Skip to main content
SUPERVISOR
Hamid Reza Karshenas,Ahmadreza Tabesh
حمیدرضا کارشناس (استاد مشاور) احمدرضا تابش (استاد راهنما)
 
STUDENT
Maryam Shokri
مریم شکری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
Currently, wind energy systems due to maturity in technologies are among the most promising renewable energy resources. Several countries have now considered deployments of wind farms as a part of sustainable energy solutions in energy development plans. Three types of fixed-speed, partial variable-speed, and fully variable-speed topologies are commonly used in wind turbine-generators. Recent high-power wind turbine generators mainly use variable or partial variable-speed topologies to achieve higher efficiency. Direct-drive wind turbine generators, as an efficient alternative for high power wind power units, have been of interest of researches during recent years. In a direct drive topology for a wind power unit, the gearbox is eliminated and the low-speed shaft of the turbine is directly connected to the generator. This topology improves the efficiency of the wind power units and it also reduces the maintenance costs which are significant due to modular structure of wind farms. The main challenges for deployment of direct-drive topologies are development of low-speed (less than 100 rpm) high power generators with suitable power electronics interfaces for capturing and delivering the maximum wind power to a grid. This thesis deals with topologies for direct-drive wind turbine-generators which address the above challenges. In the first part of the thesis, a poly-phase axial flux machine will be investigated as a promising solution for low-speed high-torque generators. Due to high-power density, axial flux machines can be used in direct-drive wind power units with limited spaces. The thesis investigates the dynamic model of an axial flux machine and develops a generalized control method for poly-phase machines based on conventional qd frame of reference that have been widely used in literatures. In the second part of the thesis, applications of newly developed modular multi-level converters for grid integration of wind units using poly-phase axial flux machines will be presented. In the proposed topology for capturing and tracking maximum wind power, the output voltage of the poly-phase axial flux machine is rectified to an almost ripple-free dc voltage via using series connected three-phase diode-bridge rectifiers. Then, the dc voltage is converted to a multi-level pulse-width modulated ac voltage via using a modular multi-level converter. The control provision that is used for the proposed topology is to adjust the rotor speed of the generator via control of real power flow in the converter. Meanwhile, injected reactive power at the grid-side converter has been also adjusted via using a feedback control loop that uses modulation index as an input control signal. The significant features of the suggested topology for direct drive wind turbine generators are: i) using a poly-phase machine in conjunction with diode interfaces which hugely reduce ripples and the required filter capacitor; ii) using a multi-level topology that reduces the switching frequency which in turn improves the efficiency of the converter especially at high-power applications. The performance of the suggested topology has been tested via simulation of a study system including a 9-phase permanent magnet axial flux machine and a power electronic interface including a 3-stage diode rectifier and a 5-level converter. Keyword: Direct drive wind power; Modular multi level converters; Permanent magnet axial flux machines; Poly-phase axial flux machines.
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. کلید واژه ها: نیروگاه های بادی؛ توربین ژنراتورهای محرکه مستقیم؛ اینورترهای چندسطحی بخش پذیر؛ ژنراتورهای شار محور چند فاز.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی