عموماًدر توربين هاي بادي از ژنراتورهای مختلف استفاده میشودکه آنها را به صورت شکل زیر دسته بندی میکنیم.این ژنراتور ها به دو صورت سرعت ثابت و متغیر استفاده میشوند.

۱-۱- توربین سرعت ثابت

اینگونه توربین ها دارای ساختمان ساده ایمتشکل از؛ یک سیستم چرخشی آیرودینامیک در سمت سرعت پایین،جعبه دنده و یک ژنراتور آسنکرون در سمت سرعت بالا می باشند. از نظر الکتریکی مانند پروانه بزرگی میباشد که با گشتاور ایجاد شده توسط باد در سمت سرعت پایین به چرخش در می آید.شکل زیر یک توربین با ژنراتور القایی قفسه سنجابی را نشان میدهد که توسط یک ترانسفورماتور به شبکه قدرت کوپل شده استکه با تغییر لغزش (حداکثر تا ۱۰% )سرعت و توانتزریقی به شبکه تغییر میکنند. بنابراین میتوان گفت که سرعت کاملاً ثابت نیست.

 تامين جريان تحريک از طريق ترمينال استاتور SCIG ضروری است.اين موضوع باعث می شود که پشتيبانی کنترل ولتاژ شبکه ناممکن گردد. در اغلب موارد،به منظور جبران توان راکتيو مصرفی خازنهايی به موازات ژنراتور نصب می شوند.همچنین، برای کاهش تنش های مکانیکی در راه اندزی و حداقل کردن شرایط حالت گذرا ازیک راه انداز نرم استفاده میشود.

شبیه سازی انواع توربین بادی و ریزشبکه

توربینهای بادی سرعت ثابت مزایایی از قبیل سادگی،قابلیت اطمینان بالا و هزینه ساخت و بهرهبرداری پایین دارند. عیب عمده آنها پایین بودن بازدهی به علت کارکرد در سرعت تقریبا ثابت در سرعتهای مختلف باد است و نیز استفاده از گيربکس برای اين نوع توربين بادی اجتناب ناپذير است.گيربکس ها حجم زيادی را در اتاقک اشغال می کنند و بخش بزرگی از سرمايه گذاری را به خود اختصاص می دهند.

۱-۲- توربین سرعت متغیر

با تغییر تکنولوژی از توربین سرعت ثابت به متغیر اندازه توربین ها بزرگتر می شود زیرا توربین های بزرگ تمایل به سرعت متغیر دارند.سيستمهاي سرعت متغير۲۰ الي۳۰ درصد انرژي بيشتر نسبت به سيستمهاي سرعت ثابت تحويل ميدهند و در ضمن باعث كاهش نوسان توان و بهبود عرضه توان راكتيو مي شوند. براي دستيابي به ماكزيمم توان درسرعتهاي مختلف بادبايستي سرعت توربين درمحدوده وسيعي قابل تغييرباشد. انتخاب نوع ژنراتور به عوامل مختلفي از جمله نوع عملكرد و مشخصات ماشين،تعميرو نگهداري و قيمت بستگي دارد. دستيابي به حداکثر توان درصورت اتصال مستقيم ژنراتور القايي به شبكه درفركانس و ولتاژ ثابت امكان پذيرنمي باشد لذا سیستم الکتریکی توربین های بادی با سرعت متغیر،بسیار پیچیده تر از توربینهای سرعت ثابت است.این نوع توربین ها،نوعاً دارای ژنراتور القایی یا سنکرون هستند و از طریق یک مبدل توان به شبکه متصل می شوند.مزایای این نوع توربین ها عبارتند­از: افزایش انرژی به دست آمده از باد، بهبود کیفیت توان و کاهش استرس مکانیکی. معایب آنها نیز عبارتند از: تلفات در قسمت های درایو الکترونیکی،استفاده از اجزا بیشتر و افزایش هزینه ناشی از تجهیزات سیستمهای الکترونیکی. در این نوع توربین ها،نوسانات توان ناشی از نوسانات باد، عمدتاً بصورت تغییرات در سرعت روتور توربین و ژنراتور ظاهر می شود.

