کنترل تطبیقی زاویه پره توربین بادی برای تنظیم توان استحصالی ...

 

فهرست مطالب:

فصل اول: مقدمه ای بر انرژیهای نو، طرح مساله و پیشینه تحقیق....1

1- 1 مقدمه..... 2

1- 2 طرح مساله...... 3

1-3 پیشینه تحقیق........7

1-3- 1 روشهای مبتنی بر PID تطبیقی..... 10

1-3-2 روشهای تطبیقی غیرخطی...... 12

1-3- 3روشهای تطبیقی هوشمند....................................................................................................................13

1-3-4 روشهای تطبیقی کلاسیک................................................................................................................... 16

فصل دوم: ساختار توربین باد...................................................................................................................... 19

2-1 مقدمه ای بر انرژی باد............................................................................................................................... 20

2-2 اجزای توربین باد......................................................................................................................................... 22

2-3 مبدل AC به DC..................................................................................................................................... 25

2-4 تکنولوژی ساخت.......................................................................................................................................... 26

2-5 عملکرد کلی توربین باد ..............................................................................................................................30

فصل سوم: مدلسازی، روابط ریاضی و معرفی سیستم.........................................................................33

3-1 مقدمه............................................................................................................................................................. 34

3-2 مدل آیرودینامیک پره ................................................................................................................................34

3-3 ردیابی حداکثر توان......................................................................................................................................37

3-4 نواحی کاری توربین و اهداف کنترلی آن ...............................................................................................39

3-5 مدل ریاضی ژنراتور................................................................................................................................ 40

3-6 کنترل توان در ژنراتورهای مغناطیس دایم ...................................................................................... 42

3-7 زاویه پره.................................................................................................................................................... 44

3-8 مکانیزم عملگر زاویه پره......................................................................................................................... 46

3-9 زاویه پره در راه اندازی............................................................................................................................49

3-10 معرفی سیستم موجود..........................................................................................................................50

فصل چهارم:طراحی کنترل کننده پیشنهادی.................................................................................. 55

4-1 مقدمه .........................................................................................................................................................56

4-2 شناسایی سیستم بصورت پیوسته..........................................................................................................56

4-2-1 تحریک پایا توسط سیگنال ورودی................................................................................................. 66

4-2-2 شناسایی در حلقه بسته..................................................................................................................... 68

4-3 طراحی و پیاده سازی کنترل کننده به صورت پیوسته.....................................................................70

4-3-1 نتایج شبیه سازی به صورت پیوسته ...............................................................................................75

4-4 طراحی شناساگر و کنترلگر به صورت گسسته..................................................................................79

4-4-1 نتایج شبیه سازی به صورت گسسته................................................................................................81

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات.................................................................................................. 87

5-1 نتیجه گیری ................................................................................................................................................88

5-2 پیشنهادات................................................................................................................................................... 90

منابع و مراجع ...................................................................................................................................................93

فهرست اشکال:

شکل1-1 نواحی کاری توربین باد…………………………………………….………………..4

شکل 1- 2 کنترل زاویه بر اساس فیدبک سرعت باد…………………………………………….7

شکل 1- 3 زاویه گام بر حسب سرعت باد ...................................................................................8

شکل 1- 4 کنترل زاویه بر اساس فیدبک سرعت ژنراتور………………..……………………….. 8

شکل 1- 5 کنترل زاویه بر اساس فیدبک توان ژنراتور……………………….…………………. 9

شکل 2- 1 نمودار رشد تولید برق توسط توربین باد تا سال 2009 ………...………………….…22

شکل 2- 2 توربین بادی محور افقی و محور عمودی….………………………………………..23

شکل 2- 3 ساختار شماتیک یک توربین باد………………………….………….……………..25

شکل 2- 4 مدار معادل مبدل.................................................................................................................................26

شکل 2- 5 نقطه کار ژنراتور دور ثابت(1) و دور متغیر(2) ..............................................................................27

شکل 2- 6 ارتباط یک توربین بادی دور متغیر از طریق مبدلها با شبکه ....................................................29

