بخشی از مقاله
چکیده- در این مقاله، کنترلکننده مقاوم برای سیستم توربین بادی طراحی شده است. از کنترلکننده مقاوم به دلیل داشتن عملکرد مناسب در حضور اغتشاش موجود در باد، نویز اندازهگیری، دینامیکهای مدل نشده و تغییرات پارامترهای سیستم، جهت اعمال بر روی سیستم توربین بادی سرعت متغیر استفاده شده است. هدف کنترلی، ثابت نگه داشتن توان الکتریکی و سرعت ژنراتور در مقدار نامی با افزایش سرعت باد در ناحیه سرعت بالا توربین بادی با تنظیم زاویه Pitch است.
در این مقاله نایقینی ناشی از کاهش دما و ایجاد یخ بر روی پره های توربین بادی در نظر گرفته شده است. در حالت کلی اعمال نایقینی ها و خطا های موجود در سیستم توربین بادی در شرایط آب و هوایی مساعد لحاظ می گردد و کارهای کمی بر روی این سیستم در شرایط آب و هوایی سرد صورت گرفته شده است. در هوای سرد و فصول سرما، یخ زدگی پره های توربین سبب تغییر در مقدار توان الکتریکی تولیدی توربین باد و همچنین ایجاد اختلال در قسمت کنترلی و اجزای سیستم میشود. لذا با در نظر گرفتن آب و هوای سرد به عنوان منشأ نایقینی به طراحی کنترل کننده مقاوم به دلیل عملکرد مناسب و پایداری مقاوم و قابلیت کاهش مرتبه، پرداخته می شود.
-1 مقدمه
افزایش جمعیت کل جهان سبب روند روبه رشد مصرف انرژی الکتریکی و صنعتی شدن جهان گردیده و این نیازمند افزایش انرژی الکتریکی است. از طرفی کاهش سوخت های فسیلی که منبع اصلی تولید این انرژی است و هم چنین هزینه اقتصادی بالا و افزایش آلودگی زیست محیطی ناشی از سوزاندن این منابع، بر آن شد تا محققان روش های جدیدی برای تولید انرژی الکتریکی ارائه دهند.[1] یکی از این روش ها، استفاده از انرژی های تجدید پذیر است که به دلیل وابستگی به طبیعت، غیر قابل پیش بینی هستند و در نتیجه مهار کردن آن دشوار است. اما به علت آلودگی زیست محیطی کمتر و تسریع در تجدید شدن و فناپذیر نبودن، مورد استفاده قرار گرفته است.
یکی از مهم ترین انرژیهای تجدید پذیر که استفاده از آن امروزه در حال افزایش است، انرژی باد میباشد که به دلیل ارزانی ، در دسترس بودن و پاک بودن این انرژی مورد استفاده قرار میگیرد. در نتیجه از توربین بادی جهت تبدیل انرژی جنبشی حاصل از باد به انرژی الکتریکی و در نهایت تولید برق در شبکه استفاد میگردد. لذا برای داشتن توان الکتریکی بهینه در حضور سرعت باد متفاوت، از کنترل-کننده های مختلفی جهت ثابت ماندن توان خروجی در مقدار نامی استفاده شده است.
با توجه به نحوه عملکرد توربین و داشتن نواحی مختلف، در این مقاله سعی بر طراحی کنترل کننده در ناحیه سوم توربین باد شده است. به همین دلیل، جهت کنترل و دریافت توان تولیدی بهینه در این ناحیه، در مراجع مختلف انواع کنترل کننده ها معرفی شده و مورد استفاده قرار گرفتهاند. در [2] کنترل کننده فازی به منظور تبدیل باد به انرژی الکتریکی و تولید برق مطلوب طراحی شده است. در این روش به دلیل غیر خطی بودن فرآیند، اثبات پایداری سیستم مشکل بوده و در نتیجه در [3] از کنترل کننده فازی- تطبیقی استفاده شده است.
