بخشی از مقاله
چکیده- یکی از عوامل اصلی که میتواند بازده توربینهای بادی سرعت متغیر را بهبود ببخشد، کنترل سرعت روتور بهمنظور ردیابی مقدار بهینة سرعت میباشد. یک کنترلگر با عملکرد خوب، میتواند بهمیزان زیادی مقدار انرژی قابل حصول از باد را افزایش دهد. مشکل اصلی در رابطه با طراحی کنترلگرها، وجود نامعینی در ساختار توربین بادی محور افقی و ساختار غیرخطی آن میباشد. در این مقاله، ابتدا مدل غیرخطی توربین بادی یک کیلووات محور افقی با ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم که برای تأمین بار DC و شارژ باتری استفاده میشود، در محیط متلب/سیمولینک شبیهسازی شده و سپس با استفاده از شناسایی آنالین، تخمین پارامترهای سیستم به روش حداقل مربعات بازگشتی صورت گرفته است.
سپس ضرایب کنترلگر تناسبی-انتگرالی تطبیقی، بر طبق پارامترهای تخمین زده شده و مکان قطبهای سیستم و نیز میزان جهش سرعت باد، در نقاط کار مختلف به دست آمده است و بهصورت جدولبندی بهره مورد استفاده قرار گرفته است. کنترلگر طراحی شده به مدل غیرخطی توربین بادی اعمال شده است و نتایج مربوطه با کنترلگر PI کالسیک و نیز کنترلگر PI بههمراه جدولبندی بهرة بر اساس سرعت باد، مقایسه شده است و عملکرد بهتر کنترلگر PI تطبیقی با استفاده از شبیهسازیها نشان داده شده است.
مقدمه
امروزه، بهسبب هزینهی باالی سوختهای فسیلی و محدودیت این منابع و نیز توافقهای جهانی در جهت کاهش گاز کربندیاکسید، استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر افزایش یافته است. بنابراین امروزه کشورهای زیادی ترجیح میدهند که انرژی الکتریکی را از منابع تجدیدپذیر تولید کنند .[1] توربینهای بادی مقیاس بزرگ، که روزبهروز کارآمدتر میشوند، بهطور گستردهای در مزارع بادی و بهصورت متصل به شبکه استفاده میشوند.
از طرف دیگر، به توربینهای بادی مقیاس کوچک نیز که برای تولید انرژی در مجاورت مصرفکننده - مناطق دور، نقاط خارج از شبکه، عالمتهای جادهها و غیره - طراحی شدهاند، نیاز است .[2] در این توربینها در هر سرعت باد، با تطبیق سرعت روتور، میتوان تغییرات سرعت باد را ردیابی کرد. بنابراین در هر سرعت باد، یک نقطة کار برای توربین وجود دارد که باالترین بازده توربین در آن نقطه حاصل میشود .[3] مطالعات انجامشده در جهت بهبود عملکرد و اطمینانپذیری توربینهای بادی سرعت متغیر نشان میدهند که رفتار این توربینها بهشدت از استراتژی کنترلی آنها تأثیر میپذیرد .[4]
توربینهای بادی سرعت متغیر با پیکرهبندیهای مختلف دارای سیستم کنترلی یکسانی هستند که شامل دو حلقهی کنترلی میشود که حلقهی کنترلی داخلی برای کنترل جریان و یا ولتاژ و حلقهی کنترلی خارجی برای کنترل سرعت و ارائة مقدار مرجع حلقهی داخلی استفاده میشوند. در [5] و [6] در هر حلقه از یک کنترلکنندهی PI - تناسبی-انتگرالی - برای کنترل متغیرها استفاده می-شود. از آنجا که سیستم توربین بادی یک سیستم متغیر با زمان و غیرخطی میباشد، بنابراین کنترل آن بهوسیلة کنترلگرهای ثابت، کار قابل قبولی نیست .[7] بنابراین برای غلبه بر این موضوع، محققان راهحلهایی را پیشنهاد کردهاند.
