بخشی از مقاله
چکیده :
همراه با رشد و پیشرفتهاي صنعتی در جوامع، نیاز به انرژي افزایش یافته است. روشهاي مختلفی جهت تولید الکتریسیته از منابع تجدیدپذیر که به محیط زیست نیز آسیب نمیرسانند وجود دارد که یکی از آنها توربین بادي است.
بخصوص در کشورمان که در بسیاري از مناطق به طور بالقوه امکان استفاده از این انرژي وجود دارد، مطالعات زیادي پیرامون این موضوع انجام گشته است. در تحقیقات مختلف نشان داده شده که میزان انرژي دریافتی از یک سیستم بادي و کیفیت آن، علاوه بر مشخصات اقلیمی منطقه، به استراتژي کنترل نیز مربوط می شود. کنترلر زاویه گام براي تنظیم توان خروجی در سرعت فراتر از سرعت نامی طراحی میشود.
در این مقاله به منظور کاهش بالازدگی در سیگنال سرعت چرخش روتور و حفظ پایداري سیستم، بر اساس سیگنال سرعت چرخش روتور و تغییرات آن و همچنین یک جدول تنظیم ضرایب، اقدام به یک طراحی جدید جهت کنترل زاویه گام شده است. سپس پایداري و عملکرد چنین روشی طی شبیهسازي در نرم افزار MATLAB بررسی گشته است.
1. مقدمه
انرژيهاي تجدیدپذیر روز به روز سهم بیشتري در سیستم تأمین انرژي داشتهاند بطوریکه تا انتهاي سال 2010 انرژيهاي تجدیدپذیر 3,8 درصد در تولید الکتریسیته جهان سهم داشته اند و هماکنون انرژيهاي تجدیدپذیر بیش از 19 درصد از انرژي اولیه جهان را تأمین مینمایند و این ظرفیت سالانه چیزي حدود 30درصد افزایش نشان میدهد.[1]در این میان انرژي بادي سهم عمدهاي میان منابع تجدیدپذیر تولید انرژي دارد. نقطه ضعف اصلی این منبع انرژي نامنظم بودن وقوع باد است. توربین بادي در سرعت ثابت یا متغیر ژنراتور عمل میکند.
توربینهاي سرعت ثابت ژنراتور اغلب در مراحل ابتدایی توسعه انرژي بادي به کار رفتهاند. اساسا توربینهاي سرعت متغیر براي تعقیب تغییرات سرعت باد، جهت حداکثر کردن کارایی طراحی میشوند. در سالهاي اخیر به خاطر رشد الکترونیک قدرت و کاهش هزینههاي آن اکثر تولیدکنندگان عمده توربین بادي، در حال ساخت توربینهاي مگاواتی با ژنراتور سرعت متغیر، همراه با کنترل زاویه گام با یکی از تکنولوژيهاي نحقب یا نعًخ هستند. گروه نحقبیا ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم، به دلیل اندازه کوچکتر، توان تولیدي بیشتر و اتلاف کمتر نسبت به گروهنعًخ، و نیز همراه با پیشرفت تکنولوژي الکترونیک قدرت در حال افزایش سهم خود در بازار هستند.
دیگر مزایاي این دسته از توربینهاي بادي شامل ساختار بدون چرخ دنده، حذف سیستم تحریک هخ، کنترل پذیري کامل سیستم در استخراج حداکثر توان و ارتباط با شبکه است .[2]کنترل زاویه گام بیشتر با هدف حفظ پایداري سیستم و پرهیز ازتکرّر خاموش شدن هاي ضروري بهکار میرود.روشهاي مختلفی براي کنترل زاویه گام توربین ارائه شده است که از سادهترین و قدیمیترین روشها میتوان به روش پسگام1 و روش پیشخور اشاره نمود. این روشها که در دهه 1990 ارائه شده اند، اثر تغییر پارامترها را در طراحی در نظر نمیگیرند. سپس روشس هاي کلاسیک کنترل عب مطرح گشتند که معمولاً به مدل دقیق ریاضی نیازمند بودند
سپس کنترلر پیشبین معمولاً مستقل از نوع ژنراتور توانستند توان خروجی را همسطحسازي2 کنند .[4] روشهاي فازي و هوشمند نیزمعمولاً بدون داشتن مدل دقیقی از سیستم و با نظر کارشناس، توانستهاند که کنترل زاویه گام را انجام دهند، اما در این روشها تغییرات زاویه گام کند است و مقداري اتلاف توان داریم.[5] کنترلر مقاوم یا رباست نیز درمقابله با عدم قطعیتها پاسخ خوبی میدهد اما نیاز به اندازهگیري دقیق سرعت باد وجود دارد که پرهزینه است .[6] روشهاي تطبیقی نیز با دریافت بیشتر اطلاعات آیرودینامیکی پره، توانستهاند پاسخدهی مناسبی به عدم قطعیتها از خود نشان دهند
در این مقاله براي یک توربین بادي 2,5 کیلوواتی، روشی نوین جهت کنترل زاویه گام ارائه شده است، بر این اساس که علاوه بر استفاده از یک کنترلر عب در حلقه سرعت ژنراتور، از سیگنال تغییرات سرعت و یک جدول تنظیم بهره که به صورت تجربی و طی شبیهسازيهاي متعدد تنظیم گشته، استفاده میشود تا بدین ترتیب از عملکرد مطلوب توربین در سرعتس هاي باد بالا و یا تغییرات سریع سرعت باد اطمینان حاصل شود.
R،شعاعپرههایتوربینبرحسبمتر - m - وω،سرعتدورانیروتوربرحسبRad/sاست.سرعتبادنیز برحسبm/s می باشد. بر این اساس رابطه ي نهایی توان آیرودینامیکی مطابق رابطه - 4 - خواهد بود که چنانچه مشخص است به شرایط جوي نظیر سرعت باد و چگالی هوا، مشخصه هاي ساخت پرهها و ضریب توان بستگی دارد.
منحنی ضریب توان در هر توربین بادي مطابق تستهاي آیرودینامیکی آن به صورت تابعی با 2 ورودي و یک خروجی بدست میآید که نمونهاي از ترسیمهاي منحنی ضریب توان در شکل - 1 - آورده شده است. این اطلاعات معمولا درمورد هر توربین بادي به طور دقیق در جدولهایی موجود است و یا بصورت منحنی هایی نظیر شکل 1 نمایش داده میشود. از آنجا که توان توربین متناسب با ضریب توان یا β λ است، به صورت ایده آل، توربین بایستی در پیک سطح مشخص شده کار کند. زاویه گام پرهها یک متغییر, قابل کنترل است، به همین ترتیب نسبت سرعتنیز به صورت غیرمستقیم و توسط کنترل گشتاور ژنراتور کنترل میشود.منحنی ممکن است در اثر یخزدگی یا فرسودگی پرهها دستخوش تغییر بشود.
