شبیه‌سازی بلوک دیاگرامی توربین‌های باد محور افقی مقیاس بزرگ

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

2 کارشناس‌ارشد، پژوهشکده سامانه‌های هوشمند صنعتی شهید رضایی، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

چکیده

در پژوهش حاضر، روشی برای شبیه‌سازی بلوک دیاگرامی یک توربین باد محور افقی مرجع با مکانیزم کنترل توان زاویه پیچ ارایه شده‌است. از روش مهندسی تقریب تحلیلی برای مدل آیرودینامیک روتور و تخمین ضریب توان توربین و از کنترلگر PID برای کنترل زاویه پیچ پره روتور استفاده شده‌است. همچنین بستر نرم‌افزار امسیم برای پیاده‌سازی معادلات حاکم بر سیستم انتقال توان و ژنراتور و سپس ترکیب مدل‌ آنها با بخش آیرودینامیک و کنترلگر به‌کار گرفته شده‌است. به‌کمک مدل بلوک دیاگرامی پیشنهادی، رفتار گذرای توربین و عملکرد کنترل زاویه پیچ در تنظیم توان خروجی برای حالتی‌که پروفیل سرعت باد ورودی به صفحه روتور طی 130 ثانیه به‌صورت خطی از 21 تا 8 متربرثانیه تغییر می‌کند، بررسی شده‌است. نتایج نشان دهنده دقت قابل قبول مدل برای پیش‌بینی رفتار عملکرد توربین است. همچنین استفاده از مدل آیرودینامیک و کنترلگر دقیق‌تر موجب بهبود نتایج می‌شود. اعتبارسنجی شبیه‌سازی با مقایسه عملکرد توربین با نتایج توربین مرجع انجام شده‌است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  The European offshore wind industry – key trends and statistics 2016. European Wind Energy Association (EWEA), 2017.
[2]  Spinato F., Tavner P.J., Van Bussel G.J.W. and Koutoulakos E., Reliability of wind turbine subassemblies. IET Renewable Power Generation, 3(4), pp.387-401, 2009.
[3]   Singh M. and Santoso S., Dynamic models for wind turbines and wind power plants. National Renewable Energy Laboratory (NREL), Report No. NREL/SR-5500-52780, 2011.
[4]  Abobkr A.H. and El-Hawary M.E., Evaluation of wind turbine characteristics built-in model in Matlab Simulink. In Electrical Power and Energy Conference (EPEC), IEEE, 2016.
[5]  Hansen A.D., Jauch C., Sørensen P.E., Iov F. and Blaabjerg F., Dynamic wind turbine models in power system simulation tool DIgSILENT. Technical University of Denmark, Risø National Laboratory, Risø-R-1400(ed.2)(EN), 2007.
[6]  Lei T., Ozakturk M. and Barnes M., Modelling and analysis of DFIG wind turbine system in PSCAD/EMTDC. 6th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2012), 2012.
[7]  Li X., Shi H., Wang Y. and Miao F., Modeling and Simulation of Wind Turbine Based on AMESim. IEEE International Conference on Cyber Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER) 2012.
[8]  Shi W., Kim C.W., Chung C.W. and Park H.C., Dynamic modeling and analysis of a wind turbine drivetrain using the torsional dynamic model. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 14, No. 1, pp.153-159, 2013.
[9]  Shi W., Park H.-C., Na S., Song J., Ma S. and Kim C.-W., Dynamic analysis of three-dimensional drivetrain system of wind turbine. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 15, No. 7, pp. 1351–1357, 2014.
[10]             Zhu C., Chen S., Liu H., Huang H., Li G. and Ma F., Dynamic analysis of the drive train of a wind turbine based upon the measured load spectrum. Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 28, No. 6, pp. 2033-2040, 2014.
[11]             Zhu C., Chen S., Song C., Liu H., Bai H. and Ma F., Dynamic analysis of a megawatt wind turbine drive train. Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 29, No. 5, pp. 1913-1919, 2015.
[12]             Rudion K., Orths A. and Styczynski Z., Modelling of variable speed wind turbines with pitch control. Proceedings of the 2th International Conference on Critical Infrastructures, Grenoble, France, October 25-27, 2004.
[13]             General Specification, V90-1.8/2.0 MW 50 Hz VCS, T05 0004-6207, 2010.
[14]             Manwell J. F., Mc Gowan J. G. and Rogers A. L., Wind energy explained: theroy, design and application. 2nd edition, Wiley, England, 2009.
[15]             Burton T., Sharpe D., Jenkins N. and Bossanyi E, Wind Energy Handbook. John Wiley and Sons, Ltd., 2001.
[16]             Ebrahimi A. and Sekandari, M., Transient response of the flexible blade of horizontal-axis wind turbines in wind gusts and rapid yaw changes. Energy, Vol. 145, pp. 261-275, 2018.
[17]             Rolan A., Luna A., Vazquez G., Aguilar D. and Azevedo G., Modeling of a variable speed wind turbine with a permanent magnet synchronous generator. In Industrial Electronics, 2009. ISIE 2009. IEEE International Symposium on (pp. 734-739). IEEE.
[18]             Heier S., Grid integration of wind energy: onshore and offshore conversion systems. John Wiley & Sons, 2014.
[19]             Behera S., Subudhi B. and Pati B.B., Design of PI controller in pitch control of wind turbine: A comparison of PSO and PS algorithm. International Journal of Renewable Energy Research (IJRER), 6(1), pp. 271-281, 2016.
[20]             Martin G. H., Kinematics and dynamics of machines. Waveland Press, 2002.
[21]             Muller S., Deicke M. and De Doncker R.W., Doubly fed induction generator systems for wind turbines. IEEE Industry applications magazine, 8(3), pp. 26-33, 2002.
[22]             Theodore W., Electrical machines, drives and power systems, 6th edition, Pearson Education India, 2007.
[23]             Todorov M., Dobrev I. and Massouh F., Analysis of torsional oscillation of the drive train in horizontal-axis wind turbine. In Advanced Electromechanical Motion Systems & Electric Drives Joint Symposium, ELECTROMOTION 2009. 8th International Symposium on (pp. 1-7). IEEE, 2009.
[24]             Kooijman H.J.T., Lindenburg C., Winkelaar D. and Van der Hooft E.L., DOWEC 6 MW Pre-Design: Aero-elastic modeling of the DOWEC 6 MW pre-design in PHATAS. Energy Research Center of the Netherlands, Technical Report No. DOWEC 10046_009, 2003.