بخشی از مقاله
خلاصه
انرژی بادی از انرژیهای تجدیدپذیر و سازگار با محیط زیست است. این انرژی توسط توربینهای بادی به الکتریسیته تبدیل میشود. سیستم توربین بادی از اجزای بسیار زیادی تشکیل شده و به عنوان یک سیستم پیچیده تلقی میگردد. امکان وقوع عیب در چنین سیستمهایی بسیار بالا بوده و اگر وقوع عیب به موقع تشخیص داده نشود ممکن است خسارات فراوانی برجای گذاشته شود. برای تشخیص عیب تا کنون روشهای زیادی ارائه شده است. یک دسته از این روشها که نیازی به مدل صریح ریاضی سیستم ندارد، تکنیکهای دادهکاوی میباشد. از پرکاربردترین الگوریتمهای دادهکاوی در تشخیص عیب سیستم، الگوریتمهای ماشین بردار پشتیبان - SVM - و شبکه عصبی هستند. در این مقاله تشخیص عیب توربین بادی با استفاده از این دو روش مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج شبیه سازیهای صورت گرفته بیانگر عملکرد مناسب این دو روش برای تشخیص عیب اجزای توربین بادی میباشد.
.1 مقدمه
با افزایش روزافزون جمعیت و همچنین پیشرفت تکنولوژی، میزان مصرف انرژی با شتاب بالایی رو به افزایش است. در حال حاضر بیشتر انرژی مصرفی در جهان توسط سوختهای فسیلی تامین میگردد. سوختهای فسیلی علاوه بر رو به اتمام بودن، باعث آلودگی شدید هوای کره زمین نیز شده است. از این رو منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر به یکی از مسائل اساسی دهه اخیر تبدیل شده است. از جمله منابعی که برای جایگزینی سوخت فسیلی مورد مطالعه قرار گرفتهاند آب، باد، خورشید، زمینگرمایی و اتمی میباشد.
در میان این منابع، باد به علت مزایای بسیاری همچون به صرفه بودن، دسترسی مناسب، فناناپذیری و قابل رقابت بودن با دیگر منابع به یکی از مهمترین منابع تجدیدپذیر دنیا تبدیل شده است. به دلیل پیشرفت تکنولوژی و دسترسی به فضای مناسب در معرض باد، هر ساله توربینهای بادی بسیاری در سراسر دنیا نصب و راهاندازی میشود. همچنین نیروی باد به عنوان یک منبع کلیدی برای اهداف برنامهریزی شده کاهش آلودگی هوا و تنوع منابع عرضه انرژی نیز در نظر گرفته میشود .[1] طبق گزارش منتشر شده آمار جهانی انرژی بادی - GWEC - 1، انرژی تولید شده در سال 2016، 486 هزار مگاوات بوده است که بیشترین سهم را به ترتیب کشورهای چین با 168 هزارمگاوات،
آمریکا با 82 هزار مگاوات و آلمان با 50 هزار مگاوات به خود اختصاص دادهاند. سهم کشور ایران از تولید برق از انرژی باد نیز 91 مگاوات میباشد که بیشتر این ظرفیت در دو سایت بزرگ منجیل و بینالود در شمال و شرق کشور تولید میشوند. با توجه به مسائل ذکر شده و همچنین نگاه سیاست مداران مبنی بر خودکفایی در ضمینه سوخت، هر ساله بر تعداد توربینهای بادی نصب شده در مزارع باد با شتاب بالایی رو به افزایش است. بدلیل پیچیدگی سیستم توربین بادی و نصب آنها در نقاط خشن و دور دست - معمولا در سواحل و حتی درون آب - که احتمال وقوع عیب در این سیستم را بالا میبرد، مسالهی حفظ و نگهداری توربین از اهمیت بسیاری برخوردار میباشد.
برای یک توربین با 20 سال عمر کاری، هزینهی عملیات نگهداری و بخشهای جایگزین شده چیزی حدود 10 تا 15 درصد کل درآمد آن میباشد. بنابراین شرایط مانیتورینگ و تشخیص عیب در اولویت بالای مسائل مربوط به توربین بادی است .[2] توربینهای بادی مدرن مجهز به بعضی از انواع سیستمهای مانیتورینگ شرایط از قبیل تشخیص عیب سطح سیستم و تشخیص عیب سطح زیرسیستم شدهاند. تشخیص عیب سطح زیرسیستم معمولا بر اساس مانیتورینگ پارامترهایی از قبیل ارتعاشات قسمت پیشرانه1 توربین [2]، دمای یاتاقان،2 درصد روغن ذرات و اندازهگیری فشار نور و ... صورت میگیرد. بعضی از راه حل های تجاری در دسترس شامل سیستمهای پره[3]3، سیستمهای تفسیر کنترل نظارت و اکتساب دادهها - SCADA - 4، و مدلهای جامع [4] میباشد.
روشهای مختلف تشخیص عیب در توربینهای بادی وجود دارد. مثالهایی از این روشها شامل نظارت بر درجه حرارت داخلی و خارجی، نظارت و تحلیل ولتاژ و یا جریان استاتور و ... میباشد. روشهای نظارت حرارتی و ارتعاش برای چندین دهه مورد استفاده قرار گرفتهاند اما بسیاری از پژوهشهای اخیر به سمت نظارت الکتریکی و با تاکید بر جریان استاتور ژنراتور پیش میروند .[5] دادهکاوی روش مفیدی برای تشخیص عیب در سیستمهای مختلف از جمله توربین بادی است که میتوان با الگوریتمهای این روش مدلهایی برای پیشبینی و تشخیص عیبهای رخ داده در سیستم استخراج نمود. مزیت بالای این روش عدم نیاز به مدل صریح ریاضی سیستم است. در این مقاله در ابتدا مدل معیار توربین بادی که از آن جهت تولید داده استفاده شده، شرح داده شده است. سپس با استفاده از دادههای بدست آمده از این مدل و الگوریتمهایSVM5 و شبکهی عصبیMLP6 به تشخیص عیب سنسور زاویهی گام 7پرههای توربین بادی پرداخته شده است.
.2 توصیف مدل توربین بادی
بلوکدیاگرام مربوط به ارتباط بین اجزای توربین بادی مدل معیار در شکل 1 نشان داده شده است .[6]
شکل - 1 مدل توربین بادی.
توربین بادی در نظر گرفته شده در این مدل از نوع محور افقی و دارای 3 پره است. ژنراتور استفاده شده در آن از نوع ژنراتورهای تمام کوپل میباشد. برای اطلاعات بیشتر در زمینهی ساختمان توربینهای بادی میتوان به [7] و [8] مراجعه کرد. در شکل 2 نمایی از ساختمان توربین بادی مشاهده میشود. راحتی درون آن حرکت کند. پرههای توربین بادی بر روی محور اصلی که درون ناسل قرار دارد، ثابت گردیده است. توربینهای پیشرفته معمولا دارای سیستم کنترل زاویهی پرهها میباشد که به آن سیستم کنترل گام7میگویند. دیگر
