بخشی از مقاله
چکیده -
از جمله انرژیهای پاکی که در کشورمان زمینه تولید آن وجود دارد، انرژی بادی است. با وجود تلاشهای بسیار کشورمان در زمینه ساخت توربینهای بادی، به دلیل تحریمهای به وجود آمده و انحصار فناوری، پیشرفتهای زیادی در زمینه سامانه کنترلی این توربینها صورت نگرفته است. با توجه به نیاز صنعت، کاربرد توربینهای بادی در پژوهشهای صنعتی و دانشگاهی به سرعت در حال گسترش است.
از اینرو مدلسازی و کنترل این سیستمها مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است و بعنوان یک موضوع مناسب میبایست پژوهشهای دقیقتر در این زمینه صورت گیرد. در این مقاله ابتدا مروری بر پیشینه تحقیق محققان در زمینه کنترل توربین های بادی و روش حل و همچنین سیستمهای کنترلی به خصوص برای طراحی کنترل پیش بین بیان گردیده است. و پس از آن مدل سازی دینامیکی توربین بادی و نحوه اصول و مفاهیم اصلی کنترل پیش بین مبتنی بر مدل شرح داده شده است.
سپس نتایج حاصل از شبیه سازی های صورت پذیرفته ارائه گردیده است. نتایج حاصل از شبیه سازی حاکی از عملکرد موثر روش ارائه شده است. لازم به ذکر است که برای حل بخش بهینه سازی چنین مسئله ای دقت جواب، سرعت همگرا شدن و نیز اطمینان از سراسری بودن جواب و عدم گیرافتادن در بهینه محلی بسیار مهم است. در نتیجه انتخاب نوع الگوریتم بهینه سازی حائز اهمیت ا ست.
راهکار پیشنهادی ا ستفاده از ترکیب یک الگوریتم جستجوی سرا سری با یک الگوریتم بهینه ساز گرادیانی برای حل م سئله NLP میباشد. بدین صورت که ابتدا با استفاده از یک الگوریتم جستجوی سراسری محدوده جواب بهینه سراسری بدست آورده شود، سپس با استفاده از این جواب به عنوان نقطه شروع الگوریتم گرادیانی، دقت جواب افزایش داده شود. در این شیوه تا حدی اطمینان از سرا سری بودن جواب حاصل می شود، ولی مشکل سرعت به دلیل استفاده از الگوریتم تکاملی باقی میماند.
-1 مقدمه
بیش از 2000 سال است که انرژی بادی به عنوان یکی از انرژیهای نو مورد ا ستفاده ب شر قرار گرفته ا ست. اولین ا ستفاده کاربردی از انرژی باد توسط ایرانیان و به منظور آسیاب کردن غلات و تبدیل آن به آرد انجام شد. این وسیله که به عنوان "آسیاب بادی" شناخته میگردد، با چرخش پروانه توسط باد، چرخهای آسیاب را به وسیله قرقرهها و تسمههای متصل به آن به گردش در میآورد. استفاده از آسیابهای بادی در سالهای 1900 دچار تغییر و تحول شده و برای ک شیدن آب از زیر زمین مورد استفاده قرار میگیرند که این امر تا به امروز نیز کاربرد دارند.