شکل 3- 1 یک نمونه منحنی ضریب توان Cp برحسب λ و β.............................................. 35

شکل 3- 2 نمایش دیگری از منحنی ضریب توان برای یک نمونه توربین.....................................................36

شکل 3- 3 منحنی توان بر حسب سرعت باد در دو حالت ایده آل و عملی...................................................37

شکل 3- 4 مشخصه توان مکانیکی توربین به صورت تابعی از سرعت دوران پره ها.....................................38

شکل 3- 5 نواحی کاری توربین بادی.................................................................................................................... 39

شکل 3- 6 ساختار کنترل FOC .............................................................................................................................43

شکل 3- 7 حلقه های کنترلی محور d و q.......................................................................................................... 44

شکل 3- 8 تغییرات زاویه پره.................................................................................................................................. 45

شکل 3- 9 مکانیزم تنظیم پره ها با عملگر هیدورلیکی....................................................................................47

شکل 3- 10 مکانیزم تنظیم زاویه پره ها با عملگر الکتریکی...........................................................................47

شکل 3- 11 مدل دیاگرام بلوکی عملگر زاویه گام هیدرولیکی ......................................................................48

شکل 3- 12 مدل کلی دیاگرام بلوکی عملگر پره از نوع الکتریکی ................................................................48

شکل 3- 13 مجموعه توربین بادی، ژنراتور و مبدل مرتبط با شبکه..............................................................50

شکل 3- 14 منحنی توان توربین بر حسب VDC مختلف و منحنی MPPT ............................................51

شکل 4- 1 انجام آزمون ورودی خروجی برای به دست آوردن ساختارهای شناسایی................................59

شکل 4- 2 تابع تبدیلهای تخمین زده شده برای سیستم............................................................................... 60

شکل 4- 3 استفاده از فیلتر پایدار برای رگرسورها در حالت شناسایی پیوسته........................................... 63

شکل 4- 4 سیگنالهای سرعت توربین، زاویه پره و سرعت باد....................................................................... 67

شکل 4- 5 پارامترهای شناسایی شده به ترتیب a ، b ، k₁و k_{2 ................................................................................................} 69

شکل 4- 6 شماتیک دیاگرام رگولاتور خود تنظیم..............................................................................................74

شکل 4- 7 نتایج شبیه سازی افزایش سرعت باد از 10m/s تا 20m/s .........................................................76

شکل 4- 8 نتایج شبیه سازی کاهش سرعت باد از 20m/s تا 10m/s........................................................... 77

شکل 4- 9 عملکرد کنترل کننده در زمان تغییر مد ناحیه کاری توربین باد.......................................... 78

شکل 4- 10 پارامترهای شناسایی شده a₂، a₁، a₀ و b₂، b₁ ، b₀در حالت گسسته.................................. 81

شکل 4- 11 سیگنال خطای شناسایی(error) و تخمین خروجی .................................................82

شکل 4- 12 نتایج پیاده سازی گسسته با افزایش سرعت باد از 10m/s تا 20m/s ...................................83

شکل 4- 13 نتایج پیاده سازی گسسته با افزایش سرعت باد از 10m/s تا 20m/s ................................. 84

فهرست جداول:

جدول 3-1 متغیرهای مدل ژنراتور......................................................................................................................... 40

فصل اول:

مقدمه ای بر انرژیهای نو،

طرح مساله و

پیشینه تحقیق

1-1 مقدمه

با توجه به پیشرفتهای سریع تکنولوژی در دهه های اخیر ، مهمترین چالش روبروی جوامع و دولتهای مختلف تامین انرژی است. قبل از بحران انرژی پیش آمده در دهه 70 میلادی شاید انرژی های نو و تجدید پذیر فقط به عنوان پژوهش به آن نگریسته می شد اما پس از این واقعه، تمام کشورهای پیشرفته به فکر تامین جایگزین جدی یا تامین بخشی از انرژی خود توسط انرژیهای نو و تجدید پذیر افتادند.

