بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهشیک روش کنترل مقاوم بر مبنای روش مُدلغزشی با درنظر گرفتن عدم شناخت دقیق مدل دینامیک و وجود اغتشاشات نامشخص، ارائه گردیده است. در روش پیشنهادی نیازی به شناخت دقیق پارامترهای سیستم نبوده و تنها شناختی از کران آنها کافی میباشد. روش ارائه شده تضمین میکند که سیگنال خطای ردیابی برای سرعت روتو توربین بادی به مقدار صفر در یک زمان محدود میل میکند. با استفاده از پارامترهای طراحی میتوان زمان رسیدن به مقدار صفر را تنظیم کرد. در انتها مقایسه نتایج به دست آمده از شبیهسازی اِعمال یک کنترلکننده غیرمقاوم در مقابل نتایج کنترلکنندههای ارائه شده در این پژوهش به خوبی بهبود رفتار سیستم را نشان میدهد.
کلید واژه- مزارع بادی، توربین بادی DFIG، کنترل کننده غیرمقاوم، کنترل کنندهی مدلغزشی.
-1 مقدمه
از آنجا که نگرانی در مورد آلودگی محیط زیست و بحران انرژی با افزایش قیمت و پایانپذیر بودن انرژیهای فسیلی بسیار زیاد است، از این جهت استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر در سراسر جهان در دهههای گذشته افزایش یافته است. در میان انرژیهای تجدیدپذیر، انرژی باد با بیشترین سرعت استفاده در حال رشد است. امروزه، اکثر توربینهای بادی به ژنراتور القایی دو سو تغذیه - DFIG - مجهز میباشند. از طرفی با توجه به ماهیت متغیر انرژی باد، توان و ولتاژ خروجی توربین ژنراتورهای بادی متغیر هستند و افزایش نفوذ نیروگاههای بادی در قالب مزارع بادی در شبکه به طور قابل توجهی میتواند پایداری ولتاژ سیستم شبکه را تحت تاثیر قرار دهد و جلوگیری از بروز برخی مشکلات در تنظیم ولتاژ و فرکانس، کیفیت توان - به عنوان مثال، سوسو زدن و هارمونیک - و همچنین حفاظت شبکه شود 1] و .[2
در این تحقیق مدلسازیهای انجام شده، شبیهسازی میشود و عملکرد هر یک مورد ارزیابی قرار میگیرد. بدین صورت که در بخش دوم تعریف خلاصه ای از توربین بادی مورد نظر و مدل دینامیکی آن به همراه مدل سرعت باد و همچنین به منظور استخراج سرعت بهینه در سرعتهای مختلف از آن ارائه میشود و سپس در بخش سوم کنترل کننده مد لغزشی پیشنهادی جهت ردیابی سرعت بهینه با حداقل نمودن تابع هزینه تعریف شده اعمال و نتایج به صورت نمودار مشاهده خواهد شد که نتایج به دست آمده نشان دهنده عملکرد مطلوب روش پیشنهادی نسبت به طرحهای کنترلی مرسوم ضمن تضمین پایداری سیستم میباشد. در بخش چهارم نیز پس از تحلیل نتایج به دست آمده به نتیجهگیری از پژوهش و مقایسه آن با سایر پژوهشهای همردهی انجام شده؛ پرداخته خواهد شد.
-2 توربین بادی DFIG
توربینهای بادی DFIG عموما توربینهایی افقی هستند که در مفهوم DFIG به معنی ژنراتور القایی روتور سیمپیچی شده در پایانههای استاتور متصل به شبکه - Grid-Connected - است ، همچنین در شبکهی روتور، بوسیله مبدل ac/dc/ac فرکانس متغیر - VFC - ، اتصال شبکه روتور به شبکه را ممکن می سازد 1] و .[2در سیستم توربین بادی دو نوع آرایش اصلی سرعت متغیر و سرعت ثابت وجود دارد. در نوع سرعت ثابت، انرژی باد در سرعت ثابت ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. این آرایش هزینه کمتری دارد، ولی به دلیل راندمان کم و استرس زیاد بر تجهیزات مکانیکی و ژنراتور، کمتر مورد توجه قرار گرفته است وعموماً تمایل به استفاده از آرایش های سرعت متغیر است.
ژنراتور در آرایش سرعت متغیر توسط تجهیزات الکترونیک قدرت توانائی کار کردن در سرعتهای متغیر را دارد. باتوجه به اینکه توان قابل استحصال از باد در سرعتهای مختلف باد متفاوت است، این انعطافپذیری در سرعت ژنراتور باعث میشود که بتوان همواره با کنترل سرعت مناسب ژنراتور، بیشترین توان را در سرعتهای مختلف باد بدست آورد. به دلیل اینکه سرعت باد قابل پیش بینی نیست و از طرفی مشخصه سرعت باد با توان خروجی آن در سرعتهای مختلف توربین غیرخطی است.برای آنکه رفتار نیروگاه بادی و به عنوان نمونه یک توربین بادی DFIG را مورد بررسی دقیق قرار دهیم، شرایط مختلف وزش باد را با استفاده نرمافزار MATLAB & Simulink شبیهسازی و به سیستم در قالب معادلات فضای حالت اعمال میکنیم.
در نهایت نتایج به صورت منحنیهای توان الکتریکی و سرعت دورانی برای سرعتهای گوناگون باد در حالتهای مختلف باد ثابت، شیب، اغتشاش و مخلوطی از آنها بررسی میگردد.لازم به ذکر است که با توجه به اینکه بیشتر توربینهای بادی دارای پره ثابت میباشند و همچنین در مراجع مختلف اشاره شده است که زاویه پره صفر توان بیشینه را فراهم میآورد، مدل توربین لحاظ شده جهت طراحی کنترل کننده، توربینی با پره ثابت خواهد بود .[3] شکل 1، بلوک دیاگرام اجزای مختلف یک سیستم توربین بادی را نشان داده شده است.اجزاء توربین بادی که در تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی نقش مهمی به عهده دارند روتور و ژنراتور هستند. روتور بخشی از توربین است که شامل پرهها و توپی می باشد. هنگامی که باد به پره ها برخورد میکند، توپی در اثر نیروهای آیرودینامیکی شروع به چرخش میکند.
این چرخش از طریق سیستم انتقال فرستاده می شود تا میزان دور را در دقیقه کاهش دهد. سیستم انتقال از یاتاقان اصلی، شفت سرعت بالا، جعبه دنده و شفت سرعت پایین تشکیل شده است. نسبت جعبه دنده مشخص کننده کسری از سرعت چرخش است که ژنراتور میبیند. در نهایت این چرخش به ژنراتور منتقل شده تا از صورت مکانیکی به الکتریکی تبدیل گردد .[5] شکل 2 اجزای توربین بادی را نشان میدهد.همانطور که میدانیم توربین بادی از اجزاء و زیرسیستمهای مختلفی تشکیل شده است. با معرفی مدل هر زیرسیستم و درنظر گرفتن قیود فیزیکی حاکم بر آن، مدل کلی توربین طبق رابطه 1 استخراج میگردد که سعی شده است مدل ارائه شده یک مدل دقیق از توربین بادی باشد.با بررسی منابع مختلف صورت پذیرفته مشاهده میگردد که بیشتر منابع مرتبط با طراحی کنترلکننده برای توربین بادی - از جمله - [3] از آن مدل دینامیکی فوق استفاده کردهاند.
-3 طراحی کنترل کننده
پس از بررسیهای صورت گرفته، جهت مقابله با مشکل مرتبط با عدم شناخت دقیق مدل سیستم و همچنین دستیابی به یک پاسخ ردیابی مناسب، در این بخش یک کنترل کننده مقاوم بر مبنای روش کنترلیمُدلغزشی ارائه گردیده است. برخلاف روشهای موجود در مراجع که از اینرسی موجود در روتور و ژنراتور صرفنظر کردهاند، طرح ارائه شده با لحاظ کردن مدل کاملتری از توربین بادی صورت گرفته است. نشان داده شده است که طرح کنترلی، با وجود عدم قطعیت در سیستم، منجر به میل سیگنال خطای ردیابی به مقدار صفر در زمان محدود خواهد گردید. با توجه به اینکه استفاده از روش کنترلی مُدلغزشی منجر به,پدیده وِزوِز شده و تحریک دینامیکهای مرتبه بالای سیستم را منجر میشود و این مسئله ناشی از استفاده از تابع علامت میباشد، برای رفع این مشکل قانون کنترلی با استفاده از تقریب پیوسته تابع علامت پیشنهاد میشود.
این مسئله منجر به یک پاسخ با خطای ردیابی کراندار در سیستم شده و تا حد زیادی منجر به رفتار مناسب سیستم در عمل میشود.در این پژوهش، طراحی سیستم کنترل کننده مد لغزشی توربین بادی دو هدف عمده را دنبال میکند که عبارتند از کاهش بارهای دینامیکی بر روی محور روتور، ریشه پرهها و سیستم انتقال قدرت بطوری که سیستم کنترل باید با بکارگیری الگوریتم صحیح و مناسب تاثیرات نیروهای ناخواسته گوناگون بر روی اجزاء توربین باد را کاهش دهد و کنترل تولید توان الکتریکی در محدوده وسیعی از سرعتهای باد، در حالتی که هنگام رسیدن باد به سرعت نامی خواهد رسید. با افزایش سرعت باد بیش از سرعت نامی، لازم است تا با روش کنترلی مناسب توان خروجی در مقدار نامی خود تولید گردد.
از اینرو میتوان گفت که طراحی سیستم کنترلی برای توربین بادی یک مساله پیچیده است، زیرا که توربین بادی یک سیستم چند ورودی- چند خروجی با پارامترهای به هم پیوسته میباشد. از اینرو یکی از مسائل چالش برانگیز برای مهندسین، طراحی کنترل کننده برای سیستمهای توربین بادی سرعت متغیر میباشد. از طرف دیگر غیرخطی بودن سیستم و عدم قطعیتهای موجود در ورودیهای آن و قیدهای فیزیکی حاکم بر متغیرهای سیستم، طراحی یک کنترل کننده مناسب را مشکل میسازد.پس از بررسیهای صورت گرفته، مشخص شد که مقالههای بسیاری در زمینه کنترل توربینهای بادی وجود دارد، اما دو مقاله زیر درباره کنترل کنندهی غیرخطی هستند.
از اینرو با بررسی آنها مشخص شد که طراحی یک کنترلگر غیر خطی سمت روتور - - RSC برای یک ژنراتور توربین بادی بر اساس نظریه کنترل بهینه غیر خطی H 2 توسط Ranjan در سال 2011 صورت گرفته است. هدف نشان دادن الگوریتم سنتز حداکثر اثر نقطه توان - MPPT - است. در مورد یک ژنراتور القایی از دو سو تغذیه، ضروری است که - RSC - و الگوریتم - MPPT - به صورت همزمان به عنوان دینامیک اختلال غیرخطی در مورد یک نقطه عملکرد - فقط پایدار یا ناپایدار - در اکثر ژنراتورها بکار گرفته شوند. این الگوریتم با استفاده از روش های تخمین غیر خطی و به