از زمانهای نخ ستین ب شر با ساخت اولین آ سیاب بادی که قدمت آن به سال ش شم میلادی باز میگردد نیروی باد را تحت کنترل خود درآورده است. استفاده از انرژی باد با مرور زمان از تنوع بیشتری برخوردار شده است که از جمله آنها میتوان به کشیدن آب از چاه، آسیاب کردن غلات و تامین نیروی برق کارخانجات چوب بری و الوار سازی ا شاره نمود. بیش از 10000 آ سیاب آبی تنها در اوا سط قرن نوزدهم در انگل ستان کار میکرد. در اواخر 1930 امریکائی ها طراحی یک توربین بادی در سایز مگاوات را شروع کردند که نتیجه آن توربینبادی اسمیت-آتنام 1,25 - مگاوات - بود . در سال 1941 بزرگترین توربین ساخته شده تا آن زمان بود و این مکان را برای 40 سال حفظ کرد
شکل 1 توربین بادی اسمیت-آتنام
رشد روز افزون استفاده از انرژی باد در طی سالهای 1980 با ا ضافه شدن ژنراتورهای الکتریکی شدت پیدا کرد. علاوه براین با پیدایش بحران نفت در سال1970 انگیزه تجاری سازی و استفاده از انرژی باد افزایش یافت به نحوی که توجه بشر را به تولید نیروی برق مداوم و ایمن معطوف ساخت. این مسئله منجر به رشد سریع انرژی باد در برابر دیگر انرژیها گردید
با توجه به روند رو به افزایش استفاده از انرژیهای تجدید پذیر در ایران و به خصوص وجود منابع قابل توجه انرژی باد در کشور در سواحل جنوبی، استان های غربی و شمالی و سیستان و بلوچ ستان، لزوم برر سی و طراحی کنترلر های منا سب در جهت استفاده هرچه بهتر از از توربینهای بادی را لازم میدارد.
در توربینهای بادی انرژی باد تو سط پرهها جذب شده و به طور م ستقیم و یا توسط گیربکس به ژنراتور منتقل می شود و در اغلب موارد انرژی تولید شده به شبکه توزیع برق تزریق می شود. میزان جذب انرژی در توربینهای بادیشدیداً تحت تاثیر سرعت باد، سرعت دوران توربین و ماهیت دینامیکی پرهها قرار دارد، لذا با توجه به هزینههای بالای طراحی، ساخت و نصب توربینهای بادی، بهبود کیفیت توان تولیدی و جذب حداکثر توان ممکن از باد، امری ضروری است
در این راستا در پیادهسازی توربینهای بادی، با توجه به غیرقابل کنترل بودن سرعت باد، تغییرات زاویه گام پره و سرعت دوران توربین باید به نحوی کنترل شوند که در گستره تغییرات سرعت باد، در محدوده سرعت شروع به کار توربین تا سرعت نامی نقطه کار توربین به حالت ایدهال نزدیک شده و بیشترین توان ممکن از باد جذب شود
از کنترلرهای PID میتوان جهت ردیابی توان موثر استفاده نمود. طراحی این کنترلر متناسب با ورودیهای سیستم و توپولوژی شبکه صورت میگیرد و کارائی آنها با نوسانات ورودی های کنترلر کاهش می یا بد. لذا در طراحی های جد ید تمایل زیادی به جایگزینی این کنترلرها با کنترلرهای مقاوم وجود دارد. یکی از این کنترل کنندهها، کنترلرهای فازی است. ج هت است فاده از این کنترلر ن یازی به اطلاع دقیق از مدل دینامیکی سیستم نیست و همچنین در بسیاری از موارد کنترلی، پاسخ بهتری نسبت به کنترلهای خطی دارد.
کنترل فازی روشی ساده و موثر برای کنترل توربینهای بادی ا ست. امروزه برخی از کنترل کنندههایPID با ا ستفاده از منطق فازی، برای اهداف کنترلی طراحی و شبیه سازی شده است. کنترل کنندههای فازی بهتر از کنترل کننده های کلاسیک می باشند زیرا آنها می توانند طیف گسترده از شرایط عملیاتی را پوشش دهند و همچنین می توانند در شرایط نویزی و اختلال کار کنند. اکثر راه حل های کنترل خطی و غیر خطی در طی سه دهه گذ شته بر پایه مدل های دقیق ریا ضی می با شند. اکثر این سی ستم ها به سختی و یا حتی غیر ممکن ا ست تو سط روابط ریا ضی قدیمی تو صیف شوند. از اینرو این طرح ممکن ا ست راه حل های رضایت بخشی را فراهم نکند
کنترل مدل پیش بین، یکی از زمی نه های مفتوح و رو به پیشرفت در زمینه کنترل به شمار میآید و مورد توجه بسیاری از محققین در سرتا سر دنیا قرار گرفته ا ست. در صورت تحقق حل یک مسئله بهینه سازی برخط، تحول شگرفی در بسیاری از علوم مهند سی رخ خواهد داد و بخش عمده ای از الگوریتم ها، روشها و علوم پی شین د ستخوش تغییرات ا سا سی خواهد شد. مثلاً اگر بتوان مقادیر کنترلرهای مطلوب بر مبنای کنترل بهینه برخط را بد ست آورد، دیگر نیازی به ا ستفاده از قوانین کلا سیک کنترلی نخواهد بود و در نتیجه دانش کنترل بهینه به طور چشگیری متحول خواهد شد. لازم به ذکر است که منظور از کنترل مدل پیشبین در این پژوهش، تعیین حا لت های بهی نه یک توربین بادی با سیستم دینامیکی غیرخطی مقید میباشد
به منظور آشکار سازی اهمیت طراحی و پیاده سازی کنترلر برای توربین بادی در ادامه به بیان مختصری از مقالات و پژوهش های انجام شده بر روی توربین بادی که در سالیان اخیر انجام گرفته، پرداخته شده است.
