شکل 1-3 انواع ژنراتورهای مورداستفاده در توربین‌های بادی………………………………………………………….5
شکل 1-4 ژنراتور القایی قفس سنجابی………………………………………………………………………………………5
شکل 1-5 شمای مداری ژنراتور………………………………………………………………………………………………7
شکل 1-6 ژنراتورهای القایی تغذیه دوبل (DFIG)……………………………………………………………………….7
شکل 1-7ژنراتورهای سنکرون (EESG)…………………………………………………………………………………….8
شکل 1-8 ژنراتور مغناطیس دائم………………………………………………………………………………………………9
شکل ‏1-9 راندمان ژنراتورهای مختلف…………………………………………………………………………………..12
شکل ‏1-10 کنترل فرض شده مود لغزشی مرتبه دو[4] ……………………………………………………………..13 شکل ‏1-11 کنترل فرض شده بر اساس رویتگر و کنترل کننده مواد لغزشی[5]………………………………..14
شکل‏1-12کنترل کننده مود لغزشی فازی[6]……………………………………………………………………………..14
شکل‏1-13 کنترل کننده مود لغزشی مرتبه 2 چند ورودی- چند خروجی……………………………………………… 16
شکل 1-14 نمای کنترل کننده به کار رفته در سیستم…………………………………………………………………18
شکل 1-15 کنترل کننده مود لغزشی توان اکتیو و راکتیو…… ……………………………………………………….19
شکل 1- 16 کنترل زاویه خمش توسط کنترل کننده مود لغزشی[15] ………………………………………….0..2
شکل 1-17 کنترل کننده ترکیبی به کاررفته بر روی توربین بادی[16]……………………………….21……….
شکل 1- 18 کنترل کننده مود لغزشی فازی همراه با شبکه عصبی توابع بنیادی شعاعی[17]………………..22
شکل 1-19 طرح سیستم کنترل توربین بادی [ 25]……………………………………………………………………..25
شکل 1-20 طرح کنترل کننده PIDبرای توربین بادی………………………………………………………..25……
شکل 1-21 طرح کنترل کننده LQG برای توربین بادی………………………………………………………..26..
شکل 1-22 طرح کنترل کننده چند متغیره…………… ………………………………………………………………..26
شکل 1-23 ضریب جذب نسبت به نرخ پیک سرعت [55]…………………………………………………….27
شکل ‏2-1 انواع توربین های بادی……………………………………………………………………………………….29
شکل ‏2-2 انواع توربین های بادی عمودی……………………………………………………………………………30
شکل ‏2-3 توربین بادی افقی……………………………………………………………………………………………..31
شکل ‏2-4 مد لسازی سرعت باد…………………………………………………………………………………………33
شکل ‏2- 5 نمودار سرعت باد……………………………………………………………………………………………..34
شکل ‏2-6 نیروهای وارده بر پره……………………………………………………………………………………………..35
شکل ‏2-7 مدل سازی سیستم متحرکه توربین بادی………………………………………………………………….38
شکل ‏2-8 شمای داخلی محرک زاویه خمش……………………………………………………………………….42
شکل ‏3-1 نواحی کاری توربین بادی…………………………………………………………………………………..45
شکل ‏3-2 پدیده وزوز……………………………………………………………………………………. 49
شکل ‏3-3 شمایی از عملکرد مطلوب الگوریتم پیچشی شدید………………………………………………………55
شکل ‏4-1 سرعت باد مدل شده………………………………………………………………58
شکل ‏4-2 نمودار سرعت باد…………………………………………………………………69
شکل ‏4-3 ضریب جذب توبین………………………………………………………………70

شکل ‏4-4 ورودی زاویه خمش……………………………………………………………..70
شکل ‏4-5 زاویه خمش…………………………………………………………………….71
شکل 4-6 سرعت روتور…………………………………………………………………….72
شکل ‏4-7 سرعت روتور و مقدار مطلوب ان در کنترل کننده زاویه خمش ………………………72
شکل ‏4- 8 دنبال کردن مطلوب جریان q روتور به منظور دریافت بیشترین توان……………………73
شکل ‏4-9 توان اکتیو ژنراتور …………………………………………………………………………………………….73
شکل ‏4-10 توان ایرودینامیک توربین………………………………………………………..74
شکل ‏4-11 جریان کنترل شده توربین…………………………………………………………74
شکل ‏4-12 توان راکتیو خروجی……………………………………………………………..75
فصل اول
پیشگفتار
فصل 1- مقدمه
1-1- پیشگفتار
با توجه به اهمیت بسیار زیاد انرژی در زندگی امروز و افزایش قیمت و نیز محدودیت سوختهای فسیلی موجود، دنیای امروز به سمت استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر برای تولید انرژی الکتریکی مورد نیاز خود روی آورده است. انرژی باد در حال حاضر سریعترین رشد را در بین منابع انرژی الکتریکی داراست. در آمریکا که در حال حاضر حدود 1 درصد از انرژی الکتریکی ملی آن از انرژی باد تامین میگردد، ظرفیت تولید 20درصد از انرژی الکتریکی این کشور از انرژی باد بدون تغییر اساسی در شبکه توزیع برق وجود دارد. با وجود این هنوز مسائل حل نشده زیادی در مورد توسعه توان باد وجود دارد.[1]
انرژی باد برای مدت زمان زیادی است که مورد استفاده قرار گرفته است. اولین زمینه کاربردی آن در حدود 5000 سال قبل برای حرکت دادن قایقها در طول رودخانه نیل بوده است. اولین آسیاببادیهای ساده در اوایل قرن 7 در ایران برای اهداف آبیاری و نیز آسیابکردن دانهها استفاده شد. در اروپا از زمانی که کراسیدور1 آسیابهای بادی را در حدود قرن 11 معرفی کرد، انرژی باد مورد استفاده قرار گرفت. سازهی آنها بر اساس چوب بود و برای محصورکردن باد آنها به صورت دستی آسیاب را حول ستون اصلی آن میچرخاندند. در سال 1745 وسیلهای با نام دم چتری2 اختراع شد که به عنوان یکی از مهمترین پیشرفتها در تاریخچه آسیابهای بادی محسوب میشد. این وسیله به صورت اتوماتیک توربین را رو به باد میچرخاند. درپوشهای چوبی میتوانستند به صورت دستی یا اتوماتیک باز و بسته شوند تا مقدار ثابتی از باد را در سرعتهای متغیر باد محصور کنند. مفهوم پیشرفتهتر آسیابهای بادی در انقلابصنعتی بیان شد. میلیونها آسیاببادی در طی قرن نوزدهم در ایالات متحده آمریکا ساخته شد که دلیل افزایش چشمگیر استفاده از آن به خاطر پیشرفت در آمریکای غربی بود. خانههای جدید و کشاورزان نیاز به راههائی برای بیرون آوردن آب داشتند. روند انقلاب صنعتی بعدها باعث کاهش استفاده از آسیابهای بادی گردید.[2]
بنابراین، در طی روند انقلاب صنعتی جرقه استفاده از آسیاببادیهای بزرگ برای تولید انرژی برق زده شد. اولین توربین بادی جهت تولید برق، توسط پل لاکور3 ابداع شد. در اواخر 1930 امریکائیها طراحی یک توربین بادی در سایز مگاوات را شروع کردند که نتیجه آن توربین بادی اسمیت-آتنام4 (1.25MW) بود، شکل ‏1-1. در سال 1941 بزرگترین توربین ساختهشده تا آن زمان بود و این مکان را برای 40 سال حفظ کرد.
شکل ‏1-1:توربین بادی اسمیت-آتنام[3]
شهرت استفاده از انرژی باد همیشه تحت تاثیر قیمت سوختهای فسیلی بودهاست. تحقیقات و توسعه در زمینه انرژی اتمی و دسترسی به نفت در طی دهه 1960 منجر به کاهش توسعه توربینهای بادی گردید اما زمانی که قیمت نفت در دهه 1970 ناگهان افزایش یافت، تمایل به استفاده از توربینهای بادی دوباره افزایش یافت.
1-2- مروری بر ادبیات پیشین:
برای کنترل توربین بادی از روش های مختلف کنترل مقاوم از جمله کنترل مود لغزشی استفاده گردیده است. دلیل استفاده از روش های مختلف کنترل مود لغزشی به واسطه نوع کنترل و هدف کنترلی آن می باشد. هدف از کنترل توربین بادی به منظور نیل به دو هدف عمده است: 1- بیشینه کردن توان در سرعت های پایین باد 2- تثبیت توان در سرعت های بالای باد.
بیشینه کردن توان در توربین با کنترل ژنراتور و بیشینه نمودن ضریب جذب انجام می پذیرد، همچنین با استفاده از کنترل زاویه خمش توربین توان خروجی تثبیت می گردد. بیشینه کردن توان در سرعت های پایین باد در حقیقت استخراج بیشترین انرژی ممکن از باد محصور شده توسط پره های توربین می باشد. بادی که به پره های توربین می وزد با توجه به نحوه قرارگیری پره ها، توانی را به قسمت مکانیکی توربین منتقل می نماید که از آن به توان آیرودینامیک یاد می گردد. برای بیشینه شدن توان خروجی کافیست ضریب جذب سیستم بیشینه گردد. کنترل کننده های مورد استفاده در این زمینه بیشتر کنترل کننده های مقاوم هستند که از جمله مهمترین آنها کنترل کننده های مود لغزشی می باشد.
توربین‌های بادی متداول را از یک منظر دیگر هم می‌توان تقسیم‌بندی کرد.
1- توربین‌های سرعت ثابت: در این توربین‌ها سرعت چرخش روتور به خاطر اینکه به شبکه برق متصل می‌شود و فرکانس برق شبکه ثابت است ثابت بوده و با یک دور مشخص می‌چرخد. کم یا زیادشدن سرعت باد در میزان انرژی تولیدشده و تزریق‌شده به شبکه تأثیرگذار خواهد بود. در این توربین‌ها که معمولاً ژنراتور به‌صورت مستقیم به شبکه متصل است. تنش‌های مکانیکی ناشی از تغییرات ناگهانی باد به ماشین‌آلات مانند گیربکس، ژنراتور و خود اجزاء توربین منتقل‌شده باعث خرابی آن‌ها می‌شود. همچنین تنش‌هایی هم که در اثر رخدادهای و خطاهای شبکه ناشی می‌شود به سیستم منتقل خواهد شد.
2- توربین‌های بادی سرعت متغیر:
برای اینکه روتور باوجود متصل شدن به یک شبکه برق با فرکانس ثابت بتواند متغیر بچرخد چند روش به‌کاررفته است. درروش اول مقاومت روتور را به‌وسیله یک کانون‌تر کوچک الکترونیکی تغییر می‌دهند با این روش می‌توان تا 10 درصد سرعت روتور را متغیر کرد. متغیر بودن سرعت روتور می‌تواند شوک‌های ناشی از تغییرات سرعت باد را مانند یک کمک‌فنر جذب کند. توربین‌های نصب‌شده در ایران از این نوع می‌باشند.
یک روش دیگر استفاده از ژنراتور DFIG است در این ژنراتورها سیم‌پیچ روتور به‌وسیله حلقه‌های لغزان در اختیار بوده و می‌توان میدان حاصل از روتور را به‌وسیله یک کانورتر کنترل کرد. این روش تغییرات سرعتی در حدود 30 درصد را در اختیار ما قرار خواهد داد. امروزه استفاده از این روش بسیار متداول است؛ و اخیراً توربین‌هایی در ایران با این فنّاوری نصب و راه‌اندازی شده‌اند.
روش دیگری که اخیراً به آن توجه شده است استفاده از ماشین‌های الکتریکی با روتور آهنربای دائم است. در این حالت ژنراتور مستقیم به شبکه وصل نمی‌شود و از طریق یک کانورتر به شبکه متصل است. در این حالت روتور می‌تواند کاملاً با سرعت متغیر بچرخد؛ و تنش‌ها چه از طریق شبکه و چه از طریق باد کمتر به توربین اثر می‌گذارند. در این روش راندمان ماشین الکتریکی بالاتر است و می‌توان با زیاد کردن تعداد قطب‌های آن گیربکس که یک قطعه مکانیکی با خرابی بالا است را ساده‌تر کرده یا به‌کل حذف کرد.
در شکل زیر توپولوژی‌های مختلف توربین بادی از این منظر دیده می‌شود.
شکل 1-2- توپولوژی‌های مختلف توربین‌های بادی
یکی از قسمت‌های اساسی در توربین‌های بادی ژنراتور (ماشین الکتریکی) است که وظیفه آن تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی است در توربین‌های بادی از ژنراتورهای مختلفی استفاده می‌شود.
به شکل زیر توجه نمایید.

