ردگیری نقطه توان بیشینه با بکارگیری تشخیص پارامتر برخط برای توربین بادی با ژنراتور مغناطیس دائمWORD
فهرست مطالب
عنوان صفحه
1-2-2- توربینهای بادی در ایران.. 3
2-3- توربینبادیچگونهکارمیکند. 10
2-4- اجزاء اصلی توربینهای بادی.. 12
2-5- انواع ژنراتورهای مورد استفاده در نیروگاههای بادی.. 15
2-6- توربینهای بادی با ژنراتور القایی تغذیه دوگانه (DFIG)16
2-7- مدل دینامیکی توربین باد(DFIG)17
2-1- روش کنترل نسبت سرعت قله (TSR). 19
2-3- کنترل فیدبک سیگنال توان.. 22
2-4- کنترل اغتشاش و مشاهده. 22
2-5- کنترل کننده منطق فازی.. 27
2-6- روش Hill Climb Searching (HCS). 30
2-7- استفاده از روشهای کنترل غیر خطی بدون سنسور. 34
فصل 3- مدل ریاضی ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم (PMSG). 36
3-1- ساختمان و مدل ریاضی PMSG.. 37
4-2- تعریف مسأله کمترین مربعات خطا43
4-2-1- کمترین مربعات خطا به روش گوس-نیوتن (GN)45
4-2-2- کمترین مربعات خطا به روش لیونبرگر-مارکوارت (LM)48
فصل 5- کنترل MPPT با بکارگیری سرعت دورانی بهینه. 49
5-2- پیکره بندی سیستم مبدل.. 49
5-3- کنترل MPPT با بکارگیری سرعت دورانی بهینه. 51
5-4- پیکره بندی سیستم تبدیل توان.. 53
5-5- ارتباط بین شعاع پرههای توربین R، و سرعت دورانی مطلوب . 55
5-6- بکارگیری روش LM برای شناسایی R (شعاع پرههای توربین)57
فصل 7- نتیجه گیری و پیشنهادات... 67
عنوان صفحه
جدول 1: تبدیل مبناهای dq و abc به یکدیگر از طریق تبدیل پارک... 53
جدول 2: ارزیابی مقادیر ، برای Rهای مشخص در مقابل تغییرات سرعت باد... 56
جدول 3: مقادیر ضرایب a و b در مقابل R.. 56
جدول 4: مشخصات بلوک PMSG بکار رفته در شبیه سازی.. 61
عنوان صفحه
شکل 1‑1: مزرعه بادی در نزدیکی منجیل.. 4
شکل 2‑1: نیروگاه بادی 100 مگاواتی منجیل.. 9
شکل 2‑2: روند رشد توان تولیدی توربینهای بادی.. 10
شکل 2‑3: نیروی باد برای آبکشی از چاه و توربین بادی با محور قائم و دوپره قابل برگشت... 11
شکل 2‑4: توربین بادی با محور افقی.. 11
شکل 2‑5: ساختمان توربین بادی [9]14
شکل 2‑6: توربین بادی سرعت متغیر با ژنراتور القایی تغذیه دوگانه. 16
شکل 2‑7: بلوک دیاگرام مربوط به کنترلرهای توان اکتیو و زاویه ایگام DFIG.. 17
شکل 2‑8: منحنیهای توان باد. 18
شکل 3‑1: محورهای d-q و برای ماشین سنکرون قطب برجسته. 38
شکل 3‑2: مدار معادل PMSG در مبنای محورهای d-q. 39
شکل 3‑3: تغییرات اندوکتانس فاز در مقابل چرخش رتور (قطب برجسته)40
شکل 3‑4: سیستم کنترل سرعت PMSG با ولتاژ مرجع.. 41
