توربین‌های بادی با به حرکت درآوردن یک ژنراتور الکتریکی توسط نیروی باد، برق تولید می‌کنند. اساساً دو نوع توربین بادی وجود دارد – توربین با سرعت ثابت و توربین با سرعت متغیر. از بین این دو نوع توربین بادی، رایج‌ترین مورد، استفاده از توربین با سرعت ثابت است که در آن ژنراتور القایی مستقیماً به شبکه متصل می‌شود. با این حال، این سیستم دارای معایب خاص خود است؛ زیرا اغلب در کنترل ولتاژ شبکه با مشکل مواجه می‌شود. برای کاهش مشکلات ناشی از یک توربین بادی با سرعت ثابت، از توربین‌های بادی با سرعت متغیر استفاده می‌شود. این توربین‌ها ثبات رفتار دینامیکی توربین را کنترل می‌کنند و نویز را در سرعت‌های کم باد کاهش می‌دهند. با این حال، برای استفاده از یک توربین بادی با سرعت متغیر، به یک مبدل الکترونیک قدرت نیاز است و اینجاست که نقش ژنراتور مورد استفاده برای توربین بادی مشخص می‌شود. در این مقاله، به طور عمده در مورد انواع ژنراتورهای به کار گرفته شده برای توربین‌های بادی و عملکرد آنها بحث خواهد شد.
برای آشنایی بیشتر با مزارع بادی و نحوه عملکرد آنها مطالعه مقاله زیر پیشنهاد می‌شود.
ژنراتورهای مورد استفاده در توربین‌های بادی
یکی از عوامل محدود‌کننده درباره توربین‌های بادی در تکنولوژی ژنراتور آنها نهفته است. هیچ اتفاق نظری بین دانشگاهیان و صنعت در مورد بهترین فناوری ژنراتور توربین بادی وجود ندارد. به طور معمول، سه نوع اصلی از ژنراتورهای توربین بادی (Wind Turbine Generators) یا (WTGs) وجود دارد که می‌توان آنها را برای سیستم‌های مختلف توربین بادی در نظر گرفت، ژنراتورهای جریان مستقیم (DC)، جریان متناوب (AC) سنکرون و ژنراتورهای (AC) آسنکرون (القایی). در اصل، هر کدام از این ژنراتورها را می‌توان با طرح‌های سرعت ثابت یا متغیر به کار گرفت. با توجه به ماهیت متغیر نیروی باد، بهره‌برداری از توربین‌های بادی با سرعت متغیر سودمندتر است؛ چرا که فشار فیزیکی روی پره‌های توربین و قطعات متحرک را کاهش می‌دهد و بازده آیرودینامیکی سیستم و رفتارهای گذرای گشتاور را بهبود می‌بخشد.
چهار نوع ژنراتور توربین بادی (WTGs) وجود دارد که می‌توان آنها را برای سیستم‌های مختلف توربین بادی در نظر گرفت و عبارتند از:
- ژنراتورهای جریان مستقیم (DC)
- ژنراتورهای سنکرون جریان متناوب (AC)
- ژنراتورهای آسنکرون (AC)
- ژنراتورهای سوئیچ رلوکتانس
ژنراتورهای جریان مستقیم (DC)
در ماشین‌های DC معمولی، میدان روی استاتور و آرمیچر روی روتور قرار می‌گیرند. استاتور شامل تعدادی قطب است که توسط آهنرباهای دائمی یا توسط سیم‌پیچ‌های میدان DC تحریک می‌شوند. نمونه‌ای از سیستم ژنراتور بادی DC در شکل ۱ نشان داده شده است. این سیستم از یک توربین بادی، یک ژنراتور DC، یک اینورتر متشکل از (IGBT)، یک کنترل‌کننده، یک ترانسفورماتور و یک شبکه برق تشکیل شده است. برای ژنراتورهای DC با تحریک شنت، جریان میدان (و در نتیجه میدان مغناطیسی) با سرعت افزایش می‌یابد. روتور شامل هادی‌هایی است که روی یک آرمیچر پیچیده شده‌اند و به کمک یک رینگ لغزان به کموتاتور که وظیفه آن تبدیل خروجی AC به DC است، متصل می‌شوند. توان الکتریکی از طریق جاروبک‌های متصل به کموتاتور به بیرون ژنراتور منتقل می‌شود. به طور کلی، ژنراتورهای DC به جز در شرایط تقاضای توان کم در جایی که بار از نظر فیزیکی نزدیک به توربین بادی قرار دارد، یا در کاربردهای گرمایش یا شارژ باتری، چندان استفاده نمی‌شوند.
ژنراتورهای سنکرون جریان متناوب (AC)
از اولین زمان توسعه توربین‌های بادی، تلاش‌های قابل توجهی برای استفاده از ماشین‌های سنکرون سه فاز صورت گرفته است. ژنراتورهای سنکرون می‌توانند تحریک DC را از طریق آهنربای دائم یا آهنربای الکتریکی دریافت کنند و بنابراین به ترتیب ژنراتورهای سنکرون با آهنربای دائم (PMSG) و ژنراتورهای سنکرون با تحریک الکتریکی (EESG) نامیده می‌شوند. هنگامی که روتور توسط توربین بادی به حرکت در می‌آید، توان الکتریکی سه فاز در سیم‌پیچ‌های استاتور تولید می‌شود که از طریق ترانسفورماتورها و مبدل‌های قدرت به شبکه انتقال پیدا می‌کند. برای ژنراتورهای سنکرون با سرعت ثابت، سرعت روتور باید دقیقاً در سرعت سنکرون نگه داشته شود. در غیر این صورت هماهنگی از بین خواهد رفت.
ژنراتورهای سنکرون ماشین‌های مورد اعتمادی هستند و عملکرد آنها برای تولید برق برای مدت طولانی مورد مطالعه و پذیرش گسترده قرار گرفته است. تصویر برش‌خورده از یک ژنراتور سنکرون معمولی در شکل ۲ نشان داده شده است. در تئوری، توان راکتیو ژنراتورهای‌های سنکرون را می‌توان به راحتی از طریق مدار میدان برای تحریک الکتریکی کنترل کرد. با این وجود، هنگام استفاده از ژنراتورهای سنکرون با سرعت ثابت، نوسانات تصادفی سرعت باد و اختلالات دوره‌ای ناشی از اثرات برج و رزونانس طبیعی اجزاء به شبکه برق منتقل می‌شود. علاوه بر این، ژنراتورهای سنکرون تمایل پایینی به میرایی دارند به طوری که اجازه نمی‌دهند جریان‌های گذرا به صورت الکتریکی جذب شوند. در نتیجه، آنها به یک عنصر میرایی اضافی (به عنوان مثال کوپلینگ انعطاف‌پذیر در قطعات محرک) یا مجموعه گیربکس نصب شده روی فنرها و دمپرها نیاز دارند. همچنین باید توجه داشت که سنکرون‌سازی فرکانس این نوع از ژنراتورها با فرکانس شبکه بسیار مهم است. به‌علاوه، این ژنراتورها معمولاً پیچیده‌تر، پرهزینه‌تر و بیشتر از ژنراتورهای القایی در معرض خرابی هستند. در صورت استفاده از مدار تحریک میدان DC در ماشین‌های سنکرون، کنترل ولتاژ توسط ماشین سنکرون انجام می‌گیرد در حالی که در ماشین‌های تحریک‌شده با آهنربای دائم، کنترل ولتاژ در مدار مبدل انجام می‌شود.
از آنجا که سرعت باد متغیر است، PMSGها نمی‌توانند توان الکتریکی با فرکانس ثابت تولید کنند. در نتیجه، باید از طریق مبدل‌های AC – DC – AC به شبکه برق متصل شوند. یعنی برق AC تولید شده (با فرکانس و دامنه متغیر) ابتدا به مقدار ثابت DC تبدیل می‌شود و سپس دوباره به برق متناوب (با فرکانس و دامنه ثابت) تبدیل می‌شود.
در دهه‌های اخیر، ژنراتورهای با آهنربای دائم (مغناطیس دائم) به دلیل چگالی توان بالا و جرم کم به تدریج در توربین‌های بادی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. اغلب این ماشین‌ها به عنوان ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم (PMSG) شناخته می‌شوند و به عنوان ماشین انتخابی در توربین‌های بادی کوچک به کار می‌روند. ساختار این نوع ژنراتور نسبتاً ساده است. همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است، آهنربای‌های دائم برای تولید یک میدان مغناطیسی ثابت روی روتور نصب می‌شوند و الکتریسیته تولید شده از آرمیچر (استاتور) به خارج از ماشین انتقال پیدا می‌کند. از مزایای ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم می‌توان به امکان حذف کموتاتور، حلقه‌های لغزنده و برس‌ها اشاره کرد تا دستگاه، قابل اعتماد و ساده باشد. استفاده از ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم، سیم‌پیچ میدان (و تلفات توان مربوط به آن) را حذف می‌کند، اما کنترل میدان را غیرممکن می‌سازد و هزینه تمام‌شده برای ماشین‌های بزرگ بسیار بالا خواهد بود.
