گنجانده شده است که شامل دو حوزه صاعقه و سوییچینگ می شود. فصل سوم به مدل سازی توربین بادی با ژنراتور DFIG پرداخته است. نتایج شبیه سازی که بوسیله مدل ارائه شده در فصل سوم بدست آمده است، در فصل چهارم گنجانده شده است و در انتها، نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات جهت مطالعات آتی در فصل پنجم شرح داده شده است.

    مقدمه

     

    آنچه اکنون به عنوان یکی از بزرگترین مشکلات جهانی، بشر را تهدید می کند، کمبود انرژی و آلودگی هوا بر اثر استفاده از سوخت های فسیلی است. برای رفع این معضل بزرگ، از مدت ها پیش پژوهشگران و دانشمندان، مطالعه و تحقیق برای استفاده از انرژی های تجدید­پذیر و پاک را شروع کرده اند. از گذشته های نه چندان دور، راه حل هایی برای تولید انرژی از منابع طبیعی مورد مطالعه قرار گرفته و عناصری مانند آفتاب، آب، باد و امواج اقیانوس ها مورد توجه قرار گرفته است و دانشمندان می کوشند با استفاده از این عناصر طبیعی، مشکل انرژی را حل کنند که پی آمد آن، کاهش آلودگی هوا و محیط زیست سالم خواهد بود. استفاده از قایق ها و کشتی های بادبانی و آسیاب های بادی و آبی، استفاده وسیع از انرژی آفتاب در مقاصد گرمایش و سوزاندن چوب و امثال آن برای تولید حرارت، تعبیه باد­گیر های طبیعی برای سرمایش اماکن مسکونی و بسیاری موارد دیگر از جمله مثال های بارز استفاده انسان از منابع انرژی طبیعی می باشد.

    با گذشت زمان و در اثر رشد جوامع و پیچیده تر شدن صنعت و تکنولوژی، نیاز بشر به منابع انرژی شدت یافت و کشف و بهره برداری وسیع منابع فسیلی را ناگزیر نمود. در دنیای امروز، انفجار جمعیت و ارتقاء سطح زندگی و رفاه انسان ها که نیاز به منابع انرژی را بیش از پیش شدت بخشیده است از یک طرف، و آسیب ها و تهدیدات روزافزونی که استفاده بی رویه از انرژی های فسیلی به طبیعت و محیط زیست وارد کرده و می کند از طرف دیگر، ادامه این روند را غیر ممکن ساخته است. لذا، بشر با نگاهی دوباره به خورشید، باد و سایر منابع طبیعی پاک و لایزال، سعی نموده است که وابستگی خود به منابع فسیلی را تا حد امکان کم نماید. یکی از ارزان­ترین و سهل الوصول ترین آنها انرژی باد است [1]. بررسی میزان استفاده از این انرژی در سال­های اخیر به خوبی گویای اهمیت و جایگاه آن در تامین انرژی در سطح جهان می باشد..

    مزایای بهره برداری از انرژی باد

    انرژی باد نیز مانند سایر منابع انرژی تجدید­پذیر، از ویژگی ها و مزایای بالایی نسبت به سایر منابع انرژی برخوردار است که اهم این مزایا عبارتند از:

    عدم نیاز توربین های بادی به سوخت، که در نتیجه از میزان مصرف سوخت های فسیلی می­کاهد.

    رایگان بودن انرژی باد

    توانایی تامین بخشی از تقاضا­های انرژی برق

    کمتر بودن هزینه های جاری و هزینه های سرمایه گذاری انرژی باد در بلند مدت

    تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار انرژی

    قدرت مانور زیاد جهت بهره برداری در هر ظرفیت و اندازه (از چند وات تا چندین مگاوات)

    عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب

    نداشتن آلودگی محیط زیست نسبت به سوخت های فسیلی

     

    1-2- توربین های بادی

     

    یک توربین بادی دستگاهی است که دارای تعدادی پره می باشد که این پره ها، قابلیت دریافت انرژی از باد و تبدیل آن به انرژی مکانیکی را دارا می باشند. این انرژی مکانیکی به یک ماشین الکتریکی منتقل می شود و انرژی الکتریکی تولید می شود.