شکل 1-3-انواع ژنراتورهای مورداستفاده در توربین‌های بادی
در ادامه به توضیح مختصری از هرکدام از این ژنراتورها می‌پردازیم.
1-3 ژنراتورهای القایی قفس سنجابی (SCIG):
• این ژنراتورها به‌صورت مستقیم به شبکه وصل می‌شوند.
• در ساختار توربین نیاز به گیربکس سه مرحله‌ای دارند.
• در سرعت ثابت کار می‌کنند.
• تغییر سرعت در آن‌ها فقط از طریق تغییر در تعداد قطب‌ها میسر است.
شکل 4-1- ژنراتور القایی قفس سنجابی
مزایای ژنراتورهای القایی قفس سنجابی (SCIG):
• این ژنراتورها از کمترین حجم و وزن در مقایسه با توان تولیدی برخوردارند بنابراین ازنظر قیمتی هم ارزان‌تر هستند.
• ازنظر مکانیکی ساده بوده و ساختار مقاومی دارند.
معایب ژنراتورهای القایی قفس سنجابی (SCIG):
• نیاز به گیربکس دارند.
• به‌صورت مستقیم به شبکه وصل می‌شوند
• به‌محض وقوع کوچک‌ترین خطا از شبکه جدا می‌شوند.
• این ماشین‌ها نیاز به توان راکتیو دارند و مقدار آن‌هم کنترل‌شده نیست. بنابراین از کنترل ولتاژ شبکه هم پشتیبانی نمی‌کنند.
• برای فرکانس‌های 50 هرتز و 60 هرتز نیاز به گیربکس‌های متفاوت خواهند داشت.
• امکان کنترل سرعت در آن‌ها وجود ندارد.
• برای بالا بردن راندمان توربین سرعت تحت کنترل نیست.
استرس‌های مکانیکی بر روی سیستم زیاد است.