انرژی های تجدید پذیر شامل بازه وسیعی از جمله استفاده از انرژی خورشید (سلولهای خورشیدی، پانلهای فتوولتاییک)، استفاده از انرژی امواج دریا، استفاده از انرژی باد (توربین های بادی، آسیاب های بادی)،استفاده از انرژیهای درونی زمین (مانند نیروگاههای زمین گرمایی) و ... می شود. انرژی تجدید پذیر همان طور که از نامش پیداست مانند دیگر منابع انرژی مثل سوختهای فسیلی نگرانی از بابت اتمام آن وجود ندارد یا بازه اتمام آن به قدری طولانی است که عملاً می توان آنرا قابل تجدید دانست. از طرف دیگر بر خلاف سوختهای فسیلی منبع انرژی معمولاً در دسترس و بدون هزینه اضافه است.

در میان این منابع انرژی، شاید یکی از پراهمیت ترین و مقرون به صرفه ترین ها، استفاده از انرژی باد باشد. با توجه به اینکه انرژی قابل استحصال با توان سوم سرعت باد نسبت دارد، بنابراین با نصب توربین باد در مناطق مناسب می توان از این منبع گسترده بهترین استفاده را نمود. در مقایسه با دیگر منابع تجدید پذیر ، انرژی باد می تواند حجم بیشتر و قابل قبول تری توان تامین کرده به نحوی که با استفاده از تعداد بیشتر این توربین ها یا اصطلاحاً مزارع باد بتوان به مقدار بیشتری از توان تولیدی رسید. در دهه های اخیر شرکتهای متعددی توربین باد به منظور تولید انرژی الکتریکی ساخته اند که تا امروز حداکثر توان نامی قابل استحصال آن به 8 MW رسیده است و با استفاده از مزارع بادی این نیروگاهها می تواند در تامین برق شبکه نقش مهمتری ایفا کند. مزیت دیگر این روش برای تولید برق این است که در صورت بی برقی کل شبکه[1] با توجه به عدم نیازمندی این نوع نیروگاه به سوخت فسیلی و یا راه انداز اولیه مانند دیزلها، می تواند نقطه شروع مناسب برای راه اندازی مجدد شبکه باشد و زمان این بی برقی را کاهش دهد.

اخیراً نیز در کشور ایران کارهای پژوهشی در این زمینه انجام شده است و از طرفی استفاده از توربین بادی نیز کم کم در شبکه تولید برق در حال شروع شدن است. تا قبل از این تنها مزارع بادی موجود در کشور در بینالود نیشابور و منجیل بوده که همه آنها توربین های کمتر از 1MW و از نوع دور ثابت بوده است. اما اخیراً در تاکستان قزوین توربین های 2.5MW توسط شرکت مپنا نصب شده است که قرارداد انتقال تکنولوژی این توربین ها که ساخت شرکت Furlander آلمان است با شرکت مپنا منعقد شده و کار ساخت پره ها و دیگر ادوات آن نیز در این شرکت داخلی در حال انجام است. تمام اینها نشان از عزم جدی مدیریت انرژی کشور برای استفاده از توربین های بادی به منظور تامین بخشی از برق شبکه است.

1-2 طرح مساله

توربین های بادی را به طور کلی می توان به دو نوع دور ثابت و دور متغیر تقسیم کرد. در نوع دور ثابت ژنراتور مستقیماً به شبکه متصل می شود و دور ژنراتور – و طبیعتاً دور توربین- با فرکانس شبکه متناسب خواهد شد. در نوع دور متغیر خروجی ژنراتور ابتدا وارد یک طبقه مبدل به عنوان یکسوساز شده و بعد توسط یک رابط DC به طبقه مبدل بعدی که نقش مبدل DC به AC را بازی می کند وصل می شود. این نحوه ی اتصال این حسن را دارد که توربین می تواند در دوری غیر از فرکانس شبکه بچرخد که بیشتر توربین های امروزی از این نوع هستند.

1-2-1 نواحی کاری توربین باد دور متغیر

برای توربین های بادی دور متغیر عملاً نواحی کاری مختلف تعریف می شود که در شکل زیر نشان داده شده است:

شکل1-1 نواحی کاری توربین باد[1]

1- ناحیه 1 : قبل از سرعت قطع پایین(V _cut-in)، در این ناحیه سرعت باد کمتر از حداقل سرعت مورد نیاز طراحی است که توان الکتریکی تولید نمی شود.

2- ناحیه 2 : در این ناحیه سرعت باد از سرعت قطع پایین تا سرعت نامی تغییر می کند، در این ناحیه برای هر سرعت باد معین، بایستی سرعت توربین مقدار مشخص شده ای باشد که حداکثر راندمان را داشته باشیم، بنابراین مساله کنترلی در اینجا رسیدن به حداکثر توان است که این کار با تنظیم سرعت توربین در مقادیر مشخص شده به ازای سرعت باد صورت خواهد گرفت.

3- ناحیه 3: در این ناحیه سرعت باد از سرعت نامی تا سرعت قطع بالا (V _cut-out)، تغییر خواهد کرد. در این ناحیه برای این که توربین باد و اجزای آن آسیبی نبیند و از نقطه کار نامی فاصله نگیرد باید توان آیرودینامیکی ورودی به توربین محدود شود. با این کار تمام متغیرهای مشخصه توربین مانند سرعت، توان و گشتاور در محدوده مجاز باقی می ماند. در مقایسه با توربین دور ثابت که چنین قابلیتی ندارد با این کار ناحیه استحصال توان گسترش داده می شود، این درحالی است که در توربین های دور ثابت در صورت افزایش سرعت باد در محدوده ای بیشتر از حد نامی توربین شات دان می شد. در این قسمت همانطور که مشخص است مساله کنترلی ردیابی مقدار مرجع است که از حد مجاز فراتر نرود. این مقدار مرجع می تواند سرعت ، گشتاور و یا توان باشد.

4- ناحیه 4 : بعد از سرعت V _cut-out، در این ناحیه سرعت از حد مجاز قابل تحمل مجموعه توربین باد بیشتر شده و به لحاظ طراحی امکان بهره برداری از سیستم در این شرایط وجود ندارد و در این حالت توربین خاموش شده ، و پره ها در زاویه ای قرار می گیرد که نیروی آیرودینامیکی باد حداقل شده و ترمز مکانیکی نیز فعال می شود. در این وضعیت سرعتهای شدید باد به توربین آسیبی نخواهد رساند و چرخش پره ها متوقف خواهد بود.

موضوع این پایان نامه متمرکز بر ناحیه 3 یعنی محدود سازی توان خواهد بود. در این ناحیه همانطور که بیان شد سرعت باد از سرعت نامی تا سرعت قطع بالا تغییر خواهد کرد که در این توربین باد از 10 m/s تا 20 m/s خواهد بود. برای محدود کردن توان بایستی زاویه پره[2] های توربین بادبه نحوی تغییر کند که نیروی آیرودینامیکی جابجا کننده[3] پره ها در محدوده نامی باقی بماند.

در ناحیه کاری 2 یعنی بخش استحصال توان حداکثر بایستی نیروی آیرودینامیکی دریافتی از باد حداکثر باشد. به همین منظور زاویه پره در موقعیت صفر درجه و یا عددی نزدیک به آن خواهد بود. اما در ناحیه 3 که هدف محدود کردن توان در حد مجاز است بایستی زاویه پره مقدار مثبتی داشته باشد، به همین منظور متناسب با تغییرات سرعت باد زاویه پره تغییرات مثبت خواهد داشت به عنوان مثال بین 0 تا 20 درجه.

در این قسمت بایستی سیستم کنترل به نحو مطلوب و در حداقل زمان ممکن بهترین عملکرد را از خود نشان دهد تا کیفیت توان تولیدی در حد مطلوب باقی بماند و همان طور که قبلاً هم به آن اشاره شد آسیبی به سیستم (ناشی از افزایش متغیرها از نقطه کارنامی) وارد نشود.