    1-2-1-  معرفی اجزای توربین بادی:

    یک توربین بادی به طور کلی از قسمت هایی مانند روتور، جعبه دنده، محور سرعت پایین، محور سرعت بالا، ژنراتور، برج نگه داری سیستم روتور، مکانیزم های ترمز و مکانیزم های انحراف توربین، بادنما، باد سنج و بدنه توربین تشکیل شده است

    روتور

    روتور یک توربین از پره ها، توپی و اجزای آن تشکیل شده است. روتور از طریق توپی خود به محور سرعت پایین متصل است و انرژی دورانی خود را به محور سرعت پایین منتقل می کند. روتور ها بر دو نوع با محور افقی (HAWT)[1] و با محور عمودی (VAWT)[2] ساخته می شوند و پره های آن ها را می توان از فایبر گلاس تقویت شده با پلی استر و یا چوب چند لایه و یا فولاد ساخت که پره های ساخته شده با فایبر گلاس تقویت شده سبک می باشند و تنش کمتری بر یاتاقان ها و توپی وارد می کنند. پره های ساخته شده با چوب چند لایه دارای مقاومت بسیار مطلوب در برابر خستگی می باشند و پره های فولادی به خاطر تکنولوژی ساده ساخت، استحکام بالا و هزینه ساخت کم مورد استفاده قرار می گیرند. قطر پره های توربین ها می تواند از چند متر تا چند ده متر ساخته شود و توان قابل تولید در یک توربین بادی، متناسب با سطح دایره ای شکلی است که از چرخش پره های روتور به حول محور روتور حاصل می شود و به این دلیل با توجه به شرایط محیط و باد در هر منطقه و میزان توان مورد نیاز، پره های توربین روتور در اندازه های مختلف ساخته می شوند.

    محور های سرعت بالا و پایین

    محور سرعت پایین از یک طرف به پره های روتور و از طرف دیگر به جعبه دنده متصل می باشد و سرعت چرخش آن برابر با سرعت پره های روتور می باشد و وظیفه این محور، انتقال انرژی دورانی تولید شده در اثر وزش باد به جعبه دنده می باشد.

    محور سرعت بالا از یک طرف به جعبه دنده و از طرف دیگر به شافت ژنراتور متصل است و وظیفه ی آن انتقال انرژی تغییر یافته چرخشی در جعبه دنده به محور ژنراتور می باشد.

    جعبه دنده

    سرعت چرخش روتور در توربین های بادی پایین می باشد و با توجه به شرایط و نوع توربین در حدود 30 تا 40 دور در دقیقه خواهد بود در حالی که برای تولید انرژی در محدوده  فرکانس 60 هرتز با توجه به تعداد قطب های ژنراتور نیاز به سرعتی بین 1200 تا 1800 دور در دقیقه می باشد که جهت ایجاد چنین سرعتی نیاز به یک مکانیزم انتقال قدرت داریم که سرعت پایین و گشتاور بالای محور سرعت پایین را به سرعت بالا و گشتاور پایین در محور سرعت بالا تبدیل کند. این مکانیزم جعبه دنده نام دارد. در جعبه دنده ی توربین های بادی نرخ افزایش سرعت ثابت است و چرخ دنده های موجود در آن فقط سرعت چرخش محور سرعت پایین را به یک نسبت مشخص بالا خواهند برد که معمولا این نسبت در حدود یک به پنجاه خواهد بود که باعث می­شود سرعت چرخش محور سرعت بالا پنجاه برابر سرعت چرخش محور سرعت پایین باشد.

     

    Abstract

    ELECTROMAGNETIC STUDIES IN WIND TURBINES

    BY

    HAMID SAMSAMI

     

    With the increasing development of wind turbines, improving their efficiency have become imperative. One of the factors for assessing the efficiency of wind turbines is their performance during transient states. Phenomena that lead to creation of transient states on wind farms divided into two groups: Lightning and Switching, that each of which are divided into two subcategories: caused by factors within the system and factors within the grid (out of wind farm).

    In the part of lightning, sensitivity level of converters versus lightning strikes, the role of ground system in reducing overvoltage, effect of turbine height on the overvoltage, role of each surge arrester on reducing overvoltage, effect of farm design (insert one step-up transformer for four turbines) on generated overvoltage, lightning strike to the transmission line connected to the wind farm and it’s effect on the turbines and lightning strike to the nacelle has been discussed.

