مقدمه
با گسترش روز افزون جوامع انساني و توسعه صنعتي جوامع مختلف ، نياز به منابع انرژي، در حال افرايش است. از سويي ديگر منابع فسيلي درجهان رو به اتمام هستند ( زنگ خطر )، اين منابع، از نظر اندازه و مقدار محدود بوده و درضمن آلاينده محيط زيست نيز محسوب مي‌شوند. از اين‌رو در سالهاي گذشته، گرايش به استفاده ار منابع نوين و تجديدپذير انرژي، رو به فزوني گذاشته است. يكي‌از‌ارزان‌ترين و‌سهل‌الوصل‌ترين آنها انرژي باد است. بررسي ميزان استفاده از اين انرژي در سال‌هاي اخير به خوبي گوياي اهميت و جايگاه آن در تامين انرژي در سطح جهان است. نمودار زير، هزينه توليد هر كيلووات ساعت انرژي الكتريكي از باد را در سالهاي اخير نشان مي‌دهد ، كه مزيد بر علت بوده است.
در اين پژوهش به صورت كاملاً مختصر به بررسي برخي از جوانب استفاده از اين انرژي براي تامين بخشي از انرژي الكتريكي مورد نياز بشر، خواهيم پرداخت.

ساختمان توربين بادي
همان طور كه در شكل نيز مشخص است، توربين بادي از برج نگهدارنده، پره‌ها ، جعبه دنده، ژنراتور، محور توربين تشكيل يافته است. از آنجا كه سرعت چرخش پره‌ها كم است، از جعبه دنده استفاده مي‌كنند تا بدين طريق سرعت چرخش محور (‌شفت) ژنراتور را افزايش دهند.
براي اينكه بيشترين انرژي را از باد بگيريم، بايستي با تغيير سرعت باد زاويه پره‌ها تغيير كنند، كه اين كار با كنترل زاويه پره صورت مي‌گيرد. همچنين پس از سنجش جهت باد، موتور كوچكي به نام ياو، كل قسمت بالاي برج توربين را مي‌چرخاند تا در راستاي مناسب با جهت وزش باد قرار گيرد.

طبقه بندي چگالي باد
كلاسه‌بندي و طبقه‌بندي چگالي باد، در ارتفاع 10 متري و 50 متري در جدول زير آمده است.
انواع توربين‌هاي بادي
1 –  توربين‌هاي بادي با سرعت ثابت :
تا اوايل 1990 ، استاندارد نصب و بهره برداري بر مبناي توربين‌هاي بادي با سرعت ثابت بود. در اين نوع توربين‌ها، صرف نظر از سرعت باد سرعت رتور توربين ( محور ) ثابت است. اين سرعت به فركانس شبكه ساختمان ژنراتور و نيز به نسبت دنده‌ها در گيربكس ، بستگي دارد.
اين نوع توربين‌ها ، داراي ژنراتور القايي قفس سنجابي يا با رتور سيم پيچي شده ، هستند كه مستقيماً متصل به شبكه قدرت مي‌باشند. اين ژنراتورها به يك استارتر نرم و به بانك‌هاي خازني براي جبران توان راكتيو مجهز هستند. اين ژنراتور به گونه‌اي طراحي شده اند كه در يك سرعت مشخص باد بيشترين بازدهي را داشته باشند. به منظور افزايش توان توليدي ژنراتور اين توربين‌هاي بادي داراي دو نوع تنظيم بر روي سيم پيچي‌هاي استاتور هستند، يكي در سرعت‌هاي پايين باد (نوعاً 8 قطب) و ديگري در سرعت‌هاي متوسط يا بالا ( 4 قطب يا 6 قطب ) مورد استفاده قرار مي گيرد. اين نوع توربين ها مزايايي از قبيل سادگي، استحكام و قابليت اطمينان بالايي دارند و كار‌هاي علمي و پژوهشي بسياري بر روي آنها انجام شده است. قيمت اجزاي الكتريكي و درايو آنها نيز پايين است. معايب مهم اين نوع توربين‌ها نيز عبارت است از توان راكتيو مصرفي غيرقابل كنترل، استرس مكانيكي و كنترل محدود كيفيت توان. به علت عملكرد سرعت ثابت آنها ، تمامي نوسانات در سرعت باد به صورت نوسانات در گشتاور مكانيكي و از آنجا به صورت نوسانات در توان الكتريكي شبكه ظاهر مي‌شوند. در مورد شبكه‌هاي ضعيف ، نوسانات توان مي‌تواند به نوسانات بزرگ ولتاژ منتهي شوند كه باعث ايجاد تلفات قابل تامل در خطوط انتقال واسط مي‌شوند.

