>

دراسة وتحليل أداء المولد التحريضي ذو التغذية المضاعفة المقاد بمبدلة إلكترونية متعددة المستويات ذات الوحدات الفرعية

المؤلفون / Authors الملخص / Abstract الكلمات المفتاحية / Keywords أقسام الملف المقدمة 1-منظومة التوليد الكهربائية في العنفة الريحية 2-المبدل الوحدوي المتعدد المستويات 3-النمذجة والمحاكاة في بيئة ماتلاب 4-نتائج المحاكاة 5-مناقشة النتائج والتوصيات المستقبلية 6-المراجع العلمية	دراسة وتحليل أداء المولد التحريضي ذو التغذية المضاعفة المقاد بمبدلة إلكترونية متعددة المستويات ذات الوحدات الفرعية في حالتي السرعة تحت التزامنية وفوق التزامنية في العنفة الريحية
	Study and Analysis of Performance of the Doubly-Fed Induction Generator that driving by Modular Multi-Level Converter in Both Cases of Sub-Synchronous and Super Synchronous Speed in the Wind Turbine
	الناشر : جامعة دمشق


	م.ابراهيم جمال المحمد، أ.د.سامر ربيع، د.رامي موسى
	Eng.Ibrahim AL Mohamad, Dr.Samer Rabih, Dr. Rami Mousa


	الملخص تعد المولدات التحريضة مضاعفة التغذية من أهم الأنواع المستخدمة في العنفات الريحة لسهولة تعاملها مع تغيرات سرعة الرياح. تقاد هذه المولدات عن طريق مبدلات إلكترونية حيث تتوضع هذه المبدلات بين ثابت المولد المربوط مع الشبكة الكهربائية وبين الدائر، وقد تم استخدام العديد من المبدلات كالمبدلة التقليدية والمبدلة المصفوفية في قيادة هذا النوع من المولدات ولكن ترافق استخدام هذه المبدلات بظهور عدة مشاكل منها التشوهات التوافقية في موجات الجهد والتيار والتذبذبات في العزوم الكهرومغناطيسية ومن أجل تخفيض هذه التشوهات والتذبذبات والحصول على موجات جهد وتيار نقية قدر الإمكان لرفد الشبكة الكهربائية بطاقة كهربائية ذات جودة وكفاءة عالية فقد برزت المبدلات المتعددة المستويات ذات الوحدات الفرعية والتي تمثل أحدث المبدلات المستخدمة لما تملكه من خواص وميزات فريدة كخيار بديل للمبدلات التقليدية والمصفوفية التي تم استخدامها. تمت في هذا البحث دراسة وتحليل أداء المولد التحريضي ذو التغذية المضاعفة عند قيادته بمبدل متعدد المستويات ذي الوحدات الفرعية في حالتي السرعة تحت التزامنية وفوق التزامنية، حيث تمت نمذجة نظام التوليد الريحي القائم على استخدام المبدل المتعدد المستويات ذي الوحدات الفرعية باستخدام الماتلاب، وتحليل التشوهات التوافقية لموجات الجهد والتيار في كلتا الحالتين وتم إظهار نتائج المحاكاة بالنسبة للسرعة والعزم وجهد وتيار الثابت والدائر والاستطاعة الفعلية والردية للمولد وتمت مقارنة نتائج المحاكاة مع الأبحاث المتعلقة باستخدام المبدلات التقليدية والمصفوفية حيث أظهرت نتائج المحاكاة القائمة على استخدام المبدل المتعدد المستويات ذي الوحدات الفرعية تحسناً ملحوظاً في أداء المنظومة الريحية.

	الكلمات المفتاحية: العنفة الريحية، المولد التحريضي مضاعف التغذية، المبدل المتعدد المستويات ذو الوحدات الفرعية، السرعة تحت التزامنية، السرعة فوق التزامنية، التشوه التوافقي.

