Model Predictive Control Techniques for Wind Turbines. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (Masters Thesis) final_01.pdf - Accepted Version Download (2MB) | Preview

Arabic Abstract

وتتلقى أنظمة الطاقة المتجددة مزيدا من الاهتمام في جميع أنحاء العالم بسبب وزيادة المخاوف البيئية الناجمة عن الاعتماد المفرط على مصادر الطاقة الأحفورية. طاقة الرياح هي أسرع مصدر للطاقة المتجددة نموا مع معدل نمو سنوي مقداره 16.8٪ في عام 2015. توربينات الرياح هي عبارة عن جهاز كهروميكانيكي يستخدم لتحويل الطاقة الحركية الموجودة في مهب الريح إلى طاقة ميكانيكية لدفع المولدات لإنتاج طاقة كيلووات إلى ميجاوات متعددة مقياس. تم تصميم أنظمة التحكم لتوربينات الرياح لتخفيف الأحمال الميكانيكية، تعظيم إنتاج الطاقة والحد منه في أدناه وأعلى تصنيف سرعة الرياح على التوالي. تشغيل والسيطرة على توربينات الرياح هي وظيفة من سرعة الرياح وهو متقطع في الطبيعة. أيضا، تشغيل التوربينات على نطاق واسع يجب أن تفي مجموعة من سرعات الرياح ببعض قيود السلامة على النظام. نموذج تشير السيطرة التنبؤية إلى فئة من خوارزميات التحكم التي تنفذ على الخط أوبتيكسيفميزاتيون باستخدام التنبؤات على أساس النموذج الديناميكي للنبات لتحسين التحكم في الإجراءات التي سيتم تطبيقها في الوقت الحالي لحظة. التحكم التنبئي النموذجي الخوارزميات المفضلة في الصناعات العملية نظرا لقدرتها على تمثيل مشكلة التحكم كمشاكل التحسين مع قيود على مدخلات المصنع والمخرجات. في هذه الدراسة، كانت وحدات التحكم التنبؤية التكيفية والمتعددة النماذج مصممة باستخدام وظائف أورثونورمال. في الحالة الأولى، تم وضع نموذج خطي تم الحصول عليه من النبات غير الخطي كمعلمة على القياس سرعة الرياح. وحدة تحكم تنبؤية نموذجية خطية تقوم بتحديث معلماتها على سرعة الرياح تم قياسها باستخدام نموذج خطي بارامتريزد. في حالة متعددة النماذج، تم تصميم أربع وحدات تحكم باستخدام نماذج خطية في تشغيل سرعات الرياح من 4ms-1، 8ms-1، 11ms-1، و 18ms-1 التي تدل على ذلك منخفضة، منتصف، عالية وأعلى مناطق التشغيل. واحتمال بايزي المستمر الوقت وظيفة لجعل الانتقال بين هذه وحدات التحكم باستخدام الأخطاء بين خرج النظام غير الخطي والمخرجات عند كل نقطة تشغيل. أجريت دراسات المحاكاة باستخدام نموذج توربينات الرياح القياسية 5MW لاختبار وأداء وحدات التحكم المقترحة. الخامس عشر

English Abstract

Renewable energy systems are receiving more attention around the globe due to increasing environmental concerns stemming from over-dependence on fossil energy sources. Wind energy is the fastest growing renewable energy source with an estimated annual growth rate of 16.8 % in 2015. A wind turbine is an electromechanical device used for conversion of kinetic energy present in the wind to mechanical energy to drive generators to produce power of kilowatt to multi-megawatt scale. Control systems are designed for wind turbines to alleviate mechanical loads, maximize and limit power production at below and above rated wind speeds respectively. The operation and control of a wind turbine is a function of wind speed which is intermittent in nature. Also, the operation of the turbine over a wide range of wind speeds must satisfy some safety constraints on the system. Model predictive control refers to a class of control algorithms that performs on-line optixivmization using predictions based on the dynamic model of the plant to optimize the control action to be applied at the current time instant. Model predictive control algorithms are favored in process industries due to their ability to represent the control problem as optimization problems with constraints on the plant’s inputs and outputs. In this study, adaptive and multi-model predictive controllers were designed using orthonormal functions. In the former case, a linearized model obtained from the non-linear plant was parameterized as a function of the measured wind speed. A linear model predictive controller that updates its parameters based on the measured wind speed was designed using the parametrized linear model. In the multi-model case, four controllers were designed using linearized models at operating wind speeds of 4ms−1, 8ms−1, 11ms−1, and 18ms−1 which denote low, mid, high and top operating regions. A continuous-time Bayesian probability function was used to make transition between these controllers using the errors between the nonlinear system output and output at each operating point. Simulation studies were conducted using a benchmark 5MW wind turbine model to test the performance of the proposed controllers. xv

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Systems Math Electrical
Department:	College of Computing and Mathematics > lndustrial and Systems Engineering
Committee Advisor:	Mahmoud, Madgi
Committee Members:	El-Ferik, Sami and Al-Amer, Samir
Depositing User:	MOJEED OYEDEJI (g201513510)
Date Deposited:	28 May 2017 09:38
Last Modified:	30 Dec 2020 12:44
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140337