جلال طالبی

تاریخ انتشار : Publish : نسخه قابل چاپ Print


 

دانشکده­ فنی و مهندسی

گروه مهندسی برق

 

رساله براي دريافت درجه دکتري تخصصي در رشته مهندسي برق گرايش کنترل

 

عنوان:

 

طراحی کنترل کننده­ی مد لغزشی مرتبه­ی کسری در سیستم­های تولید انرژی با دینامیک غیرخطی

 

استاد راهنما:

دکتر سهيل گنجه­فر

 

نگارش:

جلال طالبی

 

داور خارجی

دکتر مومنی (استاد دانشگاه تربیت مدرس تهران )

دکتر رمضانی (استادیار دانشگاه تربیت مدرس تهران)

 

داور  داخلی

دکتر مرادی (دانشیار دانشگاه بوعلی سینا )

 

زمان: یکشنبه 7/11/1397

مکان:  سالن سمینار 2 برق

 

 

 

BU-Ali Sina University

 

Faculty of Engineering

Department of Electrical Engineering

 

 

thessis submited for the degree of philosophy doctral in Power engineering

 

Title

 

Fractional order sliding mode controller design for nonlinear energy conversion system

 

Supervisor:

Dr. Soheil Ganjefar

 

By:

Galal Talebi

 

External referee:

D.r. Momeni (professor of Tarbiat Modares University)

D.r. Ramezani (Assistant professor of Tarbiat Modares University)

 

Enternal referee:

 

D.r. Moradi (Associated professor of Buali-sina University)

 

Defence Date:

1397/11/07

Defence Location:

                                                      Seminar 2

 

چكيده:

امروزه کنترل کنندههای زیادی جهت بهبود عملکرد توربین بادی شامل افزایش طور عمر آن و بیشینه کردن بازدهی آن ارائه شده است. کنترل و راه اندازی توربینهای بادی با دو چالش مهم همراه است که عبارتاند از بیشینه کردن توان تولیدی ژنراتور در سرعتهای پایین باد به منظور افزایش بازدهی توربین و تثبیت توان در سرعتهای بالای باد به منظور حفاظت فیزیکی از سیستم. توان و گشتاور تولید شده در توربین بادی رابطهی غیرخطی و پیچیده با سرعت باد دارد. با توجه به وجود نامعینی در معادلات این سیستم فیزیکی پیچیده و غیرخطی بودن روابط مربوط به آن، استفاده از روشهای غیرخطی برای کنترل آن بسیار کاراتر است. کنترل کنندهی مد لغزشی یکی از این روشها است که دارای مزیت مقاوم بودن نسبت به تغییرات پارامترهای سیستم و اغتشاشات است. با توجه به سایز توربین بادی و ژنراتور مورد استفاده در ساختار توربین و همچنین ناحیهی کاری توربین کنترل کنندههای مد لغزشی بسیاری در مقالات مختلف طراحی شده-اند که قالبا دارای دست آوردهای خوبی در کنترل توربینهای بادی بودهاند. ترکیب کنترل کنندههای مد لغزشی با محاسبات مرتبهی کسری، با افزایش درجات آزادی کنترل کننده میتواند منجر به طراحی کنترل کنندهی مقاومتر و در عین حال سریعتر نسبت به کنترل کنندههای مرتبهی صحیح شود. به ویژه این که به دلیل تغییرات سریع و ناگهانی درسرعت باد، استفاده از کنترل کنندهی سریع اجتناب ناپذیر است.  استفاده از معادلهی دیفرانسیل مرتبهی کسری یک رویکرد جدید در مقولهی کنترل است که کاربردهای آن در سیستمهای مختلف فیزیکی در حال گسترش است. معادلات دیفرانسیل مرتبهی کسری یک تعریف جامعتر از معادلات مرتبه ی صحیح است که در آن  مشتق و انتگرال متغیرها میتوانند مرتبهی غیر صحیح داشته باشند. در این رساله با ترکیب معادلات مرتبهی کسری و کنترل مدل لغزشی چهار کنترل کننده برای توربین بادی طراحی شده است. در طراحی این کنترل کنندهها از تعریف سطح لغزش مرتبهی کسری استفاده شده است به طوری که منجر به قانون کنترل مرتبهی کسری برای پایداری سیستم میشود. پایداری کنترل کننده-های تعریف شده با استفاده از قضایای لیاپانف اثبات شده و با اعمال هر یک از کنترل کننده های طراحی شده به یک مدل توربین بادی و شبیه سازی در نرم افزار متلب کارایی این ساختارها مورد ارزیابی قرار گرفته است.

