รายงานการวจย

การควบคมระบบพลงงานลมแบบอสระทมระบบตามรอยก าลงสงสด

The Control of Stand-alone Wind Energy System Including

Maximum Power Point Tracking System

ไดรบทนอดหนนการวจยจาก

มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร

ผลงานวจยเปนความรบผดชอบของหวหนาโครงการวจยแตเพยงผเดยว

SUT7-711-59-12-03

รายงานการวจย

การควบคมระบบพลงงานลมแบบอสระทมระบบตามรอยก าลงสงสด

The Control of Stand-alone Wind Energy System Including

Maximum Power Point Tracking System

หวหนาโครงการวจย

รองศาสตราจารย ดร.กองพน อารรกษ

กลมวจยอเลกทรอนกสก าลง พลงงาน เครองจกรกล และการควบคม สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา ส านกวชาวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร

ไดรบทนอดหนนการวจยจากมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ปงบประมาณ พ.ศ. 2559 ผลงานวจยเปนความรบผดชอบของหวหนาโครงการวจยแตเพยงผเดยว

เมษายน 2560

SUT7-711-59-12-03

บทคดยอ

โครงการวจยนน าเสนอการควบคมระบบแปลงผนพลงงานลมแบบอสระทมการตามรอย

ก าลงสงสด การควบคมตามรอยก าลงสงสดในงานวจยนเลอกใชการควบคมดวยวธการรบกวนและ

การสงเกต เพราะเปนวธทมความเรยบงายและไมตองทราบเกยวคณลกษณะของกงหนลม การ

ควบคมอาศยเพยงตวตรวจจบแรงดนและกระแสไฟฟาเทานน โดยจากผลการจ าลองสถานการณ

ดวยโปรแกรม SIMULINK ใน MATLAB พบวา การควบคมดงกลาวสามารถดงก าลงไฟฟาสงสด

ของระบบออกมาไดตามสภาพความเรวลมตาง ๆ นอกจากนในโครงการวจยนยงน าเสนอการสราง

ชดทดสอบในหองปฏบตการ โดยในสวนของการควบคมใชไมโครคอนโทรลเลอร จากผลการ

ทดสอบแสดงใหเหนวา วธการทน าเสนอสามารถดงก าลงไฟฟาสงสดจากระบบกงหนลมผลต

ไฟฟาแบบอสระออกมาไดสอดคลองกนกบผลทไดจากการจ าลองสถานการณ

Abstract

This research presents the maximum power point tracking control of stand-alone

wind energy conversion systems. The perturbation and observation method is selected as the

maximum power point tracking technique for this research. This is because it is simple and no

requirement of wind turbine characteristics only voltage and current sensors are used in the

control process. The simulation results with SIMULINK program in MATLAB show that the

proposed control can extract maximum power following on various wind speeds. In addition,

the hardware implementation of the considered system is also presented in the research. The

microcontroller is used to implement the control of maximum power point tracking control

system. The experimental results show that the maximum power can also be achieved via the

proposed algorithm. A good agreement between simulation and experimental results can be

obtained.

กตตกรรมประกาศ

โครงการวจย เรอง ระบบควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบกงหนลมผลตไฟฟาแบบ

อสระ สามารถส าเรวลลวงไปดวยด ทงนตองขอบคณส านกงานพฒนาวทยาศาสตรและเทคโนโลย

แหงชาตทใหทนสนบสนนการท าวจยน นอกจากนผวจยตองขอขอบคณนายโกศล ชยเจรญอดมรง

ทเปนผชวยวจย ดวยความทมเท และการเอาใจใสอยางยง สดทายนผวจยขอขอบคณมหาวทยาลย

เทคโนโลยสรนารทใหความสะดวกในการใชสถานทส าหรบการท าวจย

กองพน อารรกษ เมษายน 2560

ง

สารบญ

หนา

บทคดยอ (ภาษาไทย) ........................................................................................................................ ก บทคดยอ (ภาษาองกฤษ) ................................................................................................................... ข กตตกรรมประกาศ ............................................................................................................................ ค สารบญ ............................................................................................................................................. ง สารบญตาราง ................................................................................................................................... ฉ สารบญรป ........................................................................................................................................ ช บทท 1 บทน ำ .................................................................................................................................. 1 1.1 ความเปนมาและความส าคญของปญหา ................................................................... 1 1.2 วตถประสงคของการวจย ......................................................................................... 2 1.3 ขอตกลงเบองตน ...................................................................................................... 2 1.4 ขอบเขตของการวจย ................................................................................................. 3 1.5 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ และหนวยงานทใชประโยชนจากผลการวจย ............... 3 1.6 การจดรปเลมรายงานการวจย ................................................................................... 3 2 ปรทศนวรรณกรรมและงำนวจยทเกยวของ ....................................................................... 5 2.1 บทน า ........................................................................................................................ 5 2.2 งานวจยทเกยวของกบการควบคมตามรอยก าลงสงสด ส าหรบกงหนลมผลตไฟฟา ...................................................................................... 5 2.3 สรป .......................................................................................................................... 9 3 ทฤษฎพนฐำน ................................................................................................................... 10 3.1 บทน า ...................................................................................................................... 10 3.2 ระบบแปลงผนพลงงานลม ..................................................................................... 10 3.3 หลกการท างานของกงหนลม ................................................................................. 11 3.4 ระบบควบคมกงหนลมผลตไฟฟา .......................................................................... 15

จ

สารบญ (ตอ)

หนา

3.5 วงจรแปลงผนแบบบคก.......................................................................................... 17 3.6 แบตเตอร ................................................................................................................ 18 3.7 สรป ........................................................................................................................ 19 4 กำรตำมรอยก ำลงสงสดดวยวธกำรรบกวนและกำรสงเกต ................................................ 20 4.1 บทน า ...................................................................................................................... 20 4.2 ระบบทพจารณา ..................................................................................................... 20 4.3 การจ าลองสถานการณ ............................................................................................ 23 4.4 การสรางชดทดสอบตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O............................................ 26 4.4.1 วงจรเรยงกระแสสามเฟส .......................................................................... 28 4.4.2 การสรางชดตรวจจบแรงดนและกระแสไฟฟา .......................................... 28 4.4.3 ความรเบองตนเกยวกบไมโครคอนโทรเลอร AVR ................................. 31 4.4.4 วงจรจดชนวนเกท ..................................................................................... 35 4.4.5 วงจรแปลงผนแบบบคก ............................................................................ 35 4.5 การทดสอบระบบควบคมตามรอยก าลงไฟฟาสงสดดวยวธ P&O ......................... 37 4.6 ผลการทดสอบ P&O .............................................................................................. 42 4.7 สรป ........................................................................................................................ 45 5 สรปและขอเสนอแนะ ....................................................................................................... 46 5.1 สรป ........................................................................................................................ 46 5.2 ขอเสนอแนะเพอพฒนางานวจยในอนาคต ............................................................. 47 รายการอางอง ................................................................................................................................. 48 ภาคผนวก ภาคผนวก ก. โปรแกรมการตามรอยจดก าลงสงสดดวยวธ P&O จากโปรแกรมส าเรจรป SIMULINK ใน MATLAB ...................................... 50 ภาคผนวก ข. โปรแกรมการตามรอยจดก าลงสงสดดวยวธ P&O จากบอรดไมโครคอนโทรลเลอรตระกล AVR ............................................... 53

