در این پست به بررسی روشی نوین در زمینه بهینه‌سازی تکنیک‌های کنترل سیستم‌های بادی و بهبود کیفیت انرژی تولید شده در شبکه می پردازیم. تکنیک کنترل مد لغزشی / Sliding Mode نتایج بسیار جالبی به دست می دهد، اما اشکال عمده آن در پدیده چترینگ (نوسان) نهفته است که دقت سیستم را کاهش می دهد. ما در این کار راه حلی را برای لغو این پدیده چترینگ با استفاده از تکنیک Backstepping تطبیقی ​​برای کنترل توان های ژنراتور آسنکرون دو سو تغذیه (DFIG) متصل به شبکه الکتریکی توسط دو مبدل (ماشین جانبی و جانبی شبکه) در شبکه پیشنهاد می کنیم. این تکنیک ترکیبی خطاهای دقت و پایداری را تصحیح می کند و عملکرد سیستم بادی به دست آمده از نظر راندمان، توان اکتیو و راکتیو قابل توجه است. ابتدا مروری بر سیستم بادی ارائه شده سپس، توضیح جامعی از تکنیک بازگشت به عقب / Backstepping بر اساس روش پایداری و بهینه سازی لیاپانوف ارائه شده است. پس از آن، یک اعتبارسنجی در محیط Matlab و Simulink برای آزمایش عملکرد و استحکام مدل پیشنهادی انجام شد.

مقدمه ای بر مسئله

در مواجهه با تقاضای فزاینده برای انرژی ناشی از ازدحام جمعیت در سراسر جهان و انحصار کشورها در زمینه صنعتی و کاهش کم و بیش طولانی مدت سوخت های فسیلی، منابع انرژی سنتی کمتر و کمتر فراوان می شوند و جایگزین های متفاوتی برای آنها وجود دارد. به عنوان مثال، در پی بحران های نفتی، برخی از کشورها سیاست هسته ای را دنبال کرده اند در حالی که برخی دیگر به طور گسترده ای از انرژی های تجدیدپذیر با استفاده از انرژی بادی استفاده کرده اند.

سه خانواده مهم در زمینه انرژی‌های تجدیدپذیر در حال ظهور هستند: انرژی‌های با منشاء مکانیکی (باد)، انرژی‌های با منشاء الکتریکی (پانل‌های فتوولتائیک) یا انرژی به شکل گرما (زمین گرمایی، حرارتی خورشیدی و غیره). قرن‌هاست که از انرژی باد برای انجام کارهای مکانیکی استفاده می‌شود. معروف ترین نمونه آسیاب بادی است. در سال 1888، چارلز اف. براش یک توربین بادی کوچک برای تامین برق خانه‌اش ساخت و دارای ذخیره باتری بود.

جابجایی توده های هوا که به طور غیرمستقیم ناشی از خورشید / زمین است، انرژی باد تولید می کند. گرم شدن برخی از مناطق کره زمین و سرد شدن برخی دیگر منجر به ایجاد اختلاف فشار و حرکت توده های هوا به صورت ثابت می شود. انرژی بازیابی شده به سرعت باد و سطح رو به باد بستگی دارد. این انرژی به صورت مستقیم (فرزکاری، پمپاژ) یا غیر مستقیم (تولید برق از طریق ژنراتور) استفاده می شود.

برای راه اندازی یک توربین بادی، به سرعتی در حدود 15 کیلومتر در ساعت نیاز دارید. و به دلایل ایمنی، توربین بادی باید در زمانی که باد از 90 کیلومتر در ساعت تجاوز می کند متوقف شود. در ناسل، محوری به نام شفت وجود دارد که توسط روتور دینام به حرکت در می آید. چرخش شفت انرژی را فراهم می کند که به دینام اجازه می دهد یک جریان الکتریکی متناوب تولید کند. بسته به قدرت باد، توربین‌های بادی بیش از 80 درصد مواقع با سرعت‌های مختلف می‌چرخند. علاوه بر این، یک مزرعه بادی با 4 تا 6 توربین بادی نیاز برق نزدیک به 12000 نفر را پوشش می دهد.

