بخشی از مقاله
چکیده- در این مقاله یک کنترل کننده با استفاده از تئوری مد لغزشی مرتبه دوم هموار برای سیستم توربین بادی طراحی گردیده است. کنترل مد لغزشی روشی مناسب برای سیستمهای غیرخطی نامعین میباشد. اما کاربرد این روش به دلیل رخ دادن پدیده چترینگ امکانپذیر نیست. روشهای مختلفی برای حذف چترینگ در این تئوری کنترلی پیشنهاد گردیده است. یکی از این روشها، ایده مد لغزشی مرتبه دوم میباشد. در این مقاله از این ایده استفاده شده و کنترل مد لغزشی مرتبه دوم برای توربین بادی طراحی گردیده است. برای این منظور ابتدا مدل سیستم استخراج شده و سپس کنترل کننده برای آن طراحی شده است. شبیهسازی کامپیوتری برای ارزیابی عملکرد کنترلکننده صورت گرفته است.
-1 مقدمه
از توربین بادی برای تولید برق استفاده میشود. عواملی که باعث شده تا امروزه تولید برق از انرژی باد از لحاظ اقتصادی قابل رقابت باشد موارد زیر است :[1]
- مشوقها و کمکهای دولتی
- رشد صنایع بادی
- پیشرفت ادوات الکترونیک قدرت
- روشهای کنترل جدید برای توربینهای سرعت متغیر در کنار مسایل اقتصادی، نیروگاههای بادی از نظر زیست محیطی نیز قابل رقابت با انواع نیروگاههای رایج هستند که از جمله میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- نیروگاههای بادی گاز CO2 و یا گازهای سمی دیگر تولید نمیکنند.
- عملکرد نیروگاههای بادی هیچ گونه پسماند و فاضلابی مانند نیروگاههای اتمی ایجاد نمیکنند.
- در مکانهایی که مزارع بادی قرار دارند میتوان به طور همزمان کارهای دیگر مانند کشاورزی را انجام داد. یکی دیگر از مزایای مهم اقتصادی انرژی باد این است که در آن هزینه سوخت وجود ندارد و از طرفی باعث صرفهجویی در ذخایر نفتی میشود. این مزیت چنان قابل توجه است که میتواند به سادگی افزایش سهم انرژی باد در تامین انرژی الکتریکی در بیشتر کشورهای دنیا را توجیه کند. تکنولوژی سیستم تبدیل انرژی بادی در دو دهه اخیر تغییرات زیادی پیدا کردهاست. توسعه و رشد انرژی بادی براساس سه هدف اصلی زیر آغاز شد:[2]
- بهدست آوردن انرژی ارزان قیمت با بازده بالا و قابلیت اطمینان بالا
- بهدست آوردن کیفیت توان بهتر و اتصال به شبکه بهتر
- مقبولیت عمومی - کاهش سر و صدا و اثرات زیست محیطی -
کنترل این سیستم در سالهای اخیر با استفاده از تئوریهای مختلف کنترلی انجام شدهاست. در مرجع [3] کنترل سیستم توربین بادی برای استحصال بیشترین توان قابل جذب در سرعتهای مختلف باد پرداخته شدهاست، که برای تعیین حداکثر توان قابل جذب از توربین بادی، یک روش جدید بدون نیاز به حسگر، با استفاده از شبکه عصبی و محاسبه بلادرنگ توان مرجع استفاده شدهاست که نتایج شبیهسازی بیانگر دقت مناسب تخمین مشخصات سرعت باد توسط شبکه عصبی میباشد.
در مرجع [4]، با استفاده از روش کنترل مد لغزشی به طراحی کنترل کننده توربین بادی پرداخته است که پاسخ سریع و مقاومت زیاد از مزیت طراحی این کنترلکننده میباشد. همچنین در مرجع [5] با استفاده از کنترلکننده مد لغزشی مرتبه دوم به طراحی توربین بادی سرعت متغیر متصل ژنراتور القایی دو خروجی پرداخته شدهاست که در آن زاویه پیچ ثابت در نظر گرفته شدهاست. الگوریتم ذکر شده در مقابله با تغییرات سرعت باد مقاومت خوبی از خود نشان داد و توسط الگوریتم فراپیچش موفق به حذف پدیده چترینگ از ورودی کنترلی شد.