สารบญตาราง

ตารางท หนา 2.1 ผลงานวจยทเกยวของกบการควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบกงหนลมผลตไฟฟา .......... 6 4.1 พารามเตอรของการจ าลองสถานการณกงหนลมผลตไฟฟา ทมการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O .............................................................................. 24 4.2 ผลทดสอบวงจรตรวจจบแรงดนไฟฟา ................................................................................. 30 4.3 ผลทดสอบวงจรตรวจจบกระแสไฟฟา................................................................................. 31 4.4 พกดอปกรณของวงจรแปลงผนแบบบคก ............................................................................ 37 4.5 ผลการทดสอบหาคา ........................................................................................................ 41 4.6 ผลการทดสอบการตามรอยจดก าลงสงสดดวยวธ P&O ....................................................... 44

สารบญรป

รปท หนา 3.1 ระบบแปลงผนพลงงานลม ................................................................................................... 10 3.2 ปรมาตรการไหลของอากาศทไหลผานกงหนลม ................................................................. 12 3.3 กราฟคณลกษณะคาสมประสทธ PC .......................................................................... 15 3.4 กงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระทมระบบตามรอยก าลงสงสด .............................................. 16 3.5 โครงสรางส าหรบการทดสอบระบบควบคมตามรอยก าลงสงสด ........................................ 17 3.6 วงจรแปลงผนแบบบคก ....................................................................................................... 17 4.1 ระบบกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระทมการควบคมตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O ........ 20 4.2 การควบคมลเขาจดทไดก าลงไฟฟาสงสด ............................................................................ 21 4.3 แผนภาพไดอะแกรมการตามรอยก าลงสงสด ....................................................................... 22 4.4 การจ าลองสถานการณระบบตามรอยก าลงสงสดของกงหนลมผลตไฟฟา โดยใชวธ P&O ดวยโปรแกรมส าเรจรป SIMULINK ใน MATLAB .................................. 24 4.5 คณลกษณะของก าลงไฟฟาและความเรวรอบของกงหนลมผลตไฟฟา ................................ 25 4.6 ผลการจ าลองสถานการณเมอความเรวลมมการเปลยนแปลง ............................................... 26 4.7 เสนทางการตามรอยก าลงสงสด ........................................................................................... 26 4.8 โครงสรางชดทดสอบการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O ................................................. 27 4.9 ภาพรวมชดทดสอบการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O .................................................... 27 4.10 โมลดลวงจรเรยงกระแสสามเฟส ......................................................................................... 28 4.11 ภาพรวมการตอวงจรตรวจจบแรงดนและกระแสไฟฟา ....................................................... 29 4.12 วงจรตรวจจบแรงดนและกระแสไฟฟา ................................................................................ 29 4.13 วงจรกรองสญญาณความถต าผานและวงจรกนชน .............................................................. 30 4.14 วงจรกรองสญญาณความถต าผาน ........................................................................................ 30 4.15 บอรดไมโครคอนโทรลเลอร ET-EASY MEGA 1280 ........................................................ 31 4.16 วงจรจดชนวนเกท ................................................................................................................ 35 4.17 วงจรแปลงผนแบบบคกทใชงานจรง .................................................................................... 37

ซ

สารบญรป (ตอ)

รปท หนา 4.18 ระบบทใชในการทดสอบรวมกบเครองจ าลองกงหนลม ...................................................... 38 4.19 กราฟความสมพนธระหวางก าลงไฟฟากบความเรวรอบทความเรวลมตาง ๆ ...................... 38 4.20 กราฟสญญาณทดสอบเมอก าหนดใหคา 001.0D ....................................................... 39 4.21 กราฟสญญาณทดสอบเมอก าหนดใหคา 05.0D ......................................................... 39 4.22 กราฟสญญาณทดสอบเมอก าหนดใหคา 3.0D ........................................................... 39 4.23 ผลตอบสนองของระบบเมอความเรวลมเปลยนจาก 4 m/s เปน 5 m/s ................................. 40 4.24 ผลตอบสนองของระบบเมอความเรวลมเปลยนจาก 5 m/s เปน 6 m/s ................................. 40 4.25 การทดสอบชดทดสอบการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O .............................................. 42 4.26 รปสญญาณความเรวรอบ แรงดนไฟฟาและกระแสไฟฟา ทความเรวลม 4 m/s ................... 43 4.27 รปสญญาณความเรวรอบ แรงดนไฟฟาและกระแสไฟฟา ทความเรวลม 5 m/s ................... 43 4.28 รปสญญาณความเรวรอบ แรงดนไฟฟาและกระแสไฟฟา ทความเรวลม 6 m/s ................... 43 4.29 กราฟคณลกษณะก าลงไฟฟาและความเรวรอบของกงหนลม .............................................. 44 ก.1 บลอกจ าลองสถานการณอลกอรทมการตามรอยจดก าลงสงสดดวยวธ P&O ...................... 51

บทท 1 บทน ำ

1.1 ควำมเปนมำและควำมส ำคญของปญหำ พลงงานเปนสงจ าเปนขนพนฐานตอการด ารงชวตในปจจบน กจกรรมตาง ๆ ของมนษยตองใชพลงงานแทบทงสน ซงรปแบบพลงงานทใชกนมาก คอ พลงงานความรอน และพลงงานไฟฟา ส าหรบแหลงก าเนดพลงงานหลก ๆ ในปจจบนเปนเชอเพลงฟอสซลทเกดจากการทบถมของซากพชและซากสตว เชน น ามน กาซธรรมชาต และถานหน ฯลฯ ซงมปรมาณจ ากด และเปนพลงงานทใชแลวหมดไป อกทงยงสรางปญหาทมลภาวะตอสงแวดลอม รวมถงชนบรรยากาศของโลก กอใหเกดภาวะโลกรอน ดงนน จงมความจ าเปนทจะตองหาแนวทางการแกไขทางพลงงาน โดยพยายามหาพลงงานในรปแบบอน ๆ มาใชทดแทนพลงงานจากเชอเพลงฟอสซล หนงในพลงงานทดแทนทไดรบความสนใจ คอ พลงงานจากลม อนเนองมาจากเปนหนงในพลงงานทสะอาดไมกอใหเกดมลพษตอสงแวดลอมและเปนแหลงพลงงานทมอยทวไป เปนพลงงานหมนเวยนทงกลางวนและกลางคน ไมมวนหมดสน การแปลงพลงงานลมเปนพลงงานไฟฟาหรอระบบการแปลงผนพลงงานลม(wind energy conversion system: WECS) อาศยหลกการเปลยนพลงงานจลนเปนพลงงานไฟฟา โดยจากการทกระแสลมไหลผานใบพดของกงหนลม ท าใหพลงงานจลนในกระแสลมถกเปลยนเปนแรงบดขนบนเพลาของกงหนลม ซงเชอมตอกบเพลาของเครองก าเนดไฟฟา