با توجه با ماهیت اتفاقی باد و پیچیدگی مدل های آیرودینامیکی مطرح شده برای توربین باد در ناحیه 3 و بعضاً موارد ناشناخته که در مدل کردن توربین دشواری هایی پدید می آورد، یک دسته از کنترلگرهایی که برای این سیستم مطلوب تر به نظر می رسد استفاده از روشهای تطبیقی است. در روشهای تطبیقی معمولاً شناسایی صورت گرفته و بر اساس آن پارامترهای کنترلگر به روز می شود، استفاده از این دسته کنترل کننده ها این حسن را دارد که در صورت داشتن دینامیک مدل نشده و یا تغییر رفتار سیستم ناشی از تغییر نقطه کار و اغتشاشات وارده به سیستم، شناسایی سیستم صورت گرفته نیز تغییر کرده و کنترل کننده نیز در حداقل زمان خود را با شرایط جدید وفق می دهد، به همین علت انتظار داریم با این روش عملکرد بهتری نسبت به کنترل کننده های کلاسیک داشته باشیم.

در این پایان نامه ابتدا شناسایی سیستم صورت می گیرد، زاویه پره به عنوان ورودی و سرعت توربین یا WT به عنوان خروجی لحاظ می شود. پس از آشکار شدن پارامترهای تابع تبدیل لحظه ای سیستم، پارامترهای کنترل کننده مشخص می شود و با اعمال این پارامترها به کنترل کننده حلقه کنترلی کامل می شود. برای کامل بودن این بحث، شناسایی و طراحی کنترل کننده در هر دو حالت پیوسته و گسسته انجام می شود.

1-3 پیشینه تحقیق

قبل از شروع بررسی کارهای صورت گرفته در این زمینه ابتدا بایستی به دسته بندی ساختاری کنترل زاویه پرداخت. برای محدود سازی توان در ناحیه سوم کاری توربین باد، سیستم کنترل می تواند متغیرهای مختلفی از فرایند را مد نظر قرار داده و کنترل کند. این متغیرها می تواند شامل توان، سرعت، گشتاور، سرعت باد و ترکیب سرعت و توان است. در واقع هر کدام از اینها به عنوان متغیر اصلی خواهد بود و سیستم کنترل تلاش در ردیابی مقدار مرجع این پارامتر خواهد نمود که در زیر به اختصار به آن اشاره می شود:

الف) استفاده از سرعت باد: در شکل 1-2 مقدار مناسب زاویه پره () براساس سرعت باد و از طریق منحنی مشخص کننده زاویه گام برحسب سرعت باد تنظیم می شود. این روش کنترلی در صورتی که سرعت باد مستقیماً قابل اندازه­گیری باشد کاربردی است[2]

شکل 1-2 کنترل زاویه بر اساس فیدبک سرعت باد[2]

شکل 1-3 زاویه گام بر حسب سرعت باد [2]

ب) استفاده از سرعت روتور ژنراتور: در این روش سرعت روتور با مقدار مرجع آن مقایسه شده و براساس سیگنال خطای ارسالی به کنترلگر PI، مقدار مرجع زاویه گام تعیین می شود. بلوک دیاگرام کنترلی این روش در شکل 1-4 آمده است]2[ .

شکل 1-4 کنترل زاویه بر اساس فیدبک سرعت ژنراتور[2]

پ) استفاده از فیدبک توان ژنراتور: سیگنال خطای حاصل از مقایسه توان ژنراتور با مقدار مرجع آن به کنترلگر PI فرستاده و مقدار مرجع زاویه پره تعیین می شود. تغییرات غیرخطی زاویه پره در مقایسه با سرعت باد به خصوص برای سرعت­های بالای باد، لزوم استفاده از کنترلگرهای غیرخطی را برای تنظیم زاویه گام ایجاد می کند. حساسیت گشتاور آیرودینامیکی به زاویه پره با نزدیک شدن سرعت باد به مقدار نامی خود، کاهش می­یابد، بنابراین لازم است بهره کنترلگر بالا باشد تا اثر تغییرات زاویه گام بر گشتاور افزایش یابد. غالباً تغییرات حساسیت گشتاور با تغییر زاویه گام رابطه خطی دارد و با تغییر بهره کنترلگر خطی قابل جبران است.

[1] Black Out

[2] Pitch Angle

[3] Lift