در مرجع [10] جناب انگلس و همکارانش، از الگوریتم IPC به منظور کاهش نیروهای وارده به سیستم در اثر وزش باد آشفته، بهره بردهاند. در این روش با استفاده از کنترلر مربعات خطی گاو سین LQG که بر پایه مدلی م ستقل از زمان ا ست، مودهای تیغهها و پایههای توربین بادی در مرجعی ثابت تعریف میشوند. برتری روش فوق الذکر در مقایسه با روش IPC، لحاظ نمودن وضعیت دینامیکی سیستم است.
لازم به ذکر است که در جریان آشفته بر روی پرههای توربین، شرایط دی نامیکی اهم یت ز یادی دارد. ب نابراین روش LQG نسبت به روش IPC در شرایط آشفتگی جریان عملکرد موثرتری خوا هد داشت. همچنین اثرات این کنترلر در بهبود عمکرد خستگی و خمش بررسی شده و با روش IPC مقایسه گردیده است
در پژوهش صورت گرفته توسط جناب دانیونگ و همکارانش در مرجع [12]، با روش تطبیقی پیچش توربین بادی و میزان نیروی وارد بر آن را تقلیل یافته است. در این روش بدون توجه به سرعت بادی که وزیده میشود، سرعت ژنراتور با کمک کنترلر دارای فیدبک که طراحی شده و با توجه به مرجع و اخت شا شات متغیر با زمان تنظیم میشود. همچنین در پژوهش مذکور روش بیان شده با روش مرسوم تنظیم زمانبندی شده بهره در PI مقای سه شده و م شخص گردیده که روش ا ستفاده شده عملکرد بهتری داشته است. همچنین میتوان با توجه به نرم افزار FAST و روش آ نالیزی LQR با آزمون و خ طا به مدلی با عمکردی مناسب دست یافت.
-2 مدلسازی
هدف از مدل سازی، ارائه یک مدل ریا ضی جامع با ا ستفاده از معادلات حاکم بر فرآیندهای درون سیستم است تا با کمک آن بتوان فناوریهای نوین در زمینه تبدیل انرژی باد به الکتریکی را مدلسازی کرد. با توجه به اجزای نامبرده و فرآیندهای صورت گرفته، مدلسازی توربین بادی در سه قسمت آیرودینامیک، مکانیک و الکتریکی صورت میگیرد.
در این پروژه دینامیک توربین از نوع غیرخطی در نظر گرفته خواهد شد. هدف اصلی طراحی یک کنترلر پیش بین برای توربین بوده به نحوی که متناسب با سرعت باد موجود بهترین فرمان را صادر نماید. همانگونه که در شکل 2 ن شان شده ا ست، هدف می تواند مطابق با چهار منطقه بادی تقسیم بندی شود.
شکل 2 نواحی کنترلی برای یک کنترلر توربین
تنها منطقه ی بالا برای این پروژه در نظر گرفته شده ا ست. در منطقه ی بالا، قدرت باد قابل د سترس، از محدودیتی که برای ژنراتور و توربین های مکانیکی طراحی شده است، پیشی می گیرد. در واقع، به منظور جلوگیری از وقوع شکست پره ها یا آسیب، بایستی یک حد بالایی برای سرعت و توان خروجی در نظر گرفت تا از افزایش سرعت جلوگیری به عمل آید.