ژنراتورهای آسنکرون (AC)
سیستم‌های برقی مدرن، به طور گسترده از ماشین‌های القایی در کاربردهای توربین بادی استفاده می‌کنند. به طور کلی، ژنراتورهای القایی به دو نوع تقسیم می‌شوند: ژنراتورهای القایی دارای سرعت ثابت (FSIG) با روتور قفس سنجابی (ژنراتور القایی قفس سنجابی (SQIG)) و ژنراتورهای القایی دو تغذیه با روتور سیم‌بندی‌شده (DFIG). تصویر‌های برش‌خورده یک ژنراتور القایی قفس سنجابی و یک ژنراتور القایی دو تغذیه به ترتیب در شکل ۴ و شکل ۵ ارائه شده است و توپولوژی سیستم آنها در شکل ۶ به نمایش در می‌آید.
هنگامی که استاتور با برق سه‌فاز AC تغذیه می‌شود، یک میدان مغناطیسی دوار در سراسر شکاف هوایی شکل می‌گیرد. اگر روتور با سرعتی متفاوت از سرعت سنکرون بچرخد، یک لغزش به وجود می‌آید و مدار روتور تحریک می‌شود. به طور کلی، ماشین‌های القایی ساده، قابل اعتماد، ارزان و به خوبی توسعه یافته‌اند. همچنین، آنها دارای درجه بالایی از میرایی بوده و قادر به جذب نوسانات سرعت روتور و قابلیت گذر از خطا هستند. با این حال، ماشین‌های القایی توان راکتیو را از شبکه می‌گیرند و بنابراین، نوعی جبران توان راکتیو مانند استفاده از خازن‌ها یا مبدل‌های توان راکتیو مورد نیاز است. برای ژنراتورهای القایی با سرعت ثابت، استاتور از طریق ترانسفورماتور به شبکه و روتور از طریق جعبه‌دنده به توربین بادی متصل می‌شود. سرعت روتور ثابت در نظر گرفته خواهد شد (در واقع، در یک محدوده کوچک تغییر می‌کند). در گذشته توان تولیدی اکثر ژنراتورهای القایی ۱.۵ مگاوات و کمتر بود. این ژنراتورها معمولاً با سرعت ۱۵۰۰ دور در دقیقه برای شبکه برق ۵۰ هرتز با گیربکس سه‌مرحله‌ای کار می‌کردند.
SCIGها را می‌توان در توربین‌های بادی با سرعت متغیر همانند کنترل ماشین‌های سنکرون استفاده کرد. با این حال، ولتاژ خروجی را نمی‌توان کنترل کرد و توان راکتیو باید از خارج تامین شود. واضح است که ژنراتورهای القایی با سرعت ثابت فقط در بازه بسیار محدودی از سرعت‌های گسسته کار می‌کنند. از دیگر معایب آنها می‌توان به اندازه دستگاه، نویز، راندمان پایین و قابلیت اطمینان آن اشاره کرد.
در توپولوژی DFIG، استاتور به طور مستقیم از طریق ترانسفورماتور به شبکه و روتور از طریق مبدل‌های قدرت PWM به شبکه متصل می شود. مبدل‌‌ها می‌توانند جریان مدار روتور، فرکانس و تغییر زاویه فاز را کنترل کنند. چنین ژنراتورهای القایی قادر به کار در محدوده لغزش وسیع (معمولاً ۳۰% سرعت سنکرون) هستند. در نتیجه، مزایای زیادی مانند بازده انرژی بالا، کاهش تنش‌های مکانیکی و نوسانات توان و قابلیت کنترل توان راکتیو را به همراه خواهند داشت.
برای ژنراتورهای القایی، تمام توان راکتیو مورد نیاز برای مدارهای مغناطیسی باید توسط شبکه یا خازن‌های نصب‌شده در محل تأمین شود. باید توجه داشت که ژنراتورهای القایی مستعد ناپایداری ولتاژ هستند. هنگامی که از خازن‌ها برای جبران ضریب توان استفاده می‌شود، خطر ایجاد خود‌تحریکی وجود دارد. علاوه بر این، اثر میرایی ممکن است منجر به تلفات توان در روتور شود. هیچ کنترل مستقیمی بر ولتاژ ترمینال (بنابراین توان راکتیو) و جریان خطای پایدار وجود ندارد.
