بخشی از مقاله
چکیده
در این پایان نامه به طراحی یک میکروتوربین بادي - میکروتوربین هاي بادي به دسته اي از توربین هاي بادي اطلاق می شود که معمولاً در اندازه هاي کوچکتر با توان هاي کمتر از10کیلووات ساخته میشوند و طبیعتاً در کاربردهاي غیر نیروگاهی مورد استفاده قرار میگیرند - ، با هدف ردیابی حداکثر توان می پردازیم که با توجه به مزیت هاي ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم - PMSG - ، از جمله حجم و وزن کم، بازدهی بالا و حذف جعبه دنده، از این نوع ژنراتور در ساختار میکروتوربین مورد نظر استفاده می کنیم.
براي تحلیل و طراحی سیستم پیشنهادي، مدل دینامیکی ساده شده اي ارائه و با استفاده از آن، سیستم کنترل مناسب ساختار میکروتوربین- ژنراتور در جهت استحصال حداکثر توان اکتیو طراحی گردیده است.مدل سازي دقیق دینامیکی و شبیه سازي ها با استفاده از نرم افزار MATLAB / Simulink انجام شده و سپس عملکرد سیستم کنترل پیشنهادي مورد بررسی قرار گرفته که نتایج این بررسی توانایی کنترل کننده در ردیابی نقطه حداکثر توان - MPPT - ، و پس زنی اعوجاج را به خوبی نشان می دهد. در نهایت پس از جمع بندي پژوهش انجام شده، پیشنهاداتی براي ادامه کار به صورت عملی و تست روش پیشنهادي بیان گردیده است.
مقدمه
هدف اصلی، طراحی یک توربین بادي کوچک با توان کمتر از یک کیلو وات می باشد که براي تأمین برق مورد نیاز در موارد متعددي از قبیل، خانه هاي کوچک در مناطق دور از دسترسی به شبکهي برق سراسري، قایق ها و کشتی هاي تفریحی کوچک، اتوبوس هاي مسافربري، ایستگاه هاي مخابراتی و رادیویی، فانوس هاي دریایی و ..... به کار می رودطبیعتاً. در این طراحی پارامترها و مشخصات فنی متعددي مد نظر می باشد که نیل به هدف اصلی طراحی در گرو برآورده کردن این ویژگی هاست.
اولین خواسته ي مطلوب، طراحی میکرو توربینی است که همواره با هر سرعت بادي، ماکزیمم توان اکتیو را تولید کند و البته این توان خروجی داراي فرکانس مناسب و فارغ از هر گونه نویز و نوسان شدید و قابل ملاحظه باشد.به عبارت دیگر اگر بخواهیم راجع به کمیت هاي این طراحی صحبت کنیم، هدف طراحی سیستمی است که در ازاي دریافت بادهایی با سرعت هاي متفاوت و متغیر در هر لحظهکه - داراي نوسان هاي نسبتاً شدیدي هستند و میانگین سرعت آنها در محدودهي مشخصی مانند ≤ 20m/s 5 m/s ≤ Ws می باشد - به عنوان ورودي هاي سیستم ، جریان هاي برقی با توان هاي اکتیو فرکانس بالا را - که در محدوده ي مشخصی از قدرت نامی مانند 100 watt 1000watt قرار دارند - به عنوان خروجی هاي سیستم تحویل دهد.
در این راستا براي شبیه سازي سیستم مورد نظر و بخش هاي مختلف آن از نرم افزار MATLAB / Simulink استفاده خواهیم برد و براي یافتن مقادیر و ثابت هاي المان هاي مختلف سیستم مذکور، پس از استفاده از دیتاشیت ها و اطلاعات موجود دیگر سیستم هاي مشابه، به بررسی تجربی آنها تا رسیدن به مطلوب ترین مقدار ممکن ادامه می دهیم.در نهایت پس از شبیه سازي کامل سیستم مورد نظر در نرم افزار MATLAB به بررسی عملکرد سیستم و میزان موفقیت آن در برآورده کردن اهداف اولیه می پردازیم.
سیستم کنترل پیشنهادي
طبیعتاً در هر سیستمی که رسیدن به هدف خاصی مد نظر باشد، نیاز به یک سیستم کنترلی اجتناب ناپذیر است.در اینجا نیز با توجه به اهداف بیان شده در مورد میکرو توربین مذکور، به یک سیستم کنترل کننده نیاز داریم تا با لحاظ کردن شرایط اولیه سیستم اصلی و ورودي ها، خروجی مطلوب را ارائه کند. در شکل - - 1 بلوك دیاگرام سیستم اصلی شبیه سازي شده با نرم افزار MATLAB / Simulink را مشاهده می کنیم.
شکل -1 بلوك دیاگرام میکروتوربین بادي
همانطور که در شکل فوق می بینیم براي شبیه سازي باد از ترکیب یک مقدار ثابت - به عنوان دامنهي سرعت باد - و یک تولید کنندهي نویز با پهناي باند محدود استفاده کرده ایم که سیگنال حاصله به عنوان ورودي سیستم، به بلوك اصلی سیستم ژنراتور بادي وارد می شود و در خروجی بلوك اصلی سیستم نیز سیگنال هاي - A-B-Cw به عنوان خروجی هاي برق سه فاز - ،G - به عنوان سرعت چرخش روتور ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم به عنوان گشتاور مکانیکی اعمال شده به ژنراتور - ، T - به عنوان گشتاور الکترونیکی - و - wبه عنوان توان اکتیو ژنراتور - قرار دارند.
در شکل - - 2 بلوك دیاگرام اجزاي تشکیل دهندهي بلوك اصلی سیستم ژنراتور بادي را مشاهده میکنیم، که ماژول توربین بادي، بلوك سیستم کنترل کنندهي اصلی، ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم - - PMSG، کنترلر زاویه شیب، فیلتر پایین گذر حذف کنندهي هارمونیک هاي فرعی گشتاور مکانیکی، دستگاههاي اندازه گیري جریان و ولتاژ، بلوك هاي ضرب و تقسیم، گین هاي عددي و سیگنال هاي ارتباطی بین بلوك ها، اجزاي اصلی آن را تشکیل می دهند. در ادامه به توضیح قسمت هاي اصلی می پردازیم.
شکل -2 بلوك دیاگرام اجزاي تشکیل دهنده سیستم ژنراتور بادي
همانطور که در شکل - - 2 می بینیم ماژول توربین بادي داراي سه ورودي به نام هاي Generator speed - که همان مقدار پریونیت سرعت مرجع روتور ژنراتور است - ، Pitch angle - که زاویهي بهینه تیغه هاي توربین بادي بر حسب درجه است و در اینجا به طور پیش فرض همواره برابر صفر در نظر گرفته شده است چرا که مبناي سیستم کنترل اصلی، کنترل بر اساس گشتاور مرجع و سرعت مرجع می باشد - و Wind speed - که همان سرعت باد شبیه سازي شده است - می باشد و تنها خروجی آن نیز Tsh است که همان مقدار پریونیت گشتاور اعمال شده به شفت توربین بادي است.
در حالت عادي باید گشتاور خروجی شفت توربین بادي را به عنوان ورودي به ژنراتور سنکرون متصل کنیم تا با وزش باد و حرکت توربین بادي، نیروي اعمال شده به شفت توربین به ژنراتور سنکرون منتقل شده و باعث حرکت روتور و نهایتاً تولید برق گردد، اما مشکل اصلی که بوجود می آید تغییر سرعت باد اعمال شده به پره هاي توربین بادي است.