شکل 3‑5: سیستم کنترل سرعت PMSG با جریان مرجع.. 41
شکل 3‑6: کنترل گشتاور الکترومغناطیسی در PMSG.. 42
شکل 4‑1: روش گوس-نیوتن خارج خط(Off-line) برای مسأله کمترین مربعات خطا46
شکل 4‑2: روش گوس-نیوتن خارج خط(On-line) برای مسأله کمترین مربعات خطا47
شکل 5‑1: سیستم تبدیل انرژی بادی با PMSG.. 49
شکل 5‑2: مشخصهی توان توربین بادی.. 51
شکل 5‑3: سیستم کنترل زاویه پرههای توربین بادی.. 51
شکل 5‑4: سیستم کنترل سرعت در PMSG.. 53
شکل 5‑5: مشخصه توان توربین بادی.. 55
شکل 5‑6: مقادیر a و تقریب a در مقابل تغییرات R.. 57
شکل 6‑1: مشخصات بار سه فاز روی پایانه PMSG.. 60
شکل 6‑2: توربین بادی با ژنراتور مغناطیس دائم همراه زیرسیستمهای کنترل و شناسایی پارامتر R.. 60
شکل 6‑3: تغییرات سرعت باد. 64
شکل 6‑4: ردگیری سرعت دورانی بهینه مرتبط با توان بیشینه. 64
شکل 6‑5: ردگیری توان بیشینه. 64
شکل 6‑6: روند شناسایی پارامتر R.. 65
شکل 6‑7: ردگیری گشتاور بیشینه بخوبی صورت نگرفته است... 65
فصل 1- مقدمه
1-1- پیشگفتار
استفاده از سوختهای فسیلی و منابع بازیافت ناپذیر انرژی نظیر زغال سنگ و نفت، باعث شده که در سالهای اخیر با مسأله آلودگی هوا روبرو شویم. امروزه سیستمهای تبدیل انرژی باد (WECS)[1] به عنوان یک جایگزین مناسب برای سوختهای فسیلی مورد توجه هستند.
به همین دلیل بهره برداری پایدار و کارآمد از انرژی باد و بدنبال آن بررسی سیستمهای مبدل انرژی باد به عنوان یک موضوع مهم مورد مطالعه قرار گرفته اند. این سیستمهای مبدل عمدتا شامل توربینهای بادی با سرعت متغیر (VSWT)[2] هستند. اگرچه سیسمهای توربین بادی با سرعت متغیر معمولا بر پایه ژنراتورهای القایی با تغذیه دوگانه (DFIGs)[3] هستند، با این حال کاربرد ژنراتورهای سنکرون مغناطیس دائم، (PMSGs)[4] در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته است[7-1]. سیستمهای مبدل انرژی باد کنونی با PMSGبطور کلی از یک سیستم تبدیل AC-DC-ACاستفاده میکنند. در این سیستمها، WECSنیازی به سنکرون کردن سرعت دورانی خود با فرکانس شبکه قدرت ندارد. به علاوه، به دلیل سرعت دورانی پایین PMSGمیتوان از جعبه دنده توربین هم صرف نظر کرد. به وضوح مشخص شده است که برای هر سرعت معین از باد، یک سرعت دورانی مربوط به ژنراتور وجود دارد که در آن، توربین بادی بیشترین توان را به ژنراتور تحویل میدهد. این سرعت دورانی را سرعت بهینه مینامیم. در توربینهای بادی سرعت متغیر(VSWTs)، ردگیری نقطه توان بیشینه (MPPT)، با تنظیم سرعت دورانی ژنراتور روی سرعت بهینه بدست میآید.
