بخشی از مقاله
خلاصه
در حال حاضر انرژی باد با رشد متوسط سالیانه بیش از26 درصد از سال 1990 به بعد، بالاترین میزان رشد را دربین منابع مختلف انرژی داشته است. با توجه به نیاز روزافزون به انرژی و محدودیت در منابع فسیلی، استفاده از انرژیهای تجدید پذیر بخصوص باد به شدت مورد علاقه قرار گرفته است. اما تمامی انرژی باد را نمیتوان ذخیره کرد.
طبق قانون بتز %59 از کل انرژی جنبشی باد توسط توربین بادی قابل استخراج است. بنابراین کنترل توربین برای دستیابی به حداکثر میزان کارایی و حفظ شرایط پایداری امری ضروری به نظر میرسد. در این مقاله به بررسی بهترین نوع توربین بادی که امروزه علیرغم هزینهی زیاد آن، استفاده فراوانی میشود، یعنی توربین بادی با سرعت متغیر خواهیم پرداخت.
برای سیستم توربین بادی سرعت متغیر که در آن زاویه پیچ متغیر فرض شده است، برای پایداری سرعت زاویهای روتور و ژنراتور در مقدار اسمی آنها ،کنترلکنندههای غیرخطی پسخورد خطی ساز ورودی-خروجی و مد لغزشی و مد لغزشی نهایی را طراحی خواهیم کرد و در نهایت کنترلکنندههای طراحیشده را با استفاده از روش مدلغزشی تطبیقی توسعه داده و برای توربین بادی سرعت متغیر، کنترلکننده مدلغزشی تطبیقی طراحی خواهدشد. در بخش شبیهسازی، معادلات توربین بادی را با استفاده از کنترلکنندههای طراحیشده، در محیط سیمولینک متلب شبیهسازی کرده و سپس عملکرد کنترلکنندهها را با هم مقایسه خواهیم کرد.
.1 مقدمه
در سالهای اخیر استفاده از انرژی باد در کشورهایی که مناطق بادخیز دارند، مورد توجه ویژهای قرار گرفتهاست. برای دریافت انرژی باد و تبدیل آن به برق،از توربینهای بادی استفاده میشود. یکی از مزایای مهم اقتصادی انرژی باد این است که در آن هزینه سوخت وجود ندارد و از طرفی باعث صرفه جویی 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.
در ضمن لازم است برای مقرون به صرفهتر بودن این انرژی، وقوع خطا در تولید آن به حداقل برسد. توربینهای بادی سرعت متغییر به علت قابلیتهای بیشتری که داشتند، بیشتر مورد توجه قرار گرفتند. لذا با گذشت زمان، و با پیشرفت ادوات الکترونیک قدرت، پیشرفتهایی در ساختار و نحوهی کنترل توربینهای بادی سرعت متغییر صورت گرفته است. در این نوع از توربینها، ژنراتور به طور مستقیم به شبکه متصل نمیشود. نوع سرعت متغیر قابلیت کنترل سرعت روتور را فراهم میکند، با این کار، توربین بادی در نزدیکی نقطه بهینه عمل میکند. بیشتر توربینهای بادی با بازه توان بیشتر از 1/5 مگاوات، توربینهای بادی سرعت متغیر میباشند.
در مرجع [1] کنترل سیستم توربین بادی مجهز به ژنراتور القایی دوگانه تغذیه برای دستیابی به بیشترین توان قابل جذب در سرعت های مختلف باد پرداخته شده است ، 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 شده است که نتایج شبیه سازی بیانگر دقت مناسب تخمین مشخصات سرعت باد توسط شبکه عصبی میباشد.
درمرجع [2] به آنالیز دینامیک کاربردی و طراحی کنترل کننده مقاوم برای یک واحد ژنراتور القایی با توربین بادی استفاده شده است.که پاسخ سریع با حداقل خطای ماندگار و تضعیف اغتشاش از نتایج آن میباشد و در آن مدل باد به صورت یک تابع سینوسی در نظر گرفته شده است.