1-4 ژنراتور القایی روتور سیم‌پیچی شده:
• روتور مانند استاتور دارای یک دسته سیم‌پیچ سه فاز است.
• این سیم‌پیچ‌ها می‌توانند از طریق جاروبک و حلقه‌های لغزان به مقاومت‌های متغیر متصل شوند.
• تغییر مقاومت مؤثر روتور معمولاً با استفاده از کلیدهای الکترونیک قدرت انجام می‌شود.
• این ساختار امکان تغییر سرعت در حدود % 10 دارد که مزایای آن عبارت‌اند از:
• دریافت توان بیشتر
• کاهش استرس مکانیکی
• هموارسازی توان خروجی سیستم
• شرکت وستاس توربین‌های بسیار زیادی را بر مبنای پیکربندی OptiSlip به فروش رسانده است. در این روش کنترل مقاومت مؤثر روتور توسط کوپلینگ نوری بین روتور و استاتور و بدون جاروبک انجام می‌شود.
ژنراتورهای استفاده‌شده در نیروگاه بادی دیزباد از این فناوری استفاده می‌کنند.
شکل 1-5 شمای مداری ژنراتور
ژنراتورهای القایی تغذیه دوبل (DFIG):
• مستقیماً از طریق استاتور به شبکه وصل می‌شوند.
• روتور از طریق یک کانورتر به شبکه وصل می‌شود.
• نیاز به گیربکس دارند.
• دارای سرعت متغیر هستند سرعت می‌تواند 30 درصد حول سرعت سنکرون تغییر کند.
• کانورتر بروی روتور از شبکه انرژی جذب یا به شبکه انرژی می‌دهد. بستگی به‌سرعت مکانیکی روتور دارد.
شکل 1-6- ژنراتورهای القایی تغذیه دوبل (DFIG)
مزایای ژنراتورهای القایی تغذیه دوبل (DFIG):
• دارای قطر کوچک و تعداد قطب‌های کم است بنابراین ازنظر قیمت هم ارزان‌تر است.
• کانورتر روی روتور فقط 30 درصد توان نامی را عبور می‌دهد. بنابراین از حالتی که تمام توان را عبور می‌دهد ارزان‌تر تمام می‌شود.
• از ژنراتور القایی قفس سنجابی پیچیده‌تر است.
• توان راکتیو می‌تواند کنترل شود ولیکن میزان توان راکتیو به 30 درصد توان نامی محدود می‌شود.
• سرعت حول سرعت نامی تا 30 درصد متغیر است و می‌تواند کنترل شود.
• تغییرات سرعت باد می‌تواند سرعت ژنراتور را تغییر دهد بدون اینکه گشتاور زیادی ایجاد کند.
معایب ژنراتورهای القایی تغذیه دوبل (DFIG):
• نیاز به گیربکس سه مرحله‌ای دارد. که قابلیت اطمینان سیستم را پایین می‌آورد.
• برای انتقال توان به روتور نیاز به حلقه‌های لغزان زغال و … دارد که عموماً باید به‌مرور زمان تعویض گردند.
• استاتور مستقیماً به شبکه وصل می‌شود.
• با توجه به الزامات اتصال به شبکه توربین‌های بادی باید در موقع خطاهای گذرا از شبکه جدا نشوند که این کنترل این ژنراتور را پیچیده می‌کند.
• در موقع بروز خطا در شبکه جریان‌های زیاد استاتور منجر به جریان‌های بالا در روتور می‌شود بنابراین کانورتر روی روتور باید محافظت شود.
• تنش‌ها و خطاهای شبکه در این سامانه‌ها مستقیم گیربکس و ژنراتور را تحت تأثیر قرار می‌دهد و باعث تنش‌های مکانیکی می‌شود.
• برای شبکه 50 هرتز و 60 هرتز نیاز به گیربکس‌های متفاوت دارد.
1-5 ژنراتورهای سنکرون (EESG):
• نیازی به گیربکس ندارند.
• به‌صورت مستقیم به شبکه وصل نمی‌شوند.
• از طریق یک کانورتر به شبکه وصل می‌شوند.
• دامنه و فرکانس ولتاژ تغذیه‌کننده به‌صورت کامل می‌تواند کنترل شود.
• شار می‌تواند به‌طور کامل برای کم کردن میزان تلفات در موقعیت‌های عملکردی متفاوت کنترل شود.
• در رنج کامل سرعت می‌تواند کار کند.
شکل 1-7- ژنراتورهای سنکرون (EESG)
مزایای ژنراتورهای سنکرون (EESG):
• نیازی به گیربکس ندارد، بنابراین قابلیت اطمینان بالا نویز کم و قیمت پایین دارد.
• کانورتر می‌تواند کنترل کاملی بر روی توان اکتیو و راکتیو داشته باشد. چه در حالت نرمال و چه در حالت خطا.
• از یک ژنراتور می‌توان در ولتاژ شبکه 50 هرتز و 60 هرتز استفاده کرد.
• با توجه به ایزوله شدن ژنراتور از شبکه به‌وسیله کانورتر خطاهای شبکه به‌صورت مستقیم اثری بر روی ژنراتور نخواهند داشت.
• انرژی سالانه بیشتری می‌توان از باد گرفت.
• دامنه و فرکانس ولتاژ می‌تواند به‌وسیله کانورتر کاملاً کنترل شود.
• شار جهت مینیمم کردن میزان تلفات در رنج توان‌های مختلف می‌تواند کنترل شود
معایب ژنراتورهای سنکرون (EESG):
• به خاطر تعداد قطب‌های زیاد قطر آن و وزنش زیاد است بنابراین قیمت آن‌هم بیشتر خواهد بود. که با توجه به حذف گیربکس می‌تواند تعدیل شود.
• کانورتر باید تمام توان را عبور دهد بنابراین ازنظر قیمت از حالت DFIG گران‌تر خواهد بود.
• دارای ساختار پیچیده‌تری از ژنراتور القایی قفس سنجابی است.
ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم بدون گیربکس (PMSG):
• به گیربکس نیازی ندارد.
• به‌صورت مستقیم به شبکه وصل نمی‌شود.
• از طریق یک کانورتر به شبکه وصل می‌شود.
• دامنه و فرکانس ولتاژ تغذیه به‌صورت کامل کنترل می‌شود.
• به دلیل استفاده از آهنربای دائم حلقه لغزان نداشته و شار کنترل نمی‌شود.
• در رنج کاملی از سرعت عمل می‌کند حتی در سرعت‌های پایین.
شکل 1-8- ژنراتور مغناطیس دائم
مزایای ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم بدون گیربکس (PMSG):
• گیربکس و سیستم انتقال توان به رتور وجود ندارند بنابراین از قابلیت اطمینان بالا، نویز کم و قیمت کم برخوردار است.
• تلفات بروی روتور وجود ندارد بنابراین از وضعیت حرارتی بهتری برخوردار است.
• کانورتر ژنراتور را از شبکه جدا کرده بنابراین خطاهای شبکه اثر مستقیم بروی ژنراتور ندارد.
• از یک ژنراتور برای شبکه 50 هرتز و 60 هرتز می‌توان استفاده کرد.
• به مدار تغذیه جداگانه برای روتور نیاز نیست.
• کانورتر کنترل کاملی بروی توان اکتیو و راکتیو در حالت نرمال و خطای شبکه ارائه می‌دهد.
• کانورتر کنترل کاملی بروی سرعت حتی در سرعت‌های پایین برای به دست آوردن ماکزیمم توان ارائه می‌دهد.
• دامنه و فرکانس ولتاژ به‌صورت کامل می‌تواند کنترل شود بنابراین می‌تواند شار را جهت مینیمم شدن تلفات کنترل کرد.
معایب ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم بدون گیربکس (PMSG):
• به دلیل قطب‌های زیاد، قطر آن بزرگ است همچنین قیمت آهنربای دائم زیاد است. ولیکن این موارد با حذف گیربکس متعادل می‌شود.
• با توجه به اینکه کانورتر باید توان کامل را عبور دهد قیمت آن نسبت به کانورتر DFIG بیشتر است.
• آهنرباهای دائم در دماهای بالا خاصیت خود را از دست می‌دهند. این دمای بالا ممکن است به دلیل اتصال کوتاه یا بار زیاد ایجاد شود.
جدول 1-1- مقایسه انواع ژنراتور
PMSGEESGDFIGSCIGموضوع–+++سرمایه‌گذاری اولیه، اندازه و وزن–+++ساختار سادگی+++–قابلیت اطمینان و هزینه‌های تعمیر و نگهداری+++++-LVRT++–قابلیت استفاده برای فرکانس 50 و 60 هرتز+++++-کنترل سرعت و جلوگیری از استرس‌های مکانیکی+++++-MPPT+++++-انرژی تولیدی در یک سال+++++-قیمت تمام‌شده انرژی تولیدی++++–نویز صوتی
مقایسه ژنراتورهای مغناطیس دائم PMG و DFIG:
– راندمان:
اندازه‌گیری‌های میدانی نشان می‌دهد که راندمان PMG نسبت به DFIG بیشتر است. در سرعت نامی این اختلاف کمتر است ولی در سرعت‌های زیر سرعت نامی این اختلاف زیادتر می‌شود و علت آن این است که در سرعت‌های زیر سرعت نامی روتور از شبکه توان می‌گیرد. که باعث پایین آمدن راندمان می‌شود.
شکل 1-9 – راندمان ژنراتورهای مختلف
– قابلیت اطمینان:
برخلاف DFIG ژنراتورهای PMG نیاز به حلقه‌های لغزان و جارو بک ندارند، این موارد نیاز به تعمیرات و نگهداری و تعویض دارند. معمولاً به خاطر ولتاژ شفت جریان‌هایی از بلبرینگ‌ها عبور می‌کند که به‌مرورزمان باعث خرابی بلبرینگ‌ها می‌شود این ولتاژ در ژنراتورهای DFIG 10 تا 20 برابر ژنراتورهای PMG است. بنابراین خرابی بلبرینگ‌ها در DFIG به‌مراتب بیشتر از PMG ها می‌باشد.