1-2- تاریخچه
1-2-1- توربین بادی
اولین کاربرد‌های انرژی باد به استفاده در توربینهای چرخان در آسیاب‌های بادی برمی‌گردد. نخستین آسیاب‌های بادی، از آسیاب‌های بادی معروف هلندی، که تصویر آنها در ذهن بسیاری از ما ثبت شده است،کاملا متفاوت بود. تعداد پرههای این آسیاب‌ها به ۱۲ عدد می‌رسید و پرهها از بالای یک دیرک عمودی، همانند بادبان‌های یک کشتی که از فراز دکل و بازوی افقی دکل آویزانند، آویخته شده بود. شاید بتوان شکل کلی این آسیاب‌ها را با چرخ و فلک‌های شهربازی‌های امروزی مقایسه کرد که محور اصلی آنها در مرکز یک دایره روی زمین نصب شده است و اتاقک‌های چرخ و فلک همیشه فاصله ثابتی از سطح زمین دارند. این نوع طراحی برای آسیاب‌های بادی، شاید از بادبان‌های یک کشتی، یا از چرخ‌های دعای بودایی‌های آسیایی، که با نیروی باد می‌چرخید، الهام گرفته شده باشد. استفاده از انرژی باد پیشینه دراز مدتی داشته و به حدود سده ۲ پیش از میلاد در ایران باستان باز می‌گردد. برای نخستین بار، ایرانیان موفق شدند با استفاده از نیروی باد، دلو (دولاب) یا چرخ چاه را به گردش درآورده و آب را از چاه‌ها به سطح مزارع برسانند.نخستین ماشینی که با استفاده از نیروی باد به حرکت درآمد، چرخ بادی هرون بود؛ ولی نخستین آسیاب بادی عملی، در سده ۷ میلادی در سیستان ساخته شد. پیدایش آسیاب‌های بادی در اروپا مربوط به سده‌های میانه است. نخستین مورد ثبت‌شده در مورد استفاده از آسیاب‌هاب بادی در انگلستان مربوط به سده‌های ۱۱ و ۱۲ میلادی است.
نخستین توربین بادی با کاربرد تولید برق، یک ماشین شارژ باتری بود که در ژوئیه ۱۸۸۷ توسط یک مهندس اسکاتلندی به نام جیمز بلایث ساخته شد. چند ماه بعد، مخترع آمریکایی چارلز فرانسیس براش نخستین توربین باد خودکار را برای تولید برق در کلیولند در اوهایو ساخت. در سال ۱۹۰۸، ۷۲ توربین بادی با کاربرد تولید برق (بین ۵ تا ۲۵ کیلووات) در آمریکا فعال بودند. در دهه ۱۹۳۰، توربینهای بادی کوچک برای تولید برق مورد نیاز مزارع در آمریکا، که هنوز سامانه سراسری توزیع برق راه‌اندازی نشده بود، بسیار متداول بودند. در پاییز سال ۱۹۴۱، نخستین توربین بادی در کلاس مگاوات در ورمونت راه‌اندازی شد. نخستین توربین بادی متصل به شبکه برق در بریتانیا در سال ۱۹۵۱ در جزایر اورکنی ساخته شد.
در سال ۲۰۰۶ برای اولین بار در اتحادیه اروپا رشد تولید برق از انرژیهای نو بیش از رشد تولید برق از منابع فسیلی بود. از سال ۱۳۷۹ تا ۱۳۸۶ شمسی، ظرفیت تولید برق بادی جهان از ۱۸۰۰۰ مگاوات به ۹۲۰۰۰ مگاوات افزایش یافته است. از سال ۲۰۰۰ تاکنون این صنعت سالانه ۲۵٪ رشد کرده و هر سه سال دو برابر شده است و این در شرایطی است که رشد اقتصاد جهانی از یک تا دو درصد در سال بیشتر نیست [8].
1-2-2- توربینهای بادی در ایران
در سال ۲۰۰۴ میلادی تنها ۲۵ مگاوات از ۳۳۰۰۰ مگاوات برق تولید شده در ایران با استفاده از انرژی بادی تولید شده بود. در سال ۲۰۰۶ میلادی سهم برق تولید شده در ایران با استفاده از انرژی بادی ۴۵ مگاوات بود (رتبه سی ام در دنیا) که به نسبت سال ۲۰۰۵ رشد چهل درصدی را نشان می‌داد. در سال ۲۰۰۸ میلادی نیروگاه بادی منجیل (در استان گیلان) و بینالود (در استان خراسان رضوی)، ظرفیت ۸۲ مگاوات برق را داشته‌اند. ظرفیت برق بادی در ایران در سال ۲۰۰۹ میلادی ۱۳۰ مگاوات ساعت بوده‌است.