	Abstract Doubly fed induction generators are one of the most important types used in wind turbines because they are easy to deal with changing wind speeds. These generator are driven by electronic converters where is installed between the stator of generator that connected to the electrical grid and the rotor, several converters ,such as traditional converter and matrix converter, have been used to drive this type of generators. The use of these converters is associated with several problems related to the appearance of distortions in voltage and current and oscillations in electromagnetic torque, in order to reduce these distortions and oscillations and to obtain pure voltage and current waves as much as possible to supply the electrical grid with electrical energy of high quality and efficiency, the multi- level converter which represent the latest used converters because of their unique properties and features as an alternative option to the traditional and matrix converters that have been used. In these research, the performance of the doubly fed induction generator was studied and analyzed when it is driven by a multi-level converter in both cases of sub-synchronous and super synchronous speed, where the wind generation system based on the use of the multi-level converter was modeled using MATLAB, the simulation was carried out, and analyze the total harmonic distortion for waves of voltage and current and the results were discussed for speed, stator and rotor currents, voltages of stator and rotor and show the active generated power curve and reactive power curve ,in addition to showing the electromagnetic torque curve and then compare with the cases in which it was used matrix converter and traditional converter where the results of the comparison showed that use of the multi-level converter led to a significant improvement in the performance of the system.

	Keywords: Wind Turbine, Doubly-Fed Induction Generator, Modular Multi-level converter, sub-synchronous speed, super synchron

	مقدمة:
	مع ازدياد الطلب على الطاقة الكهربائية تم الاتجاه نحو مصادر جديدة للطاقة ولاسيما الطاقات المتجددة، وحازت طاقة الرياح المولدة للكهرباء على مكانة رئيسية بين الطاقات المتجددة وأصبحت أكثر أهمية كونها مصدر طاقة نظيف ومتجدد ويمكن استخدامها ليلاً ونهاراً، ومع ازدياد الطلب على الطاقة ذات الجودة والموثوقية والكفاءة العالية تم الاتجاه لتطوير وتحسين مكونات هذه المنظومة من مولدات على اختلاف أنواعها وتجهيزات إلكترونية وملحقاتها.
	تصنف المبدلات الوحدوية متعددة المستويات كإحدى أفضل المبدلات لمزاياها الكثيرة حيث بإمكانها توليد موجات جهد وتيار منخفضة التموج، حيث يمكن الحصول على نسبة تشوه توافقيات كلية (THD) منخفضة، ويمكن استخدام الوحدات Sm)) المفصولة عن العمل في كل ذراع لتحقيق ما يسمى التشغيل مع القدرة على تحمل الأعطال وأيضاً من الممكن تشغيل الوحدات Sm)) بتردد إبدال منخفض نسبياً وبالتالي ضياعات إبدال أقل.

