بخشی از مقاله
چکیده
انرژی الکتریسیته تنها انرژی پاک قابل انتقال است که توانایی تبدیل شدن به دیگر انرژی ها را دارد. همچنین با فرآیند زندگی بشر امروزی گره خرده است به گونه ای که یکی از معیار ها اصلی سنجش رشد اقتصادی، صنعتی و رفاه اجتماعی مردم در کشور های مختلف را با توجه به تولید و استفاده از آن ارزیابی می کنند. با توجه به اهمیت موضوع در این پژوهش به کنترل فازی برای یک مدل توربین بادی پرداخته شده است.
یکی از مشکلات تولید برق توسط توربین های بادی تغییر سرعت باد می باشد. از این رو با مدل سازی جریان باد و یک مدل توربین بادی توان الکتریکی توربین با سرعت باد های مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت. با توجه به تغییر توان الکتریکی توربین بادی در سرعت های مختلف کنترل کننده فازی برای این سیستم طراحی و مد نظر قرار گرفته شد تا توان بهینه و با قابلیت اطمینان بالاتر تولید شود.در این پژوهش کنترل کننده فازی توانست، سیستم را به طور مطلوبی کنترل کرده وخطای ردیابی را به نحوه چشم گیری کاهش دهد.
- 1 مقدمه
توربین بادی به توربینی گفته میشود که برای تبدیل انرژی جنبشیباد به انرژی مکانیکی به کار میرود که توان بادینام دارد. توربینهای بادی در دو نوع با محور افقی و با محور عمودی ساخته میشوند. توربینهای بادی کوچک برای کاربردهایی مانند شارژکردن باتریها و یا توان کمکی در قایقهای بادبانی مورد استفاده قرار میگیرند، در حالی که توربینهای بادی بزرگتر با چرخاندن ژنراتور، و تبدیل انرژی مکانیکیبه انرژی الکتریکی، به عنوان یک منبعتولید انرژی الکتریکیبهشمار میروند. انواع دیگری از توربینهای بادی وجود دارد که برای پمپ کردن آب استفاده میشود که به آن پمپ بادیمیگویند یا برای آسیاب گندم به کار میرود که آسیاب بادی نام دارد و موارد دیگر به کار میرود
اولین استفادهها از انرژی باد به استفاده جهت در توربینهای چرخان به آسیابهای بادی برمیگرددنخستین. آسیابهای بادی، کاملاً از آسیابهای بادی معروف هلندی، که تصویر آنها در ذهن بسیاری از ما ثبت شده است، متفاوت بود. تعداد پرههای این آسیابها به12 عدد میرسید و پرهها از بالای یک دیرک عمودی، همانند بادبانهای یک کشتی که از فراز دکل و بازوی افقی دکل آویزانند، آویخته شده بود. شاید بتوان شکل کلی این آسیابها را با چرخ و فلکهای شهربازیهای امروزی مقایسه کرد که محور اصلی آنها در مرکز یک دایره روی زمین نصب شده است و اتاقکهای چرخ و فلک همیشه فاصله ثابتی از سطح زمین دارند. این نوع طراحی برای آسیابهای بادی، شاید از بادبانهای یک کشتی، یا از چرخهای دعای بوداییهای آسیایی، که با نیروی باد میچرخید، الهام گرفته شده باشد
استفاده از انرژی باد پیشینه دراز مدتی داشته و به حدود سده 2 پیش از میلاد در ایران باستان بازمیگردد.[3] برای نخستین بار، ایرانیان موفق شدند با استفاده از نیروی باد، چرخ چاه را به گردش درآورده و آب را از چاهها به سطح مزارع برسانند.[4] نخستین ماشینی که با استفاده از نیروی باد به حرکت درآمد، چرخ بادی هرون بود .[5] ولی نخستین آسیاب بادیعملی، در سده 7 میﻻدی در سیستان ساخته شد پیدایش آسیابهای بادی در اروپا مربوط به سدههای میانهاست. نخستین مورد ثبتشده در مورد استفاده از آسیابهاب بادی در انگلستان مربوط به سده های11 و 12 میلادی است.