    In the section of switching, the main factors of switching are reviewed in two areas: switching on the DFIG and switching on the grid. In first subsection, stator synchronization, deenergization of turbine, switching of capacitor banks and unintended faults on the converters are studied. In the second subsection, only switching of transmission line is studied.

    To achieve these objectives, this thesis has been compiled in five chapters. In the first chapter, a brief introduction on wind turbines including introduce various divisions of turbines, as well as introduction of turbine component is expressed. The contingent transient states in a DFIG were included in the second chapter, which will include both lightning and switching. Third chapter introduces detailed model of a DFIG. Simulation results that obtained by apply to model presented in chapter three, are described in chapter four, and finally, conclusions and suggestions for future studies are described in chapter five.

  • فهرست و منابع پایان نامه بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین های بادی

    فهرست:

    عنوان

    فصل اول: مقدمه ای بر توربین های بادی      

    1-1- مقدمه

    1-2- توربین های بادی

    1-2-1- معرفی اجزای توربین بادی

    1-3- تقسیم بندی توربین های بادی

    1-4- ژنراتور القایی با تغذیه دو­گانه

    1-4-1- طراحی و عملکرد DFIG

    1-4-2- مزایای DFIG                                                      

    1-4-3- مدل ها و کنترل گذرا        

    1-5- مسائل موجود در بهره برداری DFIG            

    1-5-1- ژنراتور بادی در حالت اتصال به شبکه

    1-5-2- توربین بادی در حالت جدا از شبکه                                                                                                

    فصل دوم: حالت­های گذرای ممکن در DFIG

    2-1- مقدمه

    2-2- صاعقه

    2-2-1- فیزیک صاعقه

    2-2-2- جریان ناشی از اصابت صاعقه

    2-3- کلید­زنی

    2-3-1- برق دار کردن توربین ها

    2-3-2- بی برق کردن توربین ها

    2-3-3- کلید­زنی بانک خازنی

    فصل سوم: مدل سازی DFIG در حالت گذرا

    3-1- سیستم مورد مطالعه

    3-2- مدل تجهیزات در EMTP

    3-2-1- منبع جریان صاعقه

    3-2-2- ساختمان توربین بادی

    3-2-3- سیستم زمین

    3-2-4- ژنراتور القایی با تغذیه دو­گانه

    3-2-5- برقگیر

    3-2-6- خازن های پراکندگی

    فصل چهارم: شبیه سازی

    4-1- مقدمه

    4-2- شبیه سازی حالت­های گذرای ناشی از صاعقه

    4-2-1- برخورد صاعقه به پره­های توربین بادی

    4-2-2- برخورد صاعقه به خط انتقال متصل به مزرعه بادی

    4-3- شبیه سازی حالت های گذرای ناشی از کلید­زنی

    4-3-1- کلید­زنی بر روی سیستم DFIG

    4-3-2- کلید­زنی بر روی شبکه متصل به مزرعه بادی

    فصل پنجم: نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات

    5-1- مقدمه

    5-2- نتیجه گیری

    5-2-1- صاعقه

    5-2-2- کلید­زنی

    5-3- ارائه پیشنهادات جهت مطالعات آتی

    منابع و مأخذ

    منبع:

     

    [1] T.Ackermann, “Wind Power in Power System”, Royal Institute of Technology, 2005.

    [2] C.Abbey, “A Doubly-Fed Induction Generator and Energy Storage System for Wind Power Application”, university of Alberta, August 2004.

    [3] M.Rahimi and M.Parniani, “Transient Performance Improvement of wind Turbines with Doubly Fed Induction Generator Using Nonlinear Control Strategy”, IEEE Trans. Energy Convers, vol. 25, no. 2, pp. 514-525, June 2010.

    [4] R.Pena, J.C.Clare and G.M.Asher, “Doubly Fed Induction Generator using back to back PWM Converters and its Application to Variable Speed Wind Energy Generation”, Proc. Electr. Power Appl., vol. 143, no. 3, May 1996.

