روش ابداعی کنترل بهینه غیرخطی در توربین بادی با حداقل سازی نوسانات توان و گشتاور

Transcript

1 روش ابداعی کنترل بهینه غیرخطی در توربین بادی با حداقل سازی نوسانات توان و گشتاور فرانک معتمدی * دکترفرید شیخ االسالم 2 -دانشجوی رشته برق دانشگاه آزاد واحد نجفآباد Fa_motamedi@yahoo.com 2 -استاد گروه برق دانشگاه صنعتی اصفهان Sheikh@cc.iut.ac.ir چکیده با گسترش مصرف انرژی افزایش آلودگیهای زیستی محیطی و کاهش سوختهای فسیلی نیاز به استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر بیش از پیش احساس میشود. توربینهای بادی معموال در توانهای باال مورد استفاده قرار میگیرند و بخش اعظمی از انرژیهای تجدیدپذیر را به خود اختصاص دادهاند. توان تولیدی یک توربین بادی وابسته به عوامل مختلف مانند سرعت باد رفتار دینامیکی توربین در برابر تغییرات سرعت باد و راندمان توربین است. به منظور استفاده اقتصادی از توربینهای بادی باید حداکثر توان از توربین حاصل شود یک هدف مهم دیگر در سیستمهای مبدل انرژی باد WECS کیفیت باالی توان تزریقی به شبکه یا بارهای محلی است. تحقیقات نشان داده است که برای کنترل یک مجموعه توربین بادی مدلهای کنترل گسترده و متنوعی وجود دارد که باید توجه داشت که عملکرد همه سیستمهای کنترلی برای توربین بادی دارای یک هدف اساسی یعنی کنترل ژنراتور میباشد. در این مقاله یک روش کنترل مقاوم در قالب کنترل مد لغزشی بهبود یافته با منطق فازی با مدل سازی دینامیک غیر خطی توربین پیشنهاد شده است که با کمک این استراتژی کنترلی ضمن دنبال کردن سرعت بهینه در شرایط مختلف آب و هوایی متوسط توان خروجی توربین بادی نیز افزایش مییابد. موثر بودن روش کنترلی در محیط MATLAB/Simulink شبیه سازی شده است که نشان دهنده عملکرد مناسب در مقایسه با الگوریتمهای کنترلی کالسیک میباشد. کلمات کلیدی: توربین بادی کنترل کننده لغزشی استخراج ماکزیمم توان منطق فازی -مقدمه کنترل ژنراتور یکی از جالبترین استراتژیها برای کنترل توربین بادی میباشد. باید توجه داشت کنترل کنندههای مذکور میتوانند خود ژنراتور یا مبدل را کنترل کنند یا به صورت کامال مکانیکی عمل کنترل را انجام دهند. در این پژوهش استراتژی کنترلی مد لغزشی بهبود یافته با منطق فازی مربوط به کنترل ژنراتور است که کنترل کننده مستقیما توان مکانیکی را کنترل میکند. در کنترل سیستم مبدل انرژی باد WECS دو نوع آرایش اصلی سرعت متغیر و سرعت ثابت استفاده میشود در نوع سرعت ثابت انرژی باد در سرعت ثابت ژنراتور به برق تبدیل میشود. این آرایش هزینه کمتری دارد ولی به دلیل راندمان کم و استرس زیاد بر تجهیزات مکانیکی و ژنراتور کمتر مورد توجه قرار گرفته Wind Energy Conversion System

2 و کنفرانس ملی مهندسی برق مجلسی 396 است و عموما تمایل به استفاده از آرایشهای سرعت متغیر به دلیل افزایش چشمگیر توان تولیدی دارند. با توجه به این که توان قابل استحصال از باد در سرعتهای مختلف باد متفاوت است این انعطاف پذیری در سرعت ژنراتور باعث میشود که بتوان همواره با کنترل سرعت مناسب ژنراتور بیشترین توان را کسب کرد. در بین روشهای کنترلی جهت به دست آوردن توان مطلوب از توربینهای بادی روش تعقیب قله توان (MPPT) 2 توانمندی خوبی در این زمینه از خود نشان داده است زیرا که بدون نیاز به دانستن سرعت باد نقطه بیشینه توان را پیدا نموده و دنبال مینماید. این