نخستین توربین بادی با کاربرد تولید برق، یک ماشین شارژ باتری بود که در ژوئیه1887 توسط یک مهندس اسکاتلندی به نام جیمز بلایث ساخته شد.[8] چند ماه بعد، مخترع آمریکایی چارلز فرانسیس براش نخستین توربین باد خودکار را برای تولید برق در کلیولنددر اوهایو ساخت
در سال 1908، 72 توربین بادی با کاربرد تولید برق - بین5 تا 25 کیلووات - در آمریکا فعال بودن [9] در دهه 1930، توربینهای بادی کوچک برای تولید برق مورد نیاز مزارع در آمریکا، که هنوز سامانه سراسری توزیع برق راهاندازی نشده بود، بسیار متداول بودند. در پاییز سال1941، نخستین توربین بادی در کلاس مگاوات در ورمونت راهاندازی شد.
نخستین توربین بادی متصل به شبکه برق در بریتانیادر سال 1951 در جزایر اورکنیساخته شد.[8] در سال 2006 برای اولین بار در اتحادیه اروپا رشد تولید برق از انرژیهای نو بیش از رشد تولید برق از منابع فسیلی[10]بود از سال 1379 تا 1386 شمسی، ظرفیت تولید برق بادی جهان از18000 مگاوات به 92000 مگاوات افزایش یافته است. از سال2000 تاکنون این صنعت سالانه 25 رشد کرده و هر سه سال دو برابر شده است و این در شرایطی است که رشد اقتصاد جهانیاز یک تا دو درصد در سال بیشتر نیست.[10] به طور کلی، در زمینه کنترل توربین بادی دو هدف عمده وجود دارد. هنگامی که سرعت باد پایین است،
هدف عمده کنترلی، بیشینهسازی توان استخراجی از انرژی باد است. در این حالت، گشتاور ژنراتور به صورت تابعی از سرعت روتور به دست میآید :
که در آن چگالی هوا، Cp max ضریب توان بهینه است. گشتاور مثبتTg در جهتی است که به روتور شتاب بخشد؛ این بدان معنی است که رابطه - ٌ - گشتاوری بهبود دهنده است و میتوان نشان داد که یک سیستم حلقه بسته پایدار را فراهم میآورد. با تغییر سرعت باد، روتور بر اساس اختلاف میان گشتاور آیرودینامیک و گشتاور ژنراتور شتاب میگیرد. تنظیم گشتاور ژنراتور طبق رابطهٌ - - باعث میشود سرعت روتور به گونهای باشد که در شرایط سرعت ثابت باد، به دست یابیم. این قانون کنترلی ممکن است با جبرانسازهای دینامیکی ترکیب شده تا بار سیستم را تعدیل کند
بدین معنی که، با لحاظ کردن دینامیک روتور، یک کنترل کننده دینامیکی برای ردیابی مناسب سرعت جهت رسیدن به توان بیشینه طراحی میشودطبیعتاً. این مسئله برای توربینهای بادی با سرعت متغیر میسر میباشد. در این ناحیه، تحقیقات بیشتر به بررسیهایی که متشکل از مدلهای سیستم الکترومکانیکی ژنراتور و الکترونیک قدرت است و نیز بررسیهایی که گشتاور ژنراتور را به صورت بهره استاتیک درنظر میگیرد که بلافاصله به گشتاور اعمالی پاسخ میدهد، می پردازد. هنگامیکه مطالعات به مدلهای الکترومکانیکی مرتبط هستند،روش مرسوم در طراحی کنترل کننده برای این سیستمها استفاده از روش خطیسازی میباشد.
این روش امکان استفاده از تئوری کنترل خطی در طراحی و تحلیل را برآورده میسازد. اما به دلیل شرایط عملکردی اتفاقی برای سیستم، چنین روشهای کنترلی منجر به عملکرد و قابلیت اطمینان پایین سیستم میشود. [17] [18] از این رو، در برخی مراجع از روشهای کنترل غیرخطی برای طراحی استفاده شده است که از آن جمله میتوانبه مرجع [19] اشاره کرد که در آن از روش لیاپانوف بهره گرفته شده است.