توربین های سرعت متغیر خود به سه دسته تقسیم میشوند که عبارتند از:

۱-۱-۲- توربین بادی سرعت متغیر محدود

این دسته از توربین های بادی که با سرعت متغیر محدود هستند دارای مقاومت متغیر در رتور بوده و با نام Optislipشناخته می شوند.در این نوع آرایش، از ژنراتور القایی رتور سیم پیچی شده استفاده می کنند. ژنراتور مستقیماً به شبکه متصل است و برای بدست آوردن اتصال صافتر از یک راه اندار نرم استفاده می شود. مقاومت متغیر رتور این نوع ژنراتورها، می تواند با مبدل کنترل شونده به وسیله پالس های نوری که در بالای محور رتور نصب شده است تنظیم شود. این تجهیزات نوری، به حلقه های لغزان گران قیمتی (که به جاروبک و نگهداری نیازمند است) احتیاج دارند. در این حالت مقاومت رتور می تواند تغییر کرده و بدین ترتیب لغزش را کنترل کند. با این کار توان خروجی سیستم کنترل می شود.محدوده کنترل دینامیکی سرعت بستگی به اندازه مقاومت متغیر رتور دارد.نوعاً محدوده سرعت،صفر تا ۱۰ درصد بالای سرعت سنکرون است. انرژی حاصل از تبدیل انرژی اضافی به صورت گرما تلف می شود.

۲-۱-۲- توبین بادی سرعت متغیر با مبدل فرکانسی با ظرفیت کسری

در مقايسه با ايده ي Optislip،انرژي روتور بجاي آنكه تلف شود مي تواند به شبكه تزريق شود.بعلاوه، سيستم مبدل قدرت مي تواند وظيفه ي جبران توان راكتيو و نيز اتصال نرم به شبكه را انجام دهداین نوع آرایش با نام ژنراتور القایی با تغذیه دو گانه(DFIG)شناخته شده است. ظرفیت مبدل (مبدل فرکانسی با ظرفیت کسری)، حدود ۳۰ درصد توان نامی ژنراتور است. این مبدل جبران سازی توان راکتیو راانجام می دهد و در ضمن در زمان اتصال به شبکه قدرت، حالت صاف و هموارتری را نتیجه می دهد.این نوع آرایش، محدوده وسیعتری در مقایسه باOptislipدر کنترل دینامیکی ولتاژ دارد. محدوده سرعت آنها، معمولاً در حدود وسیعتری در مقایسه با سرعت سنکرون است.مبدل فرکانسی کوچکتر،از نقطه نظر اقتصادی به صرفه است.عمده ترین نارسائی های این روش،استفاده از حلقه های لغزان و مشکل محافظت آن در برابر خطاهای شبکه است.

۳-۱-۲- ژنراتور القایی با تغذیه دوگانه DFIG

ژنراتور القایی با تغذیه دوگانه(DFIG)، گزینه ای جالب، با بازاری رو به فزونی، و با تقاضا است.DFIG، یکWRIG است که استاتور توسط یک ترانسفور ماتور به شبکه سه فاز با فرکانس ثابت متصل است و سیم پیچی رتور از طریق یک تراسفورماتور دیگر برای هم سطح کردن ولتاژ روتور و استاتور به یک مبدل منبع ولتاژ با کلید هایIGBT، با طبقات پشت به پشت دو جهته تغذیه می شود. عبارت تغذیه دوگانه به این واقعیت اشاره دارد که استاتور به شبکه قدرت،ولتاژ برای تغذیه بارها می دهد و ولتاژ رتور نیز به وسیله مبدل توان،ایجاد می شود. سرعت عملکرد این سسیستم در یک گستره وسیع اما محدود قراردارد. مبدل اختلاف فرکانس الکتریکی و مکانیکی را با تزریق جریان به رتور با یک فرکانس متغیر،جبران می کند. هم در طول عملکرد عادی و هم در طول خطاها، رفتار ژنراتور توسط مبدل توان و کنترل کننده های آن تنظیم می شود.مبدل توان،متشکل از دو مبدل است،مبدل طرف شبکه و مبدل طرف رتور،که هر کدام به صورت مستقل کنترل می شوند. ایده اصلی آن است که مبدل طرف رتور توان های اکتیو و راکتیو را با کنترل اجزاء جریان رتور کنترل می کند،در حالی که مبدل طرف خط،ولتاژ طرفDCرا کنترل می کند تا از عملکرد مبدل در ضریب توان واحد (توان راکتیو صفر) اطمینان حاصل شود.بسته به شرایط کاری درایو،توان به رتور وارد می شود یا از آن خارج می شود. در شرایط فوق سنکرون توان از رتور به طرف شبکه و در شرایط زیر سنکرون،توان از شبکه به طرف رتور جاری می شود.در هر دو حالت،توان از استاتور به طرف شبکه جاری می شود. مزایای ژنراتور هایDFIGعبارتند از:

• داشتن توانایی کنترل بر روی توان راکتیو
• توانایی کنترل مستقل توان های اکتیو و راکتیو با کنترل جریان رتور
• قابلیت مغناطیس شدن از طرف رتور
• قابلیت تولید توان راکتیو که به استاتور تحویل داده می شود.همان طوری که گفته شد،مبدل طرف شبکه در ضریب توان واحد عمل می کند و خود را درگیر تبادل توان راکتیو نمی کند.