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

– نیاز به نگهداری:
به خاطر حذف جاروبک ها و حلقه‌های لغزان در PMG نیاز به نگهداری دوره‌ای کمتر است. همچنین به خاطر ولتاژ شفت کمتر، خرابی بلبرینگ‌ها کمتر است.
تحمل خطاهای شبکه و سازگاری با شبکه:
یکی دیگر از مزایای PMG و کانورتر نسبت به ژنراتورهای DFIG قابلیت تزریق و یا دریافت توان راکتیو معادل 100 درصد توان نامی به شبکه است. این قابلیت موجب می‌شود تا بتوان خطاهای زودگذر شبکه را تحمل و حتی جهت اصلاح شبکه اقدام نمود. جالب‌تر اینکه در حین تزریق توان راکتیو هم کنترل بر روی گشتاور ژنراتور به‌طور مجزا و دقیق امکان‌پذیر است.
– ابعاد و وزن:
با توجه به حذف گیربکس در ژنراتورهای حجم کل سیستم کوچک‌تر می‌شود البته قطر ژنراتورهای PM نسبت DFIG بزرگ‌تر بوده و طول آن‌ها کوچک‌تر هست.
برای مثال می توان به کنترل ژنراتور با استفاده از روش های کنترلی مود لغزشی مرتبه بالا اشاره نمود. در مقاله [4] از روش کنترل مود لغزشی مرتبه بالا به علت خصوصیاتی همچون کاهش تنش5 مکانیکی خارجی، زمان رسیدن محدود و مقاوم بودن در برابر اغتشاش خارجی و دینامیکهای مدل نشده استفاده میشود. در این مقاله از یک سطح لغزش برداری مرتبه 2 برای ایجاد سیگنالهای کنترلی استفاده میکند که موارد مورد استفاده برای ایجاد دینامیک خطا، استفاده از جریان روتور و گشتاور الکتریکی برای بیشینه کردن توان خروجی است، بدون اینکه به سیستم صدمه بزند.(شکل ‏1-10)
شکل ‏1-10: کنترل فرض شده مود لغزشی مرتبه دو[4]
در مقاله [5] به کنترل توان تولیدی در توربینهای بادی با سرعت متغیر میپردازد. اینگونه سیستمها دارای دو ناحیه کاری هستند که وابسته به نرخ پیک سرعت میباشد. روش کنترل مود لغزشی درجه بالا6 برای اطمینان از پایداری سیستم در هر دو ناحیه کاری و تحمیل کنترل فیدبک ایدهآل به رغم عدمقطعیت مدل استفاده میشود. این روش کنترل دارای خصوصیات خوبی از جمله مقاوم بودن در برابر عدم قطعیتهای پارامترهای سیستم است.در این روش سرعت روتور، گشتاور آن توسط یک رویتگر مود لغزشی بدست آمده و تفاوت آن با گشتاور بهینه خطای مورد نیاز کنترلکننده مود لغزشی را برای کنترل توان خروجی ایجاد میکند.(شکل ‏1-11)
شکل ‏1-11 : کنترل فرض شده بر اساس رویتگر و کنترلکننده مواد لغزشی[5]
روش دیگری که برای کنترل ژنراتور مورد استفاده قرار گرفته است کنترل کننده ساختار متغیر انتگرالی فازی تطبیقی می باشد. در این مقاله برای بدست آوردن بیشینه توان باد باید سرعت توربین بر اساس سرعت باد تنظیم گردد. اما بدست آوردن دینامیک بهتر و مقاومتر توسط کنترلکنندههای قدیم که توسط مدل ریاضی عمل میکنند، سخت است. بدین منظور در این مقاله [6] از یک کنترلکننده ساختار متغیر انتگرالی فازی تطبیقی استفاده شده است. در این سیستم کنترلی، اساس کنترلکننده بر روی کنترلکنندههای مود لغزشی انتگرالی میباشد که برای تخمینزدن عدمقطیتها در بهره سوئیچینگ، از روش فازی تطبیقی استفاده میشود. در انتها نیز پایداری کنترلکننده توسط روش لیاپانوف اثبات گردیده است.(شکل ‏1-12)
شکل ‏1-12: کنترلکننده مود لغزشی فازی[6]

