CC BY
75
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ Ф1ЗИЧНИХ I ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ ПРОЦЕС1В I ТЕХН1ЧНИХ СИСТЕМ
УДК 697.133
Д.М.СТЕПАНЧИКОВ
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
АЛГОРИТМИ КЕРУВАННЯ В1ТРОЕНЕРГЕТИЧНОЮ УСТАНОВКОЮ НА ОСНОВ1 НЕЧ1ТКО1 ЛОГ1КИ
У cmammi наведено результати устшного застосування нечтког легки для покращення робочих характеристик i керованостi втроенергетичног установки змтноХ швидкостi. Вихлдна потужтсть повтряног турбти нелтйно залежить вiд швидкостi втру, швидкостi обертання втроколеса i кута повороту лопатей. Контролери на основi нечтког легки застосовано з боку ротора для керування потужтстю повтряног турбти. Уа компоненти втроенергетичног установки i система керування на основi нечтког легки змодельоваш у MATLAB. Застосовано i детально проаналiзовано три алгоритми нечткого виводу (Мамдат, Сугено i Ларсена). Результати моделювання довели вiдмiннi робочi характеристики нечткого керування для покращення якостi виробленог потужностi i стабiльностi роботи повтряног турбти.
Ключовi слова: нечтка легка, кут повороту лопатi, вiдслiдковування точки максимальноi потужностi, повтряна турбт.
Д.М. СТЕПАНЧИКОВ
Херсонский национальный технический университет
АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ
В статье приведены результаты успешного применения нечеткой логики для улучшения рабочих характеристик и управляемости ветроэнергетической установки переменной скорости. Выходная мощность воздушной турбины нелинейно зависит от скорости ветра, скорости вращения ветроколеса и угла поворота лопастей. Контроллеры на основе нечеткой логики применены со стороны ротора для управления мощностью воздушной турбины. Все компоненты ветроэнергетической установки и система управления на основе нечеткой логики смоделированы в MATLAB. Применены и детально проанализированы три алгоритма нечеткого вывода (Мамдани, Сугено и Ларсена). Результаты моделирования доказали наилучшие характеристики нечеткого управления для улучшения качества вырабатываемой мощности и стабильности работы воздушной турбины
Ключевые слова: нечеткая логика, угол поворота лопасти, отслеживание точки максимальной мощности, воздушная турбина.
D.M. STEPANCHIKOV
Kherson National Technical University
FUZZY LOGIC BASED ALGORITHMS OF A WIND TURBINE GENERATOR CONTROL
This paper gives results of a successful application of fuzzy logic to enhance the performance and control of a variable speed wind generation system. The power output from wind turbines varies nonlinearly with the wind speed, the speed of the turbine blade tips and the blade pitch angle. Fuzzy logic controllers are applied to rotor side converter for active power control of wind turbine. All power system components and fuzzy control are simulated in MATLAB software. Three fuzzy logic control algorithm (Mamdani, Sugeno and Larsen) has been applied and validated by detailed simulation. Simulation results prove the excellent performance of fuzzy control unit as improving power quality and stability of wind turbine.
Keywords: fuzzy logic control, pitch angle, maximum power point tracking, wind turbine.
Постановка проблеми
Впроенергетика виявилась перспективною альтернативою традицшним технологиям генераци електроенерги. Але поряд з безумовними перевагами вiтроенергетики, такими як доступтсть, невичерпнiсть, незалежнiсть ввд кон'юнктури щн на свiтових ринках енергоноспв, мала негативна дя на оточуюче середовище, вiдсутнiсть потреби масштабних буд1вництв, зон ввдчуження, необхвдно враховувати й недолши -неможливiсть посгiйного вироблення необхгдно! потужносп вiтроенергетичною установкою (ВЕУ) при змЫ параметрiв вiтру. Слад вщмпити, що при швидкосп вiтру меншш за базове значення необхвдно виробляти максимально можливу потужнiсть, а при швидкосп вiтру вищiй за базову - обмежувати потужнiсть и номшальним значенням. Виникае задача автоматичного регулювання потужностi, яку виробляе ВЕУ для забезпечення ефективно! роботи у широкому дапазот швидкостей вiтру.