اکثر توربین‌های بادی نصب‌شده در گذشته دارای سرعت ثابت بودند. علاوه بر این، این فناوری توربین بادی نوسانات قابل توجهی در ولتاژ و توان شبکه در طول تغییرات قابل توجهی در سرعت باد ایجاد می کند. بنابراین توربین‌های بادی با سرعت متغیر برای حل این مشکلات معرفی شدند.

با توجه به مزیت های اندازه، هزینه، کارایی، محدوده عملیاتی گسترده (هیپر و هیپو سنکرون)، و نویز صوتی آن در عملکرد چهار ربعی، پرکاربردترین سیستم های بادی در صنعت مبتنی بر ژنراتور ناهمزمان دو سو تغذیه شده DFIG هستند. در نتیجه، در مقایسه با توربین‌های بادی با سرعت ثابت، توان الکتریکی با کیفیت بالایی تولید می‌کنند.

چندین کار تحقیقاتی در مورد کنترل و کنترل توربین های بادی انجام شده است . با این وجود، سنتز این کنترل‌ها از مدل خطی توربین بادی عملکرد را کاهش می‌دهد، به‌ویژه زمانی که با نیمرخ باد واقعی مواجه می‌شویم. این به دلیل جنبه غیرخطی شدید سیستم باد است. بنابراین، تأثیر اغتشاشات روی سیستم عموماً با دقت کافی در نظر گرفته نمی شود. در نتیجه، این نوع کنترل، حفظ عملکرد ردیابی خوب را در حضور اغتشاشات خارجی ممکن نمی سازد.

در این نوشته به مدل‌سازی، کنترل و شبیه‌سازی یک سیستم تبدیل انرژی باد بر اساس یک ژنراتور ناهمزمان دو سو تغذیه (DFIG) می‌پردازیم. این سیستم مستقیماً توسط استاتور خود به شبکه متصل می شود و توسط روتور خود توسط دو مبدل استاتیک هدایت می شود. ایده این است که یک سیستم کنترل جدا شده از DFIG را برای اطمینان از کیفیت بهتر توان و غیر حساس کردن سیستم به اختلالات پیاده سازی کنیم.

اهداف ما در این کار این است که:

• توسعه مدلسازی غیر خطی سیستم باد بر اساس DFIG
• مدل کلاسیک تکنیک کنترل حالت لغزشی را اعمال کرده و ایراد آن را برجسته کرده که همان پدیده ی چترینگ (نوسانات) است.
• یک تکنیک کنترل هیبریدی ایجاد کنیم، که مبتنی بر ترکیبی از تکنیک حالت لغزشی-پس‌گام است، که عملکرد سیستم باد را با توجه به تغییرات باد و همچنین تغییر پارامتر ماشین به طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد.

در نتیجه این پست به شرح زیر سازماندهی شده است: پس از مقدمه، مدل سازی دینامیکی سیستم باد (WECS) را بررسی می کیم.. در مرحله بعد، طراحی کنترل هیبریدی در حالت مدلغزشی گام به عقب-Backstepping پیشنهاد شده است. در نهایت نتایج شبیه سازی کنترل پیشنهادی ارائه، تجزیه و تحلیل و سپس با نتایج سایر کنترل ها مقایسه می شود.

مدلسازی سیستم باد بر اساس DFIG

توربین بادی انرژی جنبشی باد را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. این توربین شامل سه تیغه یکسان است که به یک شفت محرک متصل به یک ضرب کننده سرعت با نسبت تبدیل G متصل شده اند. این ضرب کننده شفت ژنراتور الکتریکی را به حرکت در می آورد.

شکل 1 )

ژنراتور انرژی الکتریکی را با فرکانس متغیر فراهم می کند و لازم است یک رابط الکترونیکی قدرت بین آن و شبکه اضافه شود. این رابط به طور معمول از دو مبدل (یکسو کننده و یک اینورتر) تشکیل شده است که از طریق یک مرحله ولتاژ DC متصل می شوند. سپس اینورتر سمت شبکه از طریق گذرگاه DC از دستگاه جدا می شود و هیچ ارتباط مستقیمی بین فرکانس شبکه و فرکانس تحویل شده توسط دستگاه وجود ندارد. با این حال، چنین دستگاهی باید به گونه ای طراحی و کنترل شود که اختلالاتی را که می تواند در شبکه ایجاد کند محدود کند. در واقع، ولتاژ تحویلی سینوسی نیست و ممکن است حاوی هارمونیک های نامطلوب باشد. علاوه بر این، مبدل ها به گونه ای اندازه می شوند که تمام توان مبادله شده بین ژنراتور و شبکه را انتقال دهند. بنابراین، آنها نشان دهنده یک هزینه گذاری مالی هستند و می توانند منجر به زیان های قابل توجهی شوند.

