طراحی کنترل بهینه غیرخطی به روش ترکیبی هموتوپی در توربین‌های بادی جهت استخراج ماکزیمم توان

نوع: Type: رساله

مقطع: Segment: دکتری

عنوان: Title: طراحی کنترل بهینه غیرخطی به روش ترکیبی هموتوپی در توربین‌های بادی جهت استخراج ماکزیمم توان

ارائه دهنده: Provider: عارفه شالبافیان - رشته برق

اساتید راهنما: Supervisors: دکتر سهیل گنجه فر

اساتید مشاور: Advisory Professors:

اساتید ممتحن یا داور: Examining professors or referees: دکتر محمد حسن مرادی-دکتر سید کمال حسینی ثانی-دکتر هادی دلاوری

زمان و تاریخ ارائه: Time and date of presentation: 16 آذر 1401 ساعت 15

مکان ارائه: Place of presentation: سمینار 2 برق

چکیده: Abstract: از آنجایی که توربین‌های بادی دارای ویژگی‌های غیرخطی ذاتی هستند، کنترل‌کننده‌های خطی نمی‌توانند کارایی بالا را فراهم سازند. بنابراین، لازم است مدل دینامیکی غیرخطی توربین‌های بادی برای دستیابی به عملکرد مطلوب در نظر گرفته شود. در این رساله، طراحی کنترل‌کننده ترکیبی بهینه غیرخطی مقاوم برای کسب حداکثر توان از باد و کاهش تنش مکانیکی روی محور محرک انجام شده است. استراتژی پیشنهادی بر اساس ترکیب روش کنترل بهینه غیرخطی و روش کنترل مقاوم مد لغزشی می‌باشد. در استراتژی اول، به طراحی کنترل‌کننده بهینه غیرخطی برای توربین بادی می‌پردازیم. در گام بعد، به طراحی کنترل کننده ترکیبی بهینه مقاوم برای مقاوم نمودن سیستم در برابر اغتشاشات می‌پردازیم. در حالت کلی، طراحی کنترل‌کننده بهینه برای سیستم‌های غیرخطی نیاز به حل معادله دیفرانسیل جزئی به نام معادله همیلتون-ژاکوبی-بلمن دارد. این معادله، یک معادله دیفرانسیل جزئی است و حل تحلیلی آن مشکل می‌باشد. بنابراین، ابتدا معادلات همیلتون-ژاکوبی-بلمن مربوط به مدل تک جرمی و دوجرمی توربین بادی را استخراج می‌نمائیم. سپس، از روش اختلال هموتوپی برای حل معادله همیلتون-ژاکوبی-بلمن مربوط به توربین‌های بادی سرعت متغیر با گام ثابت استفاده می‌نمائیم. در گام بعدی، روش جدیدی به نام روش مجانبی هموتوپی بهینه برای حل معادلات همیلتون-ژاکوبی-بلمن (در حالت کلی) پیشنهاد می‌شود. بنابراین، از این روش که دارای دقت و سرعت بالاتری نسبت به روش اختلال هموتوپی می‌باشد نیز، برای دستیابی به حل تقریبی معادله همیلتون-ژاکوبی-بلمن مربوط به توربین بادی سرعت متغیر استفاده می‌نمائیم. رویکرد مجانبی هموتوپی بهینه برای دستیابی به یک راه حل دقیق فقط به چند تکرار نیاز دارد. در مقایسه با روش اختلال هموتوپی، روش مجانبی هموتوپی بهینه سریعتر است و به تکرار کمتری نیاز دارد. در نتیجه هزینه‌های محاسباتی کاهش می‌یابد و پیاده‌سازی آسان می‌شود. به عبارت دیگر، تعادل خوبی بین سادگی و کارایی با اعمال کنترل‌کننده پیشنهادی مجانبی هموتوپی بهینه حاصل می‌شود. کنترل‌کننده طراحی شده با کمک روش مجانبی هموتوپی بهینه می‌تواند حداکثر توان را از باد استخراج نماید، تنش‌های مکانیکی روی محور محرک را کاهش دهد و با اعمال یک ورودی کنترلی کوچک به همگرایی سریع در زمان محدود دست یابد. بحث دیگر، در مورد مقاوم بودن سیستم در برابر عدم قطعیت‌ها و اغتشاشات است. اگرچه کنترل‌کننده بهینه منجر به کاهش ورودی کنترلی می‌شود، امّا این کنترل‌کننده نسبت به عدم قطعیت‌ها بسیار حساس است. بنابراین، ناتوانی کنترل‌کننده بهینه در ارائه استحکام کافی در برابر عدم قطعیت‌ها و اختلالات مختلف در سیستم یک موضوع چالش برانگیز است. این مشکل را می‌توان با ادغام کنترل‌کننده بهینه با یک کنترل‌کننده مقاوم حل کرد. در استراتژی بعدی، ما کنترل‌کننده مد لغزشی مقاوم را با کنترل‌کننده بهینه ترکیب می‌نمائیم تا به استحکام مورد نیاز دست یابیم. همگرایی سریع در زمان محدود یکی از چالش‌های اصلی در مورد کنترل مد لغزشی است. یک ورودی کنترلی بزرگ می‌تواند برای دستیابی به همگرایی سریعتر اعمال شود، اما این می‌تواند اثرات نامطلوبی بر روی سیستم داشته باشد و در پیاده‌سازی عملی نامطلوب است. از آنجایی که کنترل‌کننده بهینه می‌تواند ورودی کنترلی را کاهش دهد، ترکیب کنترل‌کننده بهینه با کنترل مد لغزشی یک راه مؤثر برای مقابله با این مشکل است. به عبارت دیگر، کنترل‌کننده ترکیبی پیشنهادی هم در برابر عدم قطعیت‌ها مقاوم است و هم عملکرد کنترلی بهینه دارد. بنابراین، طرح کنترل پیشنهادی به ورودی کنترلی کوچکی نیاز دارد و در برابر عدم قطعیت‌ها مقاوم است. کنترل مد لغزشی کلاسیک دارای یک اشکال نامطلوب به نام چترینگ می‌باشد. بنابراین، ما کنترل‌کننده بهینه غیرخطی را با یک کنترل‌کننده مد لغزشی مرتبه دوم ادغام می‌نمائیم تا پدیده چترینگ را کاهش دهیم. کنترل‌کننده ترکیبی طراحی شده قادر به حداکثر رساندن توان استخراج شده از باد، به حداقل رساندن ورودی کنترلی، کاهش تنش مکانیکی بر روی محور محرک، دستیابی به همگرایی سریع، اصلاح پاسخ گذرا، مقابله با مشکل چترینگ و تضمین عملکرد ایمن برای سیستم‌های توربین بادی در حضور عدم قطعیت‌ها می‌باشد.

فایل: ّFile: دانلود فایل