В задачах керування режимами роботи впроенергетично! установки i прийняття рiшень в умовах мiнливостi джерела енерги, з'являються проблеми, яю важко розв'язати традицiйними методами. У реальнш моделi обов'язково присутнш технологiчний розкид параметрiв, обумовлений непостштстю характеристик механiчних елементiв. Цей факт е причиною неточносп регулюючих дш. Для розв'язку дано! проблеми необхвдно використовувати нечiткi поняття i знання, яю описують процес регулювання за допомогою продукцшних правил "якщо - то". У зв'язку з цим в останнiй час розповсюдження отримують адаптивнi iнтелектуальнi системи керування, яю здатнi пiдстроюватися пiд змiни стану об'екта i вхiднi збурення. До найбшьш важливих переваг такого методу регулювання ввдноситься можливiсть використання досввду експерта без складання диференцiйних рiвнянь. Використання апарату нечико! логiки для задач регулювання найбшьш корисне для систем з погано формалiзованими процесами.
AH^i3 останшх дослiджень i публжацш
Вимоги ефективностi, надiйностi i безпеки функцiонування ВЕУ передбачають наявнiсть надшно працюючо! системи керування, яка забезпечить надiйну експлуатащю обладнання без щоденного втручання оператора. В основi таких систем керування лежать алгоритми нечико! логiки. Апарат нечико! логiки на сьогодт широко використовуеться для ршення задач пдвищення енергоефективностi режимiв роботи ВЕУ.
В робоп [1] розглянуто керування вирово! турбiни з асинхронним генератором з подвшним живленням за допомогою апарату нечико! логiки. Алгоритм на основi нечико! логiки показав ввдмшну здатнiсть до пiдтримування стабшьносп параметрiв мереж! та покращив яюсть вироблено! енерги.
Можливiсть регулювання частоти i напруги асинхронного генератора ВЕУ при використанш нечiтких алгоритмiв описано у [2]. Запропоноваш алгоритми керування чинили регулюючий вплив на частоту i напругу системи, щоб покращити !! динамiчнi характеристики. Алгоритм керування на основ! нечико! лопки використовували для робочого циклу вмикання конденсаторно! батаре!, яка регулювала юнцеву напругу асинхронно! машини. Також нечпкий виввд застосовувався для змши кута атаки лопат! ВЕУ. У пор!внянш з регулюванням на основ! пропорцшного та штегрального керування, результати моделювання з використанням алгоритму нечико! лопки виявились бшьш ефективними.
Керування ВЕУ з короткозамкненим ротором i змшною швидкютю обертання на основ! алгорштшв нечико! лопки описано у [3]. Вироблення максимально! енерги здшснюеться за допомогою трьох регулятор!в !з закладеними у них алгоритмами нечпкого виводу. За першим алгоритмом ввдслвдковують швидкють генератора тд час роботи, щоб забезпечити аеродинам!чну ефектившсть ВЕУ. Другий алгоритм побудований ввдносно магнпного потоку машини таким чином, щоб оптишзувати ефектившсть системи перетворення. Третш алгоритм робить регулювання швидкосп у залежносп ввд коливань моменту турбши i виру. По результатах дослвджень зроблеш висновки про устшне розв'язання уах поставлених завдань дослвдження.
В робот! [4] показано устшне застосування алгорштшв на основ! нечпкого лопчного виводу у внутршшх циклах керування i для змши частоти обертання вироколеса у залежносп ввд швидкосп виру. Таке регулювання дозволило тдвищити ефектившсть вироблення потужносп ВЕУ за рахунок !! роботи на максимум! при будь-яюй швидкосп виру.