شکل 1‑1: مزرعه بادی در نزدیکی منجیل
1-3- بررسی کارهای انجام شده
تاکنون روشهای متعددی برای برای کنترل MPPTروی VSWTهاارائه شده است. در[4و1]، چند روش برای MPPTتوربین بادی با ژنراتور مغناطیس دائم معرفی شده است و سرعت دورانی بهینه به وسیله ضریبی مرتبط با سرعت باد، محاسبه شده است. با این وجود در این مقالات اثر خطای پارامتری در مدل سیستم، اغتشاش در باد و شرایط آب و هوایی لحاظ نشده است. به همین دلیل ممکن است ضرایب تغییر کرده و نقطه سرعت بهینه بدرستی به سیستم کنترل معرفی نشود که نتیجه آن عدم ردگیری نقطه توان بیشینه خواهد بود. برای مقابله با این آثار روش کنترل تطبیقی MPPT، که براساس جستجوی هیل-کلایم[5] است، در [4] ارائه شده است. اما در سیستمهای عملی، زمان این نوع محاسبات زیاد است، بخصوص زمانی که تغییرات سرعت باد زیاد و سریع باشد. این کندی در محاسبات خود باعث انحراف سیستم تبدیل انرژی از نقطه بیشینه توان خواهد شد. در [9] یک روش کنترلی برای MPPTروی یک WECSبر پایه PMSGارائه شده است که از شناسایی پارامتر برخط استفاده میکند. سیستم WECSتوان الکتریکی خود را از طریق یک مبدل AC-DC-ACبه شبکه سه فاز میدهد. در این مورد سیستم کنترل شامل دو بخش است. کنترل کننده سمت ژنراتور که گشتاور PMSGرا برای دریافت بیشینه توان از توربین بادی کنترل میکند و کنترل کننده سمت شبکه قدرت که ولتاژ dcروی پایانه شبکه قدرت را ثابت نگه میدارد. همچنین ابتدا ارتباط بین توتان بیشینه و سرعت دورانی ژنراتور در سرعت وزش بادهای مختلف بررسی و استخراج میشود و سپس با بکارگیری شناسایی پارامتر اثر نامطلوب اغتشاشات را بر این رابطه، حذف میکند. در [10] از کنترل سرعت ژنراتور برای MPPTاستفاده شده است. در این مورد با بکارگیری یک سری پارامتر، سرعت وزش باد را به سرعت دورانی بهینه مرتبط میکنند. پارامترهای مذکور با شناسایی بدست میآیند. سرعت دورانی بهینه به یک کنترل کننده سرعت داده شده و مقادیر مطلوب جریانها و همچنین ولتاژها برای PMSGمحاسبه میشود. در نهایت با استفاده از یک مبدل مودولاسیون عرض پالس[6] ولتاژها و جریانها به پایانههای ژنراتور اعمال میشوند.
ما در این تحقیق فرض کردهایم که یکی از پارامترهای سیستم کنترل مرتبط با توربین بادی را بدرستی انتخاب نکردهایم. این پارامتر نادرست طی یک فرآیند شناسایی برخط[7] شناسایی و با استفاده از آن سرعت بهینه را بطور تقریبی محاسبه میکنیم. پارامتر مذکور شعاع پرههای توربین بادی است. ارتباط بین شعاع پرهها و سرعت دورانی بهینه با بکارگیری روش انطباق منحنی[8] بدست میآید. روش کار به این صورت است که ابتدا سیستم شناسایی برخط، پارامتر نامعلوم را شناسایی میکند و سپس با استفاده از پارامتر شناسایی شده، سرعت دورانی بهینه بطور تقریبی محاسبه و وارد سیستم کنترل سرعت ژنراتور مغناطیس دائم میشود. در فصل 2 سیستمهای تبدیل انرژی باد معرفی خواهد شد. در فصل 3 ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم را مورد توجه قرار داده و روابط حاکم بر آن را بررسی میکنیم. شناسایی پارامتر هم در فصل 4 معرفی میشود. کنترل MPPT با بکارگیری سرعت دورانی هم در فصل 6 ارائه خواهد شد و در فصل 7 شبیه سازیهای انجام شده را آوردهایم.
