بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله روشی برای استخراج حداکثر توان و کنترل زاویه گام پره توربین بادی 1/5 مگاواتی به جهت بهبود بازده و حفظ پایداری سیستم ارائه شده است.ابتدا برای مقایسه روش ارائه شده کنترل زاویه گام ، از کنترل کننده PID سنتی استفاده شده است. سپس یک کنترل کننده فازی- PID تطبیقی جایگزین شده است. نکته قابل توجه در مورد کنترل کننده فازی-PID تطبیقی این است که این کنترل کننده برای سرعت های غیر خطی نیز قابل استفاده می باشد. استخراج منحنی توان توربین بادی از طریق نتایج عملی و شبیه سازی روی یک سیستم توربین بادی 1/5 مگاواتی با استفاده از نرم افزار Matlab/Simulink شبیه سازی شده است.
-1 مقدمه
امروزه با توجه به نیاز روزافزون بشر به انرژی الکتریکی از یک سو و محدودیت ذخایر سوختهای فسیلی و همچنین نگرانیهای زیست محیطی در پی افزایش گاز دی اکسید کربن و دیگر گازهای گلخانهای از سویی دیگر، نیاز به یافتن منابع جدید انرژی به روشنی احساس میگردد. جایگزینی منابع فسیلی با انرژیهای نو و تجدیدپذیر راهکاری است که مدتهاست مورد توجه کشورهای پیشرفته جهان قرار گرفته است. یکی از مهمترین انرژیهای تجدید پذیر، انرژی باد میباشد. انرژی باد پایان ناپذیر، رایگان و پاک است در ضمن به راحتی قابل تبدیل به انرژی الکتریکی میباشد پس میتواند در بین منابع انرژیهای نو گزینه مناسبی جهت جایگزینی با منابع فسیلی باشد.
استفاده از انرژی باد در هر سال رشد 10% را در دنیا و رشد 37% را در اروپا داشته است. پیشبینی میشود تا سال 2020 در حدود 10% انرژی کل دنیا توسط نیروگاههای بادی تولید شود که تا 50% در سال 2050 افزایش خواهد داشت با وجود اینکه استفاده از انرژی باد به منظور تولید انرژی الکتریکی پیشینه زیادی دارد اما به دلیل نفوذ کمی که در تولید انرژی داشتهاند تاثیر وجود آنها در شبکه چندان مورد بررسی قرار نگرفته است. منبع انرژی باد غیر قابل پیش بینی است بنابراین اضافه شدن مقدار قابل توجهی از واحدهای تولید بادی به شبکههای الکتریکی موجود، تاثیر قابل ملاحظهای بر طراحی، کارکرد و کنترل شبکه خواهد گذاشت.
به علت متغیر بودن سرعت باد سرعت توربینهای بادی مدام در حال تغییر است و از آنجایی که توان خروجی توربینهای بادی با مکعب سرعت باد متناسب است تغییرات لحظهای سرعت باد باعث ایجاد نوسانات در توان خروجی توربین بادی میشود. از طرفی میدانیم به منظور اینکه یک سیستم قدرت عملکرد رضایت بخشی داشته باشد، ثبات توان در آن امری ضروری است. پس میتوان گفت در حضور واحدهای تولید بادی در سیستم های قدرت که آشفتگیها و تغییر پارامترهای بیشتری را به سیستم تحمیل میکنند کنترل زاویه گام سیستم بیش از پیش مورد توجه قرار میگیرد و نیازمند مطالعات بیشتری میباشد
به این منظور ابتدا سیستم قدرت مورد نظر با استفاده از کنترلکننده PID کلاسیک برای کنترلکننده زاویه گام توربین بادی شبیه سازی و محاسبه میگردد و در ادامه به منظور بهبود عملکرد سیستم، بهینهسازی تنظیم پارامترهای کنترلکننده PID با استفاده از منطق فازی پیشنهاد می شود. در [1] مروری بر روی روش های اعمالی جهت دسترسی به نقطه بیشینه توان ماکزیمم - MPPT - در سیستم تبدل انرژی باد - - WECS ارائه شده است.
در [3] روش کنترل PID سیستم توربین های بادی با گام های قابل تنظیم بر پایه کنترل کننده فازی میباشد. که از ویژگی های آن در مقایسه با PID مرسوم می توان به کنترل کامل توان در بازه مورد نظر و پاسخ سریع اشاره کرد.
در [5] روش کنترلی PID تطبیقی جدید - NAPID - مورد بحث قرار میگیرد و نتایج مربوطه با کنترل کننده PID مرسوم در محیط SIMULINK نرم افزار MATLAB شبیه سازی و مقایسه شده است.
در [6] و [7] یک قانون کنترلی عملی برای کنترل گام توربین های بادی با استفاده از روش منطق فازی ارائه شده است. با استفاده از روش مذکور مشاهده میگردد که کنترل کننده PID با کاهش توانایی در مقابل رفتار های غیر خطی توربین بادی نسب به روش کنترل فازی همراه است.
در [8] از این کنترلگر مد لغزشی بصورت تطبیقی استفاده شده است و نتیجه کار کاهش استرس مکانیکی، بهبود کیفیت توان و غلبه بر ارتعاش برج و گیربکس بوده است.