استفاده از کنترل کننده غیرخطی مقاوم در ترکیب با کنترل مود لغزشی درجه 2 [7] یکی دیگر از روش های به کار رفته به منظور کنترل توربین می باشد.
در مقاله ذکر شده، یک کنترلکننده غیرخطی مقاوم بر اساس بلوک کنترلخطی7 در ترکیب با روش مود لغزشی درجه دو که الگوریتم پیچیدن شدید8 نامیده میشود برای کنترل سیستم توربین بادی در نظر گرفته شده است. هدفهای کنترلی آن بیشینهکردن انرژی باد محصور شده توسط توربین و نگهداشتن ضریب توان استاتور یک ژنراتور القائی روتور سیمپیچی شده در مقدار مطلوب آن است. این هدف با کنترل سرعت روتور و نیز توان غیرفعال9 استاتور ژنراتور القائی که به یک باس نامحدود و با یک توربین بادی از طریق جعبه دنده متصل شده است قابل دسترس است.
ژنراتور القائی روتور سیمپیچی شده برای تولید الکتریسیته در زمانی که توربین در فرکانس ثابت و سرعت متغیر در یک رنج محدود عمل میکند، به کار میرود. این ژنراتور میتواند در سرعت بالاتر و پائینتر از سرعت سنکرون به کار رود و نیز میتواند با هر دو سیم پیچ استاتور و روتور تغذیه شود.
نتایج شبیه سازیها نشان میدهد که کارکرد سیستم نسبت به انحرافهای10 ناشی از گشتاور توربین و تغییرات پارامترها در مقاومت روتور11 مقاوم است.
در یک مقاله نیز روشی برای کنترل سرعت ژنراتور در نظر گرفته شده است. در مقاله [8] یک روش کنترل توان توربین بادی سرعت متغیر متصل به شبکه ارائه شده است(شکل ‏1-13). هدفهای کنترلی در این روش بر اساس تغییر ناحیههای توربین که به واسطه تغییر سرعت باد به وجود می‌اید، تغییر میکند. در این حالت هدف بیشینه کردن توان اکتیو در ناحیه بار جزئی12 و ثابت کردن ان در زمان عملکرد سیستم در ناحیه بار کامل13 میباشد علاوه بر این توان راکتیو باید نیازهای شبکه را تامین نماید. روش استفاده شده در این مقاله بر اساس کنترل مود لغزشی مرتبه 2 و لیاپانوف است که از الگوریتم بهبود داده شده الگوریتم پیچشی شدید14 به همراه ضریب متغیر برای سیستم چند ورودی چند خروجی غیرخطی استفاده شده است. الگوریتم به کار رفته علاوه بر خصوصیات شناخته شدهای همچون مقاوم بودن، سادگی الگوریتم و مشخصه تطبیقی ضریب ان دارای نرمی در عملکرد کنترلی ان است که مانع از بروز استرس های مکانیکی میگردد.

شکل ‏1-13: کنترل کننده مود لغزشی مرتبه 2 چند ورودی- چند خروجی

از مقالات دیگری که از کنترل مود لغزشی برای ژنراتور استفاده گردیده است می توان به کنترل با استفاده از کنترل کننده لغزشی انتگرالی و کنترل کننده های شبه لغزشی کنترل مود دوگانه غیرخطی و همچنین استفاده از رویت گرهای مود لغزشی اشاره نمود.
در مقاله [9] کنترل ساختار متغیر انتگرالی و بردار میدان جهت دار15 را با هم برای کنترل ولتاژ روتور و سپس کنترل جریان روتور و ولتاژ استاتور را به کار برده است. برای غلبه بر پدیده وزوز یک تابع اشباع16 به جای تابع علامت17 استفاده شده است. همچنین برای کاهش خطای حالت پایدار از سطح لغزش انتگرالی استفاده میکند که در کل اهداف ما را برای نرمی18 و امنیت ژنراتور در کنترل قطع شدن بدون بار19 بدست میدهد.
در مقاله [10] برای کنترل زاویه خمش از مود لغزشی که به واسطه خصوصیاتی همچون پاسخ سریع و بالازدگی کوچک و مقاوم بودن و ضد اغتشاش بودن مورد توجه است , استفاده میشود. اما اشکال روش مود لغزشی در ایجاد پدیده وزوز میباشد که در این مقاله به خاطر در نظر گرفتن کنترلکننده مود شبه لغزشی کاهش یافته است. نتایج نشان داده شده در این مقاله نشان میدهد که کنترلکننده استفاده شده در این مقاله نسبت به کنترلکنندههای انتگرال نسبی مرسوم دارای بازدهی بالاتری میباشد.
مقاله [11] در مورد یک کنترلکننده پسخور/پیشخور غیر خطی بر روی توربینهای بادی سرعت متغیر با ژنراتورهای القائی دوگانه میباشد. با تنظیمکردن ولتاژ روتور و زاویه خمش پرهها میتوان توان فعال در هر دو مود دنبالکردن توان بیشینه و تنظیم توان را کنترل کرد و نیز کنترل توان غیرفعال به گونهای که ضریب توان مطلوب نگهداشته شود.
این مقاله از سه مرحله طراحی تشکیل شده است:
1. به کار بردن خطیسازی فیدبک برای حذف عوامل غیر خطی
2. طراحی یک کنترلکننده سرعت به گونهای که سرعت زاویهای روتور مرجع مطلوب را تا حد ممکن دنبال کند
3. معرفی یک تابع شبه لیاپانوف و ارائه یک روش مبتنی بر مشتق برای کمینهسازی این تابع
مقاله [12] یک روش بدون سنسور جدید از ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم بر اساس رویتگرهای مود لغزشی و سخت افزار حلقه قفل شونده فاز، که ولتاژ داخلی در قالب مدل مرجع d-q را تخمین میزند، را معرفی میکند. سختافزار حلقه قفل شونده فاز از ولتاژ داخلی تخمین زده شده برای تخمین سرعت زاویهای و مکان روتور استفاده میکند. تحت این شرایط تفاوت زیادی بین پارامترهای واقعی و پارامترهای مدل وجود دارد. برای رفع این مشکل از روشی مقاوم برای تخمین سرعت چرخش و مکان روتور استفاده میشود که در مقابل تغییرات پارامترها و اغتشاش خارجی مقاوم است.
یکی از زمینه هایی که به بررسی کنترل توربین بادی در آن پرداخته شده است کنترل توربین بادی در زمان اتصال شبکه می باشد. در این زمینه می توان به مقالاتی همچون 23 اشاره نمود که در آنها به کنترل توان توربین تحت شرایط ولتاژ نامتعادل شبکه پرداخته است. در مقاله[13] یک روش کنترلی مستقیم بهبود یافته توان برای توربین بادی متصل به شبکه در زمانی که ولتاژ شبکه متعادل نیست، ارائه شده است(شکل ‏1-14). این روش بر اساس مفهوم کنترل مود لغزشی بیان شده است که وظیفه تنظیم توان اکتیو و راکتیو را بدون نیاز به دنبال کردن زاویه فاز ولتاژ شبکه را دارد. یک روش ترکیبی توان جدید در طی مدت زمان عدم تعادل شبکه ارائه شده است که به منظور رسیدن به اهداف کنترلی زیر میباشد.
دستیابی به جریان استاتور مقاوم و سینوسی، حذف ریپلهای توان راکتیو استاتور و نیز جلوگیری از نوسانهای توان اکتیو خروجی استاتور. اجزا توان اکتیو و راکتیو توسط یک روش ساده و با در نظر گرفتن سه هدف کنترلی ذکر شده و بدون نیاز به بسط دادن دنباله منفی اجزا جریان استاتور میتواند بدست اید.

