كنترل زاويه گام يك توربين بادي توان بالا توسط كنترل‌ كننده‌ PID مرتبه كسري بهينه

Pitch Angle Control of a High-Power Wind Turbine Using Optimal Fractional-order PID Controller

در اين مقاله، كنترل كننده تناسبي، انتگرال گير و مشتق گير مرتبه كسري (PID مرتبه كسري) بهينه براي كنترل زاويه گام توربين بادي از نوع فراساحلي با توان 5 مگاوات پيشنهاد شده است. اين كنترل كننده، در سرعت هايي كه بيش از سرعت نامي توربين باشد، فعال مي شود تا با تنظيم زاويه حمله پره هاي توربين بادي، سرعت زاويه اي ژنراتور و در نتيجه توان توربين را در مقادير نامي نگاه دارد. از طرفي چون نامعيني در مدل براي كاربردهاي واقعي اجتناب ناپذير است، كنترل كننده پيشنهادي نياز به دانستن مدل توربين ندارد. براي يافتن متغيرهاي كنترل كننده PID مرتبه كسري، تابع هدفي مركب پيشنهاد شده است كه حاصل جمع قدر مطلق سيگنال خطا و قدر مطلق نرخ سيگنال كنترلي در سه سرعت باد مختلف در ابتدا، ميانه و انتهاي بازه خواهد بود. بدين ترتيب، كنترل كننده طراحي شده قادر خواهد بود تا در تمام سرعت هاي باد، عملكرد مطلوبي داشته باشد و نياز به كنترل كننده هاي پيچيده و غيرخطي را مرتفع سازد. تابع هدف تعريف شده، توسط سه الگوريتم تكامل تفاضلي، الگوريتم كرم شب تاب و الگوريتم ازدحام ذرات مورد كمينه سازي قرار مي گيرد. در ادامه براي ارزيابي قوام كنترل كننده PID مرتبه كسري طراحي شده و مقايسه آن با كنترل كننده PID مرتبه صحيح بهينه، توربين بادي تحت پروقيل هاي باد با سرعت ها و نوسانات مختلف قرار مي گيرد. نتايج شبيه سازي نشان مي دهند كه كنترل كننده PID مرتبه كسري عملكرد و قوام بهتري در تنظيم كردن سرعت و توان ژنراتور نسبت به كنترل كننده PID مرتبه صحيح بهينه از خود نشان مي دهد.

In this paper, an optimal Fractional-order Proportional-Integral-Derivative (FOPID) controller is proposed to control an offshore 5MW wind turbine’s pitch angle in above rated speed. The proposed pitch controller regulates the generator angular speed and consequently the generator power to its nominal value without any knowledge of the model. In order to find the parameters of the controller, a hybrid cost function is proposed, which consists of sum of absolute error signal and absolute rate of control signal in three different wind speeds. The wind speeds are chosen in the beginning, middle and at the end of the interval, thus the optimized controller is able to show an acceptable performance in a whole range of wind speeds, without any demand for nonlinear and complex controllers. To this end, the proposed cost function is minimized using three optimization algorithms: Differential Evolution (DE), Firefly algorithm (FA) and Particle Swarm Optimization (PSO). In order to evaluate the robustness of proposed FOPID, numerous wind profiles with different speeds and fluctuations are applied and the results are compared with the optimal integer order PID controller. The comparison demonstrates that the proposed FOPID has more effective performance and robustness than optimal integer order PID in regulating the generator speed and power.