Таким чином, отримання нових метод!в, алгорштшв i результапв, як забезпечують ефектившсть вироблення потужносп ВЕУ при використанш апарату нечико! лопки у системах регулювання е актуальним, доцшьним i своечасним.
Формулювання мети дослвдження
Метою роботи е розробка та дослвдження алгорштшв керування аеродинам!чною пдсистемою впроенергетично! установки на основ! теори нечлких множин для пдвищення режимно! керованосп та вироблення оптимально! потужносп.
З метою виршення цього завдання використано моделювання у систем! комп'ютерно! математики MATLAB/Simulink/Fuzzy Logic Toolbox, де реал!зовано модель трилопатно! горизонтально-осьово! ВЕУ, яка складаеться з аеродинам!чно! частини у склад! виротурбши i редуктора-мультиплшатора, електрично! частини у склад! асинхронного генератора i трифазно! лши електропередач i системи керування швидкютю обертання ротору ВЕУ i змшою кута повороту лопат! ВЕУ на основ! алгорштшв нечико! лопки. При цьому буде
В1СНИКХНТУ № 1(64), 2018р. МАТЕМАТИЧНЕМОДЕЛЮВАННЯФ1ЗИЧНИХI
ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ ПРОЦЕС1ВIТЕХН1ЧНИХ СИСТЕМ
проведено ствставлення роботи нечетко! системи регулювання швидкосп обертання ротора i регулювання кута повороту лопат вiтротурбiни iз застосуванням трьох алгоритмш нечiткого виводу: Мамдат, Ларсена i Сугено.
Викладення основного матерiалу дослiдження
К1нетична енергiя виру перетворюеться ветродвигуном у механiчну енергш i дал1 ця енергiя за допомогою генератору перетворюеться в електричну. У мехатчну енергш вiтроенергетична установка може перетворити лише частину повно! енерги повiтряного потоку, який проходить ^зь перерiз вiтроколеса. Ця частина оцiнюеться коефiцiенгом використання енерги виру (коефiцiенгом потужносп) Ср. Коефiцiенг Ср -один з головних параметрш вiтротурбiни, вiн визначае середне вироблення електроенерги на ВЕУ. Максимально можливе значення коефiцiенту потужносп дорiвнюе Сртах = 0,593, яке називають границею Бетца [5].
Коефiцiент потужностi знаходиться у суттевш нелiнiйнiй залежностi ввд коефiцiенту швидкохiдностi Л i кута повороту лопай Д. Для трьохлопатно! горизонтально-осьово! вiтротурбiни пропелерного типу ця залежшсть апроксимуеться рiвнянням [6]:
С, (Л, Д) = С1 ^ С2 - сД - с4 j ехр С5. | + с6 Л,
с2 „я „ Ш С5 I , „ , (1)
.. , С \ — - С р- С I ехр |-— | + С де
л_юЯ _ и 1 _ 1 0,035 (2)
" и ~ и' Лс~ Л + 0,08Д Д3 +1'
о - кутова швидк1сть вiтроколеса, Я - радус кола, яке охоплюють кiнцi лопатей, и - окружна швидк1сть кiнцiв лопатей, и- швидшсть вiтру, с1 = 0,5176, с2 = 116, с3 = 0,4, с4 = 5, с5 =21, с6=0,0068.
Механiчна потужнiсть яку виробляе горизонтально-осьова ВЕУ, визначаеться за формулою [7]:
Рт = С, (Л, Р)^ и3, (3)
де р- густина повiтря, - площа, яку охоплюють лопатi при обертанш.
Аеродинамiчна частина ВЕУ описуеться на пiдставi математичних рiвнянь (1-3). Модель ВЕУ була реалiзована у програш МЛТЬЛБ з використанням елементiв бiблiотеки 81тиИпк, головнi характеристики аеродинамiчно! частини ВЕУ наведеш у табл.1. Модель мае три вхщних параметри: 1) кутову швидшсть генератора о, 2) кут повороту лопай Д, 3) швидшсть виру и i три вихщних: 1) обертальний момент на валу генератора, 2) вихщну потужшсть, 3) вiдносний коефiцiент потужностi.