	الدراسات المرجعية:
	في المرجع [1] قام الباحث باستخدام مبدلة مصفوفية لقيادة المولد معتمداً على طريقة التعديل بالاعتماد على الموجة الحاملة، وتمت مقارنة النتائج مع حالة استخدام مبدلة تقليدية، أظهرت النتائج انخفاض الضياعات في المبدلة المصفوفية وكانت الحالة العابرة في سرعة الآلة التحريضية أقل تذبذباً، ولكن بينت نتائج مقارنة التشوه التوافقي الكلي في إشارات الجهد والتيار في كل من الثابت والدائر أن استخدام المبدلة المصفوفية أدى لتشوه توافقي ملحوظ في الجهد والتيار أكبر من حالة المبدلة التقليدية ويعود ذلك لطريقة التحكم والخوارزمية المستخدمة وفقا لتركيب وبنية هذه المبدلة والتي تتألف من تسعة مفاتيح إلكترونية حيث يستخدم نفس القاطع الإلكتروني لتمرير التيار حسب حالة العمل.
	في المرجع [ 2] قام الباحث بدراسة مقارنة لقيادة المولد التحريضي مضاعف التغذية عند استخدام مبدلتين: الأولى تقليدية أحادية المستوى مستخدماً الترانزستورات كعناصر قيادة في الحالة الأولى، وثايرستورات في الحالة الثانية، والمبدلة الثانية كانت ثلاثية المستوى.أظهرت نتائج استخدام المبدلة التقليدية أحادية المستوى الثايرستورية انخفاضاً في التشوه التوافقي في إشارات الجهد والتيار، حيث بلغت قيمة التشوه في موجة الجهد 0.14%، بينما انخفضت قيمة هذا التشوه لتصبح 0.07%عند استخدام المبدلة ثلاثية المستوى.
	في المرجع [3] قدم البحث دراسة عن آلية التحكم بالاستطاعة الفعلية والردية في المولد التحريضي المضاعف التغذية عن طريق التحكم بتيار الدائر معتمداً على استخدام مبدلة تقليدية محكومة بالديودات ثلاثية المستوى، حيث قارن الباحث بين طريقة التعديل الشعاعي الفراغي وطريقة التحكم بتعديل عرض النبضة الجيبي لقيادة المبدلة مستخدما المتحكمات البطائية. أظهرت نتائج المقارنة أن التعديل الشّعاعي الفراغي أفضل من ناحية خفض التشّوهات التوافقية
	في المرجع [4] تم في هذه الدراسة تصميم نظام تحكم لملاحقة نقطة الاستطاعة العظمى تعتمد على المتحكمات التناسبية التكاملية، والمتحكم الضبابي، والمتحكم الهجين التناسبي التكاملي الضبابي. اعتمد الباحث على التحكم بتيار الدائر بحيث يتم إجبار عزم الدوران الميكانيكي الهوائي على تعقب منحني الاستطاعة العظمى وتحقيق استجابة قصوى لتغيرات الرياح. أظهرت النتائج أن المتحكم الهجين (التناسبي التكاملي الضبابي ) يفي بالمطلوب من خلال إظهار أفضل استجابة، لكن أدى ذلك لزيادة التذبذب في قيمة العزوم الكهرومغناطيسية.

	طرائق البحث ومواده:
	تمت نمذجة ومحاكاة النظام المدروس باستخدام برنامج الماتلاب (MATLAB) وبعد الحصول على النتائج قمنا بالمقارنة في ثلاث حالات: قيادة النظام باستخدام المبدل الوحدوي المتعدد المستويات وقيادة النظام باستخدام المبدلة التقليدية وحالة القيادة باستخدام المبدلة المصفوفية.
	-1منظومة التوليد الكهربائية في العنفة الريحية:
	تتألف منظومة التوليد الكهروريحية من العنفة الريحية، والمولد التحريضي مضاعف التغذية، والمبدلة الإلكترونية لقيادة المولد، كما هو مبين في الشكل (1). تتألف المبدلة من قسمين: مبدلة من جهة المولد مسؤولة عن قيادة المولد باستخدام طريقة التوجيه الشعاعي للفيض، والقسم الآخر من جهة الشبكة الكهربائية والتي سيتم التحكم بها باستخدام طريقة التحكم الموجه عن طريق الجهد [5].

	.

	الشكل (1) منظومة التوليد الكهربائية في العنفة الريحية


	2- المبدل الوحدوي المتعدد المستويات:
	يبين الشكل (a-2) بنية المبدل الوحدوي الثلاثي الطور، حيث تم تمثيل الطرف المستمر بمنبعي تيار مستمر منفصلين جهد كل منهما يساوي v_dc/2 مع ملف L_dc موصول على التسلسل مع مقاومة مكافئة r_dc، أما الطرف المتناوب فهو موصول مع حمل مؤلف من وشيعة L_0 و مقاومة .r_0يحوي المبدل الوحدوي المتعدد المستويات عدة وحدات فرعية ذات بنية نصف جسرية متطابقة في كل ذراع (arm ). سندرس الحالة التي يكون فيها الذراع مؤلفاً من أربع وحدات، حيث إن جهد مكثف كل من هذه الوحداتv_c وجهد خرج كل من هذه الوحدات هو v_H4،v_H3،v_H1،v_H2 وأطراف هذه الوحدات موصولة فيما بينها على التسلسل لتشكيل جهد الذراع[5]. يعطى جهد الذراع الذي يمثل حالة عمل الوحدات المكونة للذراع بالعلاقة التالية

	حيث إن جهد الذراع يساوي مجموع جهود خرج الوحدات المؤلفة له، وجهد كل وحدة يساوي جداء جهد المكثف في وضع القاطع الموافق.