فصل 2- مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه ردیابی حئاکثر توان در سیستمهای تبدیل انرژی باد به انرژی الکتریکی
2-1- مقدمه
لزوم توجه به استفاده از انرژیهای نو در اکثر کشورهای جهان به اثبات رسیده است. بررسیها نشان میدهند که در حال حاضر بیش از 14درصد نیاز جهانی انرژی توسط انرژیهای نو تأمین میشوند. در میان انواع مختلف انرژیهای نو، تولیدات بادی متداولترین آنها میباشند. طی سالهای 2005 تا 2009 ظرفیت جهانی نصب شده توربینهای بادی نرخ متوسط رشدی برابر 27درصد در سال را داشته است. همچنین گزارشها نشان میدهند که ظرفیت نصب شده این توربینها از 24300 مگاوات در سال 2001 به 203500 مگاوات در سال 2010 افزایش یافته است. در ایالات متحده، تا پایان سال 2009، ظرفیت تولیدات بادی نصب شده حدود 35000 مگاوات برآورد شده است. پیشبینی میشود تا پایان سال 2015 و 2020 میزان تولیدات بادی به ترتیب به 300 و 400 گیگاوات خواهد رسید.
شکل 2‑1: نیروگاه بادی 100 مگاواتی منجیل
انرژی خورشیدی بیشتر در کشور ژاپن مورد توجه بوده و ظرفیت PV نصب شده تا سال 2010 در این کشور 4.5 گیگاوات برآورد شده است. علاوه بر کشورهای مدرن اروپایی و آمریکای شمالی، کشورهایی مانند چین، کره، هند، نیوزلند، برزیل، ایران، تونس، مصر و مراکش دارای تولیدات حاصل از انرژیهای نو هستند [11].
2-2- مشکلات و موانع جدید
اضافه شدن مقادیر قابل توجهی از انرژیهای نو به سیستم قدرت باعث ایجاد چالشهای اقتصادی، زیست محیطی و تکنولوژیکی جدیدی میشود که با اضافه شدن انرژیهای نو به شبکه ایجاد شده است میتوان به لزوم تطبیق پذیری آنها با الزامات شبکه، خطر ایجاد اضافه بار روی خطوط ارتباطی و نیاز به گسترش شبکه( به علت دوری از مراکز اصلی بار) اشاره نمود. همچنین با توجه به روند رو به افزایش استفاده از انرژیهای نو، بهروز رسانی شبکه نیز ضروری بنظر میرسد. مهمترین اثرات اتصال مقادیر زیاد انرژیهای نو در کنترل و بهره برداری سیستم عبارتند از :
- ایجاد اضافه بار ناحیهای در خطوط انتقال در شرایط کارکرد عادی و غیر عادی
- کاهش ظرفیت خطوط انتقال
- افزایش نیاز برای توازن توان و میزان رزرو
- افزایش میزان تلفات سیستم
- افزایش نیاز شبکه به جبران راکتیو
در حال حاضر با توجه به میزان کنونی نفوذ انرژیهای نو، تاثیرات بیان شده در اکثر مناطق جهان، مقدار قابل توجهی ندارد. ولی با توجه به گسترش سریع این منابع، توجه به موارد بیان شده به خصوص در زمینهی کنترل فرکانس ضروری بنظر میرسد.
شکل 2‑2: روند رشد توان تولیدی توربینهای بادی
2-3- توربینبادیچگونهکارمیکند
بطورکلییکمولدانرژیبادیوقتیبوسیلهنیرویبادبحرکتدرمیآید،قدرتبوسیلهروتورآنبهخارجدادهمیشود. دوروشابتداییبرایاستفادهازنیرویبادوجوددارد:
الف)درروشاول (مطابقشکل 2-3) یکچترنجاتتوسطنیرویرانشبادبطورافقیکشیدهمیشودوکابلمتصلبهآن،سطلآبراازچاهبیرونمیکشد .شکل 2-3شماییکتوربینسادهبامحورقائمرانشانمیدهدکهبوسیلهنیرویرانشبادمیچرخدوازمحورقائمآننیروگرفتهمیشود.شایانذکراستدوپرهایکهدرطرفینمحورتوربینقراردارد،بهترتیبهریکمقابلبادقرارگرفتهواخذنیرومیکندودرهمینزمانپرهدیگردورمحورقائمخود(نهمحورقائمتوربین)90درجهچرخیدهومانعیدرمقابلبادنخواهدبود [11]. درشکلهای2-3،نیرویرانشبادبهپاراشوتونیزبهدوصفحهتوربینبرخوردکردهوقدرتخودرابرایآبکشیازچاهویاگردانیدنتوربینبهمصرفمیرساند.ایننیرویرانشبادهماننیروییاستکههنگامحرکتاتومبیلدربزرگراهبوسیلهبادبهدستانسانکهازپنچرهماشینبیرونباشد،اعمالمیشود .