از آنجایی که سیستم قدرت در حضور واحدهای بادی مدام در معرض عدم قطعیت و تغییر پارامتر قرار میگیرد پیشنهاد شده است که به منظور کنترل تغییرات سرعت توربینهای بادی به جای کنترلکننده PID، کنترلکننده فازی قرار بگیرد که عملکرد مقاومتری نسبت به تغییر پارامترهای سیستم از خود نشان میدهد. بدیهی است با بهینه سازی کنترلکننده فازی مورد نظر با الگوریتم منطق فازی نتایج مطلوب تری بدست میآید.
رشد سریع و نفوذ بیشتر واحدهای تولید بادی در سیستمهای قدرت موجب شده روشهای کنترل زاویه گام این سیستم ها متفاوت با روشهای سنتی کنترل زاویه گام باشد. ارائه روشهای جدید کنترل زاویه گام در اینگونه سیستمها همواره مورد توجه محققین بوده است.در زیر به خلاصه ای از اهداف این مقاله اشاره شده است.
· بهینه سازی توان خروجی توربین های بادی
· حذف بی ثباتی خروجی مورد نظر با استفاده از روش ارائه شده.
· شبیهسازی سیستم معرفی شده با استفاده از کنترلکننده PID کلاسیک برای کنترلکننده زاویه گام پره توربین بادی.
· ارائه کنترلکننده فازی- PID به جای کنترلکننده PID سنتی و تنظیم ضرایب آن با الگوریتم منطق فازی مقایسه عملکرد آنها.
-2 استخراج توان توربین بادی
یک توربین بادی انرژی را از باد با تبدیل انرژی جنبشی به حرکت دورانی مورد نیاز برای کار کردن ژنراتور الکتریکی تبدیل می کند. به موجب انرژی جنبشی شدت جریان باد به مرور کاهش می باید.
این یک امر عادی است که فقط توده هوایی که از رتور عبور می کند موثر خواهد بود در حالی که توده هوایی که از رتور عبور نمی کند بی تاثیر می ماند.
شکل:1 توده ای از هوا در حال حرکت با سرعت [9] m/s - Vw - کیلوگرم بر متر مکعب - m2 - Kg و X نیز ضخامت قسمتی از توده هوا - m - می باشد. توان باد - - Pw ، مشتق زمانی از انرژی جنبشی می باشد .
در حالت ایده آل ، توان مکانیکی استخراج شده از باد برابر است با اختلاف بین توان ورودی و خروجی باد که در رابطه زیر امده است
توربین بادی می تواند تنها بخشی از توان باد را استخراج کند ، که محدود شده است توسط حد بتز - Betz - - حداکثر - % 59/3 در رابطه بالا ضریب توان توربین بادی - Cp - تابعی از زاویه گام توربین بادی و نسبت سرعت نوک می باشد.
می توان با منحنی توان نشان داد. که خروجی توان تخمین زده شده به عنوان تابعی از سرعت باد در شکل4 نشان داده شده است.
سه نقطه متمایز سرعت باد را از منحنی توان می توان مشاهده کرد :
در این رابطه سرعت توربین برحسب متر بر ثانیه - m/sec - و R شعاع پره توربین بادی می باشد.
شکل:2 نمودار سطحی برای ضریب توان - Cp
شکل 2 نمودار منحنی های - - Cp را نشان می دهد. در اینجا مقدار بهینه نسبت سرعت نوک opt با حداکثر ضریب
توان Cp max رابطه دارد. هر تغییری در سرعت باد یا سرعت رتور باعث تغییر در نسبت سرعت نوک و در نتیجه تغییر ضریب توان می شود. در این حالت توان تولیدی نیز تحت تاثیر قرار می گیرد. شکل3 توان مکانیکی تبدیل شده از تیغه توربین که تابعی از سرعت چرخشی میباشد و حداکثر توان تبدیل شده در یک سرعت گردشی خاص را برای سرعت های باد مختلف نشان می دهد.
شکل:3 توان مکانیکی در مقابل ویژگی های سرعت رتور
شکل :4 منحنی توان توربین بادی بادی سرعت متغیر
سرعت باد قطع پایین - : - Vcut in پایین ترین سرعت بادی که توربین شروع به تولید توان می کند.
سرعت باد نامی : سرعت بادی که معمولا حداکثر توان توربین بادی تولید می شود.
سرعت باد قطع بالا - : - Vcut out سرعت بادی که باعث توقف تولید توان و خاموش شدن توربین - با استفاده از ترمز های اتوماتیک - برای حفاظت از توربین در مقابل خسارت های مکانیکی می باشد
-3 مد کاری توربین بادی
سه مد کاری مجزا برای متغیر گام سرعت کنترل شده توربین بادی وجود دارد. انتخاب مد کاری بستگی به سرعت باد و مقدار توان خروجی مورد نیاز از سیستم تبدیل انرژی باد دارد.
با توجه به شکل - - 5- 3 سه مد کاری عبارتند از :
ردیابی حداکثر توان : این مد برای استخراج حداکثر توان توربین بادی از کمترین سرعت باد تا سرعت باد نامی با پیروی از مقدار حداکثر ضریب توان - - Cp _ max 0.48 که در شکل 2 نشان داده شده است. توان مکانیکی به دست آمده در این مد از رابطه زیر به دست می آید.
