Nonlinear control of power coefficient in wind turbines

Abstract

Bu çalışmada, bir rüzgar türbininin çıkış gücünü kontrol etmek maksadıyla kontrol girişi olarak güç katsayısı ilk kez olarak kullanılmıştır. Nominal değerin üzerindeki rüzgar hızlarında jeneratör gücü ve hızı çok yüksek değerlere çıkabilmektedir. Bu durum jeneratörün aşırı yüklenmesine ve bozulmasına neden olur. Bu nedenle, üretilen elektrik gücünü arzu edilen değerlerde tutabilmek için kontrol sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Oldukça değişkenlik gösteren rüzgar hızını kontrol etmek imkansız olduğundan, özellikle nominal rüzgar hızının üzerindeki rüzgar hızlarında, sistemdeki diğer kontrol değişkenlerini ayarlayıp sistemin üretmesi gereken elektrik gücünü elde etmek amaçlanmaktadır. Bu hedefe ulaşmak için son derece nonlinear kontrol değişkeni olan türbin pervanene tespit açısının(pitch açısı) kullanıldığı birçok araştırma literatürde mevcuttur. Bu araştırmada, sistemi daha anlaşılabilir ve kolay kontrol edebilme maksadıyla kontrol değişkeni olarak pitch açısı yerine `güç katsayısı` kullanılmıştır. Rotor hızını istenen değere getirip bu değerde tutabilmek için güç katsayısı `Sliding Mode Control` metodu ile ayarlanmaktadır. Bu kontrol stratejisi için tasarlanan ve içinde değerlerin tespit edildiği (look up table) tabloların da yer aldığı algoritmalar ile herhangi bir rüzgar hızına herhangi bir güç katsayısına karşılık gelen pitch açısı belirlenebilmektedir. Simülasyon sonuçları, bu kontrol stratejisinin, rotor hızını istenen değere ayarlayarak jeneratör gücünü düzenleyebildiğini göstermektedir. `Feedack Linearization` adı verilen doğrusal olmayan başka bir kontrol organı ile elde edilen sonuçlar ile `Sliding Mode Control` metodu ile elde edilen sonuçların karşılaştırılmıştır. Bu sonuçların ayırt edilemeyecek kadar örtüştüğü görülmüştür.

In this paper, the power coefficient is used for the first time as the control input to control the output power of a wind turbine. Wind speed above the rated value causes high power and generator over speed. This leads to overloading and breakdown of the generator. As a result, control systems are required to maintain the desired generated electrical power. Wind speed is highly variable but it cannot be controlled, therefore other parameters have to be regulated to maintain the desired generated electrical power when wind speed is above rated. Many researches were done using the blade pitch angle, which is highly non-linear as control input to achieve this goal. The power coefficient is used as control input in this research due to its simplicity, noting that power coefficient is a linear coefficient of the rotor power. A non-linear controller called Sliding mode is used to command the power coefficient to regulate the rotor speed to the desired value. The actual pitch angle for every wind speed is determined by designing some algorithms which are used with the power coefficient from the controller. The simulation results show that this control strategy is able to regulate the generator power by setting the rotor speed to its desired value. Another non-linear controller called feedback linearization is also used to compare its results to the sliding mode controller. This is to show that other controllers can also be used. The simulation results of the two controllers are indistinguishable.