دانشگاه آزاد اسلامي
واحد خميني شهر
پايان نامه براي دريافت درجه کارشناسي ارشدM.Sc
گرايش مهندسي برق- قدرت
کنترل زاويه خمش و ژنراتور توربين بادي با استفاده از کنترل کننده هاي مرتبه بالا وانتگرالي مود لغزشي
استاد راهنما:
دکتراحمد حاجي پور
استاد مشاور:
دکترميلاد دولتشاهي
نگارش:
وحيد رستگار
پاييز 93
تقديم به:
روح پاک پدرم که عالمانه به من آموخت تا چگونه در عرصه زندگي، ايستادگي را تجربه نمايم.
و به مادرم، درياي بي کران فداکاري و عشق که وجودم برايش همه رنج بود و وجودش برايم همه مهر
و به همسرم، اسطوره زندگيم، پناه خستگيم و اميد بودنم.
تشكر و قدرداني:
از استاد گراميم جناب آقاي احمد حاجي پور بسيار سپاسگذارم چرا که بدون راهنماييهاي ايشان تامين اين پايان نامه بسيار مشکل مينمود.

از جناب آقاي ميلاد دولتشاهي به دليل ياريها و راهنماييهاي بي چشم داشت ايشان که بسياري از سختيها را برايم آسانتر نمودند.