	الشكل(2) (a) الشكل العام للمبدل المتعدد المستويات ذي الوحدات الفرعية (b) بنية الساق لمبدل متعدد المستويات ذو أربع وحدات

	-3 النمذجة والمحاكاة في بيئة ماتلاب:
	يبين الشكل (3) نموذج منظومة التوليد الكهربائية للعنفة الريحية في بيئة ماتلاب، حيث تم وصل المولد مع شبكة كهربائية ذات جهد20KV) )، وقيادة المولد(DFIG) عن طريق توجيه الفيض عن طريق مبدل وحدوي ذي أربع وحدات، وتمت النمذجة بالاعتماد على القيم الاسمية للمولد المبينة في الجدول (1).
	الشكل (3) نموذج الماتلاب لنظام التوليد الريحي المقاد باستخدام المبدل المتعدد المستويات



	الجدول (1) بارامترات المولد التحريضي مضاعف التغذية [6]



	4- نتائج المحاكاة:
	-1-4جهد الثابت للمولد:
	يبين الشكل (4) جهد الخرج للمولد التحريضي المضاعف التغذية المقاد باستخدام المبدل الوحدوي المتعدد المستويات حيث يساوي 690V كقيمة فعّالة، فيما يبين الشكل (5) التحليل التوافقي لإشارة الجهد والتي تبيّن أن قيمة التشوه التوافقي للجهد تساوي 0.13%، وهي قيمة صغيرة جداً، أي أن التشوه التوافقي الكلي لموجة الجهد شبه معدوم.

	الشكل (4) جهد الخرج الثلاثي الطور لملفات الثابت للمولد في حالة المبدل الوحدوي المتعدد المستويات




	الشكل (5) التحليل التوافقي لجهد الخرج لملفات الثابت للمولد

	-2-4تيار الثابت للمولد:
	يبين الشكل (6) تيار الثابت للمولد في حالة استخدام المبدل الوحدوي المتعدد المستويات عند عمل المولد بالسرعة تحت التزامنية، ونلاحظ تغيّر قيمة التيار حسب الاستطاعة المستجرة، وتظهر القيمة الفعالة للتيار عند الزمن 2.5s حيث يتم الانتقال من السرعة تحت التزامنية إلى السرعة فوق التزامنية. أما الشكل (8) فيبين تيار الثابت للمولد في حالة العمل بالسرعة فوق التزامنية حيث نلاحظ التغيّر في قيمة التيار تبعاً لسرعة الدوران والاستطاعة المستجرة في كل حالة. يبين الشكل (7) التحليل التوافقي لتيار الثابت عند عمل المولد في حالة السرعة تحت التزامنية وتبلغ قيمته THD =0.35%، فيما يبين الشكل (9) التحليل التوافقي لتيار الثابت عند عمل المولد في حالة السرعة فوق التزامنية، حيث يُظهر أن عامل التشوه التوافقي

	الشكل (6) تيار ملف الثابت للمولد في حالة السرعة تحت التزامنية
	الكلي صغير وتساوي قيمته THD =0.15% في حالة المبدل الوحدوي المتعدد المستويات، أي أن التشوه التوافقي شبه معدوم والتيارات المغذية للشبكة الكهربائية نقية تماماً بالمقارنة مع حالة المبدلة المصفوفية THD =11.08% [1] والتقليدية THD =0.47% [1].

	الشكل (7) التحليل التوافقي لتيار ملف الثابت للمولد في حالة السرعة تحت التزامنية (مبدل متعدد المستويات)

	الشكل (8) تيار ملف الثابت للمولد في حالة السرعة فوق التزامنية

	الشكل (9) التحليل التوافقي لتيار ملف الثابت للمولد في حالة السرعة فوق التزامنية (مبدل متعدد المستويات)