در این رساله با ترکیب معادلات مرتبهی کسری و کنترل مدل لغزشی چهار کنترل کننده برای کنترل توربین بادی در نواحی کاری مختلف طراحی شده است که به طور مختصر به آن پرداخته میشود:

 

1) کنترل کنندهی مد لغزشی مرتبهی کسری به منظور دریافت حداکثر توان از باد: هدف از طراحی این کنترل کننده ردیابی سرعت مطلوب روتور توسط آن است به طوری که در آن، حداکثر توان توسط توربین جذب شود. کنترل کنندهی طراحی شده از گشتاور ژنراتور به عنوان ورودی کنترلی استفاده کرده و سعی در کمینه کردن خطای تعریف شده دارد.

2) کنترل کنندهی مد لغزشی مرتبهی کسری برای کنترل زاویهی پرهها: هدف از طراحی این کنترل کننده تثبیت توان در سرعت بیش از حد مجاز باد و محدود کردن سرعت روتور در آن است. در طراحی این کنترل کننده از یک تخمینگر برای به دست آوردن مقدار گشتاور آیرودینامیکی استفاده شده است. در حالتی که سرعت باد بیش از حد مجاز شود کنترل کننده فعال شده و زاویهی پرههای توربین را طوری تنظیم میکند که توان نامی ژنراتور از باد استخراج شود.

3) کنترل هم زمان گشتاور ژنراتور و انحراف زاویهای توربین با استفاده از رویکرد مرتبهی کسری: هدف از طراحی این کنترل کننده ارائهی یک ساختار جامع برای کنترل توربین است، به گونهای که تمام نواحی کاری توربین را پوشش دهد. با توجه به تغییرات ناگهانی در سرعت باد و وجود نامعینی در سیستم و همچنین تاخیرهای ناشی از عملگرهای فیزیکی، تثبیت توان توسط انحراف زاویهای همواره غیر دقیق و همراه با خطا است. در این ساختار از کنترل همزمان گشتاور ژنراتور و انحراف زاویهای توربین در ناحیهی سوم استفاده شده است که به مراتب نسبت به کنترل تک متغیره نتایج مطلوبتری دارد.

4) طراحی کنترل کننده برای توربین بادی مبتنی بر ژنراتور SCIG: هدف از طراحی این کنترل کننده دریافت حداکثر توان در ناحیهی کاری دوم مربوط به توربین بادی مبتنی بر ژنراتور SCIG است. در طراحی این کنترل کننده از معادلات مکانیکی و الکتریکی توربین استفاده شده و برای متغیرهای حالت به کار رفته در آن یک مقدار مطلوب تعریف میشود. کنترل کنندهی مد لغزشی مرتبهی کسری به گونهای طراحی میشود که این مقادیر مطلوب توسط حالتهای واقعی ردیابی شود به طوری که با عملکرد مطلوب کنترل کننده توان بیشینه از باد جذب شود.

 

واژههای کلیدی:

 محاسبات مرتبهی کسری، توربین بادی، کنترل غیرخطی، کنترل کنندهی مد لغزشی، سیستم تولید انرژی

 

 

Abstract:

 

Currently, a great percentage of the worlds energy is produced from fossil fuels. Owing to multiple economic and environmental preservation factors, scientific research is focused on the development of renewable energy sources such as wind energy. A wind turbine machine converts wind energy into useful kinetic energy or mechanical energy and can be categorized by the types of generators used, power control methods applied, and rotor speed operation. Two kinds of control strategies exist based on the operating region of the wind turbine.  In Region II, generator torque is used as the control input to vary the rotor speed in order to maximize the energy conversion efficiency. In this situation, the blade pitch is held constant and the controller does not act on the blade angle. In Region 3, Pitch angle controller is used to maintain the captured wind power around the rated value for medium to large size wind turbines. For extracting the maximum power In Region II, the rotor of the turbine should track the reference rotor speed which is derived from effective wind speed. Many different control strategies are used to keep rotor speed as close to reference value as possible.