روش به صورت چشم بسته سرعت را کم و زیاد میکند تا به نقطه بهینه سرعت برسد. در این روش سرعت توربین در پلههایی افزایش داده میشود چنانچه توان دریافتی از باد بیشتر شد این افزایش سرعت توربین ادامه پیدا میکند و در صورتی که با افزایش سرعت توربین توان کاهش یافت به این معنی است که از نقطه بهینه توان فاصله گرفته شده است و در نتیجه سرعت توربین کاهش داده میشود و بالعکس[ 2]. اما در عمل این روش چند مشکل و محدودیت نیز دارد. یکی از محدودیتهای کنترلMPPT اینست که در شرایطی که سرعت باد تغییرات زیادی ندارد و در محدوده چند ثانیه یا چندین دقیقه یا بیشتر سرعت باد ثابت است این روش به تغییر دادن سرعت ادامه میدهد که باعث میشود نوسانات در توان خروجی توربین ایجاد شود و استرس مکانیکی که به مجموعه ژنراتور و توربین وارد میشود نیز بیشتر گردد. این در حالی است که باید در شرایط ثابت بودن باد تغییراتی در سرعت) که بهینه شده است( ایجاد نکند. از طرفی با تغییرات نوسانی سرعت و در نتیجه توان در بخش الکتریکی نیز نوسانات ولتاژ DC و در صورت اتصال به شبکه نوسانات توان تزریقی به شبکه را خواهیم داشت که این مسأله معیارهای کیفیت توان را کاهش میدهد[ 3 ]. موضوع کاهش نوسانات توان همواره در پژوهشهای جدید مورد توجه بوده است و از مشکالت روش MPPT بیان شده است. در پژوهش پیش رو کاهش نوسانات توان از جمله نکات مهم در نطر گرفته شده در طراحی کنترل کننده میباشد. 2 -معرفی مدل و معادالت توان توربین بادی در شکل زیر شماتیک یک توربین بادی همراه با ژنراتور و گیربکس مربوطه نشان داده شده است. برای این سیستم معادله دینامیکی به صورت زیر میباشد[ 4 ]: Jω + Bω + Kθ = T m γt e J = J m +γ 2 J e, B = B m +γ 2 B e, k = k M +γ 2 K e, γ = ω e ω ) ( در روابط باال K m B m نیز ضریب تبدیل مثبت )ضریب گیربکس( است. J m به ترتیب ثابتهای اصطکاک و پیچشی توربین بادی و ژنراتور K e و B e J e و اینرسی توربین و ژنراتور و γ 2 Maximum Power Point Tracking

3 شکل) ( شماتیک توربین به همراه ژنراتور و گیربکس توان الکتریکی تولید شده توسط توربین برابر است با: P e = K Φ ω e C(I f ) ) 2( که K Φ ثابت مکانیکی ) f C(I شار موجود در سیستم مولد و I f جریان میدان ژنراتور به دست آمده از رابطهی زیر در سیستم دینامیکی میباشد. LI f + I f R f = U f p m = 2 C p(λ, β)ρπr 2 v 3 توان مکانیکی توربین نیز از رابطه زیر حاصل میشود: ) 3( که ρ چگالی هوا R شعاع روتور v سرعت باد میباشند و ضریب توان توربین بادی سرعت نوک روتور است. β زاویه پیچ)زاویه گام( توربین و λ = RW V نسبت C p (λ. β) = 0.73 ( 5 λ a λ a = λ β β β β ) e 8.4 λa ) 4 ( در نتیجه برای توان مکانیکی توربین بادی در حالت کلی داریم: P m (ω) = k w ω 3 k w = 2 C pρπr 5 λ 3 ) 5( 3 -طراحی کنترل کننده توربین بادی U f میباشد که پس از مدلسازی سیستم و بیان اصول برای توربین بادی نیاز به طراحی یک کنترل کننده برای ولتاژ میدان ژنراتور بتواند در سرعتهای مختلف باد سرعت توربین را در مقدار مطلوب )مقدار مرجع( کنترل کرده و در عین حال مقدار متوسط توان سیستم را افزایش دهد. در این کنترل کننده از مد لغزشی استفاده خواهیم کرد که وظیفه مد لغزشی به خاطر وجود عبارتهای غیرخطی و نامعینیهای موجود در پارامترهای سیستم است به طوری که در تنظیم بهره این کنترل کننده مسئله عوامل غیرخطی به منظور دستیابی به حداکثر توان در نظر گرفته شده است. در مرحله بعد به منظور تعیین متغیر حالت θ و به کارگیری آن در کنترل کننده از یک تخمینگر استفاده خواهیم کرد تا روند کنترل را بهبود دهیم. در بخش نهایی از فازی سازی به منظور تخمین استفاده خواهیم کرد. به منظور طراحی کنترل کننده برای سیستم مبدل ژنراتور ابتدا معادالت سیستم را به فرم فضای حالت بیان میکنیم. در نتیجه با در

4 نظر گرفتن متغیرهای حالت به صورت مشتق سرعت زاویهای میباشند میتوان نوشت: کنفرانس ملی مهندسی برق مجلسی 396 (x, x 2, x 3 ) = (θ, ω, ω ) به منظور طراحی کنترل کننده با توجه به معادالت فضای حالت داریم: که به ترتیب بیانگر زاویه روتور) مکان زاویه ای( سرعت زاویهای و { x = x 2 x 2 = x 3 } x 3 = B x 2 K x + k w x 2 2 γ K Φ I f u feq = k 3 (J(x 3 x 3 ) + (x 2 x 2 ) + (x x )) + B x 2 + K x k w x 2 2 ) ) 6( در حالت کلی کنترلر ترکیبی )6( از دو بخش که به ترتیب به منظور حذف بخشهای غیرخطی و پسخخور کمکی میباشخ د تشخ کیل شخخده اسخخت. این سخخیگنال کنترل که از نوع ولتاژ میباشخخد پس از گذر از بخش فیلتر مرتبه اول به منظور تبدیل به جریان میدان در ژنراتور اعمال می شود. از طرفی دیگر به منظور مقاوم سازی کنترل کننده با توجه به سطح سوئیچینگ انتخابی برای بخش لغز شی مسئله نیز خواهیم داشت: ) 7( که در نهایت برای قانون کنترلی خواهیم داشت: u fsli = k s sign(x 2 x 2 ) u f = u feq + u fsli ) 8( 4 -تخمین زاویه روتور در بلوک دیاگرام سیستم کنترل توربین بادی ژنراتور دوگانه با توجه به رابطه )3-5( نیاز به به دست آوردن دقیق زاویه روتور)مکان زاویه ای( دارد یکی از راه های متداول در به دست آوردن این زاویه استفاده از سنسور زاویه میباشد که با توجه به گران قیمت بودن این سخخنسخخور از طرفی و از طرفی دیگر قابلیت اطمینان پایین آن در اندازهگیری زاویه از معادالت مربوط به تخمین برای به دسخخت آوردن آن ا ستفاده می شود. این م سئله از یک طرف از ناپایداری جلوگیری میکند و از طرفی دیگر توان متو سط خروجی را افزایش میدهد. به این منظور در این بخش ابتدا تخمینگر مربوطه معرفی شده و سپس به منظور بهبود رفتار آن از روش فازی به منظور به دست آوردن تخمین دقیق تر استفاده میشود به این منظور میتوان بیان کرد که طبق رابطه زیر: t θ = ωdτ 0 ) 9( زاویه روتور با انتگرال سرعت زاویهای نسبت مستقیم دارد. اما چنان چه در شبیهسازی )فصل 4( نشان داده خواهد شد به دست آوردن مستقیم متغیر زاویه از سرعت زاویهای باعث به وجود آمدن ناپایداری و کاهش توان خروجی در سیستم میشود بنابراین از یک بلوک PI به منظور به دست آوردن زاویه روتور از سرعت زاویهای استفاده میشود. 5 -فازی سازی همان طور که در بخش قبل ا شاره شد به منظور به د ست آوردن متغیر زاویه از یک بلوک PI ا ستفاده شد که روابط آن را به د ست آوردیم. در این بخش به منظور بهبود رفتار سیستم کنترلی و کاهش خطای حالت ماندگار و هارمونیک سرعت زاویهای از فازی سازی بلوک PI ا ستفاده خواهیم کرد. مبنای فازی سازی بر ا ساس تغییر بهرههای کنترلر PI متنا سب با خطای سرعت زاویهای میبا شد. سرعت زاویهای سیستم براساس سیگنال کنترلی به دست آمده به شدت به متغیر زاویه وابسته میباشد به همین دلیل تخمین دقیق این مقدار میتواند سرعت زاویهای را در ردیابی سرعت مطلوب هدایت کند و متوسط توان خروجی را افزایش دهد.

5 در طراحی قانون تخمین برای سخخیسخختم مبدل توربین در نظر گرفتن تغییرات سخخرعت زاویهای مرجع و به دنبال آن خطای سخخرعت خروجی اهمیت باالیی دارد به طوری که در تغییرات سریع متغیر تخمین زاویه در دینامیک سیستم نیاز هست تا پارامتر کنترل کننده که قبال به صورت ثابت در نظر گرفته می شد با ا ستفاده از منطق فازی و برا ساس جدول )3-( تعیین شود. در این جدول ورودی منطق فازی خطای سرعت زاویهای در نظر گرفته شده و برای بیان آن از 5 تابع ع ضویت که از مقدار منفی بزرگ شروع شده و تا مقدار مثبت بزرگ میبا شد ا ستفاده شده ا ست. در بیان توابع ع ضویت از نوع مثلثی ا ستفاده شده چرا که نتایج این برر سی ن شان از موثرتر بودن این نوع تابع ع ضویت دا شته ا ست. از طرفی با آزمایش سی ستم تحت سرعتهای زاویهای مطلوب مختلف رنج تغییرات خطای خروجی در ناحیه 0/3- تا 0/ مشاهده گردیده که به عنوان برد ورودی فازی در نظر گرفته شده است. از سخویی دیگر مقدار خروجی مطلوب پارامتر کنترل کننده با توجه به پایداری مسخئله و مقدار مطلوب در بیشترین سخرعت زاویهای خروجی مورد سنجش قرار گرفته و در تنظیمات مربوط به برد خروجی فازی استفاده شده است. براساس روابط مورد نظر بین تغییرات پارامتر کنترل کننده و نحوه تغییرات خطای سرعت خروجی از مقدار مطلوب جدول )( برای منطق فازی به دست آمده است. جدول )( جدول منطق فازی Error NB NS Z PS PB Fuzzy gain T S M B BB که در آن عالئم به کار رفته به صورت جدول )2( میباشند. مفهوم منفی بزرگ منفی کوچک صفر مثبت کوچک مثبت بزرگ خیلی کوچک کوچک متوسط بزرگ بسیار بزرگ جدول) 2 ( مفاهیم منطق فازی به کار رفته عالمت NB NS Z PS PB T S M B BB 6 -نتایج و شبیهسازی در این بخش شبیهسازی های مرتبط با توربین بادی ارائه شده است. در این شبیهسازی ها سیستم حلقه باز مدلسازی شده و سپس با ترکیب یک کنترلکننده نسبت به پایدارسازی توربین بادی اقدام شده است. پس از این مرحله از منطق فازی به منظور تخمین زاویه روتور استفاده شده است که متوسط توان خروجی توربین بادی را افزایش داده و عملکرد آن را بهینهتر و پایدارتر مینماید.

6 بررسی سیستم حلقه بسته در این حالت شبیهسازی در حضور کنترلکننده ترکیبی مد لغزشی- PI به کار گرفته میشود. مشخصا در این حالت طبق روابط به دست آمده در فصل گذشته سیستم میتواند پایداری نسبی را در متغیرهای حالت خود داشته باشد. در حالت حلقه بسته ابتدا متغیر ولتاژ میدابه عنوان کنترل کننده طراحی میشود و این ولتاژ با تزریق جریان میدان سعی در ردیابی مناسب متغیر سرعت دور روتور در مقدار مرجع در شکل )2( نمودار سرعت دور روتور به همراه مقدار مرجع سینوسی مورد نظر رسم شده و نهایتا در شکل) 3 ( نمایش توان برای توربین بادی نشان داده شده است. در این شکل توان بر حسب کیلووات بیان شده است. مشخصا مقادیر نامعینی موجود در سیستم توربین بر روی توان تاثیرگذار میباشند. شکل) 2 (منحنی توان خروجی توربین بادی شکل) 3 (منحنی سرعت رتور همراه با مقدار مرجع بررسی سیستم حلقه بسته در حضور فازی در این حالت شبیهسازی در حضور کنترلکننده ترکیبی مد لغزشی- PI و در حضور منطق فازی به کار گرفته میشود. در این حالت منطق فازی به منظور بهبود رفتار کنترلکننده کالسیک PI به کار رفته است. در ادامه نتایج شبیهسازی را برای این حالت خواهیم دید. شکل) 4 ( منحنی توان خروجی توربین بادی شکل) 5 ( منحنی سرعت رتور همراه با مقدار مرجع با بررسی شکل) 4 ( میتوان به این نتیجه رسید که علیرغم کنترل و بهبود اعوجاجات با استفاده از منطق فازی در نتیجه پایداری سیستم مقدار خطای متناظر با ردیابی مسیر مرجع توسط سرعت دور روتور با خطا همراه است که این خطا در حالت ماندگار نیز ادامه

7 دارد. بررسی سیستم حلقه بسته در حضور تخمینگر فازدر این حالت شبیهسازی در حضور کنترلکننده مد لغزشی به کار گرفته میشود و در کنار آن از بخش فازی به منظور تخمین زاویه فاز سیستم استفاده میشود.. در حالت بدون کاربرد این بخش مشخصا سیستم کنترل شده دارای خطای بزرگ در سرعت دور روتور خود بود که در این حالت سعی میشود با تخمین زاویه فاز مشکالت ناپایداری عددی حاصل از استفاده مستقیم این مقدار را کمتر کرد. مشخصا در این حالت طبق روابط به دست آمده در فصل گذشته سیستم پایدار کامل است. بررسی سیستم حلقه بسته در حضور تخمینگر فازی در این حالت شبیهسازی در حضور کنترلکننده مد لغزشی به کار گرفته میشود و در کنار آن از بخش فازی به منظور تخمین زاویه فاز سیستم استفاده میشود. در حالت بدون کاربرد این بخش مشخصا سیستم کنترل شده دارای خطای بزرگ در سرعت دور روتور خود بود که در این حالت سعی میشود با تخمین زاویه فاز مشکالت ناپایداری عددی حاصل از استفاده مستقیم این مقدار را کمتر کرد. با توجه به شکلهای) 6 ( و )7( به این نتیجه میتوان رسید که در این حالت توان توربین توانسته بر روی مقدار نامی خود تثبیت شود و از طرفی اعوجاجات بر روی نمودار مرجع را نیز ندارد. شکل) 6 ( منحنی توان خروجی توربین بادی شکل) 7 ( منحنی سرعت رتور به همراه سرعت مرجع مراجع [] Iulian Munteanu Antoneta Iuliana Bratcu, Nicolaos-Antonio Cutuluis, Emil Gean, Optimal Control Of Wind Energy System Towards a Global Approach, 2008 Springer [2] Ashraf Abdel Hafeez Ahmed Mahmoud, Phd Thesis Power Conditioning Unit For Small Scale Hybrid PV-Wind Condition System, 200 [3] Jean-Yves Dieulot, Lamine Chalal, Fredric Clous, Vibration Damping MPPT Strategy For Wind Turbines Using Delayed Feedback, 8 th IFAC World Congress Milano(Italy) August 28- September 2, 20 [4] Hamed Moradi and Gholamreza Vossoughi, Roubust Control Of The Variable Speed Wind Turbines In The Presence Of Uncertainties Elsevier, 205