چكيده
توربين هاي بادي به عنوان يکي از ابزار توليد انرژي الکتريکي از انرژي هاي تجديد پذير و پاک مورد توجه بسياري از محققين قرار گرفته است. بحث کنترل توربين به منظور توليد توان بيشتر و مقرون به صرفه بودن استفاده از آن در برابر سوخت هاي فسيلي، روش هاي مختلف کنترلي را به چالش کشيده است. در پژوهش حاضر هدف استفاده از کنترل کننده هاي مود لغزشي به علت مقاوم بودن آن براي بهبود توان خروجي و تثبيت آن در مواقع لزوم مي باشد. براي اين منظور از کنترل کننده هاي انتگرالي براي بيشينه نمودن توان خروجي و نيز از کنترل کننده هاي مرتبه بالا براي تثبيت توان به منظور جلوگيري از آسيب ديدن توربين استفاده شده است. نتايج حاصل نشان دهنده عملکرد مناسب و مطلوب کنترل کننده هاي به کار رفته در سيستم مي باشد. سيستم کنترلي ابتدا توان خروجي را به بيشينه ترين حالت خود مي رساند و سپس براي جلوگيري از اسيب ديدن توربين آن را در مقدار مطلوب مورد نظر تثبيت مي نمايد. دقت عملکرد کنترل کننده در اين سيستم با توجه به خروجي هاي بدست آمده مناسب مي باشد و سيستم در کمتر از چند ثانيه کنترل مي شود.
واژه هاي کليدي:
توربين بادي، زاويه خمش، کنترل کننده مود لغزشي انتگرالي ، کنترل کننده مود لغزشي مرتبه بالا
فهرست مطالب
عنوانصفحه
فهرست جدول‌ها‌ج
فهرست شكل‌‌ها ‌د
فصل 1-مقدمه1
1-1-پيشگفتار1
1-2-مروري بر ادبيات پيشين:2
1 -3 -ژنراتورهاي القايي قفس سنجابي (SCIG)……………………………………………………………….. 5
1 -4- ژنراتورهاي القايي تغذيه دوبل (DFIG)……………………………………………………………………….6
1-5 ژنراتورهاي سنكرون (EESG) …………………………………………………………………………………8
فصل 2-انرژي باد و مدلسازي توربين بادي:28
2-1-مقدمه29
2-2-توربين بادي29
2-3-مدلسازي توربين بادي32
2-4-نتيجه گيري42
فصل 3-کنترل کننده44
3-1-ناحيه کارکرد توربين بادي44
3-2-کنترل مود لغزشي مرسوم45
3-3-رويتگر مود لغزشي49
3-4-کنترل مود لغزشي انتگرالي51
3-5-کنترل مود لغزشي پيچشي شديد54
3-6-کنترل مود لغزشي مرتبه 256
فصل 4-طراحي کنترل کننده58
4-1-مدل سرعت باد مورد استفاده58
4-2-مدل انتخابي براي توربين مورد استفاده59
4-3-کنترل کننده طراحي شده60
4-3-1-طراحي کنترل کننده زاويه خمش توربين63
4-4-نتايج استفاده از کنترل کننده68
فصل 5-نتيجه گيري76
فهرست مراجع78
فهرست جدول‌ها
عنوانصفحه
جدول 1-1 مقايسه انواع ژنراتور………………………………………………………………………………………11
جدول ‏4-1 پارامترهاي مربوط به توربين68
جدول ‏4-2 ضرايب مربوط به کنترل کننده ها68
فهرست شكل‌‌ها
عنوانصفحه
شکل ‏1-1 توربين بادي اسميت-آتنام[3] …………………………………………………………………….2…………
شکل 1-2 توپولوژي‌هاي مختلف توربين‌هاي بادي……………………………………………………………………..4
شکل 1-3 انواع ژنراتورهاي مورداستفاده در توربين‌هاي بادي………………………………………………………….5
شکل 1-4 ژنراتور القايي قفس سنجابي………………………………………………………………………………………5
شکل 1-5 شماي مداري ژنراتور………………………………………………………………………………………………7
شکل 1-6 ژنراتورهاي القايي تغذيه دوبل (DFIG)……………………………………………………………………….7
شکل 1-7ژنراتورهاي سنكرون (EESG)…………………………………………………………………………………….8
شکل 1-8 ژنراتور مغناطيس دائم………………………………………………………………………………………………9
شکل ‏1-9 راندمان ژنراتورهاي مختلف…………………………………………………………………………………..12
شکل ‏1-10 کنترل فرض شده مود لغزشي مرتبه دو[4] ……………………………………………………………..13 شکل ‏1-11 کنترل فرض شده بر اساس رويتگر و کنترل کننده مواد لغزشي[5]………………………………..14
شکل‏1-12کنترل کننده مود لغزشي فازي[6]……………………………………………………………………………..14
شکل‏1-13 کنترل کننده مود لغزشي مرتبه 2 چند ورودي- چند خروجي……………………………………………… 16
شکل 1-14 نماي کنترل کننده به کار رفته در سيستم…………………………………………………………………18
شکل 1-15 کنترل کننده مود لغزشي توان اکتيو و راکتيو…… ……………………………………………………….19
شکل 1- 16 کنترل زاويه خمش توسط کنترل کننده مود لغزشي[15] ………………………………………….0..2
شکل 1-17 کنترل کننده ترکيبي به کاررفته بر روي توربين بادي[16]……………………………….21……….
شکل 1- 18 کنترل کننده مود لغزشي فازي همراه با شبکه عصبي توابع بنيادي شعاعي[17]………………..22
شکل 1-19 طرح سيستم کنترل توربين بادي [ 25]……………………………………………………………………..25
شکل 1-20 طرح کنترل کننده PIDبراي توربين بادي………………………………………………………..25……
شکل 1-21 طرح کنترل کننده LQG براي توربين بادي………………………………………………………..26..
شکل 1-22 طرح کنترل کننده چند متغيره…………… ………………………………………………………………..26
شکل 1-23 ضريب جذب نسبت به نرخ پيک سرعت [55]…………………………………………………….27
شکل ‏2-1 انواع توربين هاي بادي……………………………………………………………………………………….29
شکل ‏2-2 انواع توربين هاي بادي عمودي……………………………………………………………………………30
شکل ‏2-3 توربين بادي افقي……………………………………………………………………………………………..31
شکل ‏2-4 مد لسازي سرعت باد…………………………………………………………………………………………33
شکل ‏2- 5 نمودار سرعت باد……………………………………………………………………………………………..34
شکل ‏2-6 نيروهاي وارده بر پره……………………………………………………………………………………………..35
شکل ‏2-7 مدل سازي سيستم متحرکه توربين بادي………………………………………………………………….38
شکل ‏2-8 شماي داخلي محرک زاويه خمش……………………………………………………………………….42
شکل ‏3-1 نواحي کاري توربين بادي…………………………………………………………………………………..45
شکل ‏3-2 پديده وزوز……………………………………………………………………………………. 49
شکل ‏3-3 شمايي از عملکرد مطلوب الگوريتم پيچشي شديد………………………………………………………55
شکل ‏4-1 سرعت باد مدل شده………………………………………………………………58
شکل ‏4-2 نمودار سرعت باد…………………………………………………………………69
شکل ‏4-3 ضريب جذب توبين………………………………………………………………70
شکل ‏4-4 ورودي زاويه خمش……………………………………………………………..70
شکل ‏4-5 زاويه خمش…………………………………………………………………….71
شکل 4-6 سرعت روتور…………………………………………………………………….72
شکل ‏4-7 سرعت روتور و مقدار مطلوب ان در کنترل کننده زاويه خمش ………………………72
شکل ‏4- 8 دنبال کردن مطلوب جريان q روتور به منظور دريافت بيشترين توان……………………73
شکل ‏4-9 توان اکتيو ژنراتور …………………………………………………………………………………………….73
شکل ‏4-10 توان ايروديناميک توربين………………………………………………………..74
شکل ‏4-11 جريان کنترل شده توربين…………………………………………………………74
شکل ‏4-12 توان راکتيو خروجي……………………………………………………………..75
فصل اول
پيشگفتار
فصل 1- مقدمه
1-1- پيشگفتار
با توجه به اهميت بسيار زياد انرژي در زندگي امروز و افزايش قيمت و نيز محدوديت سوختهاي فسيلي موجود، دنياي امروز به سمت استفاده از انرژيهاي تجديدپذير براي توليد انرژي الكتريكي مورد نياز خود روي آورده است. انرژي باد در حال حاضر سريعترين رشد را در بين منابع انرژي الکتريکي داراست. در آمريکا که در حال حاضر حدود 1 درصد از انرژي الکتريکي ملي آن از انرژي باد تامين ميگردد، ظرفيت توليد 20درصد از انرژي الکتريکي اين کشور از انرژي باد بدون تغيير اساسي در شبکه توزيع برق وجود دارد. با وجود اين هنوز مسائل حل نشده زيادي در مورد توسعه توان باد وجود دارد.[1]
انرژي باد براي مدت زمان زيادي است که مورد استفاده قرار گرفته است. اولين زمينه کاربردي آن در حدود 5000 سال قبل براي حرکت دادن قايقها در طول رودخانه نيل بوده است. اولين آسيابباديهاي ساده در اوايل قرن 7 در ايران براي اهداف آبياري و نيز آسيابکردن دانهها استفاده شد. در اروپا از زماني که کراسيدور1 آسيابهاي بادي را در حدود قرن 11 معرفي کرد، انرژي باد مورد استفاده قرار گرفت. سازهي آنها بر اساس چوب بود و براي محصورکردن باد آنها به صورت دستي آسياب را حول ستون اصلي آن ميچرخاندند. در سال 1745 وسيلهاي با نام دم چتري2 اختراع شد که به عنوان يکي از مهمترين پيشرفتها در تاريخچه آسيابهاي بادي محسوب ميشد. اين وسيله به صورت اتوماتيک توربين را رو به باد ميچرخاند. درپوشهاي چوبي ميتوانستند به صورت دستي يا اتوماتيک باز و بسته شوند تا مقدار ثابتي از باد را در سرعتهاي متغير باد محصور کنند. مفهوم پيشرفتهتر آسيابهاي بادي در انقلابصنعتي بيان شد. ميليونها آسياببادي در طي قرن نوزدهم در ايالات متحده آمريکا ساخته شد که دليل افزايش چشمگير استفاده از آن به خاطر پيشرفت در آمريکاي غربي بود. خانههاي جديد و کشاورزان نياز به راههائي براي بيرون آوردن آب داشتند. روند انقلاب صنعتي بعدها باعث کاهش استفاده از آسيابهاي بادي گرديد.[2]
بنابراين، در طي روند انقلاب صنعتي جرقه استفاده از آسيابباديهاي بزرگ براي توليد انرژي برق زده شد. اولين توربين بادي جهت توليد برق، توسط پل لاکور3 ابداع شد. در اواخر 1930 امريکائيها طراحي يک توربين بادي در سايز مگاوات را شروع کردند که نتيجه آن توربين بادي اسميت-آتنام4 (1.25MW) بود، شکل ‏1-1. در سال 1941 بزرگترين توربين ساختهشده تا آن زمان بود و اين مکان را براي 40 سال حفظ کرد.
شکل ‏1-1:توربين بادي اسميت-آتنام[3]
شهرت استفاده از انرژي باد هميشه تحت تاثير قيمت سوختهاي فسيلي بودهاست. تحقيقات و توسعه در زمينه انرژي اتمي و دسترسي به نفت در طي دهه 1960 منجر به کاهش توسعه توربينهاي بادي گرديد اما زماني که قيمت نفت در دهه 1970 ناگهان افزايش يافت، تمايل به استفاده از توربينهاي بادي دوباره افزايش يافت.
1-2- مروري بر ادبيات پيشين:
براي کنترل توربين بادي از روش هاي مختلف کنترل مقاوم از جمله کنترل مود لغزشي استفاده گرديده است. دليل استفاده از روش هاي مختلف کنترل مود لغزشي به واسطه نوع کنترل و هدف کنترلي آن مي باشد. هدف از کنترل توربين بادي به منظور نيل به دو هدف عمده است: 1- بيشينه کردن توان در سرعت هاي پايين باد 2- تثبيت توان در سرعت هاي بالاي باد.
بيشينه کردن توان در توربين با کنترل ژنراتور و بيشينه نمودن ضريب جذب انجام مي پذيرد، همچنين با استفاده از کنترل زاويه خمش توربين توان خروجي تثبيت مي گردد. بيشينه کردن توان در سرعت هاي پايين باد در حقيقت استخراج بيشترين انرژي ممکن از باد محصور شده توسط پره هاي توربين مي باشد. بادي که به پره هاي توربين مي وزد با توجه به نحوه قرارگيري پره ها، تواني را به قسمت مکانيکي توربين منتقل مي نمايد که از آن به توان آيروديناميک ياد مي گردد. براي بيشينه شدن توان خروجي کافيست ضريب جذب سيستم بيشينه گردد. کنترل کننده هاي مورد استفاده در اين زمينه بيشتر کنترل کننده هاي مقاوم هستند که از جمله مهمترين آنها کنترل کننده هاي مود لغزشي مي باشد.
توربين‌هاي بادي متداول را از يک منظر ديگر هم مي‌توان تقسيم‌بندي کرد.
1- توربين‌هاي سرعت ثابت: در اين توربين‌ها سرعت چرخش روتور به خاطر اينکه به شبکه برق متصل مي‌شود و فرکانس برق شبکه ثابت است ثابت بوده و با يک دور مشخص مي‌چرخد. کم يا زيادشدن سرعت باد در ميزان انرژي توليدشده و تزريق‌شده به شبکه تأثيرگذار خواهد بود. در اين توربين‌ها که معمولاً ژنراتور به‌صورت مستقيم به شبکه متصل است. تنش‌هاي مکانيکي ناشي از تغييرات ناگهاني باد به ماشين‌آلات مانند گيربکس، ژنراتور و خود اجزاء توربين منتقل‌شده باعث خرابي آن‌ها مي‌شود. همچنين تنش‌هايي هم که در اثر رخدادهاي و خطاهاي شبکه ناشي مي‌شود به سيستم منتقل خواهد شد.
2- توربين‌هاي بادي سرعت متغير:
براي اينکه روتور باوجود متصل شدن به يک شبکه برق با فرکانس ثابت بتواند متغير بچرخد چند روش به‌کاررفته است. درروش اول مقاومت روتور را به‌وسيله يک کانون‌تر کوچک الکترونيکي تغيير مي‌دهند با اين روش مي‌توان تا 10 درصد سرعت روتور را متغير کرد. متغير بودن سرعت روتور مي‌تواند شوک‌هاي ناشي از تغييرات سرعت باد را مانند يک کمک‌فنر جذب کند. توربين‌هاي نصب‌شده در ايران از اين نوع مي‌باشند.
يک روش ديگر استفاده از ژنراتور DFIG است در اين ژنراتورها سيم‌پيچ روتور به‌وسيله حلقه‌هاي لغزان در اختيار بوده و مي‌توان ميدان حاصل از روتور را به‌وسيله يک کانورتر کنترل کرد. اين روش تغييرات سرعتي در حدود 30 درصد را در اختيار ما قرار خواهد داد. امروزه استفاده از اين روش بسيار متداول است؛ و اخيراً توربين‌هايي در ايران با اين فنّاوري نصب و راه‌اندازي شده‌اند.
روش ديگري که اخيراً به آن توجه شده است استفاده از ماشين‌هاي الکتريکي با روتور آهنرباي دائم است. در اين حالت ژنراتور مستقيم به شبکه وصل نمي‌شود و از طريق يک کانورتر به شبکه متصل است. در اين حالت روتور مي‌تواند کاملاً با سرعت متغير بچرخد؛ و تنش‌ها چه از طريق شبکه و چه از طريق باد کمتر به توربين اثر مي‌گذارند. در اين روش راندمان ماشين الکتريکي بالاتر است و مي‌توان با زياد کردن تعداد قطب‌هاي آن گيربکس که يک قطعه مکانيکي با خرابي بالا است را ساده‌تر کرده يا به‌کل حذف کرد.
در شکل زير توپولوژي‌هاي مختلف توربين بادي از اين منظر ديده مي‌شود.
شکل 1-2- توپولوژي‌هاي مختلف توربين‌هاي بادي
يکي از قسمت‌هاي اساسي در توربين‌هاي بادي ژنراتور (ماشين الکتريکي) است که وظيفه آن تبديل انرژي مکانيکي به الکتريکي است در توربين‌هاي بادي از ژنراتورهاي مختلفي استفاده مي‌شود.
به شکل زير توجه نماييد.