Таблиця 1
Характеристики аеродинамiчноТ частини в^роенергетичноТ установки
Тип вироколеса - трилопатне, горизонтально-осьове
Номшальна механiчна потужнiсть, МВт 1,5
Базова швидшсть виру, м/с 14
Критична швидшсть виру, м/с 25
Пускова швидшсть виру, м/с 3
Початковий кут повороту лопай, градуси 0
Рис. 1. Блок змши кута повороту лопатi ВЕУ
Блок змши кута повороту лопат! !з застосуванням алгоритму на основ! нечтткого лопчного виводу [8] i реалзований у систем! MATLAB/Simulink, представлено на рис.1. Вхвдш величини - змша потужносп АР, останнш прирют потужносп ¿(АР) i поточна швидкють виру и - спочатку перетворюються у ввдповвдш нечттю множини з штупивними лшгвютичними значеннями, такими як "великий", "середнш", "малий", "нульовий". Це ввдбуваеться у блоц фазифшаци (Fuzzy Logic Controller) [9], де змшш АР, ¿(АР), и, а також вихвдна величина змши кута повороту лопат! Ар описуються функцшми належносп, як! показан! на рис.2.
Правила для вхвдних i вихвдних змшних наведен! у табл.2. Попм вихвдш нечита множини, як! вказують зм!ну кута повороту лопат! Ар надходять до дефазифжатору, де перетворюються у дшсш числа, як! вказують вим!рюваш (нормоваш) значения кута повороту р. Позначення на рис.2 i у табл.2 слвд трактувати наступним чином: NL - ввд'емне дуже велике; NML - ввд'емне велике; NM - ввд'емне середне; NS - ввд'емне мале; ZE - нульове; PS - додатне мале; РМ - додатне середне; PML - додатне велике; PL - додатне дуже велике.
Функцш належносп вхшно! змшно! АР Функция належносп вхщно! змшно! 6{ АР)
1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 -3 -2 -1 0 1 2 3
АР, кВт S(AP), кВт
Функшя належносп bxuhoi змшно! и Функщя належносп внхиноГ величини Ар
0 5 10 15 20 25 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
°> M t А В. гоадусн
Рис. 2. Функци належностi нечiткого регулятора кута повороту лопай
Таблиця 2
Правила для нечпкого алгоритму регулювання кута повороту лопай Ар
и PS PM PL
АР NL NS ZE PS PL NL NS ZE PS PL NL NS ZE PS PL
&АР
NL NL NML NM NM PS NL NM NM NS PS NML NM NS NS PS
NS NL NM NS PS PM NML NM NS PS PM NML NM NS ZE PS
ZE NML NS ZE PS PML NM NS ZE PS PM NM NS ZE PS PM
PS NM NS PS PM PL NM NS PS PM PML NS ZE PS PM PML
PL NS PM PM PML PL NS PS PM PM PL NS PS PS PM PML
Блок змши швидкосп обертання ротора iз застосуванням алгоритму на основi нечттко! лопки реалзований у систгаш MATLAB/Simulink наведено на рис.3. На вхвд блоку подаються вхвдш величини: остання змiна потужносп ДР, остання змiна швидкосп обертання ротора Дю i поточне значення швидкосп виру и. На виход1 блоку - рекомендована швидкють обертання ротора юг.
Принцип роботи алгоритму полягае у збшьшенш або зменшеннi швидкосп обертання ротора у ввдповвдносп до збшьшення або зменшення передбачувано! вихвдно! потужностi. Якщо змiна потужностi ДР е додатною при останнш додатнш змш швидкостi ротору Дю, пошук продовжуемо у тому самому напрямку. Якщо додатна змiна Дю веде до ввд'емно! змiни ДР, напрям пошуку змiнюеться. Таким чином, пвд час цих покрокових змiн швидкосп ротору, контролер ввдслвдковуе змiни у вихвднш потужностi ВЕУ i збертае сталою швидк1сть ротора, для яко! цi змiни вихвдно! потужностi дорiвнюють нулю. Якщо значення Ю1 сильно вiдрiзняеться вiд ю2, контролер буде задавати бiльше значення кроку Дю для прискорення досягнення максимально! потужносп. Аналопчно, якщо поточна швидк1сть генератора е
близькою до о2, то контролер повинен задавати менше значения кроку До, щоб уникнути коливань i забезпечити стабшьшсть системи [10].