همچنین در مرجع 3] و [4 با استفاده از روش کنترلی خطی ساز پسخورد، کنترلکننده برای سیستم توربین بادی سرعت ثابت وسرعت متغیر طراحی شده است که ضعف آن ها در مواجهه با تغییرات باد میباشد و همچنین زاویه پیچ ثابت در نظر گرفته شده است. به علاوه در مرجع [5] با استفاده از روش کنترل مد لغزشی گاوسی به طراحی کنترل-کننده توربین بادی پرداخته است که پاسخ سریع و مقاومت زیاد از مزیت طراحی این کنترلکننده میباشد.
همچنین [6] با استفاده از کنترلکننده مد لغزشی مرتبه دوم به طراحی توربین بادی سرعت متغیر متصل ژنراتورالقایی دو خروجی پپرداخته شده استکه در آن زاویه پیچ ثابت در نظر گرفته شده است.الگوریتم ذکر شده مقاومت خوبی از خود در مقابله با تغییرات سرعت باد از خود نشان داد و توسط الگوریتم فراپیچش، باعث حذف پدیده چترینگ از ورودی کنترلی شد.
در مرجع [7]، یک کنترلکننده خطی ساز پسخورد برای یک توربین محور افقی ارائه شده است. در حالی که این کنترلکننده به نتایج خوبی دست یافتهاست،آن یک علم استقرایی از ارزش بهینه برای پارامترهای توربین ناشناخته فرض میکند.اما این مقادیر مخصوص به توربینی کنترل کننده روی آن پیاده سازی شده است میباشد. در واقعبر اساس هندسه توربین و پارامترهای مکانیکی ان تغییر میکند. در نتیجه این روش برای انطباق باتوربین های جدید سخت است.
این روش [8] توسعه خطیسازی دینامیک توربین است و استفاده از کنترل کننده PID معمولی است. با این وجود ، فرض خطی سازی میتواند به کاهش عملکرد و قابلیت اطمینان منجر شود. با این وجود روشهای کنترل مد لغزشی مانند[9]، فرض میکنند که قدرت گرفته شده توسط توربین های قابل اندازه گیری است. که به طور کلی فرض همیشه در دسترسی نیست.
این روش ردیابی بهتر از یک سرعت چرخشی مورد نظرازکنترلکنندههای توسعه یافته برای دینامیک خطی را فراهم می کند. در مرجع [10]، به طراحی کنترل کننده غیرخطی مقاوم گام به عقب برای تعقیب سرعت سیستم توربین بادی پرداخته شده است، در این مقاله به بررسی و ارزیابی عملکرد سیستم در حالت مجزا و عدم اتصال به شبکهف پرداخته شده است. در مرجع [11] و [12] کنترلر مد لغزشی تطبیقی و مدلغزشی تطبیقی با در نظر گرفتن پارامترهای نامعین را برای سیستم های غیر خطی مورد بررسی قرار داده است.
.2 مدلسازی سیستم
در این بخش مدل ریاضی را برای توربین بادی سرعت متغیر ارائه خواهدشد. معادلات توصیف کننده دینامیک با استفاده از قانون دوم نیوتن برای اجرام در حال چرخش به دست آمده است. این نتایج در دو معادله: یکی برای سمت روتور و یکی برای سمت ژنراتور تعریف می شود. هدف در این مقاله برای ایجاد ثبات در استخراج توان و سرعت زاویهای روتور و ژنراتور در: Pnorm 225KWw g , norm 105.6 rad s w r ,norm 4.29 rad s می باشد.
تنها کنترل پیچ در این مقاله مورد بررسی قرار میگیرد ، از این رو زاویه پیچ افزایش می یابد زمانی که سرعت باد افزایش می یابد. مشتق c p با توجه به هر دو هستند و بنابراین به صورت گسترده در طرح های کنترل استفاده میشود.
