فصلنامه علمی کارافن

فصلنامه علمی کارافن

بررسی مقایسه‌ای عملکرد الگوریتم‌های کنترل بهینه نسبت سرعت نوک (OTSRC) و کنترل بهینه گشتاور (OTC) در یک سیستم توربین بادی سرعت-متغیر مقیاس کوچک جدا از شبکه مجهز به PMSG

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)

نویسندگان
1 گروه مهندسی برق، دانشگاه فنی و حرفه ای، تهران، ایران (آموزشکده فنی شهید بهشتی اردکان-یزد)
2 گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه ملی مهارت، تهران، ایران.
10.48301/kssa.2026.545234.3374
چکیده
در این پژوهش، عملکرد دو راهبرد کنترل بهینه نسبت سرعت نوک پره (OTSRC) و کنترل بهینه گشتاور (OTC) در یک سامانه تبدیل انرژی بادی سرعت‌متغیر و مستقل از شبکه مبتنی بر ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم (PMSG) مقایسه شده است. سامانه مورد مطالعه شامل توربین بادی 3 کیلووات، PMSG، یکسوساز دیودی سه‌فاز، مبدل DC–DC بوست، بانک باتری و اینورتر بوده و شبیه‌سازی آن در محیط MATLAB/Simulink انجام شده است. برای مقایسه منصفانه، هر دو راهبرد با پارامترهای یکسان سامانه، پروفیل سرعت باد، شرایط اولیه، پارامترهای مبدل و تنظیم کنترل‌کننده‌ها ارزیابی شده‌اند و تنها راهبرد MPPT تغییر کرده است. نتایج نشان می‌دهد که OTC نسبت به OTSRC خطای ردیابی و نوسانات کمتری داشته و نقاط کار را به مسیر بهینه نزدیک‌تر می‌کند. در سرعت باد نامی 9 متر بر ثانیه، توان مکانیکی استحصالی در روش OTSRC حدود 2500 وات، معادل 81 درصد توان مکانیکی بهینه، و در روش OTC حدود 3000 وات، معادل 97 درصد آن، به دست آمده است. این عملکرد به ساختار کنترلی OTC نسبت داده می‌شود که در آن مرجع گشتاور مستقیماً بر اساس سرعت روتور تعیین می‌شود، درحالی‌که در OTSRC مرجع گشتاور از طریق حلقه کنترل سرعت و حلقه داخلی گشتاور تعیین می‌گردد. همچنین، OTC بدون نیاز مستقیم به اندازه‌گیری سرعت باد عمل می‌کند، هرچند عملکرد آن به دقت پارامترهای توربین و مشخصات آیرودینامیکی وابسته است. با توجه به وابستگی نتایج به پارامترها و ساختار سامانه، تعمیم این یافته‌ها به سایر سامانه‌های بادی نیازمند اعتبارسنجی تجربی و بررسی شرایط متفاوت است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

A Comparative Performance Analysis of Optimal Tip Speed Ratio Control (OTSRC) and Optimal Torque Control (OTC) Algorithms in a PMSG-based Small-Scale Stand-alone Variable-Speed Wind Turbine System

نویسندگان English

Mohammad Hassan Jafari Nodoushan 1
Mohammad Hossein Baharestantafti, 2
1 Department of Electrical Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran
2 Department of Electrical Engineering, Faculty of Electrical and Computer Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran.
چکیده English

This study compares the performance of two optimal control strategies—Optimal Tip-Speed Ratio Control (OTSRC) and Optimal Torque Control (OTC)—within a standalone, variable-speed wind energy conversion system based on a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). The system under study comprises a 3 kW wind turbine, a PMSG, a three-phase diode rectifier, a DC–DC boost converter, a battery bank, and an inverter; simulations were conducted using the MATLAB/Simulink environment. To ensure a fair comparison, both strategies were evaluated using identical system parameters, wind-speed profile, initial conditions, converter parameters, and controller tuning, with only the Maximum Power Point Tracking (MPPT) strategy being varied. The results indicate that OTC exhibits lower tracking error and reduced oscillations compared to OTSRC, while also maintaining operating points closer to the optimal trajectory. At a rated wind speed of 9 m/s, the extracted mechanical power was approximately 2,500 W (81% of the optimal mechanical power) for OTSRC and approximately 3,000 W (97% of the optimal) for OTC. This performance is attributed to the OTC control structure, where the torque reference is determined directly based on rotor speed, whereas in OTSRC, the torque reference is derived through a speed control loop and an inner torque loop. Furthermore, OTC operates without requiring direct wind-speed measurement, although its performance depends on the accuracy of turbine parameters and aerodynamic characteristics. Given that the results depend on the system parameters and structure, generalizing these findings to other wind energy systems requires experimental validation and analysis under varying operating conditions.

کلیدواژه‌ها English

Variable-Speed Wind Turbine
Optimal Torque Control (OTC)
Optimal Tip Speed Ratio Control (OTSRC)
Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG)
Maximum Power Point Tracking (MPPT)
Off-Grid System

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 14 مهر 1405

  • تاریخ دریافت 25 آذر 1404
  • تاریخ بازنگری 02 مهر 1405
  • تاریخ پذیرش 14 مهر 1405