Рис. 3. Блок змши швидкост обертання ротора ВЕУ
Вхвдт величини - змша потужносп ДР i змiна швидкосп обертання генератора До, а також вихщна величина змши швидкосп обертання ротору Даг описуються функц1ями належносп, як1 показанi на рис.4. Правила для видних i вихвдних змшних наведенi у табл. 3.
Таблиця 3
Правила для алгоритму регулювання швидкост обертання ротора Даг
До ДР Р К
РУВ РУВ РУВ КУВ
РВ РВ РУВ Ш
РМ РМ РВ КМ
Р8 Р8 РМ К8
ги ги ги ги
N8 N8 КМ Р8
КМ КМ Ш РМ
NB Ш КУВ РВ
КУВ КУВ КУВ РУВ
Рис. 4. Функци належностi неч^кого регулятора швидкостi обертання ротора ВЕУ
Позначення на рис.4 i у табл.3 мають наступний змют: МУВ - вш'емне дуже велике; N3 -вш'емне велике; ММ - вш'емне середне; N8 - вш'емне мале; N - вш'емне; 2Б - нульове; Р - додатне; Р8 - додатне мале; РМ - додатне середне; РВ - додатне велике; РУВ - додатне дуже велике [10].
При робот ВЕУ у режимi обмеження потужносп в системi керування аеродинамiчною системою ВЕУ задiяна тiльки шдсистема змiни кута повороту лопатi. Стратепя керування у цьому режимi -обмеження потужносп и номiнальним значенням шляхом пiдтримання стало! швидкостi обертання ротора. На рис.5 представленi головш характеристики роботи ВЕУ при синусо!дальному законi змiни швидкостi вiтру (змщення 16 м/с, амплiтуда 1 м/с, частота 2л/60 рад/с). П1сля встановлення режиму (починаючи з t и 8 с), вироблена потужнiсть при задiяному алгоритмi Ларсена демонструе бiльшi i стабiльнi (~1,5 МВт) значення у порiвняннi з алгоритмами Мамдаш i Сугено, для яких починаючи з моменту часу t и 37 с спостертаеться помiтне "провисання" потужностi. Змiна кута повороту лопай для алгоритму Ларсена е бшьш плавною у порiвняннi з алгоритмами Мамдаш та Сугено, де спостер^аються декшька злам1в.
вироблена потужшсть, МВт
мамдаш ларсен
\ /
Чугено
швидк1сть В1тру+ м/с
17 -
16
15 -
кут повороту шиит, граду си
Рис. 5. Режим обмеження потужностi ВЕУ при симусоТдальмш моделi вiтру для рпних алгоритмiв дефазифжацп
У режимi змiнно! потужносп в системi керування аеродинамiчною системою ВЕУ задiяна тiльки пiдсистема змши передавального вiдношення редуктора-мультиплiкатора, кут повороту лопап лишаеться рiвним нулю. Стратепя керування у цьому режимi - вироблення максимально можливо! потужностi для дано! швидкосп вiтру На рис.6 представлен головнi характеристики роботи ВЕУ при синусо!дальному законi змiни швидкосп виру (змщення 12 м/с, амплпуда 1 м/с, частота 2 л/60 рад/с). Графiки потужносп також мають приблизно синусо!дальний характер. При цьому найбшьша амплiтуда коливань потужностi спостерiгаеться коли задiяний алгоритм Ларсена, найменша - для алгоритму Мамдаш. Якщо розглядати амплiтуду змiни швидкостi обертання ротора ВЕУ, то найбшьша величина спостертаеться для алгоритму Мамдаш (~0,28 вадн.од.), найменша - для алгоритму Ларсена (~0,07 вiдн.од.).