همانطور که در شکل ۶ (b) نشان داده شده است، روتور DFIG به طور مکانیکی به توربین بادی متصل می‌شود و روتور توسط مبدل‌های PWM تغذیه می‌شود. بنابراین، سرعت و گشتاور DFIG را می‌توان با کنترل مبدل سمت روتور (RSC) تنظیم کرد. یکی دیگر از ویژگی‌های DFIGها این است که می‌توانند هر دو شرایط زیر سنکرون و فوق سنکرون را اجرا کنند. در این حالت، استاتور همیشه برق را به شبکه انتقال می‌دهد در حالی که روتور می‌تواند جریان برق را در هر دو جهت کنترل کند. مورد دوم به این دلیل است که مبدل های PWM قادر به تأمین ولتاژ و جریان در زوایای مختلف فاز هستند. در عملکرد زیرسنکرون، مبدل سمت روتور به عنوان یک اینورتر و مبدل سمت شبکه (GSC) به‌عنوان یکسوساز عمل می‌کند. در این حالت، توان اکتیو از شبکه به روتور جریان دارد. تحت شرایط فوق سنکرون، RSC به‌عنوان یکسوکننده و GSC به‌عنوان یک اینورتر عمل می‌کند. در نتیجه، توان اکتیو از استاتور و همچنین روتور به شبکه برق جریان دارد.
شکل ۶ -شماتیک دو نوع سیستم ژنراتور القایی، ژنراتور القایی قفس سنجابی (a)، ژنراتورهای القایی دو تغذیه با روتور سیم‌بندی شده (b)
ژنراتورهای سوئیچ رلوکتانس
ژنراتورهای سوئیچ رلوکتانس دارای روتور و استاتور برجسته هستند. با چرخش روتور، رلوکتانس مدار مغناطیسی که استاتور و روتور را به هم متصل می‌کند تغییر یافته و به نوبه خود باعث القای جریان در سیم‌پیچ روی آرمیچر (استاتور) می‌شود.
روتور رلوکتانس از ورق‌های فولادی چند‌لایه ساخته شده است و سیم‌پیچ میدان الکتریکی یا آهنربای دائمی ندارد. در نتیجه، ماشین رلوکتانسی دارای ساختمانی ساده است. یکی از ویژگی‌های بارز این نوع از ژنراتورها قابلیت اطمینان بالای آنها است؛ زیرا می توانند در محیط‌های سخت با دمای بالا کار کنند. از آنجایی که گشتاور رلوکتانسی تنها کسری از گشتاور الکتریکی است، روتور رلوکتانسی، به طور کلی، برای یک گشتاور نامی معین بزرگتر از است.
جمع‌بندی
با توجه به رشد روز‌افزون و گسترش مزارع بادی، آشنایی با ساختار و المان‌های این نوع از واحد‌های تولید انرژی الکتریکی بسیار اهمیت دارد. یکی از مهمترین تجهیزات به کار رفته در نیروگاه‌های بادی، ژنراتورها هستد که برای تولید توان الکتریکی از آنها استفاده می‌شود. در این مقاله، انواع ژنراتورهای متداول و پرکاربرد در نیروگاه‌های بادی مطالعه شده و به توصیف هر کدام از آنها پرداخته شد.
سوالات متداول
ژنراتورهای جریان مستقیم (DC)، ژنراتورهای سنکرون جریان متناوب (AC)، ژنراتورهای آسنکرون (AC)، ژنراتورهای سوئیچ رلوکتانس
ژنراتورهای سنکرون می‌توانند تحریک DC را از طریق آهنربای دائم یا آهنربای الکتریکی دریافت کنند و بنابراین به ترتیب ژنراتورهای سنکرون با آهنربای دائم (PMSG) و ژنراتورهای سنکرون با تحریک الکتریکی (EESG) نامیده می‌شوند.
به طور کلی ژنراتورهای القایی به دو نوع تقسیم می‌شوند: ژنراتورهای القایی دارای سرعت ثابت (FSIG) با روتور قفس سنجابی ( ژنراتور القایی قفس سنجابی (SQIG))، و ژنراتورهای القایی دو تغذیه با روتور سیم‌بندی شده (DFIG).
