مطالعه اثرات افزودن ذخیره‌کننده زمان کوتاه بر عملکرد حلقه بسته توربین باد هیدرواستاتیک در حضور جریان باد آشفته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 Iran,Tabriz,29 Bahman BLVD ,Tabriz University,Mech Department

2 هیئت علمی/ دانشگاه شهید بهشتی پردیس فنی عباسپور

3 دانشگاه شهید بهشتی تهران- دانشکده مهندسی برق

چکیده

توربین‌های باد با سیستم انتقال‌قدرت هیدرواستاتیک علاوه بر مزایای عمده خود از قبیل افزایش قابلیت اعتماد و امکان بکارگیری ژنراتورهای سنکرون، این امکان را می‌دهد تا با نصب ذخیره‌کننده زمان‌کوتاه، کیفیت و کمیت توان خروجی از توربین باد را افزایش دهد. ذخیره‌سازی انرژی از این لحاظ دارای اهمیت می‌باشد که مقدار قابل‌ توجهی از توان موجود در پروفایل باد، نهفته در اغتشاشات است که با بکارگیری ذخیره‌کننده‌ مناسب می‌توان این مقدار توان نهفته را بهره‌برداری نمود. در این مقاله به بررسی و مطالعه آثار بکارگیری ذخیره‌کننده در توربین باد و تاثیر سایز آن در سیستم انتقال ‌قدرت هیدرواستاتیک پرداخته شده است. ابتدا مدل دینامیکی غیرخطی توسط روابط آیرودینامیکی و سیالاتی توربین باد بدست می‌آید. سپس معادلات حاکم، حول نقاط عملکردی از قبل بدست‌آمده، خطی‌سازی می‌شوند. با استفاده از معادلات بدست‌آمده، سیستم کنترلی بر مبنای کنترل‌کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی و با قابلیت سوئیچینگ بمنظور کنترل در تمامی نواحی عملکردی توربین باد طراحی و سپس بر روی سیستم اعمال می‌شود. طی سناریوهای مختلف شبیه‌سازی در حالت بدون ذخیره‌کننده و همچنین با ابعاد مختلف آن، تاثیر افزودن ذخیره‌کننده بر بهبود کیفیت و کمیت توان خروجی مورد بررسی قرار می‌گیرد. نتایج بدست‌آمده نشان می‌دهد که با انتخاب مناسب سایز ذخیره‌کننده، توان خروجی افزایش چشمگیری می‌یابد و همچنین منجر به کاهش نوسانات و بهبود کیفیت توان خروجی خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Assessing short-term storage effects on hydrostatic wind turbine in presence of turbulent wind

نویسندگان [English]

  • M.javad Yarmohammadi 1
  • Mostafa Taghizadeh 2
  • Arash Sadeghzadeh 3
1 Iran,Tabriz,29 Bahman BLVD ,Tabriz University,Mech Department
2 shahid beheshti university
3 electronic engineering faculty of shahid beheshti university
چکیده [English]

One of the main challenges in wind turbine application is short-term storage of output power. Hydrostatic transmission  systems, in addition to their advantages such as increasing the reliability of the system and ability to use high-efficiency synchronous generators, give the system the chance to install the short-term storage to elevate quality and amount of the output power. The short-term storage in wind turbines is important because that significant amount of power in a wind profile lies in turbulence, which can be exploited by using suitable short-term storage such as an accumulator. In this paper, the effects of employing accumulator on the hydrostatic power transmission system are investigated. First, the nonlinear dynamic model of the wind turbine system is obtained. Then the nonlinear dynamic equations are linearized around steady-state trajectory of the system. Control system is designed based on proportional-integral-derivative control method with switching capability overall operation regions. During various simulation scenarios with hydrostatic transmission without the accumulator and with different accumulator size, it is proved that employing accumulator in the wind turbine improves the quality and quantity of the output power. The results reveal that with right choice of the accumulator, output power of the wind turbine increases significantly.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Wind turbine
  • Short-term storage
  • Hydrostatic transmission
  • Accumulator
  • Switching

