طراحي و ساخت سيستم توربين بادي و مبدل هاي واسط با كنترل MPPT مبتني بر dp/dw براي يك ريزشبكه DC

افزايش تقاضاي انرژي و چالش‌هاي زيست‌محيطي ناشي از مصرف سوخت‌هاي فسيلي، توسعه سامانه‌هاي مبتني بر منابع انرژي تجديدپذير را به يكي از محورهاي اصلي پژوهش در مهندسي قدرت تبديل كرده است. در اين ميان، انرژي بادي به دليل دسترس‌پذيري مناسب، بلوغ فناوري و قابليت بهره‌برداري در مقياس‌هاي مختلف، نقش مهمي در ساختار توليد پراكنده و ريزشبكه‌ها ايفا مي‌كند. از آنجا كه توان قابل استخراج از توربين بادي تابعي غيرخطي از شرايط باد و سرعت روتور است، در هر سرعت باد تنها يك نقطهٔ كاري متناظر با بيشينهٔ توان وجود دارد. علاوه بر اين، در ريزشبكه‌هاي جريان مستقيم، بهره‌برداري ايمن از توربين بادي مستلزم مديريت هم‌زمان توان توليدي و پايداري ولتاژ باسDC، به‌ويژه در شرايط تغييرات سرعت باد و محدوديت ظرفيت جذب توان است. در اين پايان‌نامه، طراحي و ساخت يك سامانهٔ يكپارچه توربين بادي در مقياس آزمايشگاهي انجام شده است كه شامل زيرسامانهٔ مكانيكي توربين، ژنراتور سنكرون مغناطيس دائم (PMSG)، يكسوساز سه‌فاز، مبدل DC-‎-DC نوع Buck و واحد كنترل ديجيتال مي‌باشد. طراحي مبدل‌هاي الكترونيك قدرت، مدلسازي ديناميكي سيستم و توسعه الگوريتم‌هاي كنترلي به‌صورت اختصاصي در اين پژوهش انجام شده و ساختار كنترلي با درنظرگرفتن قيود عملياتي ريزشبكهٔDC تنظيم و پياده‌سازي شده است. در بخش كنترلي، يك روش نوين رديابي نقطهٔ بيشينهٔ توان مبتني بر نرخ تغييرات توان نسبت به سرعت زاويه‌اي روتور ارائه شده است. اين روش بدون نياز به اندازه‌گيري مستقيم سرعت باد، با هدايت نقطهٔ كار روي منحني توان–سرعت، امكان رديابي پايدار نقطهٔ بيشينهٔ توان را فراهم مي‌سازد. افزون بر آن، با تنظيم مقدار مرجع شاخص كنترلي، امكان انتقال پيوسته و كنترل‌شدهٔ نقطهٔ كار به نواحي توان كمتر از بيشينه نيز فراهم مي‌شود. بدين‌ترتيب، راهبرد رديابي نقطهٔ توان انعطاف‌پذير (FPPT) بدون تغيير در ساختار اصلي كنترل و بدون ايجاد ناپايداري در متغيرهاي كليدي سيستم قابل پياده‌سازي است. به‌منظور ارزيابي عملي عملكرد سامانه، يك شبيه‌ساز وزش باد طراحي و ساخته شده است كه با استفاده از دمندهٔ كنترل‌شونده، درايو الكتريكي و نرم‌افزار توليد پروفيل سرعت باد، امكان بازآفريني سناريوهاي مختلف بهره‌برداري را در محيطي كنترل‌شده و تكرارپذير فراهم مي‌كند. عملكرد روش پيشنهادي در محيط سيمولينك مدل‌سازي شده و سپس به‌صورت عملي روي سامانهٔ ساخته‌شده مورد آزمون و اعتبارسنجي قرار گرفته است. نتايج شبيه‌سازي و آزمايشگاهي نشان مي‌دهد كه راهبرد پيشنهادي قادر است نقطهٔ بيشينهٔ توان را به‌صورت پايدار رديابي كرده و در عين حال مديريت انعطاف‌پذير توان را در ريزشبكهٔDC با حداقل نوسان و پاسخ گذراي مناسب تضمين نمايد.

The increasing global energy deman‎d an‎d the environmental consequences associated with fossil fuel consumption have made the development an‎d utilization of renewable energy sources a primary priority in modern power systems. Among various renewable resources, wind energy holds a prominent position in distributed generation structures due to its availability, technological maturity, an‎d scalability across different power levels. The performance of wind turbines is inherently dependent on wind conditions, an‎d for each wind speed, there exists an optimal operating point corresponding to maximum power extraction. Consequently, numerous Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithms have been proposed for wind energy conversion systems. In DC microgrids, however, safe an‎d reliable operation of wind turbines requires simultaneous management of the generated power an‎d DC bus voltage, particularly under varying wind speeds an‎d limited load absorption capacity. In this thesis, a novel MPPT control strategy based on the derivative of power with respect to rotor angular speed (dp/dw) is proposed. The proposed method determines an‎d regulates the turbine operating point without requiring direct wind speed measurement. By guiding the operating point along the power–speed characteristic curve, the method inherently enables Maximum Power Point Tracking (MPPT). Moreover, it allows controlled operation at power levels lower than the maximum point, referred to as Lower Power Points , thereby enabling continuous an‎d stable implementation of a Flexible Power Point Tracking (FPPT) strategy without introducing instability into the key system variables. To experimentally eva‎luate the proposed system, a laboratory-scale wind blowing simulator was designed an‎d implemented to reproduce wind conditions in a controlled an‎d repeatable environment. The simulator consists of a controlled blower, an electric drive system, an‎d dedicated software for generating programmable wind speed profiles, enabling the application of various operating scenarios. In the developed structure, the wind turbine is coupled to a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG), an‎d the generated power is rectified through a three-phase rectifier an‎d transferred via a Buck converter to the Thevenin equivalent model of a DC microgrid. Modeling an‎d performance eva‎luation of the proposed control method were carried out in the Simulink environment. Its effectiveness was validated under different wind speed variations an‎d operating conditions through both simulation an‎d experimental implementation on the developed wind blowing simulator. The results confirm the capability of the proposed method to achieve stable maximum power tracking an‎d flexible power management in DC microgrid applications.

محمد سعيد مهدوي

حميدرضا كارشناس , احمدرضا تابش