Рис. 6. Режим змшноТ потужност ВЕУ при синусоТдальнш моделi в^ру для рiзних алгоритмiв дефазифжацп
Висновки
Аналiз результатiв проведеного дослiдження пвдтверджуе принципову можливють i перспективнiсть використання алгоритмiв нечикох лопки у системах керування ВЕУ, зокрема у тдсистемах змши кута повороту лопатi i передавального числа редуктора-мультиплiкатора.
Проведено пор!вняння результатiв роботи нечикох системи регулювання потужносп ВЕУ для алгоритмiв дефазифжацп Ларсена, Мамдат ! Сугено. Проанал!зовано особливосп роботи кожного задхяних алгоритшв. Для режиму обмеження потужносп бшьшу ефектившсть показав алгоритм Ларсена. Для режиму змшно! потужносп найбшьш ефективним виявився алгоритм Мамдаш.
Розглянуп способи керування потужшстю ВЕУ на основ! алгоритшв нечигсох лопки можна застосовувати до р!зних конструкцш впроустановок, що дозволяе сконцентруватися на дослщженш способ!в керування ! застосовувати отриманий досвщ для усього р!зноманитя вироенергетичних установок.
Список використаних джерел
1. Karimi-Davijani H. Fuzzy Logic Control of Doubly Fed Induction Generator Wind Turbine/ H. Karimi-Davijani, A. Sheikholeslami, H. Livani and M. KarimiDavijani// World Applied Sciences Journal. -2009. - №6(4). - p. 499-508.
2. Hussein F. Soliman Fuzzy Algorithm for Supervisory Voltage/Frequency Control of a Self Excited Induction Generator/ Hussein F. Soliman, Abdel-Fattah Attia, S. M. Mokhymar, M. A. L. Badr// Acta Polytechnica. - 2006. - V. 46, №6. - p.36-48.
3. Bimal K. Bose. Fuzzy Logic Based Intelligent Control of a Variable Speed Cage Machine Wind Generation System/ Bimal K. Bose, Marcelo G. Simoes // United States Environmental Protection Agency, National Risk Management Research Laboratory, EPA/600/SR - 97/010, March 1997. - p.6.
4. Vinod Kumar. Fuzzy logic based light load efficiency improvement of matrix converter based wind generation system/ Vinod Kumar, R. Joshi // Journal of Theoretical and Applied Information Technology. - 2007. - p.79 - 89.
5. Неисчерпаемая энергия. Кн.1. Ветроэнергетика/ В.С. Кривцов, А.М. Олейников, А.И. Яковлев. -Учебник. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т "Харьк. авиац. ин-т", 2004. - 519 с.
6. Lamchich M. Matlab Simulink as Simulation Tool for Wind Generation Systems Based on Doubly Fed Induction Machines / M. Lamchich, N. Lachguer. - 2012.
7. Суббота А.М. Система управления ветроэнергетической установкой / А.М. Суббота, И.Ю. Дыбская, А.В. Заболотный // Радюелектронш i комп'ютерш системи. - 2009. - №3(37). - С.61-67.
8. Jianzhong Z. Pitch Angle Control for Variable Speed Wind Turbines/ Jianzhong Zhang, Ming Cheng, Zhe Chen, Xiaofan Fu: DRPT2008, 6-9 April, 2008.
9. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MatLab и fuzzyTECH. -СПб.:БХВ - Петербург, 2005. - 736 с.
10. Adzic Е. Maximum Power Search in Wind Turbine Based on Fuzzy Logic Control/ E. Adzic, Z. Ivanovic, M. Adzic, V. Katic //Acta Polytechnica Hungarica, Vol. 6, No. 1. - 2009. - p. 131- 149.
