بادی سرعت متغیر

چکیده-
به طور کلی در این مقاله به طراحی یک کنترلکننده بهینه تطبیقی مدل مرجع( (OMRAC برای کنترل زاویه شیب پرههای یک توربین بادی سرعت متغیر پرداخته میشود. هدف اصلی این پژوهش تنظیم زاویه پیچ پرههای دوار توربین به کمک تکنیک کنترل تطبیقی بهینه و به منظور کنترل سرعت ژنراتور جهت ثابت نمودن توان خروجی در برابر سرعتهای متغیر باد میباشد. در این مقاله ابتدا یک مدل دینامیکی از یک توربین با سرعت و زاویه پیچ متغیر ارائه میشود که از این مدل برای شبیهسازی توربین و طراحی قانون کنترل زاویه پیچ استفاده خواهد شد. هدف کنترلی نیز تثبیت سرعت چرخشی روتور توربین در برابر سرعتهای بالاتر از حد مجاز باد میباشد. طراحی کنترل کننده تطبیقی به کمک قانون MIT و بهینهسازی سیستم کنترلی به کمک الگوریتم ژنتیک صورت میگیرد. جهت اثبات کارایی کنترل کننده پیشنهادی نیز عملکرد آن با یک کنترل کننده PI مقایسه خواهد شد. نتایج شبیهسازی در انتهای مقاله عملکرد مناسب کنترل کننده پیشنهادی را نشان خواهد داد.

کلید واژه- توربین بادی سرعت متغیر، زاویه پیچ، کنترل تطبیقی مدل مرجع، قانون MIT، الگوریتم ژنتیک

-۱ مقدمه

امروزه توربینهای بادی با سرعت و زاویه پیچ متغیر مورد استفاده فراوان قرار گرفته اند۱]و.[۲ سیستم توربین با سرعت و زاویه پیچ متغیر دارای برخی مشخصات غیر خطی شدیدی می باشد که فرایند طراحی قانون کنترل برای چنین سیستمی را نسبتا دشوار میکند.[۳] کنترلکننده PID و یا PIبه طور چشمگیری به منظور کنترل سرعت و توان خروجی این توربین-های بادی مورد استفاده قرار میگیرند.[۴] اما این کنترل کننده، در حالت ساده نمیتواند یک عملکرد بهینه، ممتاز و مقاومی را برای توربین بادی ایجاد نماید. بررسی مقالات و پژوهش های گوناگون گویای این حقیقت است که کنترل کنندههای خطی به طور وسیعی برای کنترل توان این سیستمها از طریق کنترل زوایه پیچ پرههای توربین مورد استفاده قرار گرفتهاند.[۵] ازجمله روش های کنترلی LQR و یا LQG نیز در این میان بسیار به چشم میخورد۶] و۷و.[۸ به هر حال با وجود مزایایی مختلفی که برای چنین کنترلکننده های وجود دارد، اما در برابر غیرخطیها

×
×

×

×

و نامعینیهای شدیدی که برای این گونه توربین های بادی وجود دارند نمیتوان عملکرد بهینه و ممتازی را از این استراتژی های کنترلی انتظار داشت. بنابراین باید به سراغ تکنیکهای کنترلی کارامد دیگر مانند تکنیکهای تطبیقی و هوشمند رفت۹]و . [۱۰ در این مقاله از یک ساختار کنترل تطبیقی مدل مرجع که قوانین تطبیق آن به کمک قانون MIT طراحی میشوند استفاده خواهد شد.[۱۱] به منظور افزایش بازدهی سیستم کنترلی و بهبود عملکرد آن، از الگوریتم ژنتیک برای تنظیم برخی ضرایب کنترل کننده استفاده شده است.[۱۲] چرا که این الگوریتم بواسطه برخی قابلیتهای منحصر بفرد خود از جمله توانایی حل بهینه مسائل با غیر خطی زیاد که به نوعی نمایش دهنده سیستمهای مهندسی پیچیده هستند، جایگاه ویژهای را در میان الگوریتم های بهینه سازی دارد.[۱۳] زمانی که سرعت باد از محدوه مجاز خود تجاوز نماید زاویه پیچ پرههای توربین بادی باید به گونه ای تنظیم شوند (دارای زاویهای باشند) که از تجاوز توان و بیشتر شدن سرعت روتور از حد مجاز جلوگیری نماید. در غیر این صورت باعث بروز برخی مشکلات مانند کاهش شدید راندمان و احتمال آسیب دیدن توربین و… خواهد

× ×

شد.[۱۴] لذا در این پژوهش از یک کنترل کننده تطبیقی بهینه مدل مرجع مبتنی بر قانون MIT به منظور تنظیم زاویه پیچ پره ها در سرعتهای با رنج مختلف باد استفاده می شود. در حقیقت کنترل کننده پیشنهادی، با دریافت فیدبک از سرعت روتور توربین سعی می کند که علی رغم تغییرات سرعت باد، همچنان در یک مقدار مطلوب، ثابت نگه دارد.این مقاله به صورت زیر سازماندهی شده است.