شکل 2‑3: نیروی باد برای آبکشی از چاه و توربین بادی با محور قائم و دوپره قابل برگشت
ب) درروشدوم،بادبواسطهعملآیرودینامیکیکهبالابرنامیدهمیشود،نیرویخودرابهمبدلهایبادیمیدهد(شکل2-4). نیرویبالابرهماننیروییاستکهدربالهایهواپیماهنگامپروازبوجودآمدهوسببصعودهواپیمامیشود .بایدبخاطرداشت،رشتههایهواهنگامبرخوردبالبهپرهتوربینبادیکهبهفرممخصوصیساختهشدهاست،هنگامخروجدرقسمتبالاودرقسمتپاییناندکیتغییرمسیردادهسپسبهممیپیوند(شکل2-4).
شکل 2‑4: توربین بادی با محور افقی
بهسببفرمپرهتوربین،جریانهواییکهازبالایآنمیگذرد،مسیرطولانیتریراطیکرده،ودرنتیجهرقیقگشته،رویپرهتولیدمکشمیکند،عکسآنجریانهواییاستکهاززیرپرهمیگذردومسیرکمتریدارد،درنتیجهغلیظبودهوبهپرهفشارواردمیکند.شکل2-4شماییکتوربینبادیافقیرانشانمیدهد،نیرویبالابرسببچرخشپرههایتوربینمیگرددوقدرتتولیدمیکندونیرویرانشکهعمودبرسطحدایرهگردشپرههاست،بوسیلهپرههاوبرجنگهدارندهتوربینخنثیمیشود. پرههایتوربینبادیاصولاطوریطراحیمیشوندکهنیرویبالابربزرگونیرویرانشکوچکمیباشد،ازطرفیقدرتتوربینبالامیرودوازطرفدیگربعلتپایینبودننیرویرانش،صدمهایبهبرجنگهدارندهتوربینواردنمیشود .درتوریبنهایبادیبامحورافقی،بادعمودبرسطحچرخشپرههاواردمیگردد،ازاینرونیرویبادبرتمامپرههابطوریکساناثرمیکند. ولیدرموردتوربینهایبادیبامحورقائم،چونسطحایجادشدهبوسیلهچرخشپرههاتقریبایکسطحکرویاستوزوایایپرههامرتبانسبتبهجهتبادتغییروضعمیدهند،نیرویرانشمرتباکموزیادمیشود.
2-4- اجزاء اصلی توربینهای بادی
پرهها[9] : بیشترتوربینها2یا3پرهدارند،بادبهپرههابرخوردمیکندوباعثچرخشآنهامیشود.
ترمز[10]: بااستفادهازسیستمترمزدیسکیمیتوانتوربینرابصورتهیدرولیکیمتوقفکرد.
بخشکنترل[11] :بخشکنترلتوربینراوقتیسرعتبادبین4تا25متربرثانیهاستبکارمیاندازدوهنگامیکهسرعتبادبهبالاتراز25متربرثانیهمیرسدآنهارامتوقفمیکندتوربینهانمیتواننددرسرعتهایبیشتراز25متربرثانیهبهکارخودادامهدهند. درسرعتبالای30متربرثانیهسقوطبرجهانیزوجوددارد.
[1] Wind Energy Conversion System
[2] Variable Speed Wind Turbine (VSWT)
[3] Doubly-Fed Induction Generators (DFIGs)
[4] Permanent Magnet Synchronous Generators (PMSGs)
[5] Hill Climb Searching
[6] Pulse Width Modulation (PWM)
[7] Online Identification
[8] Curve Fitting
[9] Blades
[10] Brake
[11] Controller