	-3-4 جهد ملف الدائر للمولد:
	يبين الشكل (10) الجهد المطبق على ملفات الدائر للمولد في حالة السرعة تحت التزامنية عند استخدام المبدل الوحدوي المتعدد المستويات، ونلاحظ التغيّر في الجهد تبعاً لتغيّر سرعة الدوران بالاعتماد على تقنية التعديل العرضاني للنبضة مع تداخل، فيما يبين الشكل (12) جهد الدائر عند عمل المولد في حالة السرعة فوق التزامنية، فيما يبين الشكل (11) التحليل التوافقي لجهد الدائر عند عمل المولد في حالة السرعة تحت التزامنية ويساوي THD =12.02%، أما الشكل (13) فيبين التحليل التوافقي لجهد الدائر عند عمل المولد في حالة السرعة فوق التزامنية، حيث يظهر أن عامل التشوه التوافقي الكلي صغير وتساوي قيمته THD =11.86% في حالة المبدل الوحدوي المتعدد المستويات، وهي قيمة صغيرة بالمقارنة مع حالة المبدلة التقليدية، حيث تبلغ قيمة التشوه 312.86 % [1]، فيما تبلغ هذه القيمة 1262.2% عند استخدام مبدلة مصفوفية [1]، ويرجع ذلك لزيادة تردد التقطيع في هذا النوع من المبدلات.

	الشكل (10) الجهد المطبق على ملفات الدائر للمولد في حالة السرعة تحت التزامنية

	الشكل (11) التحليل التوافقي لجهد ملف دائر المولد في حالة السرعة تحت التزامنية (مبدل متعدد المستويات)

	الشكل (12) الجهد المطبق على ملفات الدائر للمولد في حالة السرعة فوق التزامنية

	الشكل (13) التحليل التوافقي لجهد ملف دائر المولد في حالة السرعة فوق التزامنية (مبدل متعدد المستويات)

	-4-4 تيار ملف الدائر للمولد:
	يبين الشكلان (14) و (16) تيارا الدائر في حالتي السرعة تحت التزامنية والسرعة فوق التزامنية على التوالي، ونلاحظ تغيّر قيمة هذا التيار في المطال والتردد تبعاً لتغيّر سرعة الدوران الموافقة لتغيّر سرعة الرياح لإنتاج الفيض المغناطيسي الموافق لحالة عمل المولد. أما الشكل (15) فيبين التحليل التوافقي لتيار الدائر عند عمل المولد في حالة السرعة تحت التزامنية، حيث تبلغ قيمة التشوه التوافقي الكلي THD =1.44%، والشكل (17) التحليل التوافقي لتيار الدائر عند عمل المولد في حالة السرعة فوق التزامنية، حيث يظهر أن عامل التشوه التوافقي الكلي تساوي قيمته THD =0.54% في حالة المبدل الوحدوي المتعدد المستويات، أي أن التشوه التوافقي شبه معدوم، حيث تم القياس عند تردد11Hz وتردد 6.2Hz واللتان تمثلان قيمة تردد الدائر وفقا للانزلاق، فيما تبلغ قيمة التشوه التوافقي 9.86%في المبدلة المصفوفية و0.45% للتقليدية [1].

	الشكل (14) تيار ملف الدائر للمولد في حالة السرعة تحت التزامنية


	الشكل (15) التحليل التوافقي لتيار ملف دائر المولد في حالة السرعة تحت التزامنية (مبدل متعدد المستويات)

	الشكل (16) تيار ملف الدائر للمولد في حالة السرعة فوق التزامنية

	الشكل (17) التحليل التوافقي لتيار ملف دائر المولد في حالة السرعة فوق التزامنية (مبدل متعدد المستويات)

	-5-4الاستطاعة المولدة والعزوم الكهرومغناطيسية:
	يبين الشكل (18) الاستطاعة الفعلية للمولد، ونلاحظ عدم وجود تذبذبات في المنحني وقيمة استطاعة الخرج للمولد مساوية تقريباً للقيمة المرجعية وغير متأرجحة كما يبين الشكل (19) الاستطاعة الردية وهي مساوية تقريباً لربع استطاعة المولد الكلية في حالة السرعة تحت التزامنية، فيما تنخفض قيمة هذه الاستطاعة عند الانتقال للسرعة فوق التزامنية.