    [5] R.Datta and V.T.Ranganatha, “A Method of Tracking the Peak Power Points for a Variable Speed Wind Energy Conversion System”, IEEE Trans. Power Elec., vol. 16, no. 3, May 2001.

    [6] Greenpeace. Wind Force 12. Available on-line: http://www.greenpeace.org.nz/pdf/wind-force-12-2003.pdf

    [7] I.M.Alegria, J.Andreu and J.L.Martin, “Connection Requirements for Wind Farms: A Survey on Technical Requirements and Regulation”, Renewable & Sustainable Energy Reviews, vol. 11, pp. 1858-1872, 2007.

    [8] EN 50160, “Characteristics of the Voltage in Puplic Supply Networks”.

    [9] V.Akhmatov, “Voltage Stability of Large Power Networks with a Large Amount of Wind Power”, ELTRA Large Scale Integration of Wind Power and Transmission Networks for offshore Wind Farms Seminar in Billund, Denmark 20-22 October 2003.

    [10] K.Manickavasagam, “Load Frequency Control of DFIG-Isolated and Grid Connected mode”, International journal of Applied Power Engineering, vol. 1, no. 1, pp. 29-36, April 2012.

    [11] B.Chitti, K.B.Mohanty, “Doubly-Fed Induction Generator for Variable Wind Energy Conversion Systems Modeling and simulation”, International Journal of Computer and Electrical Engineering, vol. 2, no. 1, February 2010.

     [12] R.Pena, J. Clare and G.Asher, “A Doubly Fed Induction Generator using two Back to Back PWM Converters Supplying an Isolated Load From a Variable Speed Wind Turbine”, IEE Proceeding of Electrical Power Applications, vol. 143, no. 5, pp. 380-387, September 1996.

    [13] N.A.Schinas, N.Vovs and G.B.Giannakopoulos, “An Autonomous System Supplied Only by a Pitch Controlled Variable-Speed Wind Turbine”, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 22, no. 2, pp. 325-331, June 2007.

    [14] R.Cardenas, R.Pena and J.Asher, “MRAS Observe for Sensorless Control of Standalone Doubly Fed Induction Generators”, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 20, no. 4, pp. 710-718, December 2005.

    [15] C.R.Kelber and W.Schumacher, “Active Damping of Flux Oscillations in Doubly Fed AC Machines using Dynamic Variation of the System’s Structure”, EPE, Graz, 2001.

    [16] J.Lopez, P.Sanchis and X.Roboam, “Dynamic Behaviour of the Doubly Fed Induction Generator During Three Phase Voltage Dips”, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 22, no. 3, pp. 709-717, September 2007.

    [17] C.Abbey and G.Joos, “Integration of Energy Storage with a Doubly Fed Induction Machine for Wind Power Applications”, 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, Aachen, Germany, pp. 1964-1968, 2004.

    [18] A.K.Jain and V.T.Ranganathan, “Wound Rotor Induction Generator with Sensorless Control and Integrated Active Filter for Feeding Nonlinear Loads in a Standalone Grid”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, no. 1, pp. 218-228, January 2008.

    [19] M.T.Abolhassani, P.Enjeti and H.Toliyat, “Integrated Doubly Fed Electric Alternator/Active Filter (IDEA), a Viable Power Quality Solution, for Wind Energy Conversion Systems”, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 23, no. 2, pp. 642-650, June 2008.

    [20] J.L.Da Silva, R.G.de Oliveira and S.R.Silva, “A Discussion about a Start-up Procedure of a Doubly-Fed Induction Generator System”, Nordic Workshop on Power and Industrial Electronics, June 9-11, 2008.

    [21] Central Station Engineers, “Electrical Transmission and Distribution Reference Book”, Westinghouse Electric Corporation.Pt.C, no. 8, January 1964.

    [22] Electric Power Research Institute, “Transmission Line Reference Book”, 1982.

    [23] Garbagnati E, Pandini L, “Current Distribution and Indirect Effects on a Wind Power Generator Following a Lightning Stroke”, IEA Annex XI; 1994 Mar.

    [24] K.Nakada, T.Wakai and H.Taniguchi, “Distribution Arrester Failures Caused by Lightning Current Flowing from Customer’s Structure into Distribution Line’s”, IEEE Transaction on Power Deliverty, vol. 14, no. 4, pp. 1527-1532, October 1999.