การใชงานกงหนลมผลตไฟฟา จ าเปนตองมระบบควบคมการแปลงผนพลงงานดงกลาว เพราะใหพลงงานเอาตพตไมเปนเชงเสนแปรผนตามโหลดและความเรวลม อกทงกงหนลมผลตไฟฟามจดการท างานของก าลงไฟฟาเอาตพตชวงกวาง แตจดทท าใหก าลงไฟฟาสงสดมเพยงจดเดยว ส าหรบปญหาทพบคอ จดการท างานของโหลดอยหางจากจดทกงหนลมผลตไฟฟาใหก าลงสงสด ซงท าใหใชประโยชนจากก าลงไฟฟาทผลตไดไมเตมท ดงนน ระบบควบคมการตามรอยก าลงงานสงสด(maximum power point tracking: MPPT) จงมความจ าเปนอยางยงในการแปลงพลงงานทดแทนดงกลาว ซงไมเพยงแตจะท าหนาทสกดก าลงงานใหไดมากทสดแลว ยงเปนการเพมประสทธภาพของระบบอกดวย โดยงานวจยในอดตถงปจจบน พบวา วธการตามรอยก าลงงานสงสดทใชส าหรบกงหนลมผลตไฟฟามอย 5 แบบดวยกน คอ (1) THE LOOKUP TABLE BASED หรอ การปอนกลบสญญาณก าลงไฟฟา(The power signal feedback : PSF) (Eftichios Koutroulis and Kostas Kalaitzakis,2006) (2) THE STATE SPACE LINEARIZATION AND NONLINEAR STATE SPACE BASED (José Matas et al., 2008) ( 3) THE NEURAL NETWORK-FUZZY

2

LOGIC BASED (Hui Li, K. L. Shi, and P. G.McLaren, 2005) ( 4) THE HILL CLIMBING BASED (HSC) (Kazmi Syed Muhammad Raza et al., 2008) แ ล ะ ( 5) THE MODIFIED OR HYBRID HCS/LOOKUP TABLE TECHNIQUES (Quincy Wang and Liuchen Chang, 2004) ซ งกลไกการตามรอยก าลงงานสงสด โดยหลกการแลวจะเปนการจดการใหก าลงเอาตพตของกงหนลมผลตไฟฟาอยในระดบทสงสด สอดคลองกบความเรวลมในขณะนน ดงนนงานวจยนจงน าเสนอระบบควบคมการตามรอยก าลงสงสด ส าหรบกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระ (stand-alone system) ทสามารถปฏบตงานไดตลอด 24 ชวโมง เพอประโยชนตอการใชงานในพนททรกนดารหรอพนทหางไกลจากระบบสายสงก าลงไฟฟา รวมถงแหลงทองเทยวตามอทยานตาง ๆ เปนตน และเนองจากเปนระบบไฟฟาแบบอสระ จงจ าเปนอยางยงทจะตองมแหลงพลงงานส ารอง ซงกคอ แบตเตอร จากการใชแหลงพลงงานจากกงหนลมผลตไฟฟาและแบตเตอรอยในระบบเดยวกน จงเรยกระบบเชนนวา ระบบพลงงานแบบผสมผสาน งานวจยจะกลาวถงรายละเอยดของระบบควบคมการตามรอยก าลงสงสด ทมความสามารถในการถายโอนก าลงเอาตพตจากกงหนลมสแบตเตอรและโหลดไดสงสด โดยจะเลอกวธการใดวธการหนงจากทง 5 วธทไดกลาวในขางตน และการวเคราะหพฤตกรรมพลงงานของระบบ เพอกอใหเกดแนวทางการพฒนาทางการสกดพลงงานจากลมใหไดมากทสดและเพมประสทธภาพใหกบระบบ

1.2 วตถประสงคของกำรวจย 1.2.1 เพอหาแนวทางการเพมประสทธภาพและความเชอถอของระบบกงหนลมผลต

ไฟฟา 1.2.2 เพอพฒนาขนตอนวธระบบการควบคมการตามรอยก าลงสงสด

1.2.3 เพอพฒนาเทคโนโลยน าไปสการพงพาตนเองอยางยงยน 1.2.4 เพ อพฒนาระบบวศวกรรมตนแบบ ท เหมาะสมตอการใชประโยชนใน

ชวตประจ าวน 1.2.5 เพอท าการศกษา วจย และสรางระบบควบคมกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระ

1.3 ขอตกลงเบองตน 1.3.1 ระบบทพจารณาในโครงการวจยเปนระบบกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระ 1.3.2 การจ าลองสถานการณใชชดบลอกไฟฟาก าลง รวมกบ SIMULINK บนโปรแกรม

MATLAB

3

1.3.3 ด าเนนการทดสอบระบบควบคมตามรอยก าลงสงสดภายในหองปฏบตการดวยเครองจ าลองคณลกษณะของกงหนลม

1.3.4 ชดทดสอบของตวควบคมใชไมโครคอนโทรลเลอร

1.4 ขอบเขตของกำรวจย 1.4.1 โครงการวจยนพจารณาเฉพาะระบบควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบกงหนลม

ผลตไฟฟาแบบอสระ 1.4.2 ควบคมระบบการถายโอนพลงงานในระบบใหเหมาะสมและมประสทธภาพ

แบบจ าลองทางคณตศาสตรจะไมน าฮารมอนกสของระบบเขามาเกยวของในการพจารณา

1.5 ประโยชนทคำดวำจะไดรบ และหนวยงำนทใชประโยชนจำกผลกำรวจย 1.5.1 ไดองคความรเกยวกบระบบควบคมตามรอยก าลงสงสด ส าหรบกงหนลมผลต

ไฟฟา 1.5.2 ไดชดตนแบบทดสอบของกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระ 1.5.3 ไดบทความวจย เผยแพรระดบชาต และ/หรอ นานาชาต 1.5.4 ผลทไดจากการวจย จะน าไปสอนนกศกษาวศวกรรมไฟฟา ทงระดบปรญญาตร

และปรญญาโท เพอใหเปนแนวทางส าหรบการวจยตอไปในอนาคต

1.6 กำรจดรปเลมรายงานการวจย โครงการวจยนประกอบดวย 5 บท ซงในแตละบทไดน าเสนอดงตอไปน บทท 1 เปนบทน า ซงกลาวถงความเปนมาและความส าคญของปญหา วตถประสงค และประโยชนทคาดวาจะไดรบจากโครงการวจยน รวมถงขอบเขตของโครงการวจย บทท 2 กลาวถงปรทศนวรรณกรรม และงานวจยทเกยวของการควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบระบบกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระ บทท 3 น าเสนอทฤษฎพนฐานของกงหนลม หลกการท างาน และคณลกษณะของกงหนลม รวมถงรายละเอยดเกยวกบวงจรแปลงผนแบบบคก และแบตเตอร บทท 4 เปนการอธบายเกยวกบการตามรอยก าลงสงสด โดยใชวธการรบกวนและการสงเกต การจ าลองสถานการณบนคอมพวเตอร รวมถงโครงสรางชดทดสอบ และการทดสอบ พรอมผลการทดสอบในหองปฏบตการ บทท 5 เปนบทสรปและขอเสนอแนะ