مراجع

[1] M. Cheng, Y. Zhu, The state of the art of wind energy conversion systems and technologies: A review, Energy Conversion and Management, 88 (2014) 332-347.
[2] U.S. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy, 2008, “20% Wind Energy by 2030: Increasing Wind Energy’s Contribution to the U.S. Electricity Supply,” U.S. Department of Energy, Paper No. DOE/GO-102008-2567.
[3]Official website of Iranian Renewable Energy and Energy Efficiency Organization, "http://www.satba.gov.ir/fa/wind/perspective"
[4] J. Ribrant, Bertling, L, Survey of failures in wind power systems with focus on Swedish wind power plants during 1997–2005, In Proceedings of the 2007 IEEE Power Engineering Society General Meeting,  (2007) 24–28.
[5] A. M. Ragheb, A. Rageb, Wind turbine gearbox technologies, in:  In 1st International Nuclear & Renewable Energy Conference (INREC), 2010.
[6] H. Schulte, Control-oriented description of large scale wind turbines with hydrostatic transmission using Takagi-Sugeno models, 2014 IEEE Conference on Control Applications (CCA), Antibes, France, 2014.
[7] N.F.B. Diepeveen, Jarquin Laguna, A. Dynamic modeling of fluid power transmissions for wind turbines, in:  In Proceedings of the EWEA Offshore 2011 Conference, Amsterdam, The Netherlands, 2011.
[8] Feng Wang,Jincheng Chen, Bing Xu, Kim A. Stelson, Improving the reliability and energy production of large wind turbine with a digital hydrostatic drivetrain, Applied Energy 251 (2019).
[9] Xiuxing Yin,Xiaowei Zhao, ADV Preview Based Nonlinear Predictive Control for Maximizing Power Generation of a Tidal Turbine with Hydrostatic Transmission, IEEE Transactions on Energy Conversion,  (2019).
[10] J.C. Ossyra, Reliable Lightweight Transmission for Off-Shore, Utility Scale Wind Turbines, Award Number: DE-EE0005190, 2012.
[11]  R. Cardenas,R. Pena, G. Asher, J. Clare Power smoothing in wind generation systems using a sensorless vector controlled induction Machine driving a flywheel, IEEE Transactions on Energy Conversion, 19(1) (2004) 206-216.
[12]  C. Abbey,G. Joos, Supercapacitor Energy Storage for Wind Energy Applications, IEEE Transactions on Industry Applications 43(3) (2007) 769–776.
[13]  Fuzhu Li,Zhenzhi He, Wen Chen, Yuqin Guo, Study on short-term energy storage characteristics of accumulators of hydrostatic wind turbine system, Journal of Chemical and Pharmaceutical Research 6(7) (2014) 2500-2507.
[14] Harald Aschemann,Julia Kersten, Active Damping and Drive Train Control for a Wind Turbine with a Hydrostatic Transmission and a PMSG, IFAC PapersOnLine 50(1) (2017) 9920–9925.
[15] Barry Dolan,Harald Aschemann, Control of a wind turbine with a hydrostatic transmission - An extended linearisation approach, in:  17th International Conference on Methods & Models in Automation & Robotics (MMAR), 2012, 445-450.
[16] Julia Kersten, Harald Aschemann, LMI approaches for a robust control of a wind turbine with a hydrostatic transmission, in:  2016 European Control Conference (ECC), 2016.
[17] M. Saadat,,F.A Shirazi, P.Y. Li, Modeling and control of an open accumulator compressed air energy storage (CAES) system for wind turbines, Applied Energy 137 (2015) 603–616.
[18]  Y. Fan,A. Mu, T. Ma, Study on the application of energy storage system in offshore wind turbine with hydraulic transmission, Energy Conversion Management,  (2016) 338–346.
[19]Y. Fan,A.Mu T. Ma, Modeling and control of a hybrid wind-tidal turbine with hydraulic accumulator, Energy,  (2016) 188-199.
[20] Z. Liu,G. Yang, L. Wei, D. Yue, Variable speed and constant frequency control of hydraulic wind turbine with energy storage system, Advances in Mechanical Engineering 9(2017) 1-10.
[21] Mohammad J Yarmohammadi,Arash Sadeghzadeh, Mostafa Taghizadeh, Gain-scheduled control of wind turbine exploiting inexact wind speed measurement for full operating range, Renewable Energy 149 (2020) 890-901.
[22]  Ming Xu, Xin Yu,Xiao-meng Wu, Guo-jin Chen, State-space modeling and analysis of power assist unit-based variable speed pump-controlled-motor drive system, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering,  (2018).
[23]  K. Astrom, T. Hagglund, PID Controller: Theory, Design and Tuning, 2nd edition ed., Library of Congress Catalogin in-Publication Data, 1994.
[24] J. Jonkman, S. Butterfield, W. Musial, G. Scott, Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development, 2009.
[25] J. Jonkman, W. Musial, G. Scott, TurbSim User's Guide:Version 1.50, 2009.
 
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 53، شماره 6
شهریور 1400
صفحه 3431-3444

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار