تحسين جودة االستطاعة الكيربائية لمعنفة الريحية باستخدام نظام التخزين بالقرص الدوار

Transcript

1 مجمة جامعة تشرين لمبحوث والد ارسات العممية _ سمسمة العموم اليندسية المجمد )37( العدد )4( 05 Tishreen University Journal for Research and Scientific Studies - Engineering Sciences Series Vol. (37) No. (4) 05 تحسين جودة االستطاعة الكيربائية لمعنفة الريحية باستخدام نظام التخزين بالقرص الدوار * الدكتورة نسمت أبو طبق الدكتورة إيمان ديالنة** رنا سعيد*** )تاريخ اإليداع.05 / 4 / 0 ق ب ل لمنشر في )05 / 8 / ممخ ص يعالج ىذا البحث مسألة تخزين الطاقة الكيربائية ميكانيكيا بالقرص الدوار في نظام توليد ريحي كيربائي. يتم التحكم بسرعة دو ارن المولدة الريحية و اآللة التحري ة التقميدي ضية ذات القرص الدوار بطريقة كيربائية باستخدام المتحكمات PID )تناسبية تكاممية - تفا ضمية( المختارة باالعتماد عمى نموذج النظام و محدداتو. يعتمد التحكم بسرعة دو ارن اآللة التحريضية عمى مبدأ توجيو الفيض المغناطيسي أو ما يسمى التحكم الشعاعي بتوجيو يتم توليد الفيض. القيم المرجعية لسرعة دو ارن العنفة الريحية بيدف مالحقة النقطة األعظمية لالستطاعة. أما السرعة المرجعية لمقرص الدوار فيتم توليدىا باالعتماد بشكل أساسي عمى مرشح من الدرجة الثانية لالستطاعة حيث يعتبر ذلك مساىمة جديدة في ىذا المجال. لم يتم نمذجة المبدالت الترددية بل اكتفينا باست ارتيجية التحكم. نتائج النمذجة و المحاكاة في برنام Matlab/Simulink مرضية من جية تنعيم االستطاعة المسممة لمشبكة و تعكس أىمية ىذا البحث. ج الكممات المفتاحية: العنفات الريحية تخزين بالقرص الدوار تحكم شعاعي. * مدرس قسم ىندسة الطاقة الكيربائية كمية اليندسة الميكانيكية و الكيربائية جامعة تشرين الالذقية سورية. ** مدرسة قسم ىندسة القوى الميكانيكية كمية اليندسة الميكانيكية و الكيربائية جامعة تشرين الالذقية سورية. *** طالبة د ارسات عميا )ماجستير( قسم ىندسة القوى الميكانيكية كمية اليندسة الميكانيكية و الكيربائية جامعة تشرين الالذقية سورية. 783

2 تحسين جودة االستطاعة الكيربائية لمعنفة الريحية باستخدام نظام التخزين بالقرص الدوار أبوطبق ديالنة سعيد مجمة جامعة تشرين لمبحوث والد ارسات العممية _ سمسمة العموم اليندسية المجمد )37( العدد )4( 05 Tishreen University Journal for Research and Scientific Studies - Engineering Sciences Series Vol. (37) No. (4) 05 Power Quality improvement of wind turbine using flywheel storage system Dr. Nesmat Abo Tabak * Dr. Imane Dilaneh ** Rana Saeed *** (Received 0 / 4 / 05. Accepted / 8 / 05) ABSTRACT This paper treats the issue of wind energy storage, mechanically, using the flywheel device. We control the speed of the wind turbine and the flywheel by means of traditional PID controllers. These controllers are designed depending on the system model and its parameters. Speed control is achieved by electromagnetic rotor flux orientation as called vector control. Speed reference value of the wind turbine will be generated in order to track the maximum power point. The flywheel reference speed is generated based on a second order filter of power which is considered as a new contribution in this field of research. Frequency converters are not modeled but we only consider the control strategy. The results of modeling and simulation in Matlab satisfy the power smoothing issue and reflect the importance of this study. Key words: Wind turbines, flywheel storage device, vector control. * Assistant Professor, Department of Electrical Power Engineering, faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Tishreen University, Lattakia, Syria. ** Assistant Professor, Department of Mechanical Power Engineering, faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Tishreen University, Lattakia, Syria. *** Postgraduate Student, Department of Mechanical Power Engineering, faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Tishreen Uuniversity, Lattakia, Syria. 784

3 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجمة جامعة تشرين العموم اليندسية المجمد )37( العدد )4( 05 مقدمة: Turbines) بسبب فقدان القدرة عمى التحكم بالريح تظير عدة مشاكل لؤلنظمة الكيربائية عند وصل العنفات الريحيةWind ) مع الشبكات الكيربائية. كالمشاكل التي تظير في جودة االستطاعة سيما من بين ىذه المشاكل تمك الناتجة بسبب تقمبات سرعة الريح القصيرة األمد Quality) (Power وفي ديناميكية النظام.(System Dynamic) لمتخمص من ىذه المشاكل في أنظمة القدرة الكيربائية فإنو من ال ضروري استخدام نظام تخزين مع العنفات الريحية ال ديزل(. في المناطق المعزولة (Isolated Areas) حيث يتم إنتاج الطاقة الكيربائية فييا عبر نظام )عنفة ريحية أىمية البحث و أىدافو: ييدف ىذا البحث إلى نمذجة و محاكاة استخدام القرص الدوار (Flywheel) من أجل تخزين طاقة الرياح و التحكم باالستطاعة الناتجة عن المولد المربوط معو. تأتي أىمية ىذا البحث في أنو يمثل مساىمة جديدة من ناحية استخدام طريقة لم ترد في الم ارجع من أجل تحديد االستطاعة المرجعية Power) (Reference المطموبة من المجموعة )عنفة ريحية - آلة ذات القرص الدوار(. تكمن أىمية استخدام القرص الدوار في تخزين طاقة الرياح في كتمة دوارة عند سرعات الريح العالية من خالل تسارعيا ومن ثم إعادة القدرة المخزنة عند انخفاض سرعة الريح. إن األق ارص الدوارة مثالية لتخزين القدرة وذلك بسبب كفاءتيا العالية و ارتفاع كثافة الطاقة المخزنة بيا. بما أن القدرة المخزنة تتناسب مع مربع سرعة القرص الدوار فإنو من الممكن قياس حالة الشحن بسيولة من خالل مقياس سرعة بسيط. تتميز ىذه األق ارص الدوارة بسرعة دو ارنيا وزمن إعادة الشحن القصير ليا الذي ىو عبارة عن عدة دقائق مما يقمل من استيالك الوقود في حال استخداميا مع بدائل )مجموعات ديزل(. كما أنيا تتمتع بمجال درجة ح اررة واسع عند العمل. إن زمن االستجابة السريع الذي تتميز بو يجعميا مناسبة لموازنة تردد الشبكة وبالتالي تنعيم التغي ارت في االستطاعة و الحمولة. تعتبر األق ارص الدوارة تكنولوجيا قابمة لمتطوير و تشكل مواد صديقة لمبيئة وذات تأثير بيئي منخفض. كما أن دورة حياتيا الطويمة - )التي قد تصل إلى حوالي 0 سنة( و أنيا ال تتطمب صيانة دورية - تميزىا عن المدخ ارت المعر ضة لحالة الشحن أو التفريغ ال ازئدين باإلضافة إلى خطورة المواد الكيميائية داخميا لذلك يجب احتواؤىا لتجنب التسرب. تطمق المدخ ارت الييدروجين واألكسجين عند شحنيا لذلك يجب وضعيا في اليواء الطمق ويجب تنظيف أط ارفيا ووصالتيا دوريا لتجنب الفاقد في الطاقة و يجب أيضا أن يضاف الماء المقطر إلييا بشكل روتيني. كما أن مجال درجة الح اررة الذي تعمل عنده محدود فأداؤىا يفسد بشكل حاد عند درجات الح اررة العالية أو المنخفضة. إن ىذه المدخ ارت غير قابمة لمصيانة وكفاءتيا تنخفض مع التقدم بالعمر وليس من السيل قياس درجة شحنيا أو التحكم بو [,]. يبين الجدول ( ( مقارنة بين طرق مختمفة لتخزين الطاقة الكيربائية [3]: 785

4 تحسين جودة االستطاعة الكيربائية لمعنفة الريحية باستخدام نظام التخزين بالقرص الدوار أبوطبق ديالنة سعيد الجدول )( مقارنة بين أىم طرق تخزين القدرة الكيربائية يقارن الجدول )( بين القرص الدوار المكثفات الفائقة السعة المدخ ارت بأنواعيا التخزين باليواء المضغوط و التخزين بالممفات الفائقة الناقمية. تتم المقارنة في عدة مجاالت منيا المردود كثافة الطاقة العمر الفني و زمن االستخدام. ط ارئق البحث ومواده: سنقوم في ىذه الد ارسة بنمذجة و محاكاة Simulating) (Modeling and نظام يتألف من عنفتين ريحيتين و آلة تحريضية ذات تخزين بالقرص الدوار في بيئة.Matlab/Simulink اليدف ىو تبيان كيفية عمل ىذا النظام و اختيار المتحكمات (Controllers) المناسبة و اختبار األداء. سنقوم بمقارنة نتائج المحاكاة بدون تخزين طاقة الرياح من جية مع النتائج بوجود التخزين بالقرص الدوار من جية أخرى حتى نبين أىمية ما توصمنا إليو. تخزين طاقة الرياح بالقرص الدوار: يمكن استخدام تخزين طاقة الرياح بالقرص الدوار FESS) (Flywheel Energy Storage System, مع مختمف أنواع المولدات الريحية و التحكم بالنظام عنفة ريحية قرص دوار بطرق عدة. ففي المرجع [4] استخدمت عنفة ريحية مربوطة مع مولد تحريضي مضاعف التغذية Generator).(Doubly Feed Induction يتم التحكم بالمولد من جانب الدوار من خالل المبدالت االلكترونية Converters) (Electronic التي تضمن العمل عمى سرعة متغيرة. تم توليد االستطاعة المرجعية المطموبة من المجموعة )عنفة ريحية قرص دوار( باستخدام المنطق الضبابي Logic).(Fuzzy أما في المرجع [5] كان نظام التوليد مؤلف من مولد ديزل - عنفة ريحية ذات سرعة ثابتة مرتبطين مع نظام تخزين بالقرص الدوار ذو آلة تحريضية ذات قفص سنجابي وتم توليد االستطاعة المرجعية المطموبة أيضا باالعتماد عمى المنطق الضبابي. في المرجع [6] حيث كان النظام مؤلف من مزرعة ريحية Farm) (Wind تعمل عمى سرعة ثابتة مقترنة مع نظام التخزين بالقرص الدوار ومن مولد ت ازمني كمنبع طاقة أساسي مقاد بمحرك ديزل فقد تم توليد االستطاعة المرجعية وفق خوارزمية تعتمد في األساس عمى مدخل وىو إشارة الخطأ بين التردد المرجعي لمجممة و التردد المقاس وييدف في النياية إلى تنظيم تردد الجممة المعزولة. تم في المرجع [6] الحصول عمى االستطاعة المرجعية عن طريق مرشح من الدرجة األولى أما في البحث الحالي فنستخدم مرشح من الدرجة الثانية. يمتاز المرشح من الدرجة الثانية عن الدرجة األولى بتتبعو إلشارة دخل تابع انحدار عمى عكس المرشح من الدرجة األولى. ولذلك أىمية حيث أن تغي ارت الريح يمكن تمثيميا بتوابع انحدار. أما في المرجع [7] فقد ثبتت االستطاعة المرجعية عمى قيمة ثابتة. في المرجع [8] تم توليد االستطاعة المرجعية اعتمادا عمى االستطاعة المطموبة لمتحكم بجيد الوصمة المستمر( Voltage.(DC Bus في المرجع [9] تم توليد االستطاعة المرجعية لمقرص الدوار باالعتماد عمى 786

5 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجمة جامعة تشرين العموم اليندسية المجمد )37( العدد )4( 05 خوارزمية حساب قابمة لمبرمجة مداخميا ىي االستطاعة المرجعية المطموبة لمشبكة و االستطاعة الناتجة عن العنفة الريحية أحد مخارج الخوارزمية ىو االستطاعة المرجعية لمقرص الدوار. تبين نتائج الد ارسة تحسين سموك النظام و نوعية الطاقة المنتجة. في المرجع [0] يتألف النظام من عنفة ريحية مربوطة مع مولد تحريضي مضاعف التغذية و نظام تخزين بالقرص الدوار تم تحديد االستطاعة المرجعية من خالل تحديد االستطاعة األيروديناميكة المرجعية و ذلك تبعا لمردود اآللة التحريضية ثنائية التغذية. مخطط توضيحي لنظام التخزين بالقرص الدوار: يوضح الشكل ( ( عنفتين ريحيتين مربوطتين عمى التوازي مع مولدة تحريضية ذات قرص عطالة دوار. اآلالت الثالثة تحريضية ذات قفص سنجابي. تتم قيادة اآلالت الثالثة بمبدالت ترددية غير مباشرة في دارة الثابت وظيفتيا التحكم بالسرعة بتغيير تردد و جيد الثابت. مبدلة ترددية غير مباشرة مولدة تحريضية ذات قفص عنفة ريحية علبة سرعة عنفة ريحية مولدة تحريضية ذات قفص شبكة علبة سرعة قرص عطالة دوار مولدة تحريضية ذات قفص الشكل )( النظام المدروس تتصل اآلالت الثالثة كيربائيا عند جية التيار المتناوب ذو التردد الثابت )الشبكة(. لم نوضح في الشكل ( ( دا ارت التحكم و القيادة لممبدالت الترددية ألننا نركز في د ارستنا عمى است ارتيجية التحكم باالستطاعة و السرعة و ليس عمى التحكم بالمبدالت الترددية. يوجد لدينا تحكم بالسرعة اللتقاط االستطاعة األعظمية (Maximum Power Tracking) من الريح و تحكم ب ازوية الموضع لمشف ارت Control) (Pitch لتثبيت استطاعة خرج العنفات الريحية عمى القيمة االسمية عند ازدياد سرعة الريح عن قيمتيا االسمية. أما بالنسبة لآللة ذات القرص فمدييا نظام مالحقة لمسرعة المرجعية المعطاة ليا من أجل تنعيم االستطاعة المسممة لمشبكة. نوضح في الشكل ( ( مخطط المحاكاة باستخدام بيئة MATLAB/Simulink الذي يحاكي النظام المبين في الشكل )(. تتعرض كل عنفة ريحية لسرعة رياح متغيرة وىذا يحاكي توضع جغ ارفي مختمف ليما. يتضمن مخطط المحاكاة في الشكل )( باإلضافة لمنماذج مخططات التحكم بحمقة مغمقة لالستطاعة والسرعة و ازوية الموضع و طرق توليد القيم المرجعية. نعرض فيما يمي تفاصيل النماذج و مخططات التحكم بحمقة مغمقة. 787

6 تحسين جودة االستطاعة الكيربائية لمعنفة الريحية باستخدام نظام التخزين بالقرص الدوار أبوطبق ديالنة سعيد Wr Wrref Wref Wr [t] V_wind wind Ps Cmec Wind turbine Cmec Ps Asynchronous generator t [t] Clock To Time Wr Wrref Wref Wr [t] V_wind wind Ps Cmec Wind turbine Cmec Ps Asynchronous generator Ps Wref Pgrid filter Pwind s +.4s+ Wref Preg Subsystem Wref Ps Asynchronous Machine flyweel Preg نموذج العنفة الريحية: الشكل )( مخطط المحاكاة لمنظام المدروس يبين الشكل )3( نموذج العنفة الريحية المستخدم في المحاكاة حيث أن مداخل نموذج العنفة ىي : سرعة الريح.Beta_ref تتألف مخارج نموذج العنفة من: العزم v السرعة الميكانيكية ω turbine ازوية ميل الشف ارت الميكانيكي Caer االستطاعة الميكانيكية Pt معامل االستطاعة λ. نسبة السرعة الطرفية C p يبين الشكل )3( المخطط الصندوقي المفصل لنموذج العنفة الريحية: wind speed (u[]/(u[])) mecanical torque Caer V no division by zero (0.5*ro*pi*R^*u[]^3) kinetic power Product mecanical power Pt 3 Cp Power Coefficient mecanical speed W turbine (R*u[])/(u[]) 4 lambda Cp=f(Lambda,Beta) f(u) 5 3 Beta_ref /0. s Beta Pitch Angle Limite servo motor model الشكل )3( نموذج العنفة الريحية 788

7 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجمة جامعة تشرين العموم اليندسية المجمد )37( العدد )4( 05 فقط حيث يتم إىمال االحتكاك و االلتواء أما عمبة السرعة box) :(gear تمثل بنسبة المسننات G العطالة فتجمع مع العطالة الكمية لمعنفة الريحية و المولد مأخوذ بعين االعتبار نسبة المسننات. فيكون نموذج العنفة الريحية و توليد القيم المرجعية لمسرعة و ازوية الشف ارت كما يمي: Lambopt Lambda cp max Lambda optimal <=> (Cp max) V W turbine ref G limit Wrref nominal wind speed= (m/s) 7.8 Geer box Geer box Cmec /G W turbine Caer /G Cmec [Wind_] Wr Pt Pt Wind V Cp Cp V_wind lambda Lambda Pelecn Negative Kpp*Tip.s+Kpp Tip.s correcteur ( PI ) Beta Limites sur beta Beta_ref Beta Wind Turbine Beta Beta4 0 Selcteur [Wind_] 3 Ps Selcteur Pelecn يتضمن النموذج المبين في الشكل ( 4( العالقات الالزمة لمحصول عمى العزم الميكانيكي من االستطاعة الميكانيكية عمى المحور التي تمثل بدورىا جزءا من االستطاعة الحركية الممتقطة عمى مساحة الدائرة المرسومة بالشف ارت الدو ارة. تحدد قيمة معامل االستطاعة االستطاعة الكمية الممتقطة من الريح عمى الشف ارت. نسعى لجعل قيمة (Power Coefficient) Cp مقدار االستطاعة المفيدة المستجرة من Cp أعظمية عن طريق التحكم بسرعة دو ارن جممة )العنفة- مولد( عندما تكون سرعة الريح أقل من قيمتيا االسمية. أما عندما تتجاوز سرعة الريح قيمتيا االسمية فنتحكم ب ازوية ميل الشف ارت لتخفيض معامل االستطاعة االسمية و منعيا من تجاوزىا. نموذج المحرك الخطوي Cp. 0.s صندوق توليد السرعة المرجعية: و تثبيت حسب الشكل )5( يتم توليد السرعة المرجعية w ref و بالتالي الحد من استطاعة الخرج عمى قيمتيا Motor) (Step ىو عبارة عن تابع نقل من الدرجة األولى من قياس سرعة الريح v و معرفة نصف قطر العنفة R max باالعتماد عمى العالقة :)( w maxv ref () R (u[])*u[]/r Fcn الشكل) 4 ( العنفة الريحية و توليد القيم المرجعية لمسرعة و ازوية الشف ارت و عمبة السرعة W turbine ref الشكل )5( توليد السرعة المرجعية Lambda cp max V 789

8 تحسين جودة االستطاعة الكيربائية لمعنفة الريحية باستخدام نظام التخزين بالقرص الدوار أبوطبق ديالنة سعيد معامل االستطاعة: مع ازوية الشف ارت و نسبة السرعة حيث يوضح الشكل )6( منحنيات خواص معامل االستطاعة Cp تتميز كل عنفة ريحية بخواص مميزة مختمفة و يمكن حساب (β C p,λ) من العالقة التالية []: C p (λ, β) = C.( C C3. β C4). e C5 λ i + C6.λ λ i i λ i = λ+0.08β β 3 + )( )3( سوف ترد قيم الثوابت في الممحق. الشكل )6( منحنيات خواص معامل االستطاعة و ازوية الشف ارت و نسبة السرعة أي عند 0 C p max نالحظ أن القيمة األعظمية لالستطاعة يمكن الحصول عمييا عند الموافقين ل 790. Cp كمما ازدت انخفضت قيمة ازوية ميل الشف ارت: يتم التحكم ب ازوية ميل الشف ارت β بواسطة متحكم PI )تناسبي-تكاممي( بحمقة مغمقة بعد مقارنة استطاعة الخرج max optimal مع االستطاعة االسمية كما في الشكل ( 4(. ييدف ىذا التحكم إلى الحد من االستطاعة المسحوبة من الريح بالتالي تثبيت استطاعة الخرج الكيربائية عمى قيمتيا االسمية. اآللة التحريضية و حمقات التحكم: تم نمذجة اآللة التحريضية بناء عمى معادالت بارك التالية كما ورد في المرجع []: v ds = R s i ds + d dt φ ds - ω s φ qs (4) v qs = R s i qs + d dt φ qs+ ω s φ ds (5) v dr =R ri dr + d dt φ dr ( ω s - ω r )φ qr =0 (6) v qr = R r i qr + d dt φ qr +( ω s - ω r )φ dr =0 (7) φ ds = L s i ds + L mi dr (8) φ qs = L s i qs +L mi qr (9) φ dr =L r i dr +L mi ds (0) φ qr =L r i qr + L mi qs () C em = P L m L r (φ rd i qs - φ rq i ds ) ()

9 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجمة جامعة تشرين العموم اليندسية المجمد )37( العدد )4( 05.q d مركبتي جيد الدائر عمى المحورين v qr v dr.q d حيث: v qs v ds مركبتي جيد الثابت عمى المحورين φ qr φ dr مركبتي فيض الدائر عمى المحورين.q d مركبتي فيض الثابت عمى المحورين φ qs φ ds.q d.q d مركبتي تيار الثابت عمى المحورين i qs i ds.q d مركبتي تيار الدائر عمى المحورين i qr i dr C em العزم ضة الدائر و الثابت عمى التتالي. L m المحار ضة المتبادلة. L s L r محار الكيرومغناطيسي. R r R s مقاومة الطور لمثابت والدائر عمى التتالي. ω s التردد ال ازوي لمساحة المغناطيسية الدوارة. ω r التردد ال ازوي لتيار الدائر. P عدد أزواج أقطاب اآللة التحريضية. يمثل الشكل )7( نموذج بارك لآللة التحريضية بناء عمى المعادالت السابقة حيث تقاس مركبتي التيار الثابت ثم يتم فصميما في صندوق الفصل. يتم توليد مركبتي جيد الثابت من مركبتي جيد إحداىما من بموك الفصل و األخرى. تتم ىي خرج المتحكم PI لمتيار. يتم توليد القيم المرجعية لمتيا ارت من متحكمين أحدىما لمفيض و اآلخر لمعزم التغذية العكسية (Feedback) بتخمين العزم الديناميكي Estimation) (Torque باستخدام مخمن عزم بحمقة مغمقة. يولد العزم المرجعي باستخدام متحكم PI لمسرعة. Decoupling box Femd Femq Isd Isq ws wsl wr Phirdn ( PI) Phird Kpf*Tif.s+Kpf Tif.s ( PI) Isd Kp*Ti.s+Kp Ti.s Vsd Vsq Vsd Isd Isd Wref Kpn*Tin.s+Kpn Tin.s PI speed Kpc*Tic.s+Kpc Tic.s ( PI ) Torque Kp*Ti.s+Kp Ti.s ( PI ) Isq Ws Vsq Isq Isq ws Ps Ps Vrd Kpe*Tie.s+Kpe Tie.s /Jn s 0 Vrq Phir Ps Phir PI est p wr Cem Te IG Wr Wr (rad/sec) Wr s /Jn Cmec الشكل )7( اآللة التحريضية و حمقات التحكم 79

10 تحسين جودة االستطاعة الكيربائية لمعنفة الريحية باستخدام نظام التخزين بالقرص الدوار أبوطبق ديالنة سعيد المتحكمات : PI تم اختيار المتحكمات بطريقة تعويض األقطاب Placement) (Pole لمحصول عمى سموك ديناميكي مرغوب لمحمقة المغمقة بعد تبسيط توابع نقل الحمقة المفتوحة. ن ارعي في اختيار المتحكمات )اختيار الثوابت( أن تكون الحمقات الداخمية في نظام الحمقات المتعاقبة أسرع في االستجابة من الحمقات الخارجية. صندوق الفصل :[] decoupling box يستخدم ىذا الصندوق لفصل مركبتي التيار في الثابت I, I sd sq مركبة تيار عمى. اليدف النيائي ىو التحكم بالفيض عن طريق يتألف خرج الصندوق من إشارتين المغناطيسية الدوارة و لمدائر. حيث المحارضة التسربية. I sd عن بعضيما البعض بحيث يتم التحكم بكل حدى و التحكم بالعزم أو السرعة عن طريق. I sq F, emd F emq و ω sl = ω s - ω r و ىو الفرق بين الترددين ال ازويين لمساحة T r = L r R r = mr I تيار التمغنط I sd +T r.s تتضمن صناديق التوابع fcn في الشكل )8( العالقات الرياضية التالية: الثابت الزمني لممفات الدائر L f F emd = ω s. L f. I sq +R r. I mr (3) F em q = ω s. L f. I sd ω r. L m.i mr (4) ω sl = I sq (5) T r I mr Isd -K- s Imr Isq 3 ws Isq ws f(u) Fcn Femd ws Imr 4 wr wr Isd f(u) Fcn Femq Isq Imr الشكل )8( نموذج الفصل f(u) Fcn3 3 wsl اآللة التحريضية مع القرص الدوار: تمتمك اآللة التحريضية ذات القرص الدوار النموذج السابق في الشكل )7( نفسو مع عدم وجود حمل ميكانيكي. بالتالي تقوم اآللة بتدوير عطالة القرص الدوار الشكل ( 9(. يتم التحكم باآللة التحريضية كما في اآللتين السابقتين عبر حمقات تحكم تعاقبية كما في الشكل )9( ضمن إست ارتيجية التحكم الشعاعي Control) (Vector بتوجيو الفيض. يكمن االختالف في متحكم السرعة حيث تم استخدام متحكم PID من أجل سموك حمقة مغمقة من الدرجة الثالثة بالنسبة لمسرعة. اليدف من اختيار ىذا السموك ىو مالحقة مرجع لمسرعة خطوة واحدية Function) (Unite Step تابع 79

11 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجمة جامعة تشرين العموم اليندسية المجمد )37( العدد )4( 05.(Parabola) انحدار (Ramp) و قطع مكافئ فيما يخص العزم تم استخدام مخمن عزم بحمقة مغمقة و يمكن االستغناء عنو بالتحكم بالسرعة مباشرة من طريق التيار I sq توليد السرعة المرجعية : باختيار المتحكم المناسب. يتم توليد السرعة المرجعية باالعتماد عمى العالقات التالية كما في المرجع [4]: (6) dt P st E FW = P st. االستطاعة الميكانيكة لمقرص الدوار. E FW الطاقة الميكانيكية المختزنة في القرص الدوار. E FW = J FWw ref (7) = ref J FW w عطالة القرص الدوار w ref السرعة المرجعية. E FW J FW (8) يوضح الشكل )0( المخطط الصندوقي لتوليد السرعة المرجعية حسب المعادلة )8(. Decoupling box Isd Femd Isq Femq ws wsl wr Phirdn ( PI) Phird Kpf*Tif.s+Kpf Tif.s ( PI) Isd Kp*Ti.s+Kp Ti.s Vsd Vsd Isd Isd Wref Kpl*Til*Tdl.s +Kpl*Til.s+Kpl Til.s ( PID ) speed du/dt Derivative Kpc*Tic.s+Kpc Tic.s ( PI ) Torque Kp*Ti.s+Kp Ti.s ( PI ) Isq Vsq Vsq Isq Isq ws Torque Estimation Ws Vrd Ps Ps Kpe*Tie.s+Kpe Tie.s PI est /Jn s 0 Vrq Phir Ps Phir p wr Cem Te IG Wr Wr (rad/sec) s /(Jn) الشكل )9( نموذج اآللة ذات القرص و حمقات التحكم Pwind Preg s sqrt(*u[]*/(jn)) Fcn Wref توليد استطاعة التنظيم الشكل )0( توليد السرعة المرجعية : P reg تم اختيار مرشح ت ابع نقمو من الدرجة الثانية انظر الشكل ( ( ألن خرجو يالحق دخل تابع انحدار بخطأ حالة مستقرة و بالتالي يقوم بتنعيم االستطاعة القادمة من العنفة الريحية. بمعنى آخر يمنع اإلشا ارت ذات التردد العالي Pwind filter s +.4s+ 793 Preg من المرور و الظيور في خرجو. الشكل )( مرشح استطاعة الخرج لمعنفات الريحية

12 تحسين جودة االستطاعة الكيربائية لمعنفة الريحية باستخدام نظام التخزين بالقرص الدوار أبوطبق ديالنة سعيد إن ميزة استخدام مرشح من الدرجة الثانية عن الدرجة األولى ىي أن المرشح من الدرجة األولى ال يالحق دخل تابع انحدار و بالتالي ال يناسب ذلك تغي ارت افت ارضية لمريح عمى شكل تابع انحدار. تخمين العزم الديناميكي: إن العزم الديناميكي ىو دخل و ليس متحول حالة لذلك ال يمكن استخدام م ارقب حالة (Observer) لمحصول عميو لذلك قمنا باستخدام المخمن كما في الشكل ( (. يتألف المخمن من نظام مكامل ثابت التكامل لو يعادل عطالة األج ازء الدوارة و متحكم بو بواسطة متحكم تناسبي تكاممي. يتم اختيار المتحكم من أجل ثابت زمني لمحمقة المغمقة لممخمن أقل من الثابت الزمني لمحمقة المغمقة لمسرعة. بالتالي بديييا يكافئ خرج المتحكم إشارة العزم الديناميكي المطموب عندما تكون إشارة الدخل ىي السرعة المقاسة. النتائج و المناقشة: الشكل )( مخمن العزم الديناميكي ( من أجل سرعتين مختمفتين لمريح لمعنفتين و آلة يتم في ىذه الفقرة محاكاة عمل النظام المبين في الشكل ( تتم الد ارسة خالل مدة زمنية قدرىا 60 ثانية. ذات قرص دوار ليا نفس مواصفات العنفة الريحية. تغير سرعة الريح: أعمى و تغير سرعة الريح لمعنفة (m/s) و أسفل السرعة االسمية و قدرىا أسفل السرعة االسمية كما ىو لمعنفة موضح في الشكل )3(. الشكل )3( تغير سرعة الريح 794

13 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجمة جامعة تشرين العموم اليندسية المجمد )37( العدد )4( 05 تغير قيمة معامل االستطاعة: يظير الشكل ( 4( كيفية تغير قيمة معامل االستطاعة مع الزمن مع تغير سرعة الريح. يالحظ أن معامل استطاعة العنفة يبقى عمى قيمتو العظمى ألن سرعة الريح أقل من السرعة االسمية و يؤمن التحكم الكيربائي بالسرعة ىذا النمط في التشغيل لمحصول عمى االستطاعة العظمى )أمثمة االستطاعة(. الشكل )4( معامل االستطاعة أما بالنسبة لمعنفة الثانية فتتأرجح قيمة المعامل بين القيمة العظمى عند سرعة رياح أقل من االسمية و قيم أقل من العظمى عند سرعة رياح أعمى من االسمية. يعود ىذا النمط من السموك لمتحكم ب ازوية ميل الشف ارت و ىو تحكم ميكانيكي ىدفو تخفيض االستطاعة عندما تتجاوز قيمتيا االسمية وجعميا قريبة من االسمية. يبدو ىذا واضحا في الشكل )5(. تغير ازوية ميل الشف ارت: بالنسبة لمعنفة ال تتغير قيمة ازوية ميل الشف ارت بل ىي ثابتة عمى الصفر. بالنسبة لمعنفة تتغير ازوية ميل الشف ارت بيدف الحد من استطاعة الخرج عمى قيمتيا االسمية عند ازدياد سرعة الريح عن قيمتيا االسمية كما يبين الشكل )5(. الشكل )5( تغير ازوية ميل الشف ارت 795

14 تحسين جودة االستطاعة الكيربائية لمعنفة الريحية باستخدام نظام التخزين بالقرص الدوار أبوطبق ديالنة سعيد تغير االستطاعة الكيربائية: يوضح الشكل ( 6( تغير االستطاعة الكيربائية لمعنفة و لمعنفة و محصمة االستطاعة المنتجة من الريح. نالحظ التذبذب الكبير في االستطاعة الكيربائية و يعود ذلك لمتذبذب في سرعة الرياح و لمحاالت العابرة الناتجة عن التحكم. الشكل )6( تغير االستطاعة الكيربائية يوجد ليذه التذبذبات و التغي ارت الفجائية السريعة أث ار سمبيا عمى الشبكة خاصة في الشبكات الضعيفة المعزولة حيث تؤثر مباشرة عمى استق اررىا. يؤثر التذبذب أيضا عمى نوعية و جودة الطاقة المسممة لممستيمك لذلك يفضل تنعيم ىذه االستطاعة. يتم التنعيم عبر استخدام التخزين بالقرص الدوار حيث يستفيد القرص الدوار من زيادة االستطاعة لزيادة سرعتو وعندىا تتحول الطاقة إلى طاقة كامنة يمكن استعادتيا عند نقصان االستطاعة القادمة من العنفة الريحية. تغير االستطاعة الكيربائية لممولدة ذات القرص: يالحظ من الشكل ( 7( أن االستطاعة عمى خرج اآللة تتأرجح حول الصفر موجبة )استيالك( سالبة )توليد(. يتبع ذلك لسرعة الريح أي لقيمة الفرق بين استطاعة الخرج لمعنفات الريحية و إشارة االستطاعة المرجعية المقدمة من مرشح االستطاعة. الشكل )7( تغير استطاعة اآللة ذات القرص 796

15 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجمة جامعة تشرين العموم اليندسية المجمد )37( العدد )4( 05 سرعة القرص: يوضح الشكل )8( تغير سرعة القرص الدوار ألجل تمبية االستطاعة المرجعية. يالحظ أن السرعة تزداد )اآللة تعمل كمحرك( و تنقص )اآللة تعمل كمولد( و يبقى القرص في حالة دو ارن. كما نالحظ أن السرعة و ىي خرج لآللة تتبع السرعة المرجعية بشكل مرضي جدا و تقريبا بدون خطأ حالة مستقرة و يعود ذلك لمتصميم المناسب لممتحكمات. الشكل )8( تغير السرعة الميكانيكية لمقرص تغير سرعة القرص بالنسبة لسرعة الساحة المغناطيسية: اليدف ىنا ىو إظيار الفرق بين سرعة الساحة المغناطيسية )بالخط المنقط( و سرعة الدو ارن الكيربائية لمدائر )بالخط المستمر(. تؤكد المقارنة في الشكمين ( 9( و ( 0( عمل اآللة في نمط التوليد عند التباطؤ )سرعة الدو ارن أكبر من سرعة الساحة( و في نمط التحريك عند التسارع )سرعة الدو ارن أقل من سرعة الساحة(. الشكل )9( تغير سرعة الدو ارن الكيربائية الشكل ( 0( تكبير عن الشكل )9( 797

16 تحسين جودة االستطاعة الكيربائية لمعنفة الريحية باستخدام نظام التخزين بالقرص الدوار أبوطبق ديالنة سعيد مقارنة بين االستطاعة المرسمة لمشبكة و االستطاعة المنتجة من الريح: يوضح الشكل ( ( مقارنة بين مجموع االستطاعة الكيربائية المتولدة من العنفات الريحية )متذبذبة( و االستطاعة الكيربائية المرسمة لمشبكة )أقل تذبذبا ( و ىو اليدف المطموب. يبين الشكل ( ( أن االستطاعة المرسمة لمشبكة أكثر نعومة ألنيا مجموع استطاعة العنفات الريحية و استطاعة التخزين بالقرص الدوار. الشكل )( االستطاعة المرسمة لمشبكة و االستطاعة المنتجة من الريح قام التخزين إذن بامتصاص االستطاعة ال ازئدة و بتعويض الناقصة باالعتماد عمى االستطاعة المرجعية )استطاعة التنظيم.) P reg المقارنة بين استطاعة المرسمة لمشبكة و استطاعة التنظيم: اليدف من ىذه المقارنة تبيان جودة التحكم باآللة ذات القرص حيث تعطي عمى خرجيا تقريبا قيمة االستطاعة المرجعية المطموبة منيا. يوضح الشكالن )( و )3( النتيجة المذكورة. الشكل )( تغير االستطاعة المرسمة لمشبكة الشكل ( 3( تكبير لمشكل )( يالحظ وجود بعض التذبذب في استطاعة الخرج بالمقارنة مع القيمة المرجعية. يعزى ىذا األمر إلى التغير الفجائي السريع لسرعة الريح )االستطاعة( و قدرة المتحكمات عمى االستجابة حسب ثوابتيا الزمنية. يعود ذلك أيضا إلى درجة سموكيا الديناميكي و إلى دقة التقريب لنموذج النظام عند تصميم المتحكمات. 798

17 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجمة جامعة تشرين العموم اليندسية المجمد )37( العدد )4( 05 االستنتاجات و التوصيات: تم في ىذا البحث معالجة النمذجة و المحاكاة لنظام ريحي مع تخزين بالقرص الدوار. تم اختيار المتحكمات المناسبة من أجل تأمين تشغيل مقبول لمجممة ككل. تبين من خالل النتائج أن الجممة تعمل بشكل جيد و أن االستطاعة المسممة إلى الشبكة أصبحت أكثر نعومة مقارنة مع خرج العنفات الريحية المتذبذب. يمكن فيما يمي من د ارسات مقارنة نتائج التحكم عن طريق الثابت )التغذية في الثابت( و عن طريق الدائر )لممولدات مضاعفة التغذية( لتبيان ميزة أحدييما عن األخرى. كما يمكن تطوير النموذج ليشمل طرق أخرى في التخزين مثل المدخ ارت و مولدات أخرى كالديزل و الخاليا الكيرضوئية. يمكن أيضا استخدام طرق أخرى في التحكم كالتحكم الضبابي و الشبكات العصبونية و مقارنة النتائج مع ما ورد في ىذا البحث. فقط. المعطيات: اآلالت التحريضية متماثمة و معطياتيا افت ارضية و ال تعبر عن حقيقة واقعية و ىي مستخدمة من أجل المحاكاة R r مقاومة الدائر R s 3 L r H 3 مقاومة الثابت p 3 L s.80 عدد أزواج األقطاب H محارضة الثابت محارضة التسرب محارضة الدائر المحارضة المتبادلة 5 P mec Watt االستطاعة الميكانيكية L f L L s r 3 L m.6 0 Nr 55 التردد االسمي fn 50 Hz نسبة عمبة السرعة G 3 نصف قطر السرعة االسمية rpm m kg J 50kg. عطالة اآللة m. سرعة الريح االسمية العنفة R 4m كثافة اليواء 3 s m kg. m :) C p f 0.36 ثوابت العنفة لحساب ( معامل االحتكاك s [Watt] c 0.509, c 6, c3 0.4, c4 5, c5, c C pmax optimal النقطة األعظمية لممنحني 8. C p ىي نقطة التوازن نمط مولد تحكم بتوجيو الفيض بالثابت حالة : IG [Watt] االستطاعة الميكانيكية االستطاعة الكيربائية العزم االسمي [N.m] الفيض االسمي [web].786 تيار الثابت [A] I s = [A] I sd = [A] I sq = I rd = [A] التيار الفعال [A] I eff = تيار الدائر [A] I rq = جيد الثابت [V] V s = [V] V sd = [V] V sq = جيد الطور الفعال [V] V eff = [rd/s] المردود السرعة االسمية الثوابت الزمنية لحمقات التحكم: سموك من الدرجة األولى لمحمقة المغمقة H 799

18 تحسين جودة االستطاعة الكيربائية لمعنفة الريحية باستخدام نظام التخزين بالقرص الدوار أبوطبق ديالنة سعيد حمقة التيار[ s ] T 0 = حمقة العزم [s] T 0c = حمقة ازوية ميل الشف ارت [s] T 0a = حمقة الفيض [s] T 0f = حمقة السرعة [s] T 0n = حمقة مخمن العزم [s] T 0e = تفاضمي Td المتحكم/الثابت الجدول )( ثوابت المتحكمات حالة IG تكاممي Ti تناسبي Kp متحكم التيار PI متحكم الفيض PI متحكم العزم PI PI متحكم السرعة PI متحكم السرعة PI متحكم ال ازوية PI مخمن العزم متحكم السرعة لمقرص PID نالحظ من الجدول وجود قيم كبيرة و صغيرة لمربح و الثوابت الزمنية إال أنو يمكن تحقيقيا باستخدام التحكم الرقمي. الم ارجع: []- LIU, H.; JIANG J. Flywheel Energy Storage An Upswing Technology for Energy Sustainability. Energy and Buildings 39, 007, []- BOLUND, B; BERNHOFF, H; LEIJON, M. Flywheel Energy and Power Storage Systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 007, [3]- JIAN, L. Operation of a Wind Turbine-Flywheel Energy Storage System under Conditions of Stochastic Change of Wind Energy. The Scientific World Journal Volume 04, ID , 6 pages. [4]- JERRI, L.; KRICHEN, L.; OUALI,A. A Fuzzy Logic Supervisor for Active and Reactive Power Control of a Variable Speed Wind Energy Conversion System Associated to a Flywheel Storage System. Electric Power Systems Research 79, 009, [5]- ECLERCQ, L.; ROBYNS, B.; GRAVE, J. M. Control Based on Fuzzy Logic of a Flywheel Energy Storage System Associated with Wind and Diesel Generators. Mathematics and Computers in Simulation 63, 003, [6]- TAKAHASHI,R. Frequency Control of Isolated Power System with Wind Farm by Using Flywheel Energy Storage System. From Turbine to Wind Farms - Technical Requirements and Spin-Off Products, In Tech, April, 0, [7]- GHEDAMSI, K.; AOUZELLAG, D.; BERKOUK,E. M. Control of Wind Generator Associated to a Flywheel Energy Storage System. Renewable Energy 33, 008,

19 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجمة جامعة تشرين العموم اليندسية المجمد )37( العدد )4( 05 [8]- REKIOUA, D.; REKIOUA, T.; IDJDARENE, K.; TOUNZI, A. Control of a Wind Energy Conversion System Associated to a Flywheel Energy Storage System. sociated_to_a_flywheel_energy_storage_system.5/0/0. [9]- YOUNSI, S.; JRAIDI,M.; HAMROUNI,N.; CHERIF,A. Modelling and Control of Hybrid Renewable Energy System Connected to AC Grid. International Journal on Computer Science and Engineering (IJCSE) Vol. 3 No., December 0, [0]- TARAFT. S; REKIOUA.D; AOUZELLAG. D. Wind Power Control System Associated to the Flywheel Energy Storage System Connected to the Grid. Energy Procedia 36, 03, []- RAMESHBABU, N.; ARULMOZHIVARMAN, P. Wind Energy Conversion Systems - a Technical Review. Journal of Engineering Science and Technology Vol. 8, No. 4, 03, []- RETIF, J.M. Commande Vectorielle des Machines Asynchrones et Synchrones. Cours Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, France, 008,