4

ภาคผนวกมอยดวยกน 2 สวน คอ ภาคผนวก ก. โปรแกรมตามรอยจดก าลงสงสดดวยวธ P&O จากโปรแกรมส าเรจรป SIMULINK ใน MATLAB และภาคผนวก ข. โปรแกรมการตามรอยจดก าลงสงสดดวยวธ P&O จากบอรดไมโครคอนโทรลเลอรตระกล AVR

บทท 2 ปรทศนวรรณกรรมและงานวจยทเกยวของ

2.1 บทน า โครงการวจยนเปนการวจยเกยวกบระบบควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบกงกนลมผลตไฟฟาแบบอสระ ดวยเหตผลนในบทท 2 จงน าเสนอการส ารวจปรทศนวรรณกรรมและงานวจยทเกยวของกบการควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบระบบกงหนสมผลตไฟฟาแบบอสระ โดยจากการศกษาดงกลาวในโครงการวจยนจะเลอกวธการอยางใดอยางหนงหรอผสมผสานกนจากการปรทศนวรรณกรรมและงานวจยในอดต

2.2 งานวจยทเกยวของกบการควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบกงหนลม ผลตไฟฟา ระบบควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบกงหนลมผลตไฟฟา มหนาทควบคมการท างานของกงหนลมใหมความเหมาะสมตามสภาพความเรวลมตางๆ เพอดงศกยภาพสงสดของการผลตไฟฟาดวยกงหนลมออกมา โดยปรทศนวรรณกรรมและงานวจยทเกยวของกบระบบกงหนลมผลตไฟฟาทมการควบคมตามรอยก าลงสงสด ตามทผวจยไดท าการคนควา ตงแตในอดตจนถงปจจบน แสดงไดดงตารางท 2.1 ดงน ตารางท 2.1 ผลงานวจยทเกยวของกบการควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบกงหนลมผลตไฟฟา

ปทตพมพ (ค.ศ.)

คณะผวจย สาระส าคญของงานวจย

2003 Datta,R. and Ranganathan, V.T.

น าเสนอเกยวกบวธการตามรอยก าลงสงสดส าหรบระบบแปลงพลงงานลมทความเรวแตกตางกน โดยใชโหมดการควบคมความเรว วธการตามรอยคายอดของก าลงทไมขนอยกบคณลกษณะของกงหนลมและความหนาแนนของอากาศ ซงมการอธบายเงอนไขของขนตอนวธการคนหาจดการท างานทเหมาะสม

6

ตารางท 2.1 ผลงานวจยทเกยวของกบการควบคมตามรอยก าลงสงสด

ส าหรบกงหนลมผลตไฟฟา(ตอ) ปท

ตพมพ (ค.ศ.)

คณะผวจย สาระส าคญของงานวจย

2006 Koutroulis, E. and Kalaitzakis, K.

น าเสนอเกยวกบการออกแบบระบบการควบคมตามรอยก าลงสงสด ส าหรบประยกตใชกบระบบแปลงพลงงานลม ซงประกอบดวยวงจรแปลงผนดซเปนดซประสทธภาพสง และไมโครคอลโทรลเลอร ซงใชควบคมการท างานของระบบตามรอยก าลงสงสด โดยจากผลการทดลองแสดงใหเหนวาระบบมก าลงไฟฟาเอาตพตเพมขนประมาณ 11% - 50% เมอเทยบกบกรณทระบบไมมการควบคมตามรอยก าลงสงสด

2007 Wai, R.-J., Lin, C.Y. and Chang, Y.R.

น าเสนอขนตอนวธการตามรอยก าลงสงสดส าหรบระบบกงหนลมผลตไฟฟา รวมถงพลงงานสงสดของการผดพรองในการขบของกลไก และการควบคมตามรอยก าลงสงสดในความเรวทแตกตางกน ระบบแปลงพลงงานลมทใชประกอบดวย เครองก าเนดไฟฟาซงโครนสแบบแมเหลกถาวร วงจรเรยงกระแส วงจรกรอง วงจรอนเวอรเตอร ซงมการควบคมดวยสญญาณดจตอล และเชอมตอกรด ส าหรบในสวนของกงหนลมทขบเครองก าเนดไฟฟาอาศยเครองจ าลองกงหนลมในการทดสอบ

2007 Weiwei Li, Dianguo Xu, Wei Zhang and Hongfei Ma

น าเสนอเครองจ าลองกงหนลมโดยอาศยมอเตอรไฟฟากระแสตรงแบบแยกกระตน เพ อออกแบบและด าเนนการพจารณาตามความเรวทแตกตางกน จากการพฒนาและการทดสอบของระบบการควบคมพลงงานในระบบกงหนลมผลตไฟฟา เครองจ าลองกงหนลมสามารถจ าลองลกษณะของกงหนลมไดอยางถกตอง ซงไดรายงานหลกการวเคราะหทางทฤษฏลม การสรางแบบจ าลองกงหนลมและผลการทดลองของเครองจ าลองกงหนลม

7

ตารางท 2.1 ผลงานวจยทเกยวของกบการควบคมตามรอยก าลงสงสด

ส าหรบกงหนลมผลตไฟฟา(ตอ) ปท

ตพมพ (ค.ศ.)

คณะผวจย สาระส าคญของงานวจย

2007 Li, H. and Chen, Z. น าเสนอการเปรยบเทยบระบบกงหนลมผลตไฟฟาทแตกตางกน ซงอธบายเกยวกบการจ าแนกกงหนลมตามคณสมบต การควบคม ชนดของการขบ ขอดและขอเสย รวมถงแนวโนมการพฒนาระบบก าเนดไฟฟาพลงงานลมในอนาคต

2008 Raza Kazmi, S.M., Goto, H., Hai-Jiao Guo,and Ichinokura, O.

น าเสนอวธการแกไขปญหาส าหรบวธการคนหาแบบไตเขา ของขนตอนวธตามรอยก าลงสงสดในระบบแปลงผนพลงงานลม ซงมระบบควบคมตามรอยก าลงสงสด โดยขนตอนวธจะมการปรบตวอยตลอดเวลาอยางชาญฉลาดเพอรบประกนวาขนตอนวธมประสทธภาพและมความรวดเรวในการตามรอยก าลงสงสด

2008 Munteanu, I., Bacha, S., Bratcu, A.I., Guiraud, J., and Roye, D.

อธบายถงวธการเพมประสทธภาพความนาเชอถอและพลงงานทเหมาะสมของระบบแปลงพลงงานลม ซงสามารถท าไดโดยอาศยวธการควบคมแบบโหมดเลอน (Sliding Mode Control) โดยวธารทน าเสนอมจดมงหมายทการออกแบบสดสวนพลงงานของการเพมการสกดพลงงานจากลม

2009 Thongam, J.S., Bouchard, P., Ezzaidi, H. And Ouhrouche, M.

น าเสนอระบบการควบคมตามรอยก าลงสงสด โดยใชวธเครอขายประสาทเทยม และฝกสอนดวยวธแพรกระจายยอนกลบ โดยอนพตของเครอขาย คอ คาก าลงไฟฟาเอาตพตแบบทนเวลา คาความเรวโรเตอร ความเรวลม และเอาตพตของเครอขาย คอ สญญาณความเรวโรเตอรส าหรบระบบแปลงพลงงานลม ซงเปนค าสงความเรวทเหมาะสมในการแปลงพลงงานลมเพอใหเกดก าลงสงสด

8

ตารางท 2.1 ผลงานวจยทเกยวของกบการควบคมตามรอยก าลงสงสด

ส าหรบกงหนลมผลตไฟฟา(ตอ) ปท

ตพมพ (ค.ศ.)