    [25] I.A.Aristi, “Modeling of Switching Transients in Nysted Offshore Wind Farm and a Comparison with Measurement” Centre for Electrical Technology, Denmark, June 2008.

    [26] K.C.Liu and N.Chen, “Voltage Peak Synchronous Closing Control for Shunt Capacitors”, IEE Proc. Gener. Transm. Distib, vol. 145, no. 3, pp. 233-238, May 1998.

    [27] R.B.Rodrigues, Mendes and Catalao, “Protection of Wind Energy Systems Against the Indirect Effects of Lightning”, Renew Energy, vol. 36, pp. 2888-2896, 2011.

    [28] F.Rachidi, M.Rubinstein and J.Montanya, “A Review of Current Issues in Lightning Protection of New Generation Wind Turbine Blades”, IEEE Trans Ind Electron, vol. 55, pp. 2489-2496, 2008.

    [29] P.Sarajcev, I.Sarajcev and R.Goic, “Transient EMF Induced in LV Cables due to Wind Turbine Direct Lightning Strike”, Electr Power Syst Res, vol. 80, pp. 489-494, 2010.

    [30] X.H.Wang and  X.Q.Zhang, “An Effective Algorithm of Transient Responses on Wind Turbine Towers Struck by Lightning”, Compel-Int J Comp Match Electr Electron Eng, vol. 28, pp. 372-384, 2009.

    [31] X.H.Wang and X.Q.Zhang, “Calculation of Electromagnetic Induction Inside a Wind Turbine Tower Struck by Lightning”, Wind Energy, vol. 13, pp. 615-625, 2010.

    [32] K.Yamamoto, T.Noda and S.Ametani, “An Experimental Study of Lightning Overvoltages in Wind Turbine Generation Systems using a Reduced Size Model” Electr Eng, vol. 158, pp. 22-30, 2007.

    [33] R.B.Rodrigues, V.M.F.Mendes and J.P.S.Catalao, “Protection of Interconnected Wind Turbines Against Lightning Effects: Overvoltages and Electromagnetic Transients Study”, Renewable Energy, vol. 46, pp. 232-240, March 2012.

    [34] E.D.Sunde, “Earth Conduction Effects in Transmission Systems”, 2nd ed. New York:Dover, 1968.

    [35] R.Rudenberg, “Electrical Shock Waves in Power Systems”, Cambridge, MA: Harvard Univ. Press, 1998.

    [36] M.A.Poller, “Doubly-Fed Induction Machine Models for Stability Assessment of Wind Farms”, IEEE Conference, 2004.

    [37] C.A.Christodoulou, L.Ekonomou and A.D.Mitropoulou, “Surge Arresters Circuit Models Review and their Application to a Hellenic 150 kV Transmission Line”, Simul Model Pract Theory, vol. 18, pp. 836-849, 2010.

    [38] S.Mazari, “Control Design and Analysis of Doubly-Fed Induction Generator in Wind Power Application”, the University of Alabama, 2009.

    [39] R.W.Alexander, “Synchronous Closing Control for Shunt Capacitors”, IEEE Trans., vol. 104, pp. 2619-2626, 1985.

    [40] Deutsches windenergie-Institut Tech-Wise, “Wind Turbine Grid Connection and Interaction”, 2001.



تحقیق در مورد پایان نامه بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین های بادی, مقاله در مورد پایان نامه بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین های بادی, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین های بادی, پروپوزال در مورد پایان نامه بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین های بادی, تز دکترا در مورد پایان نامه بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین های بادی, تحقیقات دانشجویی درباره پایان نامه بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین های بادی, مقالات دانشجویی درباره پایان نامه بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین های بادی, پروژه درباره پایان نامه بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین های بادی, گزارش سمینار در مورد پایان نامه بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین های بادی, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین های بادی, تحقیق دانش آموزی در مورد پایان نامه بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین های بادی, مقاله دانش آموزی در مورد پایان نامه بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین های بادی, رساله دکترا در مورد پایان نامه بررسی حالات گذرای الکترومغناطیسی در توربین های بادی

ثبت سفارش
تعداد
عنوان محصول
بانک دانلود پایان نامه رسا تسیس