Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/11372
Title: Βέλτιστη απορρόφηση ηλεκτρικής ισχύος οικιακής ανεμογεννήτριας
Other Titles: Ιmplementation of a control algorithm for the maximum absorption of wind power from a typical domestic turbine
Authors: Στεφανόπουλος, Χρήστος
Keywords: Ανεμογεννήτριες
Σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη
Έλεγχος "mppt"
Προσομοίωση
Μετατροπέας υποβιβασμού/ανύψωσης τάσης
Τριφασικός ανορθωτής
Καμπύλη ισχύος
Αλγόριθμος διαταραχής και παρατήρησης
Επεξεργαστής ψηφιακού σήματος (DSP)
Ταχεία προτυποποίηση
Keywords (translated): Wind turbines
Permanent magnet synchronous generator
Maximum power point tracking control
Simulation (Simulink)
Buck/boost converter
Three-phase rectifier
Power curve
Perturb and observe algorithm
Digital signal processor (DSP)
Rapid prototyping
Abstract: Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η υλοποίηση του ελέγχου για την εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος μιας τυπικής οικιακής ανεμογεννήτριας, όπως αυτή που βρίσκεται στην οροφή του εργαστηρίου. Για την επίτευξη του είναι απαραίτητο να αναπτυχθεί η κατάλληλη διάταξη τόσο στο περιβάλλον του εργαστηρίου, όσο και σε περιβάλλον προσομοίωσης μέσω της πλατφόρμας Simulink/Matlab. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από μια σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη που προσομοιώνει πλήρως την ανεμογεννήτρια που βρίσκεται στην οροφή του εργαστηρίου, καθώς συνδέεται με επαγωγικό κινητήρα μέσω του οποίου εξομοιώνεται η μηχανική ροπή και οι στροφές του δρομέα της πραγματικής ανεμογεννήτριας. Οι ακροδέκτες της συνδέονται με τριφασικό ανορθωτή, στη συνέχεια με τον μετατροπέα υποβιβασμού τάσης και τέλος με το ωμικό φορτίο. Στο πρώτο επίπεδο, δημιουργείται το βασικό μοντέλο προσομοίωσης με βάση την πειραματική διάταξη και διαπιστώνεται, μέσω πειραματικών μετρήσεων, η ορθή λειτουργία του. Έπειτα, αναπτύσσεται το μπλοκ του αλγορίθμου που θα πραγματοποιεί τον έλεγχο και εισάγεται στο συνολικό σύστημα. Δέχεται τα μεγέθη ελέγχου του ρεύματος και της τάσης εισόδου του μετατροπέα και ρυθμίζει την παλμοδότησή του μέσω του κύκλου λειτουργίας. Με τη βοήθεια σύνθετων μπλοκ επιτυγχάνεται η προσομοίωση της καμπύλης ισχύος της πραγματικής ανεμογεννήτριας και προσδιορίζεται για μεγάλο εύρος ii τιμών της ταχύτητας του ανέμου η βέλτιστη τιμή του κύκλου λειτουργίας για μέγιστη ισχύ στην έξοδο. Ιδιαίτερα σημαντικό είναι το κομμάτι της εργασίας που εξηγεί τη διαδικασία με την οποία παράγεται ο κώδικας που υλοποιεί το κύκλωμα ελέγχου στον μικροεπεξεργαστή. Η διαδικασία της ταχείας προτυποποίησης διευκολύνει την αντικατάσταση των προσομοιωμένων μεγεθών με πραγματικά. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται η μετάβαση του ελέγχου για την εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος από συνθήκες προσομοίωσης σε συνθήκες πραγματικού χρόνου. Η διπλωματική εργασία διαρθρώνεται με τον εξής τρόπο: Στο κεφάλαιο 1, γίνεται μια εισαγωγή του αντικειμένου της εργασίας, του ρόλου των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και των μικροδικτύων στις σημερινές ανάγκες του τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας. Παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά των ανεμογεννητριών, οι κύριες εξισώσεις λειτουργίας τους, τα είδη και η ιστορία τους. Στο κεφάλαιο 2, αναλύεται η λειτουργία της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη και παρουσιάζονται τα δύο πειράματα για την εύρεση των ηλεκτρικών μεγεθών της οικιακής ανεμογεννήτριας του εργαστηρίου. Στο κεφάλαιο 3, παρουσιάζεται ο έλεγχος εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος (mppt). Πιο συγκεκριμένα, γίνεται αναφορά στις τρεις βασικές μεθόδους πραγματοποίησής του και στις διατάξεις που χρησιμοποιούνται για την υλοποίησή του. Επίσης, επιλέγεται με βάση της ανάγκες της πειραματικής διάταξης ο αλγόριθμος διαταραχής και παρατήρησης (P&O) και περιγράφεται το μοντέλο μέσω του οποίου θα γίνει ο έλεγχος. Στο κεφάλαιο 4 προσομοιώνεται μέσω του Simulink το μοντέλο του ανεμοκινητήρα του εργαστηρίου και το μοντέλο της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη με τον τριφασικό ανορθωτή. Επιπλέον, τα δύο αυτά μοντέλα συνδέονται για τη δημιουργία του συνολικού συστήματος προσομοίωσης της ανεμογεννήτριας και μέσω πειραμάτων και δοκιμών ελέγχεται η αξιοπιστία του. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται το τελικό μοντέλο του ελέγχου εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος στο Simulink. Αρχικά, γίνεται η προσθήκη του μετατροπέα υποβιβασμού τάσης στο μοντέλο και ελέγχεται η ορθή λειτουργία του, ενώ στη συνέχεια προστίθεται και το μπλοκ ‘’P&O’’ που υλοποιεί τον αλγόριθμο ελέγχου. Με βάση αυτό το σύστημα πραγματοποιούνται δύο πειράματα, το πρώτο για την προσομοίωση της καμπύλης ισχύος της εργαστηριακής ανεμογεννήτριας και το δεύτερο για τη ρύθμιση των μεγεθών που βελτιστοποιούν την απόκριση του ελέγχου. Στο κεφάλαιο 6 η μέθοδος της ταχείας προτυποποίησης καταφέρνει να μεταφέρει τον αλγόριθμου ελέγχου από την εξομοίωση στο σύστημα πραγματικού χρόνου της διάταξης του εργαστηρίου. Το νέο μοντέλο ελέγχου που δημιουργείται υλοποιείται από το ολοκληρωμένο σύστημα eZdspTM F28335 που περιλαμβάνει μικροεπεξεργαστή σήματος. Μέσω αυτού αντικαθίστανται οι προσομοιωμένες είσοδοι και έξοδοι του μοντέλου με πραγματικές μέσω των κατάλληλων μπλοκ και πραγματοποιούνται τα ίδια πειράματα με αυτά στο κεφάλαιο 5 για να βελτιστοποιηθεί η λειτουργία του συνολικού πραγματικού συστήματος εύρεσης του μέγιστου σημείου ισχύος της ανεμογεννήτριας. Στο κεφάλαιο 7, παρουσιάζονται τα βασικά συμπεράσματα που προκύπτουν από τη διπλωματική εργασία τόσο σε τεχνικό, όσο και σε προσωπικό επίπεδο.