 مدل WECS

توربین با سیستم معادلات زیر مدل سازی شده است :

که در آن Cp: ضریب توان، λ: سرعت نسبی، β: زاویه شیب (درجه)، R: شعاع توربین، v: سرعت باد (m/s)، ρ: چگالی هوا (1.225 کیلوگرم بر متر مکعب).

توربین از طریق جعبه دنده ای به محور ژنراتور متصل می شود که مدل آن به شرح زیر است:

معادلات مکانیکی زیر شفت ژنراتور را مدل می کنند:

مدل DFIG

با توجه به چارچوب مرجع میدان دوار پارک، مدل DFIG با مجموعه معادلات زیر ارائه می شود.

کنترل غیر خطی WECS بر اساس DFIG

ضابطه کلی SMC

کنترل حالت لغزشی شامل دو عبارت است: یک کنترل ناپیوسته بسته به علامت سطح لغزش و یک کنترل معادل که پویایی سطح لغزش را مشخص می کند. سیستم روی سطح لغزشی :

ueq: بردار کنترل معادل یک حرکت لغزشی ایده آل را توصیف می کند، یعنی بدون در نظر گرفتن عدم قطعیت ها و اختلالات سیستم. به لطف شرایط زیر تغییر ناپذیری سطح لغزنده به دست می آید:

در مقالات ، چندین گزینه برای کنترل ناپیوسته ارائه شده است. ساده ترین آنها توسط:

با K که بهره کنترل است. بیان سطح لغزنده به شرح زیر است:

δ : بهره مثبت که پهنای باند کنترل مورد نظر را تفسیر می کند.

Ex : تفاوت روی متغیری که باید تنظیم شود e(x) = Xref-X.

r: درجه نسبی، کوچکترین عدد صحیح مثبت نشان دهنده تعداد دفعاتی است که باید متمایز شوند تا کنترل ظاهر شود.

شرایط همگرایی توسط تابع لیاپانوف تعریف می شود که سطح را جذاب و ثابت می کند.

این تابع مشخصاً مثبت است. شرط لازم و کافی برای تمایل متغیر لغزش S(x,t) به صفر این است که مشتق آن معین منفی باشد:

ایراد اصلی این نوع کنترل، پدیده ای است که به نام “CHATTERING” شناخته می شود. علاوه بر این، به دلیل ماهیت ناپیوسته تابع “SIGN”، نوسانات با فرکانس بالا در اطراف نقطه تعادل در حالت ثابت ظاهر می شوند.

کنترل حالت مدلغزشی-Backstepping

برای رفع مشکل چترینگ  کنترل حالت لغزشی، ما به تکنیک کنترل جدید نیازمندیم که عملکرد را بهبود می بخشد و این پدیده را کاهش می دهد. این تکنیک را کنترل حالت لغزشی-پس‌گام ترکیبی DFIG می‌نامند.

اصل کنترل ترکیبی شامل اصلاح کنترلر با حالت لغزشی با جایگزینی کنترل تثبیت کننده un از تنظیم کننده حالت لغزشی توسط کنترل کننده Backstepping برای حل مشکل CHATTERING است. بنابراین ترکیب این دو بخش، اطمینان از پایداری و استحکام سیستم مورد مطالعه را ممکن می سازد.

ساختار کنترلر Sliding-Backstepping Mode در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2)

این تکنیک بر اساس تجزیه کل سیستم کنترل است که معمولاً چند متغیره و مرتبه بالا است به یک آبشار از زیرسیستم های کنترل مرتبه اول. سپس یک قانون کنترل مجازی برای هر زیرسیستم محاسبه می شود. مورد دوم به عنوان مرجع برای زیر سیستم بعدی در نظر گرفته می شود تا زمانی که قانون کنترل برای سیستم کامل به دست آید.

استفاده از کنترل هیبریدی برای RSC

با اعمال کنترل حالت لغزشی-پسگام هیبریدی بر مبدل سمت روتور، معادله جهانی کنترل Vrd و Vrq به شکل‌های زیر به‌دست می‌آید:

ولتاژ Vrd دارای معادله:

ولتاژ داده شده Vrq:

با توجه به معادلات ولتاژ، بلوک کنترل را با حالت Sliding-Backstepping Mode اعمال شده بر روی RSC که در شکل 3 زیر نشان داده شده است، توضیح می دهیم.

شکل 3 )

استفاده از کنترل هیبریدی در GSC

با اعمال کنترل Hybrid Sliding-Backstepping Mode در مبدل سمت شبکه، بیان کنترل جهانی vdf و vqf به صورت زیر ارائه می شود:

بلوک کنترل توسط کنترل حالت Sliding-Backstepping اعمال شده در GSC در شکل 4 زیر آورده شده است.

شکل 4)

نتایج شبیه سازی

برای نشان دادن عملکرد کنترل حالت Sliding-Backstepping اعمال شده بر روی یک DFIG  ده کیلوواتی متصل به یک شبکه 400 ولت / 50 هرتز که به یک سیستم باد اختصاص داده شده است،

از این نتایج (شکل های 5 و 6)، می توان نتیجه گرفت که توان های تولید شده توسط DFIG کاملاً از منابع خود با جداسازی بهتر و زمان پاسخ کم کمتر از تنظیم کننده PI و تنظیم کننده حالت لغزشی پیروی می کنند.

شکل 5 )

شکل 6 )

همچنین می‌توانیم متوجه شویم که گشتاور الکترومغناطیسی به توان فعال بستگی دارد، این به شکل یکسان آن با نیروی فعال ترجمه می‌شود.

جریان روتور Irq به توان فعال Ps و جریان روتور Irq به توان راکتیو Qs بستگی دارد.

علامت مثبت لغزش g نشان می دهد که دستگاه در حالت هیپو سنکرون کار می کند.

شبکه انرژی با کیفیت خوبی دریافت می کند زیرا، طبق نتایج به دست آمده، جریان های استاتور ISabc سینوسی هستند و کیفیت بهتری نسبت به جریان های به دست آمده با کنترل حالت لغزشی دارند.

شکل 6 نشان می دهد که ولتاژ باس DC کاملاً از مقدار مرجع خود 510 ولت با خطای تقریباً صفر و زمان پاسخ کندتر نسبت به کنترل حالت لغزشی پیروی می کند.

همچنین می‌توان مشاهده کرد که نتایج به‌دست‌آمده از کنترل حالت لغزشی-Backstepping نسبت به نتایج کنترل با حالت لغزشی موج کمتری دارد، که نشان‌دهنده استحکام کنترل پیشنهادی است.

نتیجه گیری

در ابتدا، مدل‌های WECS و DFIG توسعه یافتند، سپس با حفظ استحکام حالت لغزشی سیستم تبدیل انرژی باد مبتنی بر DFIG و حذف پدیده CHATTERING بدون کاهش عملکرد سیستم، هیبریداسیون بین حالت لغزشی انجام شد. کنترل و کنترل Backstepping مورد ارزیابی قرار گرفت.

این تکنیک هیبریداسیون باعث ایجاد یک تنظیم کننده قوی جدید به نام حالت بک استپینگ درگ شده است. سپس کنترل بررسی می شود تا اطمینان حاصل شود که WECS حداکثر مقدار انرژی الکتریکی را به سمت تغییرات پارامتری استخراج می کند. سپس، شبیه‌سازی در محیط‌های Matlab/Simulink برای تعیین عملکرد و دوام کنترل پیشنهادی اجرا شد.

نتایج به‌دست‌آمده عملکرد بسیار رضایت‌بخش و قابل‌توجهی از تنظیم خوب را نشان داد. علاوه بر این، رفتارهای پیگیری، تنظیم و استحکام به طور قابل توجهی بهتر از موارد مشاهده شده برای سایر استراتژی های مورد مطالعه است.

منبع :

برق تِک