کنترلکننده مد لغزشی مرتبه دو دیگری در مرجع [6] برای این سیستم ارائه شدهاست. در الگوریتم کنترلی مزبور، دسته خاصی از سیستمهای کنترل غیرخطی با بهره فرکانسی بالای هر چند ثابت، اما با علامت نامعین بررسی شدهاند. در این سیستم ها، بعد از طی زمان معین، علامت نامعینی شناسایی میگردد. در مرجع [7] برای استحصال حداکثر توان از باد سه روش مد لغزشی، مد لغزشی فازی و مد لغزشی مرتبه بالا مقایسه شدهاست، که در این بین مد لغزشی مرتبه بالا رفتار مناسبتری داشتهاست. در مرجع [8] مد لغزشی مرتبه دوم تطبیقی بدون اثبات همگرایی زمان محدود صورت گرفتهاست.
کنترل مد لغزشی یک روش مقاوم برای سیستمهای غیرخطی میباشد. بزرگترین نقص کاربردی این روش کنترلی، پدیدهی چترینگ - لرزش یا نوسانات ناخواسته - است که به دلیل وجود تابع علامت در کنترلکننده رخ میدهد . اثرات این پدیده بسیار نامطلوب بوده، چون باعث فعالیت نوسانی شدید در سیگنال کنترل شده و از آنجا که دارای یک رفتار فرکانس بالا میباشد، ممکن است دینامیکهای مدل نشدهی فرکانس بالا را نیز تحریک کند.
این معایب کارایی سیستم را کاهش داده و ممکن است به ناپایداری منجر شود. پس لازم است چترینگ هموار و یا حذف گردد [9]، [10] و .[11] یکی از روشهای پرکاربرد برای کاهش نوسانات ناخواسته، هموار کردن ناپیوستگی کنترل در یک لایهی مرزی باریک در همسایگی سطح لغزش، بوسیلهی تقریب پیوسته از کنترل مد لغزشی ناپیوسته میباشد .[7] استفاده از روش تقریب پیوسته اگرچه باعث تولید سیگنال کنترلی همواری شده، اما منجر به کاهش دقت کنترلی میشود. از دیگر روشهای پرکاربرد برای حذف نوسانات ناخواسته بدون کاهش دقت، استفاده از تئوری مد لغزشی مرتبه بالا میباشد. با استفاده از این روش، بدون کاهش دقت از رخ دادن نوسان در ورودی کنترل جلوگیری میشود.
در کل برای طراحی مد لغزشی مرتبه r به r-1 امین مشتق متغیر لغزش نیاز است [1]، .[7] بنابراین برای پیادهسازی مد لغزشی مرتبه دوم مشتق اول متغیر لغزش نیز مورد استفاده قرار میگیرد. اصول طراحی مد لغزشی مرتبه دوم در مراجع [2]، [3] و [12] ارائه شدهاست. برای طراحی و پیادهسازی مد لغزشی مرتبه بالا نیاز به مشتقات متغیر لغزش بوده که افزایش تقاضای اطلاعات را به همراه خواهد داشت. تنها استثنای موجود الگوریتم فراپیچش است که از تئوریهای مهم و کاربردی مد لغزشی مرتبه دوم میباشد. این الگوریتم تنها به خود متغیر لغزش برای تولید سیگنال کنترل نیاز دارد. اصول طراحی این روش کنترلی و انواع اصلاح شدهی آن در مراجع [4]، [13] و [14] ارائه شده است.
در مراجع [5] و [15] نیز از انواع اصلاح شدهی این الگوریتم برای طراحی قانون هدایت استفاده گردیدهاست. یکی از معایب این تئوری و اکثر الگوریتمهای مد لغزشی مرتبه بالا اثبات پایداری بدون در نظر گرفتن نامعینی میباشد. در مرجع [16] برای در نظر گرفتن نامعینی از رویتگر استفاده نموده و پایداری الگوریتم ارائه شده در آن با استفاده از تئوری سیستمهای همگن به اثبات رسیدهاست.
در مرجع [17] الگوریتم ارائه شده در مقابل نامعینیهای کوچک پایداری را تضمین میکند. پایداری این الگوریتم نیز با استفاده از روش لیاپانوف اثبات شدهاست. در این مقاله ابتدا الگوریتم مد لغزشی مرتبه دوم هموار برای کنترل سیستمهای غیرخطی نامعین معرفی میگردد. این الگوریتم تنها به متغیر لغزش نیاز داشته و به مشتقات بالاتر آن وابسته نیست. سپس از این الگوریتم برای طراحی کنترلکننده برای سیستم توربین بادی استفاده میگردد.