شکل 1-3-انواع ژنراتورهاي مورداستفاده در توربين‌هاي بادي
در ادامه به توضيح مختصري از هرکدام از اين ژنراتورها مي‌پردازيم.
1-3 ژنراتورهاي القايي قفس سنجابي (SCIG):
• اين ژنراتورها به‌صورت مستقيم به شبكه وصل مي‌شوند.
• در ساختار توربين نياز به گيربكس سه مرحله‌اي دارند.
• در سرعت ثابت كار مي‌کنند.
• تغيير سرعت در آن‌ها فقط از طريق تغيير در تعداد قطب‌ها ميسر است.
شکل 4-1- ژنراتور القايي قفس سنجابي
مزاياي ژنراتورهاي القايي قفس سنجابي (SCIG):
• اين ژنراتورها از كمترين حجم و وزن در مقايسه با توان توليدي برخوردارند بنابراين ازنظر قيمتي هم ارزان‌تر هستند.
• ازنظر مكانيكي ساده بوده و ساختار مقاومي دارند.
معايب ژنراتورهاي القايي قفس سنجابي (SCIG):
• نياز به گيربكس دارند.
• به‌صورت مستقيم به شبكه وصل مي‌شوند
• به‌محض وقوع کوچک‌ترين خطا از شبكه جدا مي‌شوند.
• اين ماشين‌ها نياز به توان راكتيو دارند و مقدار آن‌هم کنترل‌شده نيست. بنابراين از كنترل ولتاژ شبكه هم پشتيباني نمي‌کنند.
• براي فرکانس‌هاي 50 هرتز و 60 هرتز نياز به گيربکس‌هاي متفاوت خواهند داشت.
• امكان كنترل سرعت در آن‌ها وجود ندارد.
• براي بالا بردن راندمان توربين سرعت تحت كنترل نيست.
• استرس‌هاي مكانيكي بر روي سيستم زياد است.

1-4 ژنراتور القايي روتور سيم‌پيچي شده:
• روتور مانند استاتور داراي يك دسته سيم‌پيچ سه فاز است.
• اين سيم‌پيچ‌ها مي‌توانند از طريق جاروبك و حلقه‌هاي لغزان به مقاومت‌هاي متغير متصل شوند.
• تغيير مقاومت مؤثر روتور معمولاً با استفاده از كليدهاي الكترونيك قدرت انجام مي‌شود.
• اين ساختار امكان تغيير سرعت در حدود % 10 دارد كه مزاياي آن عبارت‌اند از:
• دريافت توان بيشتر
• كاهش استرس مكانيكي
• هموارسازي توان خروجي سيستم
• شركت وستاس توربين‌هاي بسيار زيادي را بر مبناي پيكربندي OptiSlip به فروش رسانده است. در اين روش كنترل مقاومت مؤثر روتور توسط كوپلينگ نوري بين روتور و استاتور و بدون جاروبك انجام مي‌شود.
ژنراتورهاي استفاده‌شده در نيروگاه بادي ديزباد از اين فناوري استفاده مي‌کنند.
شکل 1-5 شماي مداري ژنراتور
ژنراتورهاي القايي تغذيه دوبل (DFIG):
• مستقيماً از طريق استاتور به شبكه وصل مي‌شوند.
• روتور از طريق يك كانورتر به شبكه وصل مي‌شود.
• نياز به گيربكس دارند.
• داراي سرعت متغير هستند سرعت مي‌تواند 30 درصد حول سرعت سنكرون تغيير كند.
• كانورتر بروي روتور از شبكه انرژي جذب يا به شبكه انرژي مي‌دهد. بستگي به‌سرعت مكانيكي روتور دارد.
شکل 1-6- ژنراتورهاي القايي تغذيه دوبل (DFIG)
مزاياي ژنراتورهاي القايي تغذيه دوبل (DFIG):
• داراي قطر كوچك و تعداد قطب‌هاي كم است بنابراين ازنظر قيمت هم ارزان‌تر است.
• كانورتر روي روتور فقط 30 درصد توان نامي را عبور مي‌دهد. بنابراين از حالتي كه تمام توان را عبور مي‌دهد ارزان‌تر تمام مي‌شود.
• از ژنراتور القايي قفس سنجابي پيچيده‌تر است.
• توان راكتيو مي‌تواند كنترل شود وليكن ميزان توان راكتيو به 30 درصد توان نامي محدود مي‌شود.
• سرعت حول سرعت نامي تا 30 درصد متغير است و مي‌تواند كنترل شود.
• تغييرات سرعت باد مي‌تواند سرعت ژنراتور را تغيير دهد بدون اينكه گشتاور زيادي ايجاد كند.
معايب ژنراتورهاي القايي تغذيه دوبل (DFIG):
• نياز به گيربكس سه مرحله‌اي دارد. كه قابليت اطمينان سيستم را پايين مي‌آورد.
• براي انتقال توان به روتور نياز به حلقه‌هاي لغزان زغال و … دارد كه عموماً بايد به‌مرور زمان تعويض گردند.
• استاتور مستقيماً به شبكه وصل مي‌شود.
• با توجه به الزامات اتصال به شبكه توربين‌هاي بادي بايد در موقع خطاهاي گذرا از شبكه جدا نشوند كه اين كنترل اين ژنراتور را پيچيده مي‌کند.
• در موقع بروز خطا در شبكه جريان‌هاي زياد استاتور منجر به جريان‌هاي بالا در روتور مي‌شود بنابراين كانورتر روي روتور بايد محافظت شود.
• تنش‌ها و خطاهاي شبكه در اين سامانه‌ها مستقيم گيربكس و ژنراتور را تحت تأثير قرار مي‌دهد و باعث تنش‌هاي مكانيكي مي‌شود.
• براي شبكه 50 هرتز و 60 هرتز نياز به گيربکس‌هاي متفاوت دارد.
1-5 ژنراتورهاي سنكرون (EESG):
• نيازي به گيربكس ندارند.
• به‌صورت مستقيم به شبكه وصل نمي‌شوند.
• از طريق يك كانورتر به شبكه وصل مي‌شوند.
• دامنه و فركانس ولتاژ تغذيه‌کننده به‌صورت كامل مي‌تواند كنترل شود.
• شار مي‌تواند به‌طور كامل براي كم كردن ميزان تلفات در موقعيت‌هاي عملكردي متفاوت كنترل شود.
• در رنج كامل سرعت مي‌تواند كار كند.
شکل 1-7- ژنراتورهاي سنكرون (EESG)
مزاياي ژنراتورهاي سنكرون (EESG):
• نيازي به گيربكس ندارد، بنابراين قابليت اطمينان بالا نويز كم و قيمت پايين دارد.
• كانورتر مي‌تواند كنترل كاملي بر روي توان اكتيو و راكتيو داشته باشد. چه در حالت نرمال و چه در حالت خطا.
• از يك ژنراتور مي‌توان در ولتاژ شبكه 50 هرتز و 60 هرتز استفاده كرد.
• با توجه به ايزوله شدن ژنراتور از شبكه به‌وسيله كانورتر خطاهاي شبكه به‌صورت مستقيم اثري بر روي ژنراتور نخواهند داشت.
• انرژي سالانه بيشتري مي‌توان از باد گرفت.
• دامنه و فركانس ولتاژ مي‌تواند به‌وسيله كانورتر کاملاً كنترل شود.
• شار جهت مينيمم كردن ميزان تلفات در رنج توان‌هاي مختلف مي‌تواند كنترل شود
معايب ژنراتورهاي سنكرون (EESG):
• به خاطر تعداد قطب‌هاي زياد قطر آن و وزنش زياد است بنابراين قيمت آن‌هم بيشتر خواهد بود. كه با توجه به حذف گيربكس مي‌تواند تعديل شود.
• كانورتر بايد تمام توان را عبور دهد بنابراين ازنظر قيمت از حالت DFIG گران‌تر خواهد بود.
• داراي ساختار پيچيده‌تري از ژنراتور القايي قفس سنجابي است.
ژنراتورهاي سنكرون مغناطيس دائم بدون گيربكس (PMSG):
• به گيربكس نيازي ندارد.
• به‌صورت مستقيم به شبكه وصل نمي‌شود.
• از طريق يك كانورتر به شبكه وصل مي‌شود.
• دامنه و فركانس ولتاژ تغذيه به‌صورت كامل كنترل مي‌شود.
• به دليل استفاده از آهنرباي دائم حلقه لغزان نداشته و شار كنترل نمي‌شود.
• در رنج كاملي از سرعت عمل مي‌کند حتي در سرعت‌هاي پايين.
شکل 1-8- ژنراتور مغناطيس دائم
مزاياي ژنراتورهاي سنكرون مغناطيس دائم بدون گيربكس (PMSG):
• گيربكس و سيستم انتقال توان به رتور وجود ندارند بنابراين از قابليت اطمينان بالا، نويز كم و قيمت كم برخوردار است.
• تلفات بروي روتور وجود ندارد بنابراين از وضعيت حرارتي بهتري برخوردار است.
• كانورتر ژنراتور را از شبكه جدا كرده بنابراين خطاهاي شبكه اثر مستقيم بروي ژنراتور ندارد.
• از يك ژنراتور براي شبكه 50 هرتز و 60 هرتز مي‌توان استفاده كرد.
• به مدار تغذيه جداگانه براي روتور نياز نيست.
• كانورتر كنترل كاملي بروي توان اكتيو و راكتيو در حالت نرمال و خطاي شبكه ارائه مي‌دهد.
• كانورتر كنترل كاملي بروي سرعت حتي در سرعت‌هاي پايين براي به دست آوردن ماكزيمم توان ارائه مي‌دهد.
• دامنه و فركانس ولتاژ به‌صورت كامل مي‌تواند كنترل شود بنابراين مي‌تواند شار را جهت مينيمم شدن تلفات كنترل كرد.
معايب ژنراتورهاي سنكرون مغناطيس دائم بدون گيربكس (PMSG):
• به دليل قطب‌هاي زياد، قطر آن بزرگ است همچنين قيمت آهنرباي دائم زياد است. وليكن اين موارد با حذف گيربكس متعادل مي‌شود.
• با توجه به اينكه كانورتر بايد توان كامل را عبور دهد قيمت آن نسبت به كانورتر DFIG بيشتر است.
• آهنرباهاي دائم در دماهاي بالا خاصيت خود را از دست مي‌دهند. اين دماي بالا ممكن است به دليل اتصال كوتاه يا بار زياد ايجاد شود.
جدول 1-1- مقايسه انواع ژنراتور
PMSGEESGDFIGSCIGموضوع–+++سرمايه‌گذاري اوليه، اندازه و وزن–+++ساختار سادگي+++–قابليت اطمينان و هزينه‌هاي تعمير و نگهداري+++++-LVRT++–قابليت استفاده براي فركانس 50 و 60 هرتز+++++-كنترل سرعت و جلوگيري از استرس‌هاي مكانيكي+++++-MPPT+++++-انرژي توليدي در يك سال+++++-قيمت تمام‌شده انرژي توليدي++++–نويز صوتي
مقايسه ژنراتورهاي مغناطيس دائم PMG و DFIG:
– راندمان:
اندازه‌گيري‌هاي ميداني نشان مي‌دهد كه راندمان PMG نسبت به DFIG بيشتر است. در سرعت نامي اين اختلاف كمتر است ولي در سرعت‌هاي زير سرعت نامي اين اختلاف زيادتر مي‌شود و علت آن اين است كه در سرعت‌هاي زير سرعت نامي روتور از شبكه توان مي‌گيرد. كه باعث پايين آمدن راندمان مي‌شود.
شکل 1-9 – راندمان ژنراتورهاي مختلف
– قابليت اطمينان:
برخلاف DFIG ژنراتورهاي PMG نياز به حلقه‌هاي لغزان و جارو بک ندارند، اين موارد نياز به تعميرات و نگهداري و تعويض دارند. معمولاً به خاطر ولتاژ شفت جريان‌هايي از بلبرينگ‌ها عبور مي‌کند كه به‌مرورزمان باعث خرابي بلبرينگ‌ها مي‌شود اين ولتاژ در ژنراتورهاي DFIG 10 تا 20 برابر ژنراتورهاي PMG است. بنابراين خرابي بلبرينگ‌ها در DFIG به‌مراتب بيشتر از PMG ها مي‌باشد.
– نياز به نگهداري:
به خاطر حذف جاروبك ها و حلقه‌هاي لغزان در PMG نياز به نگهداري دوره‌اي كمتر است. همچنين به خاطر ولتاژ شفت كمتر، خرابي بلبرينگ‌ها كمتر است.
تحمل خطاهاي شبكه و سازگاري با شبكه:
يكي ديگر از مزاياي PMG و كانورتر نسبت به ژنراتورهاي DFIG قابليت تزريق و يا دريافت توان راكتيو معادل 100 درصد توان نامي به شبكه است. اين قابليت موجب مي‌شود تا بتوان خطاهاي زودگذر شبكه را تحمل و حتي جهت اصلاح شبكه اقدام نمود. جالب‌تر اينكه در حين تزريق توان راكتيو هم كنترل بر روي گشتاور ژنراتور به‌طور مجزا و دقيق امکان‌پذير است.
– ابعاد و وزن:
با توجه به حذف گيربكس در ژنراتورهاي حجم كل سيستم کوچک‌تر مي‌شود البته قطر ژنراتورهاي PM نسبت DFIG بزرگ‌تر بوده و طول آن‌ها کوچک‌تر هست.
براي مثال مي توان به کنترل ژنراتور با استفاده از روش هاي کنترلي مود لغزشي مرتبه بالا اشاره نمود. در مقاله [4] از روش کنترل مود لغزشي مرتبه بالا به علت خصوصياتي همچون کاهش تنش5 مکانيکي خارجي، زمان رسيدن محدود و مقاوم بودن در برابر اغتشاش خارجي و ديناميکهاي مدل نشده استفاده ميشود. در اين مقاله از يک سطح لغزش برداري مرتبه 2 براي ايجاد سيگنالهاي کنترلي استفاده ميکند که موارد مورد استفاده براي ايجاد ديناميک خطا، استفاده از جريان روتور و گشتاور الکتريکي براي بيشينه کردن توان خروجي است، بدون اينکه به سيستم صدمه بزند.(شکل ‏1-10)
شکل ‏1-10: کنترل فرض شده مود لغزشي مرتبه دو[4]
در مقاله [5] به کنترل توان توليدي در توربينهاي بادي با سرعت متغير ميپردازد. اينگونه سيستمها داراي دو ناحيه کاري هستند که وابسته به نرخ پيک سرعت ميباشد. روش کنترل مود لغزشي درجه بالا6 براي اطمينان از پايداري سيستم در هر دو ناحيه کاري و تحميل کنترل فيدبک ايدهآل به رغم عدمقطعيت مدل استفاده ميشود. اين روش کنترل داراي خصوصيات خوبي از جمله مقاوم بودن در برابر عدم قطعيتهاي پارامترهاي سيستم است.در اين روش سرعت روتور، گشتاور آن توسط يک رويتگر مود لغزشي بدست آمده و تفاوت آن با گشتاور بهينه خطاي مورد نياز کنترلکننده مود لغزشي را براي کنترل توان خروجي ايجاد ميکند.(شکل ‏1-11)
شکل ‏1-11 : کنترل فرض شده بر اساس رويتگر و کنترلکننده مواد لغزشي[5]
روش ديگري که براي کنترل ژنراتور مورد استفاده قرار گرفته است کنترل کننده ساختار متغير انتگرالي فازي تطبيقي مي باشد. در اين مقاله براي بدست آوردن بيشينه توان باد بايد سرعت توربين بر اساس سرعت باد تنظيم گردد. اما بدست آوردن ديناميک بهتر و مقاومتر توسط کنترلکنندههاي قديم که توسط مدل رياضي عمل ميکنند، سخت است. بدين منظور در اين مقاله [6] از يک کنترلکننده ساختار متغير انتگرالي فازي تطبيقي استفاده شده است. در اين سيستم کنترلي، اساس کنترلکننده بر روي کنترلکنندههاي مود لغزشي انتگرالي ميباشد که براي تخمينزدن عدمقطيتها در بهره سوئيچينگ، از روش فازي تطبيقي استفاده ميشود. در انتها نيز پايداري کنترلکننده توسط روش لياپانوف اثبات گرديده است.(شکل ‏1-12)
شکل ‏1-12: کنترلکننده مود لغزشي فازي[6]