شکل ‏1-14: نمای کنترل کننده به کار رفته در سیستم

همچنین در مقاله [14] از کنترل مود لغزشی مرتبه 2 برای کنترل توان در سنکرون سازی شبکه استفاده شده است. در این مقاله از یک کنترل کننده مود لغزشی درجه 2 برای کنترل توربین بادی استفاده میگردد. دو الگوریتم مختلف برای دستور دادن به مبدلهای سمت روتور در فرکانس سوئیچ ثابت طراحی شده است که وظیفه کنترل توان و سنکرون سازی شبکه را بر عهده دارند. این روش همچنین انتقال مناسب بین دو کنترل کننده را در لحظه اتصال بین توربین و شبکه را تضمین مینماید.شکل ‏1-15

شکل ‏1-15: کنترل کننده مود لغزشی توان اکتیو و راکتیو

استفاده از زاویه پره ها برای تثبیت توان نیز از جمله زمینه هایی است که پژوهشگران توجه ویژه ای به آن داشته اند از این جمله می توان به استفاده از کنترل کننده مود لغزشی فازی تطبیقی و کنترل کننده های PI و همچنین شبکه های عصبی RBF اشاره نمود.
در مقاله [15] به علت تاثیر زیاد تنظیم زاویه خمش بر روی کیفیت توان تنظیمی، یک کنترلکننده مود لغزشی فازی تطبیقی که از خطیسازی فیدبک استفاده میکند، برای ژنراتور توربینهای بادی سرعت متغیر بکار برده میشود. (شکل ‏1) قانون کنترل مد لغزشی بدست آمده و پایداری نیز اثبات میگردد. توسط منطق فازی مدل عدمقطعیت در قانون کنترل پیشبینی شده و از مدل ریاضی آن اجتناب شده است.
به علت خصوصیات خوبی که کنترل مد لغزشی دارد از جمله عدم حساسیت در مقابل اغتشاش و تغییرات پارامترها، از یک کنترلکننده مود لغزشی بر روی زاویه خمش استفاده میشود که قانون کنترل آن توسط خطی سازی فیدبک بدست میآید. از تکنولوژی فازی تطبیقی به همراه کنترلکننده مود لغزشی برای اطمینان از پایداری و بازدهی مطلوب به کار میرود. از تخمین زننده فازی برای اجتناب از به کار بردن مدل ریاضی و حساس نبودن نسبت به اغتشاشات خارجی استفاده میشود. یک قانون تطبیقی نیز برای تنظیم پارامترها به صورتی که خطای دنبالکردن20 را به صورت مجانبی به صفر برساند، به کار میرود. پایداری کلی سیستم نیز توسط تئوری پایداری لیاپانوف اثبات میشود.
شکل ‏116-: کنترل زاویه خمش توسط کنترلکننده مود لغزشی[15]

مقاله [16] یک طراحی از کنترل مود لغزشی برای کاهش تلفات برای سرعت یک ژنراتور سنکرون میدان دائم و استفاده از انتگرال- نسبتی برای کنترل زاویه خمش توربین است. یک کنترلکننده مود لغزشی با یک سطح سوئیچ انتگرالی طراحی شده است که در آن استنتاج فازی برای تخمینزدن کران بالای عدمقطعیت به کار میرود. بنابراین از یک استنتاج فازی با مراکز تطبیقی تابعهای عضویت برای تخمین کران بهینه عدمقطعیتها استفاده میشود.(شکل ‏1-16)
شکل ‏1-17: کنترلکننده ترکیبی به کاررفته بر روی توربین بادی[16]

در مقاله [17] از یک کنترلکننده مود لغزشی فازی برای کنترل سرعت یک ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم به همراه یک شبکه عصبی توابع بنیادی شعاعی با بازده بالا که قابلیت آموزش همزمان را دارد، برای کنترل زاویه خمش استفاده شده است. الگوریتم آموزشی برای تنظیم این شبکه عصبی، الگوریتم بازگشت به عقب است. یک کنترل کننده مود لغزشی با سطح لغزش انتگرالی نیز طراحی گردیده است که در آن حدود بالای عدمقطعیتها توسط روش منطق فازی بدست میآید. البته لازم به ذکر است که مراکز توابع عضویت به صورت تطبیقی در نظر گرفته شده تا حدود عدمقطعیت به صورت بهینه بدست آید.
شکل ‏1-18: کنترلکننده مود لغزشی فازی همراه با شبکه عصبی توابع بنیادی شعاعی[17]

تمرکز کنترل پیچ پره ها بر عملکرد توربینهای شناور در ناحیهای است که سرعت باد در رنج بالا میباشد، جایی که قدرت توربین در نرخ مجاز تنظیم میشود [18]. بنابراین هدف ابتدایی کنترل کمینه کردن نوسانات قدرت همانند نوسانات حرکت توربین وسطح به دلیل وزش باد و موج میباشد. دومین هدف، شامل کمینه کردن حرکت سطح و فرسودگی توربین که متعاقبا طول عمر توربین را افزایش میدهد.
کنترل کننده خط مبنا21ی استفاده شده در این بخش حرکت پیچ سطح را کاهش میدهد [19]. کنترلگر خط مبنا شامل دو کنترل کننده مستقل میباشد: کنترل کننده گشتاور ژنراتور و کنترل کننده پیچ پیوسته پره22. رابطه بین سرعت و گشتاور ژنراتور وابسته نواحی عملکرد میباشد در ناحیه دو (نرخ سرعت پایین باد) گشتاور ژنراتور با نسبت مربع سرعت آن تغییر میکند تا قدرت دریافتی را بیشینه کند [20].
کنترل فضای حالت در کنترل چند متغیره و کنترل چند منظوره استفاده میشود که حاصل آن یک کنترل کننده متمرکز برای رسیدن به اهداف کنترلی ابتدایی و ثانویه میباشد. تنظیم کننده خطی درجه دوم23 یک کنترل گر فضای حالت بهینه است. برای اینکه این کنترل کننده خطی باشد باید بیانی خطی برای توربین بادی شناور تهیه شود.
کنترل فضای حالت پیچ پره منحصر بفرد24 از یک راه بهینه برای برای محاسبه بهرهها در رسیدن به اهدافش استفاده میکند در صورتی که کنترل IBP مکانیزم متفاوتی را برای پیچ سطح پیشنهاد میکند. راههای زیادی برای رسیدن به کنترل IBP بسته به اهداف کنترلی آن روش وجود دارد. تبدیل مختصات چند پره25 ، منحصرا برای کنترل پرههای توربین میتواند استفاده شود [21]. مختصات چند پره مشخصههای پریودیک سیستم را در یک مدل مفید LTI ، استخراج میکند، ولی بهر حال تمام آثار پریودیک سیستم را دریافت نمیکند.
هر دو کنترلگر (خط مبنا و فضای حالت CBP) از پیچش پیوستهی پره برای رسیدن به اهدافشان استفاده میکنند. در توصیف تفاوتهای بازدهی به بررسی تاثیر پیچ پیوسته پرهها در تنظیم سرعت روتور و پیچ سطح میپردازیم.
برای تنظیم سرعت روتور فرض میکنیم توربین بادی در تعادل باشدو اثر افزایش ناگهانی سرعت باد در آن ثابت باشد. زیرا افزایش سرعت باد گشتاور آیرودینامیکی و فشار تولیدی توسط هر پره افزایش میابد افزایش گشتاور آیرو دینامیکی پرهها باعث شتاب گرفتن روتور میشوند. بنابراین کنترل کننده باید پیچ پره را افزایش داده تا گشتاور آیرو دینامیکی کاهش پیدا کند، و سرعت روتور را تنظیم کند.
برای بازگرداندن پیچ سطح پرکاربردترین نیروی تولید شده توسط پرهها نمیتوانند مستقیما روی پیچ سطح تاثیر بگذارند اما فقط به دلیل نیروی فشار، تغییرات در سرعت چرخش را بر روی توربین بادی در حال تعادل را در نظر خواهیم گرفت. برای نگه داشتن توربین در حالت تعادل، کنترل کننده بایستی یک پیچ لحظهای مثبت برای بازگرداندن سطح، تولید کند و این عمل می تواند با افزایش فشار آیرودینامیکی روی پرهها به طور پیوسته انجام پذیرد بنابراین زاویه پیچ پرهها باید کاهش پیدا کند. همانگونه که کنترل کننده پیچ پره را برای بازگرداندن پیچ سطح کاهش میدهد، این در نتیجه این عمل، توسط گشتاور آیرودینامیکی که اضافه تولید شده، شتاب روتور افزایش خواهد داشت. و کنترل کننده دوباره باید برای تنظیم سرعت وارد عمل شود. بنابراین دو هدف تنظیم سرعت و پیچ سطح برای پیچ پره رقابت میکنند. همچنین قابل ذکر است این مکانیسم زمانی که جانکمن حلقه فیدبک کنترلی بالای برج را اضافه کرد اساس او را تشکیل داد [22].
اخیرا بیشتر الگوریتمهای کنترل به مقادیر اندازه گیری شده از ساختار توربین و اجزاء متحرکه برای استفاده در فیدبک کنترل وابسته می باشند. اغلب این اندازه گیریهای توربین غیر قابل اعتماد میباشند. پاسخ به اغتشاشات با تاخیر نمایش داده میشوند. بنابراین یک تاخیر ذاتی بین زمان رسیدن اغتشاش و زمانی که محرک کنترل شروع به کم کردن بارهای پاسخی می کند وجود دارد.
تکنولوژیهای لیدرجدید26 توانایی اندازه گیری سرعت باد موافق توربین بادی با نرخ نمونه برداری را دارا میباشند [23].
اساس طرح کنترل پیشنهادی در سبک کردن آثار اغتشاش باد در طول عملکرد توربین میباشد که درطول سالیان متمادی توسط کارهای واکرناک27 و سیلوان28، اندرسون29 و مور30، استروم31 و ویتن مارک32، فرنکلین33 و پول34 در مقالات انتشاراتی ایشان توسعه یافته است.

شکل 1 – 19. طرح سیستم کنترل توربین بادی [24]

دسته بندی : پایان نامه ها

پاسخ دهید