روش آشوب و مشاهده1 که در [8] ارائه شده است، بهدلیل سادگی و انعطاف-پذیری ذاتی، بهطور گستردهای مورد استفاده قرارمیگیرد. با این وجود، در این روش، عالوه بر تنظیم جهت آشوب و ردیابی در طول تغییرات باد، باید تنظیمی بین اندازه گام و سرعت ردیابی نیز صورت بگیرد. همچنین در [9] برای توربین-های بادی سرعت متغیر مقیاس کوچک با ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم2 که برای تغذیة بار DC استفاده میشوند، یک روش کنترلی ارائه شده است.
در این روش از شناساگر شبکة عصبی، برای تخمین سیگنال گشتاور مکانیکی بدون نیاز به مرحلهی آموزش خارج از خط استفاده شده است و همچنین یک کنترلگر پسگام برای ردیابی نقطة بیشینه توان - MPPT - 3 در سیستمی با حضور نامعینی مدل به کار گرفته شده است. پایداری مجانبی یکنواخت و خطای شناسایی سیستم کلی، با استفاده از روش لیاپانوف بررسی شده است. همچنین با توجه به وجود عدم قطعیت در سیستم توربین بادی، در [10] برای توربین-های بادی سرعت متغیر و کسب بیشینة توان از توربین در حضور عدم قطعیت در مدل توربین، کنترلگر مقاومی به همراه رؤیتگر ارائه شده است.
عالوه بر این در [11] با توجه به این نکته که برای بدست آوردن نقطة کار بهینه، به مشخصاتی از روتور نیاز است که در توربینهای مختلف، متفاوت است، کنترلگری برای توربینهای بادی پیشنهاد شده است که بدون دانستن مشخصات از پیش تعیینشدة سیستم، عمل میکند. در این روش یک فیلتر تطبیقی همراه با کنترلی بر مبنای منطق فازی برای توربینهای مقیاس کوچک ارائه شده است. اما با وجود تمام روشهای ممکن، هنوز هم در کاربردهای عملی، از کنترلگرهای تناسبی-انتگرالی و یا تناسبی-انتگرالی-مشتقی استفادهای فراوانی میشود. پیادهسازی عملی توربین بادی ذکر شده در مقاله نیز در آزمایشگاه توسط کنترلگر PI انجام شده است.
سیستم مورد مطالعه در این تحقیق، توربین بادی یک کیلووات محور افقی است که اجزای آن شامل ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم، یکسوساز، مبدل باک و بانک باتری و نیز بار 1.5 اهمی میباشد. کنترلگر تناسبی-انتگرالی PI هنوز هم در کاربردهای عملی کنترل توربینهای بادی، از جمله بهترین کنترلگرهای مورد استفاده محسوب میشود. اما بسیاری از اجزای سیستم مانند مقاومت و خازن، با گذشت زمان دچار تغییراتی میشوند که این تغییرات نیز باید در طراحی کنترلگر لحاظ شود. بنابراین نیاز است کنترلگر PI طوری طراحی شود که در هر لحظه، ضرایب کنترلی متناسب با سیستم جدید را در اختیار بگذارد.
بههمین منظور در این مقاله، ابتدا شناسایی پارامترهای سیستم بهصورت برخط انجام میشود و سپس تنظیم پارامترهای کنترلگر انجام میشود. بنابراین در این تحقیق، با توجه به ماهیت متغیر با زمان توربین بادی، از یک کنترلگر PI تطبیقی برای تنظیم سرعت روتور - حلقهی خارجی - استفاده شده است که البته تنظیم سرعت روتور، از طریق تنظیم ولتاژ لینک dc - ولتاژ ورودی مبدل باک - انجام میشود. مقدار مرجع این ولتاژ با استفاده از توان الکتریکی خروجی و استفاده از یک جدول مراجعهای، در هر گام به سیستم داده میشود؛ به این صورت که در هر لحظه، توان الکتریکی خروجی اندازهگیری شده و مقدار ولتاژ لینک dc مرجع متناظر با آن، از جدول استخراج شده و بهعنوان مقدار مرجع در اختیار کنترلکننده قرار میگیرد.
