بخشی از مقاله
چکیده -
در این پژوهش طرحی برای بومیسازی سامانه کنترلی توربینهای بادی ارائه شده که به چگونگی طراحی کنترل کنندههای مدل پیش-بین برای این سیستمها میپرداخته شده به نحوی که توربین بادی بتواند با اهدافی نظیر بیشترین بازده، انرژی مصرفی مورد نیاز را تولید کند.
روش های متعددی برای حل مسئله کنترل توربین بادی سرعت متغیر وجود دارد که اکثر آن ها برای کنترل سرعت ژنراتور و اخذ توان مناسب هستند این در حالی است که روشی که در این پروژه استفاده خواهد شد همانند بسیاری از روش های دیگر مبتنی بر بهینه سازی، مدل سازی و کنترل بهینه است، به نحوی که با روش مورد نظر بتوان با تعریف یک تابع هزینه مناسب، شرایط دست یابی به بهینهترین توان را فراهم گردد با این شرط که کلیه قیدهای مسئله اعم از دینامیکی، دیفرانسیلی و غیره را ازضا نماید.
-1 مقدمه
امروزه پیدا کردن یک جایگزین مناسب برای سوختهای فسیلی در مقوله تولید انرژی بسیار حائز اهمیت است. از جمله انرژیهای پاکی که در کشورمان زمینه تولید آن وجود دارد، انرژی بادی است. با وجود تلاشهای بسیار کشورمان در زمینه ساخت توربینهای بادی، به دلیل تحریمهای به وجود آمده و انحصار فناوری، پیشرفتهای زیادی در زمینه سامانه کنترلی این توربینها صورت نگرفته است.
با توجه به نیاز صنعت، کاربرد توربینهای بادی در پژوهشهای صنعتی و دانشگاهی به سرعت در حال گسترش است. از اینرو مدلسازی و کنترل این سیستمها مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است [10-6] و بعنوان یک موضوع مناسب میبایست پژوهشهای دقیقتر در این زمینه صورت گیرد.
امروزه نحوهی کنترل سیستمهای صنعتی و انتخاب روش مناسب از اهمیت بسزایی برخوردار است. الگوریتم کنترل مورد استفاده در صنعت میبایستی دارای تواناییهای مطلوب از جمله سهولت بکارگیری توسط اپراتور و تنظیم سادهی آن باشد که در واقع خود معیاری برای گسترش کاربرد صنعتی آن خواهد بود.گرچه استفاده از کنترلکنندهی PID در صنعت رایج میباشد، ولی سیستمهای صنعتی از نظر دینامیکی طیف وسیعی از رفتارهای مختلف را شامل میگردند که کاربرد چنین کنترلکنندهای را محدود میسازد.
روش های متعددی برای حل مسئله کنترل توربین بادی سرعت متغیر وجود دارد که اکثر آن ها برای کنترل سرعت ژنراتور و اخذ توان مناسب هستند این در حالی است که روشی که در این مقاله استفاده خواهد شد همانند بسیاری از روش های دیگر مبتنی بر بهینه سازی، مدل سازی و کنترل بهینه است، به نحوی که با روش مورد نظر بتوان با تعریف یک تابع هزینه مناسب، شرایط دست یابی به بهینهترین توان را فراهم گردد با این شرط که کلیه قیدهای مسئله اعم از دینامیکی، دیفرانسیلی و غیره را ازضا نماید.
-2 مدلسازی
طراحی توربین بادی به دو بخش کنترلی و اجزای مکانیکی تقسیم میشود. مشکلترین قسمت مکانیکی یک توربین بادی، پره آن است که شکل آیرودینامیکی پرهها [17] و مسئله کنترل زاویه پیچ [7] مهم است. سامانه کنترل کنندههای توربینهای بادی در دو حوزه تولید انرژی الکتریکی و انتقال این انرژی به شبکه قابل تحلیل و بررسی است .
ابتدایی ترین هدف کنترلی، محدودکردن قدرت یا سرعت روتور است که به زیربخشهایی تقسیم میشود
-1کنترل گشتاور حاصل از باد در بالای سرعت آستانه باد
-2کاهش ضربات گشتاور در جعبهدنده
-3 حذف عملکردهای پیچ غیر ضروری
-4کاهش لرزشهای برج و بارهای حاصل از خود پره و توپی طراحی مناسب، شامل پاسخ گذرای سامانه و خطای حالت دائمی است.
برای این منظور باید سرعت گذرای پاسخ بالا باشد و همچنین خطای حالت دائمی را به حداقل رساند. دقت شود که در تحقق بخشیدن به دو مورد بالا نباید به ناپایداری سامانه در حالت گذرا مانند فراجهش زیاد و حالت دائمی بینجامد. باید دقت شود این کنترل توان با کنترل دقیق انجام گیرد.
