مقاله طراحی کنترل کننده جهت تنظیم زاویه پره توربین بادی سرعت متغیر

بخشی از مقاله

چکیده

کنترل تطبیقی اختلال - Disturbance Accommodation Control - DAC برای مدلسازی و شبیه سازی یک سیستم با شکل موج اختلال فرضی در نظر گرفته شده است..در این مقاله یک طرح کنترل برای کاهش اثر اختلالات با استفاده از کنترل زاویه پره برای سرعت باد زیاد برای یک توربین سرعت باد متغیر ارائه شده است.

برای بدست آوردن گین فیدبک حالت کامل از کنترلر - Linear Quadratic Regulator - LQR استفاده شده و گین اختلال به صورت مستقل محاسبه می شود و برای بدست آوردن گین تخمینگر از روش جایابی قطب در مدل سیستم تکمیل شده DAC استفاده شده است.از مدل دو بعدی و غیرخطی یک توربین بادی 5MW در اینجا استفاده شده است.شبیه سازی برای کنترلر بهینه فازی با کنترلر PI مقایسه شده است.

نتایج مربوط به سرعت ژنراتور, سرعت روتور و زاویه پره توربین برای کنترلر پیشنهادی نشان داده شده است.نتایج , برتری قابل توجه کنترل کننده پیشنهادی را نسبت به کنترل کننده های دیگر نشان داده است.نتایج به دست آمده با کنترل کننده PI برای باد ثابت و همچنین برای باد متغیر مقایسه شده است.روش DAC سبب تنظیم بهتر در قدرت خروجی و فرسودگی کمتر پره ها می شود.کنترل کننده پیشنهادی تست شده بر روی توربین بادی, استحکام و ثبات بهتر را در مقایسه با PI نشان می دهد.

-1 مقدمه

انرژی باد در حال تبدیل شدن به یک منبع انرژی بسیار مناسب برای جهان آینده می باشد. انرژی باد آلودگی ایجاد نمیکند و جزوء انرژیهای تجدید پذیر میباشد و هزینه این انرژی به مراتب کمتر از هزینه الکتریسیته تولید شده توسط زغال سنگ و شکافت هستهای می باشد . منظور از توان بادی تبدیل انرژی باد به نوع سودمندی از انرژی مانند انرژی الکتریکی توسط توربینهای بادی است. جهت چرخش و سرعت توربینهای بادی را میتوان تنظیم کرد.

انرژی باد یک منبع غیرقابل پیشبینی است که اگر کنترل وجود نداشته باشد میتواند باعث مشکل در اجزای توربین شود..از جمله بخش های پر اهمیت در توربین بادی بخش کنترل سیستم می باشد.اصلی ترین مشکلاتی که در بهره برداری از توربین های بادی مطرح می شود کنترل آنها می باشد.توربین های بادی به دو صورت سرعت ثابت و سرعت متغیر هستند.معیار برتری سیستم های سرعت متغیر میزان استخراج انرژی از توربین بادی است.طرح های کنترلی مختلفی برای تنظیم توربین در حضور باد متغیر ارائه شده است.توربین بادی یک سیستم غیر خطی است و قدرت خروجی آن متناسب با مکعب سرعت باد است.

ازجمله چالشهای مهمی که در بحث کنترل توربین بادی وجود دارد، در دسترس نبودن تمامی متغیرها برای اندازه گیری است که راه حل ارائه شده برای تخمین پارامترها استفاده از کنترلر های بهینه مانند lqr و lqg استDac .[1] یک روش کنترلی برای کاهش یا حذف اثر اختلالات از سیستم های خطی است .[3] کنترلر dac نیز برای کاهش بار[4] و برای ردیابی اختلالات سیستم [5] به کار برده شده است.

کنترل کلاسیک - PID - کنترلر مورد بحث در [6] است که برای تنظیم سرعت روتور وکاهش اثر اختلال باد مورد بحث قرار گرفته است و تکنیک های دیگر در [7] و [8] برای طراحی یک کنترل کننده به منظور کاهش بار روی اجزای مختلف توربین بادی مورد استفاده قرار گرفته است. در[9] و [10] از کنترلر PID برای عملکرد بهتر و کاهش لرزش تولید شده در طی عملیات استفاده شده است.کنترلرخطی درجه دوم گوسی - LQG - یک تکنیک کنترل بهینه برای به حداقل رساندن شاخص درجه دوم با توجه به اهداف و ماهیت تصادفی سرعت باد است.

تکنیکهای LQG در [11] مورد بحث قرار گرفته و در توربین بادی با مباحث چند هدفه استفاده شده است.در این مقاله، طرح کنترل DAC به منظور کاهش اثر اختلال در سرعت باد بالا برای توربین بادی 5MW NREL طراحی شده است. نظریه کنترل بهینه برای طراحی گین فیدبک حالت به کار رفته است و گین فیدبک اختلال به طور مستقل طراحی شده است. ساختار این مقاله به شرح زیر است؛ بخش دوم مدل سازی توربین بادی، بخش سوم بحث تئوری کنترل و بخش چهارم که شامل شبیه سازی و بحث در مورد نتایج است.

-2 روش تحقیق

-1-2 مدل غیرخطی توربین بادی

توربین بادی یک سیستم پیچیده غیر خطی است.توربین بادی دارای سه زیر سیستم اصلی : آیرودینامیک، مکانیکی و ژنراتوراست.توان آئرودینامیکی که توسط باد، پرهها را میگرداند در معادله 1 نشان دادهشده است که کسری از کل توان باد است، که این کسر توسط ضریب توان - - Cp تعیین میشود و تابعی غیرخطی از زاویه پرهها و نسبت نوک سرعت پره - - R r /V است. شکل 1 نمودار تغییرات فاکتور توان را نسبت به زاویه یکسان پرهها و نسبت سرعت نوک پره نشان میدهد.

گشتاور آئرودینامیکی باعث چرخش روتور و چرخدنده متصل به آن میشود، بطوریکه معادلات این اجزا با استفاده از قانون دوم نیوتون بهصورت زیر به دست میآید که مبین زاویه گام پره است. در برخی از توربینهای بادی فقط از یک عملگر هیدرولیکی بهطور مشترک برای تمام پرهها استفاده میکنند. در برخی دیگر نیز از ترکیب عملگر اختصاصی و عملگر مشترک استفاده میشود. پارامتر ثابت زمانی است و براساس نسبت روغن به هوا در عملگرهای هیدرولیکی تعیین میشوند.

-2-2 مدل خطی شده توربین در فضای حالت

دینامیک خطی سازی شده توربین بادی حول نقطه کار بالای سرعت نامی باد در نظر گرفتهشده است. در این ناحیه فرض میشود ورودی گشتاور ثابت است. بنابراین در مدل خطی، ورودی کنترلی منحصر به عملگر پرهها خواهد بود.