2 – توربين‌‌هاي بادي با سرعت متغير
در سال‌هاي اخير، توربين‌هاي بادي با سرعت متغير، اكثريت غالب را (در ميان توربين‌هاي نصب شده) تشكيل داده‌اند. در اين حالت، امكان تنظيم سرعت چرخشي رتور ? (با افزايش يا كاهش شتاب) وجود دارد. ثابت سرعت ?، ‌در يك مقدار ثابت و از پيش تعيين شده اي نگهداري و تثبيت مي‌شود تا به ضريب توان بالايي دست پيدا كنيم. در اين حالت، گشتاور ژنراتور نسبتاً ثابت نگهداشته مي‌شود و تغييرات در وزش باد به تغييرات در سرعت ژنراتور مي‌انجامد.
سيستم الكتريكي توربين‌هاي بادي با سرعت متغير، بسيار پيچيده‌تر از توربينهاي سرعت ثابت است. اين نوع توربين‌ها، نوعاً داراي ژنراتور القايي يا سنكرون هستند و از طريق يك كانورتر توان به شبكه متصل مي‌شوند. مزاياي اين نوع توربين‌ها عبارت است از: افزايش انرژي به دست آمده از باد، بهبود كيفيت توان و كاهش استرس مكانيكي. معايب آنها نيز عبارت است از: تلفات در قسمت‌هاي درايو الكترونيكي، استفاده از اجزا بيشتر و افزايش هزينه ناشي از تجهيزات سيستمهاي الكترونيكي . در اين نوع توربين‌ها ، نوسانات توان ناشي از نوسانات باد، عمدتاً بصورت تغييرات در سرعت روتور توربين و ژنراتور ظاهر مي‌شود.

1-5) مفاهيم كنترل توان
ساده‌ترين، مقاوم‌ترين و ارزان‌ترين روش كنترلي، كنترل وامانده (كنترل غيرفعال) است كه پره‌ها در داخل توپي با يك زاويه ثابت پيچ شده‌اند. طراحي رتور به گونه‌اي است كه باعث مي‌شود در صورتي كه سرعت باد از حد معيني بيشتر شود، رتور توان باد را از دست بدهد. بنابراين توان آيروديناميكي پره‌ها محدود مي‌شود. چنين تنظيم توان آيروديناميكي باعث مي‌شود كه نوسانات توان كمتري را نسبت به تنظيم توان با گام سريع داشته باشيم. برخي ار نارسائي‌‌هاي اين روش، بازده پائين در سرعت‌‌هاي كم باد ، نداشتن استارت كمكي و تغييرات در توان ماكزيمم حالت ماندگار در اثر تغييرات در چگالي هوا و فركانس‌هاي شبكه است.
نوع ديگر كنترل، كنترل گام است (كنترل فعال) كه در آن، پره‌ها مي‌توانند در زمان‌هايي كه توان خروجي خيلي كم و يا خيلي زياد مي‌شود، به ترتيب به سمت جهت باد يا عكس آن پيچانده شوند.
در حالت كلي ،‌مزاياي اين نوع كنترل ، كنترل خوب توان ، استارت مجدد كمكي و توقف اضطراري است. از ديدگاه الكتريكي، كنترل خوب يعني اينكه در سرعت‌‌هاي بالا ، مقدار اصلي توان خروجي ، نزديك به مقدار نامي ژنراتور باشد. برخي معايب آن ، پيچيدگي اضافي ناشي از مكانيزم گام و نوسانات بيشتر توان در سرعت هاي بالاست. در هنگام طوفان و سرعت‌هاي محدود مكانيزم گام،‌توان لحظه‌اي حول و حوش مقدار نامي نوسان مي‌كند.