در بخش (۲) به مدل سازی ریاضی یک توربین بادی سرعت متغیر خواهیم پرداخت. بخش (۳)نیز منحنی توان ایده آل برای توربین بادی مورد بررسی قرار خواهد داد. در بخش ( (۴ ما روش کنترلی پیشنهادی خود را ارائه خواهیم نمود. در بخش ( (۵ فرایند بهینه سازی به کمک الگوریتم ژنتیک بیان خواهد شد. در بخش (۶) نیز نتایج شبیه سازی برای نمایش عملکرد روش فوق ارائه میشوند.

-۲ مدل سازی توربین بادی
این موضوعکاملاً بدیهی است که استخراج توان از یک توربین بادی تابعی از برخی پارامترهای اساسی و مهم می باشد:

-۱ سرعت باد
-۲ سرعت روتور توربین بادی

-۳ زاویه پیچ پرهای توربین شکل (۱) مدل یک توربین بادی را نشان میدهد.

شکل- ۱ مدل یک توربین بادی

پارامترهای موجود در مدل (۱) به همراه تعریف آنها در جدول (۱) قرار داده شده است.

تعریف پارامتر
×اینرسی روتور J r ×
اینرسی ژنراتور J gen ×
×ضریب دمپینگ خارجی رتور K r
×ضریب دمپینگ خارجی ژنراتور K gen
×ضریب دمپینگ شفت سرعت پایین K d
×سرعت روتور r
×سرعت ژنراتور gen
×گشتاور روتور(آئرودینامیکی) T r
×گشتاور ژنراتور T gen
×گشتاور شفت سرعت- پایین Tshaft
عبارت گشتاور آئرودینامیکی T r به صورت رابطه (۱) خواهد بود.
(۱) ۲ V 1 R 2C p (,  )  Tr
 ۲

که در این معادله،   r R /V نسبت سرعت نوک ( Tip

(Speed Ratio نامیده میشود. همچنین R شعاع روتور و C p ثابت توان میباشد. در این مدل سازی ما چند تقریب را در نظر میگیریم. معادلهای که در این جا برای ثابت توان C p استفاده می کنیم به صورت معادله((۲ می باشد.
(۲) ۲۲٫۵   ۱۱۶ 
i
0.4  ۵.e  i  C p (,  )  ۰٫۲۲
 
که در معادله (۲) برای  می توان نوشت:
(۳) ۰٫۰۳۵. ۱ ۱ 
۳۱ ۰٫۰۸٫  i
در شکل (۲)منحنی مشخصه C p   به ازای زوایای پیچ( (  مختلف نشان داده شده است.

جدول -۱ پارامترهای توربین بادی سرعت متغیر شکل-۲ مشخصه C p   به ازای زوایای پیچ مختلف
تعریف پارامتر

×زاویه پیچ پره ها بر حسب درجه  نمودار نشان دهنده ارتباط میان سرعت روتور و خروجی توان
×ثابت توان C p ×
توربین نیز در شکل (۳) نشان داده شده است.
×ثابت شفت سرعت پایین Cd

۲

× ×

شکل-۳ ارتباط میان سرعت روتور و توان خروجی توربین

پاسخ دینامیکی روتور در یک سرعت ویا توسط گشتاور
آئرودینامیکی T r می تواند به صورت (۴) نمایش داده شود:
J r r Tr Tshaft  K r r (4)

گشتاور شفت سرعت- پایین ( (Tshaft بر روی روتور توربین نقش یک گشتاور ترمزی را دارد.

این موضوع، از پیچش ها و اصطکاکهای بواسطه اختلاف میان r و gen نتیجه میگیرد.
(۵) Tls Cd (r  gen )  Kd (r gen )
 

سرعتدژنراتور نیز از گشتاور شفت سرعت – بالا Tshaft گرفته شده است و توسط گشتاور الکترومغناطیس ژنراتور T gen ترمز

می شود.