คณะผวจย สาระส าคญของงานวจย

2013 Zakariya M. Dalala, Zaka Ullah Zahid, Wensong Yu, Younghoon Cho, Jih-Sheng (Jason) Lai

น าเสนอขนตอนวธการตดตามจดก าลงสงสดส าหรบระบบแปลงพลงงานลมขนาดเลก การเปลยนแปลงความเรวตรวจสอบแบบทางออมดวยความชนของแรงดนไฟฟา วธทน าเสนอม 2 โหมดการท างาน ด าเนนการภายใตวธ P&O โหมดทมการปรบตวในสภาวะความเรวผนผวนและโหมดคาดเดาภายใตสภาวะความเรวลมมการเปลยนแปลงอยางรวดเรว ขนตอนวธทน าเสนอแสดงใหเหนถงเสถยรภาพและเพมความสามารถในการตดตามอยางรวดเรว และมการยนยนดวยชดทดสอบตนแบบ 1.5 kW

2015 Xiu-xing Yin, Yong-gang Lin, Wei Li, Ya-jing Gu, Peng-fei Lei and Hong-wei Liu

น าเสนอกลยทธการควบคมโหมดเลอนแรงดนไฟฟาส าหรบสกดก าลงไฟฟาจากพลงงานลม ซงประกอบดวยตวควบคมแบบฟซซและตวควบคมโหลดเลอนแรงดนไฟฟา ตวควบคมฟซซถกออกแบบมาเพอควบคมใหแรงดนไฟฟาเหมาะสมและตวควบคมโหมดเลอนแรงดนไฟฟาจะท าหนาทจดการความผดผลาดในสภาวะคงตว ดวยเหตนจงสามารถสกดพลงงานสงสดจากลมได

2015 Yacine Daili, Jean-Paul Gaubert and Lazhar Rahmani

น าเสนอการปรบปรงการควบคมตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O ส าหรบระบบแปลงผนพลงงานลมขนาดเลก โดยด าเนนการควบคมดวยโหมดแบบปรกตกบโหมดคาดเดาในสภาวะความเรวลมมการเป ลยนแปลงอยางรวดเรว ขนตอนวธทน าเสนอไมตองอาศยพารามเตอรของระบบและตวตรวจวดทางกล ซงผลทดสอบยนยนวาข นตอนวธ ทน าเสนอมประสทธภาพทดของผลตอบสนองแบบไดนามกเมอเทยบกบวธ P&O แบบดงเดม

9

จากการปรทศนวรรณกรรมและงานวจยทเกยวของ พบวาการควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระมหลายวธดวยกนสามารถแบงไดโดยอาศยขอมลคณลกษณะของกงหนลมและวธทไมพ งพาขอมลดงกลาว และแบบผสมผสานท 2 แบบเขาดวยกน โดยในโครงการวจยนจะน าเสนอการตามรอยก าลงสงสดดวยวธการรบกวนและสงเกต ซงเปนวธทมความซบซอนนอยและไมจ าเปนตองอาศยขอมลของกงหนลม มหลกการควบคมภายใตกลไกการคนหาแบบวนรอบหาต าแหนงการท างานทเหมาะสมของกงหนลม

2.3 สรป ปรทศนวรรณกรรมและงานวจยทเกยวของทน ามาเสนอในบทท 2 นเปนผลงานวจยทเกยวของกบการควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระ ซงผวจยจะเลอกใชวธการรบกวนและการสงเกต โดยงานวจยในอดตทน าเสนอในบทนถอเปนพนฐานทส าคญอยางยงตอผวจยส าหรบการด าเนนโครงการวจยและพฒนาระบบควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระ

บทท 3 ทฤษฏพนฐาน

3.1 บทน า ระบบกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระทมการควบคมตามรอบก าลงสงสดประกอบดวย กงหนลมทเชอมตอโดยตรงกบเครองก าเนดไฟฟาแบบแมเหลกถาวร วงจรแปลงผนก าลงไฟฟาโหลดของระบบ และเนองจากเปนระบบแบบอสระจงมแบบเตอรเปนแหลงจายพลงงานส ารอง ดงนนในบทนจะกลาวถงระบบแปลงผนพลงงานลม หลกการท างานและแบบจ าลองของกงหนลมทอธบายถงคณลกษณะของกงหนลม ระบบควบคมกงหนลมผลตไฟฟา วงจรแปลงผนแบบบคก รวมถงแบตเตอร เพอใหเกดความเขาใจเกยงกบการท างานในสวนตางๆ ของระบบ

3.2 ระบบแปลงผนพลงงานลม โครงสรางระบบแปลงผนพลงงานลมโดยทวไปแสดงดงรปท 3.1 ซงประกอบดวยกงหนลมทท าหนาทดกจบพลงงานลม (Pw) และเปลยนใหเปนพลงงานทางกลทเพลาของกงหนลม (Pm) พลงงานทางกลดงกลาวนจะถกเปลยนเปนพลงงานทางไฟฟาดวยเครองก าเนดไฟฟา (Pg) ทเชอมตอกบวงจรแปลงผนก าลง ซงท าหนาทในการเปลยนไฟฟากระแสสลบทไดจากเครองก าเนดไฟฟาเปนไฟฟากระแสตรง (Pdc) กอนน าไปจายใหแกโหลดของระบบ หรอน าไปประจลงแบตเตอร

Generator

Resistive

Load

รปท 3.1 ระบบแปลงผนพลงงานลม

11

3.3 หลกการท างานของกงหนลม หลกการท างานของกงหนลม เรมจากพลงงานลม พลงงานลม (EWind) เปนพลงงานจลนซงเกดจากการเคลอนทของมวลอากาศ ดงนน อากาศทมมวล m เมอเคลอนทดวยความเรว ( wv ) จะท าใหเกดพลงงานจลนดงสมการท (3-1)

2

2

1wWind mvE (3-1)

ถาลมเคลอนทผานพนทหนาตดใด ๆ (A) จะสามารถเขยนอตราการไหลของอากาศเชงมวลตอเวลาไดดงน wAvm (3-2) แทนสมการท (3-2) ลงในสมการท (3-1) จะไดสมการของพลงงานจลนตอหนวยเวลา ซงกคอสมการของก าลงงานลม ดงตอไปน

3

2

1wWind AvP (3-3)

โดยท คอ ความหนาแนนของอากาศ จากรปท 3.2 พลงงานทสกดไดจากปรมาตรของอากาศ aV ซงมพนทหนาตด 1A และมความเรวลม