با تنظیم ولتاژ لینک dc، ردیابی نقطة بیشینهتوان صورت میگیرد. همچنین با توجه به ماهیت متغیر با زمان توربین بادی، از کنترلگر تناسبی-انتگرالی - PI - تطبیقی، استفاده شده است. ساختار مقاله به این صورت است: در بخش دوم مفهوم ردیابی نقطة بیشینه توان و نیز روش شناسایی مورد استفاده توضیح داده شده است.، بخش سه شامل بیان مسئله و طراحی کنترلگر میشود و نتایج شبیهسازی نیز در بخش چهار ارائه شده است. همچنین بخش نتیجهگیری از مقاله نیز در انتها، در بخش 5، آورده شده است.
تبیین مفاهیم
قبل از طراحی کنترلگر، ضروری است که ابتدا مفهوم ردیابی نقطة بیشینه توان توضیح داده شود و همچنین روش شناسایی مورد نظر، تبیین شود. در زیر، این مفاهیم به تفصیل توضیح داده شدهاند.
2-1 مفهوم ردیابی نقطة بیشینه توان
انرژی موجود در باد را میتوان با عبور آن از داخل پرههایش و سپس انتقال گشتاور پرهها به روتور یک ژنراتور استخراج کرد. در این حالت میزان توان تبدیلی به تراکم باد، مساحت ناحیة جاروب شده توسط پره و مکعب سرعت باد بستگی دارد. در این رابطه چگالی هوا بر حسب وات، V سرعت باد بر حسب متر بر ثانیه، A سطح جاروب پرهها بر حسب متر مربع و ضریب توان توربین بادی است. که در این رابطه، R شعاع پره بر حسب متر و سرعت زاویهای روتور در واحد رادیان بر ثانیه هستند. بیشینة مقدار تنها در یک مقدار بهدست میآید.
بنابراین بیشینة مقدار اگر سرعت زاویهای روتور، ثابت باشد، تنها برای یک مقدار از سرعت باد بدست میآید. به همین خاطر است که از ایدة سرعت متغیر استفاده میکنیم تا بهازای تغییرات سرعت باد، با حرکت بر روی منحنیها مقدار ضریب توان را در بیشینهی مقدار آن نگاه داریم و بدین ترتیب کارآیی توربین بادی افزایش مییابد. شکل 1 توان مکانیکی تولیدی توربین بادی را بهصورت تابعی از سرعت روتور در سرعتهای مختلف باد نشان میدهد که در این شکل، سرعت باد است. برای یک سرعت باد مشخص، توان مکانیکی، تنها در یک سرعت روتور بیشینه است که بهازای آن پارامتر در مقدار بهینهی آن تنظیم میشود.
بنابراین بهمنظور ردیابی نقطة بیشینه توان، باید در هر سرعت باد، مقدار سرعت روتور را به مقدار مرجع آن رساند. با توجه به این که رابطهی سرعت روتور و ولتاژ لینک dc، رابطهای خطی است، بنابراین میتوانیم بهجای این که سرعت روتور را به مقدار مرجع آن برسانیم، ولتاژ لینک dc را به مقدار مرجعش برسانیم و بنابراین نیاز به استفاده از حسگر سرعت نیز نداشته باشیم.
از طرفی، محدودهی کاری توربین بادی به 4 ناحیه تقسیم میشود که در ناحیه-ی کاری دوم، سرعت باد بین دو سرعت وصل و نامی قرار دارد و هدف اصلی کنترلی در این ناحیه دستیابی به توان ماکزیمم میباشد. طبق روابط حاکم بر سیستم، در هر سرعت مشخص باد، یک مقدار بهینه برای سرعت روتور وجود دارد که توربین در آن سرعت، با توان ماکزیمم کار میکند. بنابراین به دنبال به دست آوردن این سرعت روتور بهینه، بهمنظور دستیابی به توان بهینه هستیم. با توجه به آنچه گفته شد، هدف کنترلی در ناحیهی دوم، دستیابی به توان ماکزیمم با تغییر سرعت روتور است؛ در حالی که زاویهی چرخشی پرهها در مقدار بهینهی خود ثابت شده است.
2-2 شناسایی به روش حداقل مربعات بازگشتی
در روش حداقل مربعات بازگشتی - RLS - 5، مجموع مربعات خطا بین خروجی پروسه و مدل چنان حداقل میشود که تخمین پارامترهای مدل، تا حد ممکن، به مقادیر واقعی نزدیک باشد. الزم به ذکر است در این تحقیق، تخمین پارامترها در فضای گسسته صورت میگیرد.