توربینهای بادی، وسایل تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی الکتریکیاند که از دو نوع عمودی و افقی ساخته میشوند. هدف از مدلسازی توربین بادی، محاسبه توان خروجی از توربین بادی و بررسی فرآیندها و برهمکنشهای مختلف میان اجزای آن است. روتور، گیربکس و شفت متصل به آن و همچنین ژنراتور، اجزای اصلی توربین بادی هستند که براساس آنها مدل توربین بادی توسعه داده میشود و در شکل - 1 - برخی از اجزاء یک توربین بادی نشان داده شده است.
شکل 1 شماتیک یک توربین بادی و اجزای مختلف آن
هدف از مدلسازی، ارائه یک مدل ریاضی جامع با استفاده از معادلات حاکم بر فرآیندهای درون سیستم است تا با کمک آن بتوان فناوریهای نوین در زمینه تبدیل انرژی باد به الکتریکی را مدلسازی کرد. با توجه به اجزای نامبرده و فرآیندهای صورت گرفته، مدلسازی توربین بادی در سه قسمت آیرودینامیک، مکانیک و الکتریکی صورت میگیرد.
توربین بادی که در این مقاله در نظر گرفته شده است یک توربین بادی سه روتوره با محور افقی - شکل 2 را ببینید - همراه با یک ژنراتور غیرهمزمان می باشد. مدلی که در این بخش معرفی می شود، برای بازهی گسترده ای از توربین های بادی با محور افقی به کار می رود
لازم به ذکر است که این مساله تحت شرایط اولیه معلوم انجام گرفته است و با اعمال بر بادهای مشخص متفاوت مورد آزمایش قرار گرفته است که نتایج حاصل بر دقت عمل کد نوشته شده صحه میگذارد. در اینجا ما تحلیل خود را بر روی دو باد اعمالی به توربین انجام میدهیم که که تابع به عنوان باد اعمالی در نظر گرفته شده که از رابطهی زیر بدست میآید.
در این جا پارامتر a یک مقدار ثابت بوده که ما عددی بیشتر از 11 در نظر گرفته شده است. زیرا اگر باد از یک حدی کمتر باشد توان مورد نیاز حاصل نمی گردد و اگر از یک حدی تجاوز کند به توربین آسیب میرسد. پارمتر b دامنه نوسانات باد و w پرود نوسانات می باشد. مقدار Nu برابر است با 5 و N p برابر 10 در نظر گرفته شده است.
-3 کنترل پیشبین بر مبنای بهینه سازی
بهینهسازی آنلاین در قالب یک فرآیند کنترلی حلقه بسته را میتوان یک روش نوین در مقوله کنترل سیستمهای صنعتی دانست که در آن کنترل، برمبنای بهینهسازی صورت میگیرد. این سازوکار کنترلی، همانند آن چیزی است که در رویکرد کنترل پیشبین - MPC - مدل انجام میشود.
در کنترل پیشبین، ابتدا، یک مسیر حلقه باز با حل یک مسئله کنترل بهینه مقید در یک بازه زمانی مشخص و محدود بدست میآید که شرایط اولیه آن مطابق با شرایط کنونی متغیرهای حالت در نظر گرفته میشود. سپس، کنترلهای بهینه محاسبه شده، در بخش کوچکی از بازه زمانی مذکور بر سیستم دینامیکی اعمال میگردد. با تکرار این فرآیند، یک حلقه کنترلی ایجاد میشود. در واقع، این حلقه بسته کنترلی، از محاسبه پاسخهای بهینه از شرایط لحظهای متغیرهای حالت بدست میآید.
عبارت MPC یک طبقه یا کلاس از روشهای کنترلی است که رفتار آینده یک سیستم در یک افق مشخص را از طریق به کارگیری مدلی صریح و واضح از سیستم، کنترل میکند.
گام اول: درهر گام کنترلی، روش MPC یک دنباله حلقه باز از تنظیمات متغیرهای دستکاری شونده - MV - را به منظور بهینه سازی رفتار آینده سیستم - CV - محاسبه میکند که در نهایت دنباله ای از متغیرهای ورودی مناسب در افق تعریف شده برای کنترل جهت اعمال به سیستم به دست میآید.
برای شبیه سازی در این مرحله باید افق پیش بین - Np - ، افق کنترلی - Nu - ، کران های بالا و پایین متغیرها پارمترهای ثابت را مشخص نمود.
در بخش بهینه سازی یک دنباله ای - به تعداد افق پیش بین - از متغیرهای کنترلی بدست می آید که به سیستم اعمال شده و نتایج حاصل از مقادیر کنترلر اعمالی به سیستم ترسیم می گردد. عملیات پیشبینی و بهینه سازی در هر گام کنترلی، مجدداً انجام میپذیرد.
هدف MPC دنبال کردن مرجع تعریف شده، برای سیستم توسط خروجیها، در افق پیش بینی دورشونده تعریف شده برای آن، می باشد. به همین منظور به کمک اطلاعات مربوط به ورودیها و خروجیهای قبلی سیستم، خروجی های آینده پیش بینی شده و به کمک این اطلاعات جدید و نیز با توجه به مسیر مرجع، اغتشاشات و استراتژی کنترلی در نهایت دنباله ای از ورودی های مناسب در یک افق تعریف شده کنترل برای عملکرد در نظر گرفته میشود.