سومين استراتژي كنترلي، وامانده فعال است. در سرعت‌‌هاي پايين باد، به منظور دسترسي به بيشترين بازده ، پره‌ها شبيه يك توربين بادي كنترل شونده با گام، چرخانده مي‌شوند. در سرعت‌هاي بالا، پره‌ها به يك واماندگي عميق و به صورت آرام و در جهت مخالف توربين كنترل شده با گام برده مي‌شوند. با اين نوع كنترل، توان محدود صاف‌تري (بدون نوسانات بالاي توربين‌هاي بادي كنترل شده با گام)، به دست مي‌آيد. اين نوع كنترل، مزايايي از قبيل قابليت جبران سازي تغييرات چگالي‌ هوا را دارا است. تركيب با مكانيزم گام، توقف‌هاي حالت اضطراري و استارت توربين‌هاي بادي را آسان‌تر كرده است.

1-6 ) انواع ژنراتورهاي مدرن
نوع A  : سرعت ثابت:
از آنجا كه ژنراتور‌هاي القايي قفس سنجابي SCIG ، همواره از شبكه توان راكتيو مي‌كشند، اين آرامش از يك بانك خازني براي جبران سازي توان راكتيو استفاده مي‌كند. اتصال نرم و هموار و صاف به شبكه از طريق يك استارتر نرم حاصل مي‌شود. همان طور كه ذكر شد در مورد شبكه‌هاي ضعيف ، نوسانات باد به نوسانات ولتاژ تبديل مي‌شود. اين نوع توربين‌ها مي‌توانند مقادير متغير توان را از شبكه جذب كنند كه اين امر ، هم ارتعاشات ولتاژ و هم تلفات خط را افزايش مي‌دهد.
از اين رو از مهمترين نارسائي‌هاي اين ژنراتور و سيستم‌هاي مربوطه، عبارتند از :
1-    عدم كنترل بروي سرعت
2-    نياز داشتن به شبكه قوي و
3- نياز داشتن به ساختمان قوي مكانيكي كه بتواند استرس‌هاي بالاي مكانيكي را تحمل كند.

نوع B : سرعت متغير محدود:‌
اين دسته از توربين‌هاي بادي كه با سرعت متغير محدود هستند داراي مقاومت متغير در رتور بوده و با نام Optislip شناخته مي‌شوند. در اين نوع آرايش ، از ژنراتور القايي رتور سيم پيچي شده استفاده مي‌كنند. ژنراتور مستقيماً به شكل متصل است و براي بدست آوردن اتصال صافتر از يك استارتر نرم استفاده مي‌شود. مقاومت متغير رتور اين نوع ژنراتورها، مي‌تواند با كانورتر كنترل شونده به وسيله پالس‌هاي نوري كه در بالاي محور رتور نصب شده است، تنظيم شود. اين تجهيزات نوري، به حلقه‌هاي لغزان گران قيمتي ( كه به جاروبك و نگهداري نيازمند است)، احتياج دارند. در اين حالت مقاومت رتور مي‌تواند تغيير كرده و بدين ترتيب لغزش را كنترل كند. با اين كار توان خروجي سيستم كنترل مي‌شود. محدوده كنترل ديناميكي سرعت بستگي به اندازه مقاومت متغير رتور دارد. نوعاً محدوده سرعت، صفر تا 10 درصد بالاي سرعت سنكرون است. انرژي حاصل از تبديل انرژي اضافي به صورت گرما تلف مي‌شود. در سال 1998، دو مهندس  به نامهاي Wallen و Oliner ، مفهوم جايگزيني را معرفي كردند كه در آن اجزا، پسيو به جاي كانورترهاي الكترونيك قدرت مطرح شده است بوده‌اند. اين مفهوم، لغزش 10 درصدي را نتيجه مي‌داد ولي متاسفانه كنترلي برروي لغزش نداشت.

نوع C :‌سرعت متغير با مبدل فركانسي با ظرفيت كسري:‌
اين نوع آرايش با نام ژنراتور القايي با تغذيه دو گانه شناخته شده است. ظرفيت كانورتر (مبدل فركانسي با ظرفيت كسري)، حدود 30 درصد توان نامي ژنراتور است. اين كانورتر جبران‌سازي توان راكتيو را انجام مي‌دهد و در ضمن در زمان اتصال به شبكه قدرت، حالت صاف و هموارتري را نتيجه مي‌دهد. اين نوع آرايش ، محدوده وسيعتري در مقايسه با Optislip در كنترل ديناميكي ولتاژ دارد. محدوده سرعت آنها، معمولاً در حدود وسيعتري در مقايسه با سرعت سنكرون است. كانورتر فركانسي كوچكتر، از نقطه‌نظر اقتصادي به صرفه است. عمده‌ترين  نارسائي‌هاي اين روش، استفاده از حلقه‌‌هاي لغزان و محافظت آن در برابر خطاهاي شبكه است.

نوع D : سرعت متغير با مبدل فركانسي با ظرفيت كامل:‌
در اين روش، ژنراتور از طريق يك كانورتر ( مبدل فركانسي با ظرفيت كامل ) به شبكه متصل مي‌شود. كانورتر فركانسي، جبران سازي توان راكتيو را انجام مي‌دهد و در زمان اتصال به شبكه مشخصه صاف و هموارتري دارد . اين نوع ژنراتور مي‌تواند به صورت الكتريكي تحريك شود، مانند WRIG، WRSG ها، يا از طريق يك مغناطيس دائم (PMSG ) تحريك شود. برخي ازتوربينهاي بادي سرعت متغير كامل، هيچ نوع جعبه‌ دنده‌اي ندارند. در اين موارد، از ژنراتورهاي چند قطبي كه به صورت مستقيم فرمان داده مي‌شوند (با قطر بزرگ) مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

ژنراتورهاي آسنكرون (القايي):
ژنراتور آسنكرون، متداول‌ترين نوع ژنراتور مورد استفاده در توربين‌هاي بادي هستند. استحكام و سادگي مكانيكي و قيمت ارزان جزء مزاياي آن و نياز به جريان مغناطيس‌كنندگي جزء معايب آن است. توان راكتيو مصرفي آن يا توسط بانك خازني و توسط ادوات الكترونيك قدرت تامين مي‌شود. ميدان مغناطيسي به وجود آمده در آن با سرعتي كه توسط قطب‌هاي سيم پيچي و فركانس شبكه تعيين مي‌شود و سرعت سنكرون نام دارد ، مي‌چرخد. چنانچه رتور با سرعتي بيش از سرعت سنكرون بچرخد ، در آن ميدان مغناطيسي، ولتاژ القا مي‌شود و جريان در سيم‌پيچي‌هاي آن جاري مي‌شود. در ژنراتورهاي SCIG كه سرعت آنها تنها حدود چند درصد به دليل تغييرات سرعت باد تغيير مي‌كند لذا بيشتر بهمراه توربين‌هاي نوع A (سرعت ثابت) استفاده مي‌شوند. ژنراتورهاي SCIG مشخصه گشتاور- سرعت تندي دارند و از اين رو ارتعاشات توان باد، مستقيماً به شبكه قدرت منتقل مي‌شوند. اين حالت‌هاي گذرا خصوصاً در زمان اتصال توربين بادي به شبكه ، بحراني هستند چرا كه باعث ايجاد جريان هجومي، 7،8 برابر جريان نامي مي‌شوند در شبكه‌هاي ضعيف، اين مقدار جريان هجومي مي تواند موجب اختلال شديدي شود. از اين رو اتصال ژنراتور‌هاي SCIG به شبكه به آرامي و توسط يك استارتر نرم انجام مي‌شود تا جريان هجومي را محدود كند. در ژنراتور‌هاي SCIG، رابطه خطي بين مقدار بانك خازني لازم، توان اكتيو، ولتاژ ترمينال و سرعت رتور وجود دارد. يعني اينكه در باد‌هاي شديد، توربين به شرطي مي‌تواند توان اكتيو بيشتري را توليد كند كه بتواند توان راكتيو بيشتري را از شبكه جذب كند. در اين نوع ژنراتورها اگر خطايي رخ دهد ، به خاطر عدم تعادل توان‌هاي مكانيكي و الكتريكي، سرعت رتور افزايش مي‌يابد. لذا با برطرف‌شدن خطا، SCIG توان راكتيو بيشتري از شبكه مي‌كشد كه كاهش بيشتر ولتاژ را سبب مي‌شود.
