بخشی از مقاله
چکیده _
در این مقاله، جهت بهبود عملکرد سیستمهای مبدل انرژیهای تجدیدپذیر، با استفاده از روش کنترل پیشبین مقید توان خروجی توربین بادی سرعت متغیر با محور افقی ثابت نگه داشته می-شود، این در حالیست که نواحی کار مورد نظر، نواحی بالای سرعت نامی باد بوده و همچنین مسئله از لحاظ پایداری نیز تضمین شده است. این امر باعث کاهش فشار بر روی زیرسیستم مکانیکی و الکتریکی و همینطور کنترل سرعت روتور آن میشود. مدل دینامیکی در نظر گرفته-شده به سادهترین شکل انتخاب شده است، بطوریکه مدل چندمتغیرهی مذکور، با توجه به تغییرات سرعت باد تغییر میکند. با اعمال روش پیشبین و محدود کردن ورودیهای سیستم، در نهایت تغییرات توان خروجی، به ازای حالتهای مقید و بدون قید با هم مقایسه میشوند
.1 مقدمه
امروزه مسائل زیست محیطی بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است که دلیل آن افزایش غلظت دیاکسید کربن و به دنبال آن افزایش دمای کره-ی زمین، تغییرات دمایی و آلودگی زیست محیطی است؛ از اینرو محققین به بررسی و استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر جهت تامین انرژی مورد نیاز، روی آوردهاند. برای تولید انرژیهای تجدیدپذیر، از منابع بدون کربن استفاده می گردد؛ مانند انرژی خورشیدی، انرژی بادی، انرژی دریایی، زمین گرمایی و نیروگاههای آبی.
به دلیل در دسترس بودن انرژی باد، نسبت به سایر منابع انرژیهای تجدیدپذیر، این انرژی از اهمیت ویژهای برخوردار است بطوریکه در اکثر نقاط جهان، سیستمهای مبدل انرژی بادی روزبهروز افزایش یافته و تحقیقات و فعالیتهای مختلف در زمینههای متفاوت جهت بهینهسازی تولید انرژی، بالا بردن راندمان و افزایش طول عمر سیستمهای مذکور انجام میشوند. از همین فعالیتها، می توان روشهای مختلف کنترلی را نام برد که جهت افزایش دقت، سرعت و یا کاهش خطا در عملکرد سیستمهای مبدل انرژی بادی بر روی قسمتهای مختلف آنها انجام میگیرند.
سیستمهای مبدل انرژی بادی، توربینهای بادی هستند که از تثبیت توان خروجی توربین بادی سرعتمتغیر با محور افقی توسط روش کنترل پیشبین مقید همراه با تضمین پایداری و امکانپذیری لحاظ ساختار و عملکرد انواع مختلفی دارند و رفتار متفاوتی در نواحی کار وابسته به سرعت باد از خود نشان میدهند.
در ادامه به چند دست از مطالعات انجام شده در زمینه کنترل توربینهای بادی اشاره خواهد شد. در یک دههی گذشته، روش رگولاتور خود تنظیم برروی زاویه Pitch پرهها در مواقع تغییر سرعت باد جهت مینیمم کردن واریانس خطا و تثبیت توان پیشنهاد شده است که این روش مبتنی بر کنترل تطبیقی می باشد
روشهای مختلف کنترل غیرخطی، جهت کنترل توان و سرعت زاویهای روتور توربین اعمال شده است؛ که نواحی کار توربین، نواحی بالای سرعت نامی باد بوده است
کنترلکنندهی PID برای تنظیم زاویه Pitch پرهها، جهت تثبیت توان خروجی در حالت سرعت ثابت روتور توربین طراحی شده است. این کنترل کننده براساس یک تابع تبدیل ساده از توربین به ازای ورودی پله در نظر گرفته شده است
روش کنترل پیشبین بر روی سیستمهایی با نامعینیهای تصادفی پیشنهاد شده است که با انجام آن استراتژی کنترلی ثبتشدهای در راستای همگرایی سیستمهای حلقه بسته توسعه داده شده است .[4] زاویه Pitch پرهها با استفاده از روش کنترل مد لغزشی فازی و بمنظور ماکزیمم کردن انرژی تولیدی ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم - PMSG - تنظیم میشوند
مسئلهی بهینهسازی مطرح شده است بطوریکه با کنترل زاویه Pitch پرهها همزمان با بهبود عمر مفید توربین و کاهش هزینه نگهداری آن، توان تولیدی خروجی افزایش یابد .[6] روش کنترل مد لغزشی بر روی Pitch و گشتاور روتور توربین با سیستم ژنراتور PMSG پیشنهاد شده است؛ یعنی کنترل-کننده گشتاور در سرعتهای پایین سرعت نامی باد، جهت افزایش توان طراحی شده است و کنترلکننده زاویه Pitch در ناحیه بالای سرعت نامی باد برای تثبیت توان در نظر گرفته شده است
کاربرد کنترل کننده فازی-PID در نواحی بالا و پایین سرعت نامی باد بررسی شده است که در ناحیه ی بالای سرعت نامی باد، جهت تثبیت توان خروجی، کنترلکننده فازی طراحی شده و کنترلکننده PID برای حذف خطای حالت ماندگار سیستم تعبیه شده است
کنترل زاویه Pitch پرهها جهت افزایش توان تولیدی از انرژی باد - انرژی مکانیکی - با بکارگیری الگوریتم ژنتیک انجام شده است. کنترل پیشبین بر روی توربین های بادی متعادل هیدرواستاتیکی - HST - در راستای کنترل گشتاور روتور جهت افزایش و تثبیت توان اعمال شده است به این ترتیب با تمرکز بر روی دنبال کردن سرعت روتور مطلوب، توان مطلوب بدست آمده است
روش کنترل پیشبین بطور هماهنگ بر روی مدلهای زاویه Pitch پرهها و شبکهی انتقال برق به خروجی توربین - PHEVs - برای کنترل فرکانس خروجی اعمال شده است
بر روی زاویه Pitch پرهها کنترلکننده ترکیبی متشکل از PI و فازی در توربینی با ژنراتور القایی - SCIG - در نواحی بالا و پایین سرعت نامی باد اعمال شده است. این کنترلکنندهها جهت بهبود کیفیت توان و تثبیت آن به کار رفتهاند
کنترل پیشبین، یکی از روش های مدرن کنترلی، میباشد که امروزه به دلیل مزایای متعدد آن نسبت به کنترلکنندههای کلاسیک بسیار مورد اهمیت قرار گرفته است. کنترلکنندهی پیشبین، در هر مسئلهای چه تثبیتکنندگی و چه دنبالکنندگی علاوه بر حل بهینهی مسئله، مزیت مهم دیگری هم دارد و آن پیشبینی رفتار آیندهی سیستم میباشد و این در حالیست که بدون اخلال در عملکرد سیستم، تمام محدودیتهای آن را نیز می توان در نظر گرفت.
در این مقاله، ناحیهی کار سیستم توربین بادی، بالای سرعت نامی باد در نظر گرفته شده است که در این ناحیه، بایستی توان خروجی توربین بادی سرعت متغیر با محور افقی، در مقدار نامی خود ثابت بماند؛ دلیل این امر، کاهش فشار بر روی زیرسیستمهای مکانیکی و الکتریکی و همچنین جلوگیری از آسیبدیدگی توربین بادی در ناحیهی کار بالای سرعت نامی باد است. با در نظر گرفتن کنترلکنندهی پیشبین و محدودیتهای سیستم و تضمین پایداری سیستم، سعی بر رسیدن به هدف مورد نظر شده است.
درادامه، بخش دوم به مدلسازی و بررسی زیرسیستمهای توربین بادی و بیان اهداف کنترلی اختصاص داده خواهد شد، در بخش سوم به تشریح روش کنترل پیشبین و طراحی آن برای سیستم چند متغیرهی توربین بادی و همچنین تضمین تضمین پایداری مسئله پرداخته خواهد شد و در نهایت بخش چهارم مربوط به نتایج شبیهسازی میباشد.