1v เมอเคลอนทผานกงหนลมท าใหความเรวลมถกเปลยนเปน 3v ซงเหนไดวาขนาดพนทหนาตด 3A ถกขยายขนเมอ aV เคลอนทผานกงหน ซงสามารถเขยนสมการพลงงานทกงหนลมสามารถสกดไดดงน

2 2

1 3( )2

W aW V v v

(3-4)

จะไดสมการของพลงงานทกงหนลมสามารถสกดตอหนวยเวลา ดงน

12

dt

vvV

ddt

dWP

aW

W

)(2

2

3

2

1

(3-5)

รปท 3.2 ปรมาตรการไหลของอากาศทไหลผานกงหนลม ปรมาตรการไหลของอากาศในพนทหนาตดของกงหนลม )( 2 turbineAA

2vAdt

dVturbine

a (3-6)

ฉะนนจะได

2

2

3

2

1 )(2

vvvAP turbineW (3-7)

ปรมาตรก าลงงานทกงหนลมสามารถสกดได ขนอยกบขนาดพนทหนาตดของกงหนลม ( turbineA ) ความเรวลม และลกษณะของใบของกงหนลม ตามทฤษฎของเบนซ (Betz) ก าลงงานสงสดทกงหนลมสามารถสกดไดคอ

3

1

max

227

16vAP turbineW

(3-8)

โดยมความสมพนธกบความเรวลม

13

123

2vv และ 13

3

1vv (3-9)

ถาเปรยบเทยบก าลงงานกงหนลม(PW)กบก าลงงานลม(Pwind) ท เกด ขนจากการไหลของอากาศอตราสวนระหวางพลงงานลมและพลงงานทกงหนลมสามารถสกดไดจากการแปลงพลงงานลมทมอยในอากาศทไหลผานพนทเดยวกน จะเรยกวา “สมประสทธก าลง CP” ซงเปนตวบงชถงสดสวนของก าลงงานทกงหนลมสามารถน าไปใชประโยชนได โดยทคาคณลกษณะของ CP เปนคณสมบตเฉพาะของใบพด ซงคาสมประสทธสงสดทสามารถสกดไดคอ

Wind

WP

P

PC

max

(3-10)

ดงนนคา 593.027

16PC

ส าหรบคาสมประสทธก าลง CP ไดรบการพสจนโดย A. Betz และอาจเรยกวา คาตวประกอบเบนซ หรอ ขดจ ากดเบนซ โดยคาดงกลาวนจะเปนคาสมประสทธก าลงสงสดตามทฤษฎของเบนซ จงท าใหประสทธภาพสงสดตามทฤษฎแปลงผนพลงงานลมทสามารถท าไดคอ 59.3 % ซงเปนคาสมประสทธ

PC ในอดมคต ส าหรบการแปลงพลงงานลม อยางไรกตามในทางปฏบต กงหนลมจรงมกจะมคา

PC นอยกวา คาตวประกอบเบนซอยางมนย แมแตกงหนลมททนสมยแลวกตาม เนองจากปจจยหลายอยาง เชน การสญเสยทเกดตามหลกอากาศพลศาสตร ทขนอยกบการออกใบพดและโครงสราง (จ านวนของใบพด น าหนก ความแขงแรง ฯลฯ) ซงจะสงผลท าใหคา PC และประสทธภาพของระบบกงหนลมแตกตางกนไป คาสมประสทธ

PC เปนฟงกชนของอตราสวนความเรวรอบตอความเรวลม ( Tip speed ratio : TSR) และมมขวางใบพด (Pitch angle) สามารถอธบาย ไดตามสมการท (3-11)

wv

R (3-11)

เมอ คอ ความเรวรอบเชงมมโรเตอร R คอ รศมใบพดในหนวยเมตร และ wv คอ ความเรวลม ดงนน ก าลงงานทกงหนลมสามารถสกดไดจรงจะแปรผนตามคาสมประสทธ PC สมการพลงงานทกงหนลมสามารถค านวณไดดงน

14

3

2),( wPm AvCP

(3-12)

เมอ A คอ พนทปดกวาดกงหนลม wv คอ ความเรวลม ),( PC คอ คาสมประสทธก าลง คอ คาความหนาแนนของอากาศ mP คอ ก าลงงานทกงหนลม สมการทวไปทใชเปนแบบจ าลองของ ),( PC ซงเปนคณสมบตเฉพาะของใบพด คอ

6432

1

5

)(),( ceccc

cC i

c

i

P

(3-13)

เมอ 1

035.0

08.0

113

i

และ wv

R

คาสมประสทธ c1 ถง c6 คอ c1 = 0.5176, c2 = 116, c3 = 0.4, c4 = 5, c5 = 21 และ c6 = 0.0068. ค ณ ลก ษณ ะ PC ท แ ต ก ต างกน ข อ ง ม ม แ ส ด งได ด ง รป ท 3.3 ค า ส ง ส ด ข อ ง

)48.0( max, Pp CC คอ ความสามารถสงสดทท าไดส าหรบ 0 และ 1.8 เมอ คอ ความเรวเชงมมของเครองก าเนดไฟฟา และสามารถค านวณแรงบดได ดงน

/),(2

1 3CAvT wm (3-14)

15

รปท 3.3 กราฟคณลกษณะคาสมประสทธ PC

3.4 ระบบควบคมกงหนลมผลตไฟฟา ระบบควบคมกงหนลมสามารถแบงตามลกษณะการน าไปใชงานได 2 แบบ คอ กงหนลม

ผลตไฟฟาแบบเชอมตอกรด ( Grid connection) ระบบนจะน าพลงงานทไดจากการผลตไฟฟาดวยกงหนลมจายเขาสกรด ซงระบบแบบนจะมการบ ารงรกษานอยแตกมขอแมวา ระบบนจะใชไดเฉพาะพนททไฟฟาเขาถงเทานน ส าหรบแบบท 2 คอ กงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระ (Stand alone) ระบบนจะน าพลงงานทไดจากกงหนลมไปประจแบตเตอร จากนนกน าไปใชงานผานอนเวอรเตอร ระบบในลกษณะนเหมาะแกการน าไปใชงานในพนททไฟฟาเขาไมถง ซงเปนระบบทจะใชในโครงงานวจยน โดยทวไปแลวระบบควบคมกงหนลมผลตไฟฟาทมขายอยในปจจบนจะประกอบดวย เครองก าเนดไฟฟากระแสสลบ 3 เฟส ตออยกบวงจรเรยงกระแสสามเฟส เพอแปลงแรงดนไฟฟากระแสสลบเปนแรงดนไฟฟากระแสตรงและตอกบอนเวอรเตอร ซงท าหนาทแปลงผนพลงงานไฟฟากระแสตรงเปนไฟฟากระแสสลบเพอท าการเชอมตอกบระบบไฟฟา (Grid connection) และท าการปอนพลงงานไฟฟาทผลตฟาจากพลงงานลมเขาสระบบจ าหนายก าลงไฟฟา ซงเปนระบบแบบเชอมตอกรด ในบางกรณกอาจมการน าแรงดนไฟฟากระแสตรงจากวงจรเรยงกระแสมาท าการชารจแบตเตอรและอาจจะมการตอไปใชงานโดยตรงกบอปกรณไฟฟากระแสตรงหรออาจตอกบอนเวอรเตอรเพอแปลงผนพลงงานจากไฟฟากระแสตรงเปนกระแสสลบ ซงระบบทขายอยสวนใหญ จะยงไมมระบบควบคมตามรอยก าลงสงสด ดงนน ในโครงงานวจยนจะท าการศกษาและวจยระบบควบคมการท างานของกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระ ทมระบบควบคมตามรอยก าลงสงสด