	الشكل (18) الاستطاعة الفعلية للمولد

	الشكل (19) الاستطاعة الردية للمولد

	يبين الشكل (20) منحني العزم الكهرومغناطيسي الناشئ في المولد عند استخدام المبدل الوحدوي المتعدد المستويات. نلاحظ بالمقارنة مع الشكل (21) والذي يمثل منحني العزم للمولد عند استخدام مبدلة تقليدية عدم وجود تذبذبات [7].
	الشكل (20) العزم الكهرو مغناطيسي في المولد عند استخدام المبدل الوحدوي المتعدد المستويات

	الشكل (21) العزم الكهرو مغناطيسي في المولد عند استخدام مبدلة تقليدية [7]

	-5 مناقشة النتائج والتوصيات المستقبلية:
	من خلال تحليل فورييه لموجات الجهد والتيار في ملفي الثابت والدائر للمولد نلاحظ أن استخدام المبدل الوحدوي المتعدد المستويات ذو الوحدات الفرعية أدى إلى:
	انخفاض في التشوه التوافقي الكلي في جهد الخرج للمولد وموجتي الجهد والتيار لملف الدائر مقارنة مع حالتي المبدلة التقليدية والمصفوفية
	إمكانية الاستغناء عن المرشحات
	تخفيف التذبذب في العزم الكهرومغناطيسي الناشئ في المولد
	تحسين جودة الاستطاعة الكهربائية المغذية للشبكة الكهربائية
	لكن بالمقابل إن عدد المفاتيح الإلكترونية المستخدمة في المبدل الوحدوي المتعدد المستويات أكبر من عدد المفاتيح الإلكترونية المستخدمة في المبدلتين التقليدية والمصفوفية والذي بدوره يؤثر على المردود وعليه يمكن أن نوصي :
	دراسة آلية تحكم بالمبدلة الوحدوية تُخفّض من الضياعات في الوحدات الفرعية بأنواعها المختلفة.
	دراسة أداء المبدل في الحالة العابرة عند الانتقال من السرعة تحت التزامنية للسرعة فوق التزامنية

	المراجع العلمية: 1. Haitham Mohammad " Driving Doubly-Fed Induction Generator Using Matrix Converter in Wind Power Apllication" Tishreen University 2017. 2. Maged N. Nashed, Mona N. Eskander "Com-paring the Quality of Power Generated from DFIG with Different Types of Rotor Convert-ers" Power Electronics and Energy Conversion Department, Electronics Research Institute, Cairo, Egypt 2012, 4, 21-29. 3. Anis Tarfaya, Djalel Dib, Sihem Ghoudelbourk Mehdi Ouada "Comparative study of two PWM control wind system based on DFIG and multilevel NPC inverter" Department of Elec-tromechanical Engineering, Badji Mokhtar University , Algeria 2019,vol 25. 4. Omar Al-Zabin "Rotor Current Control Design for DFIG-based Wind Turbine Using PI, FLC and Fuzzy PI Controllers" Rochester Institute of Technology 2019. 5. Sixing Du, Apparao Dekka, Bin Wu, Navid Zargari, “Modular Multilevel Converters: Analysis, Control, and Applications” IEEE Press Wiley 2018. 6. Rahul Charles, R.C.; Vinod V, V.V.; Anju Ja-cob, A.J. Field Oriented Control of DFIG Based Wind Energy System Using Battery Energy Storage System. Science Direct Procedia Technology 2016, 24, 1203– 1210. 7. Gonzalo Abad ,G. ; Jesus Lopez, J. ; Miguel Rodriguez, M. ; Luis Marroyo, L. ; Grzegorz Iwanski, G. Doubly fed induction machine : modeling and control for wind energy genera-tion; John Willy & sons, Hoboken, New Jersey, Canada, 2011. 8. Set Muller, S.M.; M Deicke, M.D.; Rik W de Doncker, R.D. Doubly fed induction Generator System for Wind Tur bine. IEEE Industry Ap-plication Magazine 2002, V 3, 26–33

آخر الأخبار

مؤتمرات علمية محكمة

>

دراسة وتحليل أداء المولد التحريضي ذو التغذية المضاعفة المقاد بمبدلة إلكترونية متعددة المستويات ذات الوحدات الفرعية