.2 مدلسازی و بررسی زیر سیستمها
توربین بادی مورد بررسی بصورت یک سیستم MIMO معرفی شده-است. در این بخش، به بررسی و مدلسازی ریاضی سیستم توربین بادی مورد نظر، پرداخته خواهد شد. ساختار کلی این نوع از توربینهای بادی، در شکل 1 نشان داده شده است.
.2.1 زیرسیستم آیرودینامیکی
مهمترین وظیفه ی توربین بادی را زیر سیستم آیرودینامیکی انجام می-دهد. در این قسمت از توربین بادی، انرژی باد به انرژی جنبشی پرهها تبدیل تثبیت توان خروجی توربین بادی سرعتمتغیر با محور افقی توسط روش کنترل پیشبین مقید همراه با تضمین پایداری و امکانپذیری میشود که این انرژی جذب شده توسط باد از طریق قسمت مدل انتقال به ژنراتور منتقل میشود. انرژی جنبشی جذب شده در این قسمت، گشتاور آیرودینامیکی تولید میکند که از یک رابطهی غیرخطی تبعیت میکند. گشتاور آیرودینامیکی Taero در معادلهی - 1 - آمده است.
در معادلهی - 1 - ، ρ چگالی هوا، R شعاع روتور، v سرعت باد و Cp - λ,β - ضریب کارایی یا توان توربین بادی میباشند که Cp - λ,β - وابسته به λ= - - ωr.R - /v - نسبت سرعت نوک و β زاویهی Pitch پرهها میباشد. در رابطهی λ، ωr معرف سرعت زاویهای روتور است.
در معادلات - 2 - و - 3 - ، ωg سرعت زاویهای ژنراتور، Jr و Jg به ترتیب اینرسی روتور و ژنراتور، Ng ضریب نسبت چرخ دندهها، Tr و Tg به ترتیب گشتاور روتور - شفت سرعت پایین - و گشتاور ژنراتور - شفت سرعت بالا - میباشند. تغییرات گشتاور روتور نیز، باتوجه به ضریب ثابت فنر و دمپر روتور - شفت سرعت پایین - بصورت معادلهی - 4 - بیان میشود.
در معادلهی - 4 - ، K و D به ترتیب معرف ضریب ثابت فنر و دمپر روتور توربین بادی هستند.
شکل :1 ساختار کلی مدل سرعت متغیر توربین بادی محور افقی
.2.2 مدل انتقال
سرعت زاویهای و گشتاور تولید شده در قسمت قبل، توسط چرخ دنده های موجود در مدل انتقال، از شفت اصلی روتور - شفت سرعت پایین - به شفت ژنراوتور - شفت سرعت بالا - منتقل میشود. بنابراین پارامترهای انتقال بین روتور و ژنراتور، توسط معادلات - 2 - و - 3 - بیان میشوند.
.2.3 زیرسیستم الکتریکی
در قسمت مدل ژنراتور، انرژی منتقل شده از روتور به ژنراتور، به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. با در نظر گرفتن ژنراتور از نوع آسنکرون ایدهآل، رابطهی توان خروجی ژنراتور بصورت معادلهی - 5 - خواهد بود.در معادلهی - 5 - ، η معرف ضریب بهرهوری ژنراتور میباشد.
مدل مربوط به سیستم کنترل ژنرراتور بصورت معادلهی - 6 - بیان میشود.
در معادلهی - 6 - ، τg ثابت زمانی سیستم کنترل ژنراتور و Tg* گشتاور ژنراتور مطلوب میباشد که از ورودیهای سیستم محسوب میشود.
.2.4 سیستم عملگر زاویهی Pitch پرهها
زاویهی Pitch پرهها توسط یک سیستم مکانیکی-هیدرولیکی تنظیم میشوند. از مزایای این سیستم میتوان دقت بالا در موقعیتیابی پرهها و پاسخ دینامیکی سریع آن نام برد. سادهترین مدل دینامیکی که می توان برای این سیستم در نظر گرفت در معادلهی - 7 - بیان شده است.