Abstract (translated): The objective of this thesis is the implementation of a control algorithm for the maximum absorption of wind power from a typical domestic turbine, such as the one of the laboratory roof-top. To achieve this, it is necessary to develop the appropriate layout both in the laboratory environment, and in simulation environment through the Simulink/Matlab platform. The experimental device consists of a permanent magnet synchronous generator, identical to the one locked on the domestic wind turbine on the roof of the laboratory, which is connected to an induction motor which simulates the torque of the actual wind turbine. Its terminals are connected to a three-phase rectifier, then to a buck converter and finally to a resistive load. At the first level, the basic simulation model based on the experimental device is generated, and experimental measurements reveal its proper functioning. Next, it is the development of the block of the algorithm that performs the control and is introduced into the overall system. It accepts the input current and input voltage of the buck converter and regulates its pulse modulation through the duty cycle. With the help of Simulink blocks, the simulation of the power curve of the actual wind turbine is successfully replicated and the optimum value of the duty cycle for maximum output power is determined for a wide range of wind speeds. Especially important is the part of thesis that explains the process by which the code that implements the control circuit in the microprocessor is produced. The rapid prototyping process facilitates the replacement of simulated input and output signals with real signals. Then, the transition is made to find the control of maximum power point tracking from simulation to real-time conditions. The thesis is organized in the following way: In chapter 1, an introduction is made to the subject of the thesis, the role of renewable energy sources and microgrids in current needs of the electric energy sector. The main features of wind turbines, their main operating equations, their types and their history are also presented. In chapter 2, the operation of the permanent magnet synchronous generator is analyzed, and the two experiments estimating the electrical sizes of the laboratory's domestic wind turbine are presented. In chapter 3, the maximum power point tracking (mppt) algorithm is presented. More specifically, reference is made to three other methods and to the provisions used for their implementation. Also, the P&O algorithm is selected based on the experimental needs and the model through which the control will be performed. In chapter 4, Simulink simulates the model of the wind turbine of the laboratory and the model of the permanent magnet synchronous generator with the three-phase rectifier. In addition, these two models are connected in order to create the overall wind turbine simulation system. Its reliability is tested through experiments and tests. Chapter 5 includes the final model of the MPPT control in Simulink. Initially, the buck converter is added to the model and checked for its proper operation, followed by the ''P&O'' block that implements the control algorithm. Based on this system, two experiments are performed, the first for simulating the power curve of laboratory's wind turbine and the second one for adjusting the parameters that optimize the control response. In chapter 6, the rapid prototyping method manages to transfer the control algorithm from simulation to real-time system of the laboratory layout. The new control model is implemented by the integrated system eZdspTM F28335, which includes a microprocessor. The simulated inputs and outputs of the model are replaced with real ones through appropriate blocks and the same experiments are performed, as in chapter 5, in order to optimize the operation of the overall real-time system of maximum power point tracking of the wind turbine. In chapter 7, the main conclusions of thesis, at both technical and personal level, are presented.
Appears in Collections:Τμήμα Ηλεκτρολ. Μηχαν. και Τεχνολ. Υπολογ. (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nemertes_Stefanopoulos(ele).pdf3.41 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.