در ژنراتور القايي رتور سيم پيچي شده، مشخصه‌هاي الكتريكي رتور مي‌تواند ازبيرون كنترل شود و ولتاژ آن را تحت تاثير قرار دهند. سيم‌‌بندي رتور مي‌تواند از طريق جاروبك و حلقه‌هاي لغزان به بيرون وصل شود يا از طريق ادوات الكترونيك قدرت كه ممكن است به حلقه‌هاي لغزان و جاروبك نياز داشته باشند. يا نياز نداشته باشند ژنراتور مي‌تواند از طريق استاتور و يا رتور، مغناطيسي شود. امكان بازيابي انرژي لغزشي از مدار رتور و باز پس دادن به خروجي استاتور نيز وجود دارد. در توربين‌هاي بادي، بيشتر از آرايش‌هاي زير كه مربوط به WRIG است ، استفاده مي‌كنند.
1- ژنراتور القايي R)  Optislip) كه در نوع  OSIG)B) استفاده مي‌شود.
2- ژنراتورالقايي‌باتغذيه دوگانه (DFIG) كه در نوع C مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
در ژنراتور‌هاي Optislip ، كانورتر به صورت نوري كنترل مي‌شود (كانورتري كه مقاومت رتور را تغيير مي‌دهد) از اين رو نيازي به حلقه‌هاي لغزان نيست. استاتور نيز مستقيماً به شبكه قدرت متصل مي‌شود. محدوده سرعت كاري در اين حالت نسبت به ژنراتور‌هاي SCIG ، بيشتر و از نظر سيستم، پيشرفته‌تر است، براي يك گستره مشخص ، اين مفهوم مي‌تواند بارهاي مكانيكي و ارتعاشات توان ناشي از طوفان‌ها را كاهش دهد. معايب اين روش عبارتند از:
1-  محدوده سرعت، نوعاً در حدود صفر تا 10 درصد است و اين مستقل از مقدار مقاومت متغير رتور است.
2- كنترل ضعيفي روي توان‌هاي اكتيو و راكتيو دارد.
3- توان لغزشي در مقاومت متغير، به صورت تلفات از بين مي‌رود.
ژنراتور القايي با تغذيه دوگانه (DFIG)، گزينه‌اي جالب ،‌ با بازاري رو به فزوني،‌ و با تقاضا است. DFIG ، يك WRIG، است كه استاتور به طور مستقيم به شبكه سه فاز با فركانس ثابت متصل است و سيم پيچي رتور با يك كانورتر منبع ولتاژ با كليد‌هاي IGBT ، با طبقات پشت به پشت تك جهته تغذيه مي‌شود. عبارت تغذيه دوگانه به اين واقعيت اشاره دارد كه استاتور به شبكه قدرت، ‌ولتاژ براي تغذيه بارها مي‌دهد و ولتاژ رتور نيز به وسيله كانورتر توان، ايجاد مي‌شود. سرعت عملكرد اين سسيستم در يك گستره وسيع اما محدود قراردارد. كانورتر اختلاف فركانس الكتريكي و مكانيكي را با تزريق جريان به رتور با يك فركانس متغير، ‌جبران مي‌كند. هم در طول عملكرد عادي و هم در طول خطاها، رفتار ژنراتور توسط كانورتر توان و كنترل‌كننده‌هاي آن تنظيم مي‌شود. كانورتر توان، متشكل از دو كانورتر است،‌ كانورتر طرف شبكه و كانورتر طرف رتور،‌ كه هر كدام به صورت مستقل كنترل مي‌شود. ايده اصلي آن است كه كانورتر طرف رتور توان‌هاي اكتيو و راكتيو را با كنترل اجزاء جريان رتور كنترل مي‌كند، در حالي كه كانورتر طرف خط، ولتاژ طرف DC را كنترل مي‌كند تا از عملكرد كانورتر در ضريب توان واحد (توان راكتيو صفر) اطمينان حاصل شود. بسته به شرايط كاري درايو، توان به رتور وارد مي‌شود يا از آن خارج مي‌شود. در شرايط فوق سنكرون توان از رتور به طرف شبكه و در شرايط زير سنكرون، ‌توان از شبكه به طرف رتور جاري مي‌شود. در هر دو حالت ، توان از استاتور به طرف شبكه مي‌رود مزاياي ژنراتور‌هاي DFIG عبارت است:‌
1- داشتن توانايي كنترل بر روي توان راكتيو 2 – توانايي كنترل مستقل توان‌هاي اكتيو  و راكتيو با كنترل جريان رتور 3- قابليت مغناطيس شدن از طرف رتور 4 – قابليت توليد توان راكتيو كه به استاتور تحويل داده مي‌شود . همان طوري كه گفته شد، كانورتر  طرف شبكه در ضريب توان واحد عمل مي‌كند و خود را درگير تبادل توان راكتيو نمي‌كند. البته در مورد شبكه‌هاي ضعيف، ‌ژنراتور ‌هاي DFIG ممكن است. در صورت نوسان ولتاژ، به منظور تبادل توان راكتيو با شبكه، فرمان داده شود كه البته قابليت كنترل ولتاژ نه با توان كلي ژنراتور، بلكه با محدوده سرعت و توان لغزشي مرتبط خواهد بود. قيمت كانورتر، متناسب با محدوده سرعت در اطراف سرعت سنكرون است. نارسايي اجتناب‌ناپذير ژنراتور‌هاي DFIG ، استفاده از حلقه‌هاي لغزان است.

- ژنراتور سنكرون
ژنراتور سنكرون در قياس با يك ژنراتور القايي با مشخصات مشابه و با اندازه‌ مشابه،‌ بسيار گرانتر و پيچيده‌تر است، مهمترين مزيت آن، ‌نياز نداشتن به جريان جهت مغناطيس‌كنندگي است و از طريق يك كانورتر (الكترونيك قدرت)، به شبكه اصلي متصل مي‌شود. كانورتر دو هدف مهم زير را بدنبال دارد:‌
1- براي عمل كردن به عنوان يك تقويت كننده توان در مقابل ارتعاشات توان (‌ناشي از انرژي متغيير باد و طوفان ) و حالت‌هاي گذراي سمت سيستم قدرت.
2- براي كنترل ميدان مغتاطيسي براي حفظ سنكرونيزم و جلوگيري از مشكلات سنكروناسيون شدن با شبكه قدرت.
 كاربرد چنين ژنراتوري، اجازه كار با يك سرعت متغير را به توربين هاي بادي مي‌دهد. اين نوع ژنراتورها يا از نوع رتور سيم پيچي شده‌اند ( WRSG ) يا از نوع روتور مغناطيسي دائم ( PMSG ).
به دليل مشخص بودن عملكرد ماندگار و گذراي اين نوع ژنراتور‌ها، بحث زيادي روي آنها نمي‌شود. ديگر ژنراتور‌هاي مورد استفاده براي توربين‌هاي بادي عبارتند از:
1- ژنراتور‌هاي ولتاژ بالا.
2- ژنراتور‌هاي سوئيچ رلوكتانسي
3- ژنراتور‌هاي شارمورب.
در شكل زير براي جمع‌بندي سه نوع كلي توربين‌هاي بادي نشان داده شده است.