استفاده از کنترل کننده غيرخطي مقاوم در ترکيب با کنترل مود لغزشي درجه 2 [7] يکي ديگر از روش هاي به کار رفته به منظور کنترل توربين مي باشد.
در مقاله ذکر شده، يک کنترلکننده غيرخطي مقاوم بر اساس بلوک کنترلخطي7 در ترکيب با روش مود لغزشي درجه دو که الگوريتم پيچيدن شديد8 ناميده ميشود براي کنترل سيستم توربين بادي در نظر گرفته شده است. هدفهاي کنترلي آن بيشينهکردن انرژي باد محصور شده توسط توربين و نگهداشتن ضريب توان استاتور يک ژنراتور القائي روتور سيمپيچي شده در مقدار مطلوب آن است. اين هدف با کنترل سرعت روتور و نيز توان غيرفعال9 استاتور ژنراتور القائي که به يک باس نامحدود و با يک توربين بادي از طريق جعبه دنده متصل شده است قابل دسترس است.
ژنراتور القائي روتور سيمپيچي شده براي توليد الکتريسيته در زماني که توربين در فرکانس ثابت و سرعت متغير در يک رنج محدود عمل ميکند، به کار ميرود. اين ژنراتور ميتواند در سرعت بالاتر و پائينتر از سرعت سنکرون به کار رود و نيز ميتواند با هر دو سيم پيچ استاتور و روتور تغذيه شود.
نتايج شبيه سازيها نشان ميدهد که کارکرد سيستم نسبت به انحرافهاي10 ناشي از گشتاور توربين و تغييرات پارامترها در مقاومت روتور11 مقاوم است.
در يک مقاله نيز روشي براي کنترل سرعت ژنراتور در نظر گرفته شده است. در مقاله [8] يک روش کنترل توان توربين بادي سرعت متغير متصل به شبکه ارائه شده است(شکل ‏1-13). هدفهاي کنترلي در اين روش بر اساس تغيير ناحيههاي توربين که به واسطه تغيير سرعت باد به وجود مي‌ايد، تغيير ميکند. در اين حالت هدف بيشينه کردن توان اکتيو در ناحيه بار جزئي12 و ثابت کردن ان در زمان عملکرد سيستم در ناحيه بار کامل13 ميباشد علاوه بر اين توان راکتيو بايد نيازهاي شبکه را تامين نمايد. روش استفاده شده در اين مقاله بر اساس کنترل مود لغزشي مرتبه 2 و لياپانوف است که از الگوريتم بهبود داده شده الگوريتم پيچشي شديد14 به همراه ضريب متغير براي سيستم چند ورودي چند خروجي غيرخطي استفاده شده است. الگوريتم به کار رفته علاوه بر خصوصيات شناخته شدهاي همچون مقاوم بودن، سادگي الگوريتم و مشخصه تطبيقي ضريب ان داراي نرمي در عملکرد کنترلي ان است که مانع از بروز استرس هاي مکانيکي ميگردد.

شکل ‏1-13: کنترل کننده مود لغزشي مرتبه 2 چند ورودي- چند خروجي

از مقالات ديگري که از کنترل مود لغزشي براي ژنراتور استفاده گرديده است مي توان به کنترل با استفاده از کنترل کننده لغزشي انتگرالي و کنترل کننده هاي شبه لغزشي کنترل مود دوگانه غيرخطي و همچنين استفاده از رويت گرهاي مود لغزشي اشاره نمود.
در مقاله [9] کنترل ساختار متغير انتگرالي و بردار ميدان جهت دار15 را با هم براي کنترل ولتاژ روتور و سپس کنترل جريان روتور و ولتاژ استاتور را به کار برده است. براي غلبه بر پديده وزوز يک تابع اشباع16 به جاي تابع علامت17 استفاده شده است. همچنين براي کاهش خطاي حالت پايدار از سطح لغزش انتگرالي استفاده ميکند که در کل اهداف ما را براي نرمي18 و امنيت ژنراتور در کنترل قطع شدن بدون بار19 بدست ميدهد.
در مقاله [10] براي کنترل زاويه خمش از مود لغزشي که به واسطه خصوصياتي همچون پاسخ سريع و بالازدگي کوچک و مقاوم بودن و ضد اغتشاش بودن مورد توجه است , استفاده ميشود. اما اشکال روش مود لغزشي در ايجاد پديده وزوز ميباشد که در اين مقاله به خاطر در نظر گرفتن کنترلکننده مود شبه لغزشي کاهش يافته است. نتايج نشان داده شده در اين مقاله نشان ميدهد که کنترلکننده استفاده شده در اين مقاله نسبت به کنترلکنندههاي انتگرال نسبي مرسوم داراي بازدهي بالاتري ميباشد.
مقاله [11] در مورد يک کنترلکننده پسخور/پيشخور غير خطي بر روي توربينهاي بادي سرعت متغير با ژنراتورهاي القائي دوگانه ميباشد. با تنظيمکردن ولتاژ روتور و زاويه خمش پرهها ميتوان توان فعال در هر دو مود دنبالکردن توان بيشينه و تنظيم توان را کنترل کرد و نيز کنترل توان غيرفعال به گونهاي که ضريب توان مطلوب نگهداشته شود.
اين مقاله از سه مرحله طراحي تشکيل شده است:
1. به کار بردن خطيسازي فيدبک براي حذف عوامل غير خطي
2. طراحي يک کنترلکننده سرعت به گونهاي که سرعت زاويهاي روتور مرجع مطلوب را تا حد ممکن دنبال کند
3. معرفي يک تابع شبه لياپانوف و ارائه يک روش مبتني بر مشتق براي کمينهسازي اين تابع
مقاله [12] يک روش بدون سنسور جديد از ژنراتورهاي سنکرون مغناطيس دائم بر اساس رويتگرهاي مود لغزشي و سخت افزار حلقه قفل شونده فاز، که ولتاژ داخلي در قالب مدل مرجع d-q را تخمين ميزند، را معرفي ميکند. سختافزار حلقه قفل شونده فاز از ولتاژ داخلي تخمين زده شده براي تخمين سرعت زاويهاي و مکان روتور استفاده ميکند. تحت اين شرايط تفاوت زيادي بين پارامترهاي واقعي و پارامترهاي مدل وجود دارد. براي رفع اين مشکل از روشي مقاوم براي تخمين سرعت چرخش و مکان روتور استفاده ميشود که در مقابل تغييرات پارامترها و اغتشاش خارجي مقاوم است.
يکي از زمينه هايي که به بررسي کنترل توربين بادي در آن پرداخته شده است کنترل توربين بادي در زمان اتصال شبکه مي باشد. در اين زمينه مي توان به مقالاتي همچون 23 اشاره نمود که در آنها به کنترل توان توربين تحت شرايط ولتاژ نامتعادل شبکه پرداخته است. در مقاله[13] يک روش کنترلي مستقيم بهبود يافته توان براي توربين بادي متصل به شبکه در زماني که ولتاژ شبکه متعادل نيست، ارائه شده است(شکل ‏1-14). اين روش بر اساس مفهوم کنترل مود لغزشي بيان شده است که وظيفه تنظيم توان اکتيو و راکتيو را بدون نياز به دنبال کردن زاويه فاز ولتاژ شبکه را دارد. يک روش ترکيبي توان جديد در طي مدت زمان عدم تعادل شبکه ارائه شده است که به منظور رسيدن به اهداف کنترلي زير ميباشد.
دستيابي به جريان استاتور مقاوم و سينوسي، حذف ريپلهاي توان راکتيو استاتور و نيز جلوگيري از نوسانهاي توان اکتيو خروجي استاتور. اجزا توان اکتيو و راکتيو توسط يک روش ساده و با در نظر گرفتن سه هدف کنترلي ذکر شده و بدون نياز به بسط دادن دنباله منفي اجزا جريان استاتور ميتواند بدست ايد.

شکل ‏1-14: نماي کنترل کننده به کار رفته در سيستم

همچنين در مقاله [14] از کنترل مود لغزشي مرتبه 2 براي کنترل توان در سنکرون سازي شبکه استفاده شده است. در اين مقاله از يک کنترل کننده مود لغزشي درجه 2 براي کنترل توربين بادي استفاده ميگردد. دو الگوريتم مختلف براي دستور دادن به مبدلهاي سمت روتور در فرکانس سوئيچ ثابت طراحي شده است که وظيفه کنترل توان و سنکرون سازي شبکه را بر عهده دارند. اين روش همچنين انتقال مناسب بين دو کنترل کننده را در لحظه اتصال بين توربين و شبکه را تضمين مينمايد.شکل ‏1-15

شکل ‏1-15: کنترل کننده مود لغزشي توان اکتيو و راکتيو

استفاده از زاويه پره ها براي تثبيت توان نيز از جمله زمينه هايي است که پژوهشگران توجه ويژه اي به آن داشته اند از اين جمله مي توان به استفاده از کنترل کننده مود لغزشي فازي تطبيقي و کنترل کننده هاي PI و همچنين شبکه هاي عصبي RBF اشاره نمود.
در مقاله [15] به علت تاثير زياد تنظيم زاويه خمش بر روي کيفيت توان تنظيمي، يک کنترلکننده مود لغزشي فازي تطبيقي که از خطيسازي فيدبک استفاده ميکند، براي ژنراتور توربينهاي بادي سرعت متغير بکار برده ميشود. (شکل ‏1) قانون کنترل مد لغزشي بدست آمده و پايداري نيز اثبات ميگردد. توسط منطق فازي مدل عدمقطعيت در قانون کنترل پيشبيني شده و از مدل رياضي آن اجتناب شده است.
به علت خصوصيات خوبي که کنترل مد لغزشي دارد از جمله عدم حساسيت در مقابل اغتشاش و تغييرات پارامترها، از يک کنترلکننده مود لغزشي بر روي زاويه خمش استفاده ميشود که قانون کنترل آن توسط خطي سازي فيدبک بدست ميآيد. از تکنولوژي فازي تطبيقي به همراه کنترلکننده مود لغزشي براي اطمينان از پايداري و بازدهي مطلوب به کار ميرود. از تخمين زننده فازي براي اجتناب از به کار بردن مدل رياضي و حساس نبودن نسبت به اغتشاشات خارجي استفاده ميشود. يک قانون تطبيقي نيز براي تنظيم پارامترها به صورتي که خطاي دنبالکردن20 را به صورت مجانبي به صفر برساند، به کار ميرود. پايداري کلي سيستم نيز توسط تئوري پايداري لياپانوف اثبات ميشود.
شکل ‏116-: کنترل زاويه خمش توسط کنترلکننده مود لغزشي[15]

مقاله [16] يک طراحي از کنترل مود لغزشي براي کاهش تلفات براي سرعت يک ژنراتور سنکرون ميدان دائم و استفاده از انتگرال- نسبتي براي کنترل زاويه خمش توربين است. يک کنترلکننده مود لغزشي با يک سطح سوئيچ انتگرالي طراحي شده است که در آن استنتاج فازي براي تخمينزدن کران بالاي عدمقطعيت به کار ميرود. بنابراين از يک استنتاج فازي با مراکز تطبيقي تابعهاي عضويت براي تخمين کران بهينه عدمقطعيتها استفاده ميشود.(شکل ‏1-16)
شکل ‏1-17: کنترلکننده ترکيبي به کاررفته بر روي توربين بادي[16]

در مقاله [17] از يک کنترلکننده مود لغزشي فازي براي کنترل سرعت يک ژنراتور سنکرون مغناطيس دائم به همراه يک شبکه عصبي توابع بنيادي شعاعي با بازده بالا که قابليت آموزش همزمان را دارد، براي کنترل زاويه خمش استفاده شده است. الگوريتم آموزشي براي تنظيم اين شبکه عصبي، الگوريتم بازگشت به عقب است. يک کنترل کننده مود لغزشي با سطح لغزش انتگرالي نيز طراحي گرديده است که در آن حدود بالاي عدمقطعيتها توسط روش منطق فازي بدست ميآيد. البته لازم به ذکر است که مراکز توابع عضويت به صورت تطبيقي در نظر گرفته شده تا حدود عدمقطعيت به صورت بهينه بدست آيد.
شکل ‏1-18: کنترلکننده مود لغزشي فازي همراه با شبکه عصبي توابع بنيادي شعاعي[17]