16

เพอสกดพลงงานจากลมใหไดมากทสดโดยไม เสยไปแบบสญเปลา และเพอใหระบบมประสทธภาพมากทสด ระบบควบคมการท างานของกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระแสดงดงรปท 3.4 ซงสวนท 1 ของรปคอ กงหนลมตออยกบเครองก าเนดไฟฟาซงโครนส 3 เฟส แบบแมเหลกถาวร เนองจากขอไดเปรยบทมมากกวาเครองจกรกลชนดอน ๆ เชน สามารถขบเคลอนไดโดยตรงไมจ าเปนตองใชกลองเกยร ไมจ าเปนตองมแหลงจายภายนอกเพมเตมเพอสรางฟลกซแมเหลกหมนส าหรบการกระตน การบ ารงรกษาต า สามารถท างานไดทความเรวรอบต า มประสทธภาพสง และเชอมตออยกบระบบควบคมกงหนลม (Wind turbine controller) ซงเปนสวนท 2 คอ วงจรอเลกทรอนกสก าลงและระบบควบคมตามรอยก าลงสงสด และถายโอนพลงงานสสวนท 3 ซงประกอบดวย แบตเตอรส าหรบเปนแหลงจายพลงงานส ารอง วงจรอนเวอรเตอร 1เฟส หมอแปลงไฟฟา และโหลดของระบบ

Power

Converter

MPPT

PMSG

Inverter

230 V

50 Hz

TransformerElectric

Loads

วน 1 วน 2 วน 3

AC/DC

Battery

รปท 3.4 กงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระทมระบบตามรอยก าลงสงสด

ส าหรบการทดสอบและพฒนาระบบควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระแสดงในรปท 3.4 จะอาศยเครองจ าลองกงหนลมแทนกงหนลมจรง เนองจากสามารถด าเนนการทดสอบระบบควบคมไดสะดวก ประหยดเวลาและคาใชจาย เนองจากการทดสอบกบกงหนลมจรงนนมความยงยาก ไมสามารถก าหนดความเรวจากธรรมชาตได ท าใหไมสะดวกตอการทดสอบ ส าหรบแบตเตอร วงจรอนเวอรเตอร 1 เฟส และโหลดในสวนท 3 ของรปท 3.4 จะพจารณาเปนสวนเดยวกน คอ โหลดก าลงไฟฟา(Power load) ดงนน สามารถแทนระบบทพจารณาไดดงรปท 3.5

17

Power

ConverterPMSG Power

Load

DC

Motor

Chopper

Converter

Wind Turbine

Model

Current

Controlk

MPPT

รปท 3.5 โครงสรางส าหรบการทดสอบระบบควบคมตามรอยก าลงสงสด

3.5 วงจรแปลงผนแบบบคก วงจรแปลงผนกาลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงทใชในโครงการวจยจะเลอกใชวงจร

แปลงผนแบบบคกเนองจากแรงดนไฟฟาจากกงหนลมผลตไฟฟามคาแรงดนมากกวาแรงดนของแบตเตอรซงวงจรแปลงผนแบบบคกสามารถลดทอนระดบแรงดนไฟฟาทางดานเอาตพตใหมคาต ากวาหรอมคาเทากบแรงดนไฟฟาทางดานอนพต โดยโครงสรางของวงจรแปลงผนแบบบคกประกอบดวยสวตช ซงในโครงการวจยนเลอกใชมอสเฟต (Mosfet) ไดโอดตวเหนยวน าและตวเกบประจ วงจรแปลงผนแบบบคกแสดงไดดงรปท 3.6

Vin

iL

L

RC Vo

+

-

+

-

รปท 3.6 วงจรแปลงผนแบบบคก

จากวงจรในรปท 3.6 สามารถค านวณคาแรงดนไฟฟากระแสตรงทางดานเอาตพตของวงจรแปลงผนแบบบคก Vout ไดจากสมการท (3-15)

inout dVV (3-15) โดยท inV คอ แรงดนอนพตของวงจรแปลงผนแบบบคก

d คอ คาวฎจกรหนาท (duty cycle) ของวงจรแปลงผนแบบบคก

18

โครงการวจยนจะน าวงจรแปลงผนแบบบคกไปควบคมการท างาน โดยอาศยการเปลยนแปลงคาวฎจกรหนาท เพอใหจดท างานของกงหนลมผลตไฟฟาใหลเขาสต าแหนงทเหมาะสม ซงจะท าใหไดก าลงไฟฟาสงสด ตามสภาพความเรวลมตาง ๆ

3.6 แบตเตอร แบตเตอร (Battery) เปนอปกรณทท าหนาทจดเกบพลงงาน และจายพลงงานใหกบโหลดในกรณทไมมพลงงานจากกงหนลม แบตเตอรเปนอปกรณทสามารถแปลงพลงงานเคมใหเปนไฟฟาไดโดยตรงดวยการใชเซลลกลวานก (galvanic cell) ทประกอบดวยขวบวกและขวลบพรอมกบสารละลายอเลกโตรไลต (electrolyte solution) แบตเตอรอาจประกอบดวยเซลลกลวานกเพยง 1 เซลล หรอมากกวากได แบตเตอรเปนอปกรณสาหรบจดเกบไฟฟาเทานน ไมไดผลตไฟฟาสามารถประจไฟฟาเขาไปใหม (recharge) ไดหลายครงและประสทธภาพจะไมเตม 100% จะอยทประมาณ 80% เพราะมการสญเสยพลงงานบางสวนไปในรปความรอนและปฏกรยาเคมจากการประจและการจายประจ แบตเตอรจดเปนอปกรณทมราคาแพง และเสยหายไดงาย หากดแลรกษาไมดเพยงพอ หรอใชงานผดวธ อายการใชงานของแบตเตอรแตละชนดจะแตกตางกนไป เนองดวยวธการใช การบ ารงรกษา การประจ และอณหภม เปนตน แบตเตอรทเหมาะส าหรบใชงานกบระบบกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระมากทสดคอ แบตเตอรแบบจายประจสง (Deep discharge battery) เพราะถกออกแบบใหสามารถจายพลงงานปรมาณมากหรอนอยไดอยางตอเนองเปนเวลานานๆ โดยไมเกดความเสยหาย และสามารถใชไฟฟาทเกบอยในแบตเตอรไดอยางตอเนองถง 80% โดยแบตเตอรไมไดรบความเสยหาย ซงตางจากแบตเตอรรถยนตทถกออกแบบใหจายพลงงานสงในชวงเวลาส นๆ ถาใชไฟฟามากกวา 20-30% ของพลงงานทเกบอยจะท าใหอายการใชงานสนลงได ความจของแบตเตอรในการประจพลงงานมหนวยเปน แอมแปร-ชวโมง (Ampere-Hour หรอ Ah) พลงงานในแบตเตอร 12 V 100 Ah เทากบ 12V x 100Ah ถาแบตเตอร 100 Ah เทากบวาแบตเตอรจะสามารถจายกระแส 1 แอมแปรอยางตอเนองเปนเวลา 100 ชวโมง หรอ แบตเตอรจายกระแส 10 แอมแปรอยางตอเนองเปนเวลา 10 ชวโมง หรอ ถาแบตเตอรจายกระแส 5 แอมแปรอยางตอเนองเปนเวลา 20 ชวโมง ซงทงหมดนจาย กระแสเทากบ 100 Ah เปนตน จะเหนไดวา แบตเตอรทมความจเทากนอาจมความเรวในการจายกระแสตางกนได ดงน น การจะทราบความจของแบตเตอรตองทราบถงอตราการจายกระแส ซงมกจะก าหนดเปนจ านวนชวโมงของการจายกระแสเตมท การก าหนดขนาดของแบตเตอรส าหรบระบบกงหนลมผลตไฟฟานน ขนอยกบความจของ