البته کنترلتوزیع کلی هارمونیک (THD) و کاهش استرس های مکانیکی و درنتیجه رفع مشکل فلیکر را نباید فراموش کرد.

۴-۱-۲- توربین بادی سرعت متغیر با مبدل فرکانسی با ظرفیت کامل

در این روش، ژنراتور از طریق یک مبدل ( مبدل فرکانسی با ظرفیت کامل ) به شبکه متصل می شود. مبدل فرکانسی، جبران سازی توان راکتیو را انجام می دهد و در زمان اتصال به شبکه مشخصه صاف وهموارتری دارد.این نوع ژنراتور می تواند به صورت الکتریکی تحریک شود،مانندWRIG وWRSG ها، و یا از طریق یک مغناطیس دائم(PMSG )تحریک شود. برخی ازتوربینهای بادی سرعت متغیر با مبدل ظرفیت کامل، هیچ نوع جعبه دنده ای ندارند اینگونه ماشین ها در سرعت پایین می چرخد زیرا رتور ژنراتور مستقیماً به توپی رتور توربین متصل می شود. جهت تحویل یک توان معین در سرعت پایین تر،تولید گشتاور بزرگتری را ایجاب می کند و این به معنای یک ژنراتور با اندازه بزرگتر است. بنابراین برای ژنراتورهای درایو مستقیم رسیدن به سرعت پایین و گشتاور بالا نیازمند تعداد قطبهای زیاد است که لازمه آن قطر بزرگ ماشین برای پیاده سازی تعداد بیشتر قطبها با یک گام معقول می باشد. بعلاوهبرای یک ژنراتور بزرگتر درایو مستقیم، با در نظر گرفتن محدودیتهای جریان بارگذاری و چگالی شار فاصله هوایی برای یک گشتاور بزرگتر به یک حجم ماشین بزرگتری نیازمند است به نحوی که چگالی گشتاور بطور چشمگیری نمی تواند افزایش داده شود.بمنظور افزایش بازده، کاهش وزن قسمتهای اکتیو و کوچک نگهداشتن تلفات انتهایی سیم پیچها،عموماً ژنراتورهای درایو مستقیم با قطر بزرگ و گام کوچک طراحی می شوند. بعلاوه، مزایای توربینهای بادی درایو مستقیم عبارتند از سادگی محور محرک،بازده کلی بالاتر و قابلیت اطمینان بالاتر با حذف جعبه دنده.

ژنراتور سنکرون در قیاس با یک ژنراتور القایی با مشخصات مشابه و با اندازه مشابه،بسیار گرانتر و پیچیده تر است.مهمترین مزیت آن،نیاز نداشتن به جریان جهت مغناطیس کنندگی است و از طریق یک مبدل (الکترونیک قدرت)،به شبکه اصلی متصل می شود.مبدل دو هدف مهم زیر را بدنبال دارد:

• برای عمل کردن به عنوان یک تقویت کننده توان در مقابل ارتعاشات توان ( ناشی از انرژی متغیر باد و طوفان ) و حالت های گذرای سمت سیستم قدرت،
• برای کنترل میدان مغتاطیسی برای حفظ سنکرونیزم و جلوگیری از مشکلات سنکرون شدن با شبکه قدرت.

در مقایسه ایده ی سرعت متغیر با مبدل ظرفیت کامل با یک مبدل قدرت با ظرفیت جزئی، مبدل قدرت با ظرفیت کامل می تواند در سرتاسر تمام محدوده سرعت به نرمی به شبکه متصل شود. اماباعثقیمت بالاتر و تلف توان بیشتری در بخش الکترونیک قدرت شده زیرا تمام توان تولیدی باید از مبدل قدرت عبور کند.

اساساً، انواع ژنراتورهای درایو مستقیم مورد استفاده در بازار را می توان به ژنراتور سنکرون با تحریک الکتریکی(EESG) و ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم دسته بندی نمود.