تمرکز کنترل پيچ پره ها بر عملکرد توربينهاي شناور در ناحيهاي است که سرعت باد در رنج بالا ميباشد، جايي که قدرت توربين در نرخ مجاز تنظيم ميشود [18]. بنابراين هدف ابتدايي کنترل کمينه کردن نوسانات قدرت همانند نوسانات حرکت توربين وسطح به دليل وزش باد و موج ميباشد. دومين هدف، شامل کمينه کردن حرکت سطح و فرسودگي توربين که متعاقبا طول عمر توربين را افزايش ميدهد.
کنترل کننده خط مبنا21ي استفاده شده در اين بخش حرکت پيچ سطح را کاهش ميدهد [19]. کنترلگر خط مبنا شامل دو کنترل کننده مستقل ميباشد: کنترل کننده گشتاور ژنراتور و کنترل کننده پيچ پيوسته پره22. رابطه بين سرعت و گشتاور ژنراتور وابسته نواحي عملکرد ميباشد در ناحيه دو (نرخ سرعت پايين باد) گشتاور ژنراتور با نسبت مربع سرعت آن تغيير ميکند تا قدرت دريافتي را بيشينه کند [20].
کنترل فضاي حالت در کنترل چند متغيره و کنترل چند منظوره استفاده ميشود که حاصل آن يک کنترل کننده متمرکز براي رسيدن به اهداف کنترلي ابتدايي و ثانويه ميباشد. تنظيم کننده خطي درجه دوم23 يک کنترل گر فضاي حالت بهينه است. براي اينکه اين کنترل کننده خطي باشد بايد بياني خطي براي توربين بادي شناور تهيه شود.
کنترل فضاي حالت پيچ پره منحصر بفرد24 از يک راه بهينه براي براي محاسبه بهرهها در رسيدن به اهدافش استفاده ميکند در صورتي که کنترل IBP مکانيزم متفاوتي را براي پيچ سطح پيشنهاد ميکند. راههاي زيادي براي رسيدن به کنترل IBP بسته به اهداف کنترلي آن روش وجود دارد. تبديل مختصات چند پره25 ، منحصرا براي کنترل پرههاي توربين ميتواند استفاده شود [21]. مختصات چند پره مشخصههاي پريوديک سيستم را در يک مدل مفيد LTI ، استخراج ميکند، ولي بهر حال تمام آثار پريوديک سيستم را دريافت نميکند.
هر دو کنترلگر (خط مبنا و فضاي حالت CBP) از پيچش پيوستهي پره براي رسيدن به اهدافشان استفاده ميکنند. در توصيف تفاوتهاي بازدهي به بررسي تاثير پيچ پيوسته پرهها در تنظيم سرعت روتور و پيچ سطح ميپردازيم.
براي تنظيم سرعت روتور فرض ميکنيم توربين بادي در تعادل باشدو اثر افزايش ناگهاني سرعت باد در آن ثابت باشد. زيرا افزايش سرعت باد گشتاور آيروديناميکي و فشار توليدي توسط هر پره افزايش ميابد افزايش گشتاور آيرو ديناميکي پرهها باعث شتاب گرفتن روتور ميشوند. بنابراين کنترل کننده بايد پيچ پره را افزايش داده تا گشتاور آيرو ديناميکي کاهش پيدا کند، و سرعت روتور را تنظيم کند.
براي بازگرداندن پيچ سطح پرکاربردترين نيروي توليد شده توسط پرهها نميتوانند مستقيما روي پيچ سطح تاثير بگذارند اما فقط به دليل نيروي فشار، تغييرات در سرعت چرخش را بر روي توربين بادي در حال تعادل را در نظر خواهيم گرفت. براي نگه داشتن توربين در حالت تعادل، کنترل کننده بايستي يک پيچ لحظهاي مثبت براي بازگرداندن سطح، توليد کند و اين عمل مي تواند با افزايش فشار آيروديناميکي روي پرهها به طور پيوسته انجام پذيرد بنابراين زاويه پيچ پرهها بايد کاهش پيدا کند. همانگونه که کنترل کننده پيچ پره را براي بازگرداندن پيچ سطح کاهش ميدهد، اين در نتيجه اين عمل، توسط گشتاور آيروديناميکي که اضافه توليد شده، شتاب روتور افزايش خواهد داشت. و کنترل کننده دوباره بايد براي تنظيم سرعت وارد عمل شود. بنابراين دو هدف تنظيم سرعت و پيچ سطح براي پيچ پره رقابت ميکنند. همچنين قابل ذکر است اين مکانيسم زماني که جانکمن حلقه فيدبک کنترلي بالاي برج را اضافه کرد اساس او را تشکيل داد [22].
اخيرا بيشتر الگوريتمهاي کنترل به مقادير اندازه گيري شده از ساختار توربين و اجزاء متحرکه براي استفاده در فيدبک کنترل وابسته مي باشند. اغلب اين اندازه گيريهاي توربين غير قابل اعتماد ميباشند. پاسخ به اغتشاشات با تاخير نمايش داده ميشوند. بنابراين يک تاخير ذاتي بين زمان رسيدن اغتشاش و زماني که محرک کنترل شروع به کم کردن بارهاي پاسخي مي کند وجود دارد.
تکنولوژيهاي ليدرجديد26 توانايي اندازه گيري سرعت باد موافق توربين بادي با نرخ نمونه برداري را دارا ميباشند [23].
اساس طرح کنترل پيشنهادي در سبک کردن آثار اغتشاش باد در طول عملکرد توربين ميباشد که درطول ساليان متمادي توسط کارهاي واکرناک27 و سيلوان28، اندرسون29 و مور30، استروم31 و ويتن مارک32، فرنکلين33 و پول34 در مقالات انتشاراتي ايشان توسعه يافته است.

شکل 1 – 19. طرح سيستم کنترل توربين بادي [24]
براي کنترل توربين بادي سرعت متغير پيچ متغير، دو روش امکان پذير است: کنترل پيچ پرههاي و کنترل گشتاور ژنراتور. کنترل کننده هاي پيچ تک متغيره در ابتدا با تنظيم کنندههاي PID و LQG استفاده ميشدهاند. اگرچه آنها به نتايج قابل قبولي براي تنظيم سرعت روتور منتهي مي شدند، ولي محدوديت هاي اجرايي براي کنترل قدرت از خود نشان ميدادند.
يک رويکرد کلاسيکي کنترلي براي اين مشکل استفاده از PID ميباشد که با ثابت نگه داشتن گشتاور ژنراتور به اين نتيجه خواهد رسيد. طرح کنترل PID در شکل 1 – 20 نمايش داده شده است.
رويکرد کلاسيکي ديگر هم کنترلگر LQG ميباشد [25] که آن هم مشابه بالا، گشتاور ژنراتور را ثابت فرض ميکند. شکل 1 – 12 طرح کنترلي آن را نمايش ميدهد.
شکل 1 – 20. طرح کنترل کننده PIDبراي توربين بادي
شکل 1 – 21. طرح کنترل کننده LQG براي توربين بادي
براي رسيدن به بعضي کاراييها، يک کنترل کننده گشتاورغير خطي ارائه شده است



قیمت: تومان


پاسخ دهید