New design and comparative study via two techniques for wind energy conversion system

Abstract

With the advancements in the variable speed direct drive design and control of wind energy systems, the efficiency and energy capture of these systems is also increasing. As such, numerous linear controllers have also been developed, in literature, for MPPT which use the linear characteristics of the wind turbine system. The major limitation in all of those linear controllers is that they use the linearized model and they cannot deal with the nonlinear dynamics of a system. However, real systems exhibit nonlinear dynamics and a nonlinear controller is required to handle such nonlinearities in real-world systems.The novelty of the proposed work consists in the development of a robust nonlinear controller to ensure maximum power point tracking by handling nonlinearities of a system and making it robust against changing environmental conditions. Purpose. In the beginning, sliding mode control has been considered as one of the most powerful control techniques, this is due to the simplicity of its implementation and robustness compared to uncertainties of the system and external disturbances. Unfortunately, this type of controller suffers from a major disadvantage, that is, the phenomenon of chattering. Methods. So in this paper and in order toeliminate this phenomenon, a novel non-linear control algorithm based on a synergetic controller is proposed. The objective of this control is to maximize the power extraction of a variable speed wind energy conversion system compared to sliding modecontrol by eliminating the phenomenon of chattering and have a good power quality by fixing the power coefficient at its maximum value and the Tip Speed Ratio maintained at its optimum value. Results. The performance of the proposed nonlinear controllers has been validated in MATLAB/Simulink environment. The simulation results show the effectiveness of the proposed scheme, suppression of the chattering phenomenon and robustness of the proposed controller compared to the sliding mode control law.З досягненнями у проектуванні та керуванні вітряними енергосистемами з регульованою швидкістю, зростають також ефективність та захоплення енергії цих систем. Так, в літературі також розроблено численні лінійні контролери для відстеження точки максимальної потужності, які використовують лінійні характеристики системи з вітряними турбінами. Основним обмеженням у всіх цих лінійних контролерах є те, що вони використовують лінеаризовану модель і не можуть мати справу з нелінійною динамікою системи. Однак реальні системи демонструють нелінійну динаміку, і для обробки таких нелінійностей реальних системах необхідний нелінійний контролер. Новизна запропонованої роботи полягає у розробці надійного нелінійного контролера для забезпечення відстеження точки максимальної потужності шляхом обробки нелінійності системи та забезпечення її стійкості до змін умов навколишнього середовища. Мета. Спочатку управління ковзним режимом вважалося одним з найпотужніших методів управління, що пов’язано з простотою його реалізації та надійністю порівняно з невизначеністю системи та зовнішніми збуреннями. На жаль, цей тип контролера страждає від головного недоліку, а саме явища вібрування. Методи. Тому у цій роботі з метою усунення цього явища пропонується новий нелінійний алгоритм управління, заснований на синергетичному контролері. Завдання цього контролю – максимізувати відбір потужності системи перетворення енергії вітру зі змінною швидкістю порівняно із регулюванням ковзного режиму, усуваючи явище вібрування, і мати хорошу якість енергії, фіксуючи коефіцієнт потужності на його максимальному значенні та підтримуючи кінцевий коефіцієнт швидкості на його оптимальному значенні. Результати. Ефективність запропонованих нелінійних контролерів перевірена в середовищі MATLAB/Simulink. Результати моделювання показують ефективність запропонованої схеми, придушення явища вібрування та стійкість запропонованого контролера порівняно із законом управління ковзного режиму.