در این روش، قوانین کنترل تطبیقی در کنترل کننده فازی مورد بهره برداری قرار گرفته و با انتخاب تابع لیاپانوف مناسب، پایداری سیستم تضمین می گردد. یکی از معایب این روش تعیین تابع لیاپانوف مناسب جهت اثبات پایداری می باشد. در [4] طراحی کنترل کننده مقاوم صورت گرفته است و برای پایدارسازی سیستم غیر خطی توربین باد، از مدل فازی T-S بهره جسته است. در این روش نیز انتخاب تابع لیاپانوف مناسب بری پایداری سیستم دشوار می باشد. در [5] کنترل کننده PID، طراحی شده است. این روش به دلیل ساختار ساده و تنظیم آسان آن، کاربرد بسیاری دارد.
در این روش با فرض عملکرد توربین در نقطه کار حالت ماندگار خود، به کنترل زاویه Pitch می انجامد. باید توجه داشت که به دلیل کار کردن توربین حول نقطه کار، دینامیک های غیر خطی و پیچیده سیستم در نظر گرفته نمی شود، بدین معنا که خطی سازی مدل غیر خطی توربین باد، سبب چشم پوشی از انحرافات ناچیز حول نقطه کار - تعادل - و نویز و اغتشاشات وارده به فرآیند می شود. در [6] از روش مدلغزشی که یکی از انواع کنترل مقاوم می باشد، جهت کنترل توان و تنظیم سرعت ژنراتور و روتور استفاده شده است.
روش مذکور به دلیل غیر خطی بودن کنترل کننده، تنها دو نایقینی ثابت فنر و ضریب میراکننده، مورد بررسی قرار گرفته و به سیستم توربین بادی اعمال گشته است. مشکل عمده این روش، وجود پدیده چترینگ می باشد که در سطح لغزش، نوسان تولید می کند و همچنین نویز در عملکرد سیستم بسیار تأثیر گذار می باشد. در [7] کنترل کننده مقاوم و روش های مختلف آن جهت در نظر گرفتن تمام نایقینی های حاصل از خطی سازی مدل و در نظر گرفتن انحرافات کوچک و نایقینی در ثابت فنر و ضریب دمپرینگ، به کنترل زاویه Pitch پرداخته و بر اساس آن توان تولیدی بهینه را از سیستم دریافت میکند .[8-9]
در بیشتر روشهای ذکر شده در فوق، عملکرد توربین در شرایط آب و هوایی مناسب بدست آورده شده است و به عملکرد توربین در شرایط آب و هوایی سرد کمتر پرداخته شده است. برای بهبود عملکرد توربین در این شرایط، و تولید توان الکتریکی بهینه، در این مقاله راهبردی جدید در نظر گرفته شده است. با توجه به ساختار توربین باد، با یخ زدگی پره ها، جرم آنها تغییر کرده و در نتیجه جرم روتور به دلیل اتصال به پره ها نیز تغییر می کند و در نهایت این سبب تغییر اینرسی روتور می گردد. تغییر اینرسی روتور بر روی معادلات حاکم بر توربین باد اثر گذاشته و منجر به تغییر توان تولیدی بهینه آن میگردد.[10-11] در نتیجه با در نظر گرفتن اینرسی روتور، به عنوان نایقینی جدید سیستم، می توان به کنترل توربین و به دست آوردن توان خروجی بهینه پرداخت.
ساختار مقاله بدین شرح است که، بعد از مقدمه گفته شده در این بخش، در بخش دوم به مدلسازی و بیان معادلات حاکم بر توربین باد پرداخته میشود. سپس در بخش سوم، نایقینیهای موجود در سیستم ارزیابی شده و در بخش چهارم بر اساس آن طراحی روش کنترلی انجام میگردد. در ادامه در بخش پنجم نتایج حاصل شبیه سازی کنترل کننده مقاوم در توربین بادی، مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته میشود. در نهایت در بخش آخر نتیجهگیری بیان شده است.
-2 معادلات حاکم بر توربین بادی
-1-2 مدل باد
سرعت باد مؤثر، یک فرآیند تصادفی غیر خطی می باشد که در [8] به دلیل سادگی و محقق شدن اهداف کنترلی، با مدل خطی تقریب زده شده است.