This thesis presents 4 control strategies for variable speed wind turbine that covers both above rated and below rated wind speed. The controllers are designed based on sliding mode control techniques and fractional order calculations. The sliding-mode approach has been widely used in wind turbine systems due to the existence of nonlinearity and uncertainty in wind turbine dynamics. The fractional order sliding mode controller has the capacity to produce better performance in comparison to integer order sliding mode controllers due to higher degrees of freedom for tuning. Newton and Leibniz proposed a fractional order calculus instead of integer-order calculus in the 17th century. Systems that contain fractional order derivatives and integrals are called fractional order systems. In recent years, attention given to control systems whose processes or controllers are of fractional order has been on the increase, considerably. This is mainly due to the fact that many real physical elements such as capacitor and coil can be more adequately modeled by fractional-order models instead of the integer-order models. The sliding condition of controllers is guaranteed by the wind turbine equations formulated based on two math models and the Lyapunov stability theory. The designed controllers are:

1. Fractional order sliding mode controller design for large scale variable speed wind turbine for power optimization: In order to optimize power extraction in Region 2, the blade pitch angle ًand the tip speed ratio should be kept at the value corresponding to the global maximum for the power coefficient. Hence, the rotor angular speed should track the desired reference value.

2. Power regulation in variable speed wind turbine for above rated wind speed; a fractional order sliding mode approach: the main goal of the controller design is to fix the energy captured from the wind energy at rated power. To achieve this goal, the rotor angular speed must track the nominal value of the rotor speed in above-rated wind speeds while the generator torque is fixed in maximum value. In this situation, a fractional order sliding mode controller is employed as a control strategy to verify the pitch angle of blades so that the extracted power becomes close to the rated power value.

3. Multivariable control of variable-speed wind turbines covering below rated and above rated wind speed; fractional order approach: This section presents a control strategy for variable speed wind turbine that covers both above rated and below rated wind speed. In this strategy, the sliding mode controller acts on the generator torque and the fractional order PID controller is used for adjusting the pitch angle of blades.

4. Fractional Order Sliding Mode Control of Wind Conversion System based on a Squirrel Cage Induction Generator (SCIG): This section presents a new control strategy for a squirrel cage induction generator (SCIG)-based on wind energy conversion system. The AC/DC converter or the stator side converter controller was used to regulate the system states so that maximum power can be extracted from the wind. In this study, two controllers were developed to solve the tracking control problem. The first one is a second order sliding mode controller and the other one is the fractional order sliding mode controller.

 

Key Words: Wind energy, variable-speed wind turbine, squirrel cage induction generator (SCIGs), sliding mode control, and fractional order calculation.

 

 

مشخصات فردي

 

نام و نام‌خانوادگي: جلال طالبی......................  نام پدر: بشیر.......................................................

تاريخ تولد: 25/4/1366...........................محل تولد: بهار...............................................  شماره شناسنامه: 1960.............

 مذهب: شیعه..................................................................  وضعيت تأهل: متاهل..................................................... 

 

سوابق تحصيلي

                                                           

شیراز   دانشگاه صنعتی شیراز   86        84        الکترونیک         مهندسی برق      کاردانی

تبریز    دانشگاه تبریز    88        86        الکترونیک         مهندسی برق      کارشناسی

تبریز    دانشگاه صنعتی سهند    91        89        کنترل    مهندسی برق      کارشناسی ارشد

همدان    دانشگاه بوعلی سینا       -          1392    کنترل    مهندسی برق      دکتری-در حال تحصیل

 

مهارت در زبان خارجي

زبان خارجي انگلیسی      نوع توانائي  (خواندن، نوشتن و مکالمه)   ميزان تسلط خوب

مهارت ها

عنوان مهارت      ميزان تسلط

مسلط به پردازش تصویر با استفاده از نرم افزار matlab  خوب

مسلط به plc های مدل زیمنس    خوب

 

 

مقالات چاپ شده

عنوان مقاله        ژورنال

Fractional order sliding mode controller design for large scale variable speed wind turbine for power optimization  Environmental Progress & Sustainable Energy

Fractional order back-stepping sliding mode torque control for wind energy conversion system            Environmental Progress & Sustainable Energy

 

کار های انجام شده :

سابقه ی تدریس در دانشگاه بوعلی سینا

سابقه ی تدریس در دانشگاه سراسری ملایر

دارای سابقه ی تدریس plc های زیمنس

دارای سابقه ی کار ازاد در زمینه ی الکترونیک

نشاني و شماره‌های تماس

تلفن تماس:  09188193906

آدرس الکgmailرونيک (Email): gmail@talebi66 . jalal