ساختار نوين كنترل توربين بادي با ژنراتور سنكرون با هدف كاهش بارگذاري برج

A novel control structure for wind turbine with synchronous generator for tower load reduction

در سال هاي اخير با توجه به كاربرد گسترده توربين هاي بادي، بهبود سيستم كنترلي آن ها با هدف كاهش بارهاي مكانيكي مورد توجه بوده است. از طرفي در توربين هاي بادي مدرن، ژنراتور سنكرون با تحريك الكتريكي در ساختار درايو مستقيم (بدون گيربكس) به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. در اين پژوهش، مزيت بهره گيري از ولتاژ تحريك ژنراتور سنكرون و زاويه گام پره ها در ساختار كنترلي نوين چندمتغيره-تطبيقي توربين بادي مورد تحقيق قرار مي گيرد. اهداف كنترلي محدود كردن نوسانات سرعت دوراني روتور و كاهش بارهاي مكانيكي وارد بر برج مي باشد. ساختار كنترلي متمركز بر اساس مدل ديناميكي توربين بادي و با لحاظ كردن اثرات متقابل آيروديناميكي، ارتعاشاتي و الكتريكي طراحي مي گردد. تعيين بهره هاي ماتريس كنترلي با توجه به مدل غيرخطي و پيچيده توربين، با بهره گيري از روش هاي بهينه سازي انجام مي شود. رفتار آيروديناميكي پره ها تابعي غيرخطي از شرايط كاري مي باشد و براي دستيابي به رفتار ديناميكي يكنواخت، بهره هاي كنترلي در شرايط مختلف محاسبه و به روش جدول بندي بهره پياده سازي مي گردد. در توربين هاي بادي، عوامل مختلفي همچون ديناميك هاي سيستم الكتريكي، محدوديت هاي كنترل ديجيتال و نويز سيگنال مي تواند بر عملكرد كنترلي تاثيرگذار باشد. به منظور بررسي اين اثرات، شبيه ساز توربين بادي توسعه داده مي شود و عملكرد كنترلگر چندمتغيره-تطبيقي به صورت سخت افزار در حلقه مورد تحقيق قرار مي گيرد. با مقايسه عملكرد كنترلگر طراحي شده و كنترلگر چندمتغيره دو ورودي-يك خروجي در شرايط باد مغشوش، بارهاي مكانيكي وارد بر برج به ميزان 26 درصد كاهش مي يابد و در نتيجه عمر برج به عنوان يكي از اجزا اصلي توربين افزايش مي يابد.

The attenuation of mechanical load is one of the most effective approaches in wind turbine components cost reduction, and improving the control system reduces mechanical loads with minimum effort. In modern wind turbines, electrically-excited synchronous generators are mostly applied in direct-drive structure. In current research, generator field voltage along with the blade pitch angle is employed for tower load reduction in a novel multivariable-adaptive control structure. The controller is designed based on the extracted model with aerodynamic, vibratory and electrical interactions. The centralized multivariable structure is chosen to simultaneously reduce rotor speed fluctuations and tower vibrations. Since the nonlinear wind turbine model is complex, the controller is designed via optimization process. The nonlinear aerodynamic behavior of blades influences the closed-loop performance in different operating condition; therefore controller is adapted to the condition by employing gain-scheduling method. The effects of signal noise, digital control and higher-order dynamics of electrical system might defect the closed-loop stability. The designed controller is implemented on a wind turbine simulator which includes the previously-mentioned effects. By comparing the performance of the multivariable adaptive controller with a two input-one output multivariable controller, it is proven that the mechanical loads acting on tower have been greatly decreased.