19

แบตเตอรในการจดเกบพลงงาน อตราการจายประจสงสด อตราการประจสงสด และอณหภมต าสดทจะน าแบตเตอรไปใชงาน การออกแบบแบตเตอรสามารถค านวณ ขนาดกระแสตอชวโมง (Ah) ของแบตเตอรไดจากสมการท (3-16)

dBatteryloaDODVbattery

DemandloadAh

(3-16)

โดยท Demandload คอ ความตองการในการใชโหลดตอชวโมง (Wh )

DOD คอ Deep of discharge หรอ คาความลกของการคายประจโดยแบตเตอรแตละ ยหอมคาไมเทากน อยระหวาง 45%-60%

Batteryloss คอ คาสญเสยในแบตเตอร โดยปกตแลวแบตเตอรจะท างานดวยเซฟต แฟกเตอร (Safety Factor) ทมไวเพอปองกนการชารจมากเกนพกด (over

charge) และการคายประจมากเกนไป (over discharge) โดยในโครงการวจยจะเลอกใชแบตเตอร ขนาด 12V หากจายโหลดทเปนอปกรณ

อเลกทรอนกส 40 วตตตอชวโมง คาความลกของการคายประจ 60% และคาสญเสยในแบตเตอร 85% ดงนนสามารถค านวณหาขนาดแบตเตอรไดดงน

85.06.012

40

V

WAh (3-17)

ค านวณหาขนาดแบตเตอร 6.536 Ah ดงนน ควรเลอกแบตเตอรทมขนาดมากกวา 6.536 Ah

โดยโครงการวจยนจะเลอกใชแบตเตอรขนาด 12V 7Ah

3.7 สรป เนอหาในบทนเปนการน าเสนอเกยวกบทฤษฏพนฐานของระบบแปลงผนพลงงานลม การท าความเขาใจในเรองดงกลาวถอเปนสงส าคญตอการหาแนวทางการควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบระบบกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระ และเนอหาภายในบทนยงไดกลาวถงรายละเอยดของ ระบบควบคมกงหนลมผลตไฟฟา วงจรแปลงผนแบบบคก และแบตเตอรทเปนสวนประกอบทใชในการสรางระบบควบคมตามรอยก าลงสงสดดวยวธการรบกวนและการสงเกต ซงจะน าเสนอตอไปในบทท 4

บทท 4 การตามรอยก าลงสงสดดวยวธการรบกวนและการสงเกต

4.1 บทน า ระบบควบคมตามรอยก าลงสงสดทน าเสนอในบทน คอ วธการรบกวนและการสงเกต (Perturbation and Observation: P&O) โดยในโครงงานวจยนเรยกวา P&O ซงจะน ามาประยกตใชกบระบบกงหนลมผลตไฟฟาเพอหาจดการท างานทเหมาะสมทท าจะไดก าลงสงสดสอดคลองตามความเรวลม เนอหาในบทนจะอธบายถงหลกการท างานของวธ P&O การจ าลองสถานการณบนคอมพวเตอร ผลการจ าลองสถานการณระบบทมการควบคมตามรอยก าลงสงสด รวมไปถงการสรางชดทดสอบของวธ P&O และการเขยนโปรแกรมตามรอยก าลงสงสดดวยไมโครคอนโทรเลอรตระกล AVR พรอมผลการทดสอบชดทดสอบทสรางขน

4.2 ระบบทพจารณา รายละเอยดของกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระทมการควบคมตามรอยก าลงสงสด แสดงดงรปท 4.1 ซงประกอบดวยกงหนลมแนวนอนเชอมตอโดยตรงกบเครองก าเนดไฟฟาแบบแมเหลกถาวรวงจรเรยงกระแสสามเฟสน ามาใชแปลงไฟฟากระแสสลบทไดจากเครองก าเนดไฟฟาเปนไฟฟากระแสตรง (dc-link) ซงเปนอนพตของวงจรแปลงผนแบบบคก ทน ามาประยกตใชในการควบคมการท างานของระบบเพอหาจดทไดก าลงสงสดของกงหนลม โดยเอาตพตของวงจรจะน าไปประจแบตเตอรและจายใหแกโหลดของระบบ (RL) ซงใชแทนอนเวอรเตอรทใชส าหรบจายโหลดไฟฟากระแสสลบ

C

PMSG

Cdc

idc

L

d

RL

Vdc

Pm Pdc

MPPT

P&O Algorithm

w

S1

PWM

Battery

รปท 4.1 ระบบกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระทมการควบคมตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O

21

การควบคมตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O เปนวธทเรยบงายและมความยดหยนสง อกทงไมจ าเปนตองทราบขอมลเกยวกบพารามเตอรหรอคณลกษณะของกงหนลม วธการนเปนวธทางคณตศาสตรทใชส าหรบการคนหาคาทเหมาะสมส าหรบฟงกชนทพจารณาดวยการวนรอบเปลยนแปลงค าตอบและตรวจสอบผลลพธในทกรอบของการค านวณ การด าเนนการดงกลาวสามารถท าใหค าตอบมการลเขาคาทเหมาะสมตามเงอนไขทก าหนดได

Ele

ctri

cal

Pow

er(

W)

Duty cycle

MPP

D D

D P

Dopt

Pmax

รปท 4.2 การควบคมลเขาจดทไดก าลงไฟฟาสงสด หลกการควบคมดวยวธ P&O ส าหรบระบบกงหนลมผลตไฟฟาในรปท 4.1 สามารถท าไดโดยการปรบตงคาวฎจกรหนาทของวงจรแปลงผนแบบบคก อนเนองมาจากความสมพนธระหวางก าลงไฟฟา (Pdc) เทยบกบคาวฎจกรหนาท (Duty cycle: D) มความสอดคลองกนกบความสมพนธพลงงานเอาตพตทางกล (Pm) เทยบกบความเรวเชงมม (w ) ตามคณลกษณะของกงหนลมดงทไดอธบายไวแลวในบทท 3 การใชความสมพนธ Pdc เทยบกบ D มขอไดเปรยบทไมตองใชตวตรวจวดความเรวรอบ ท าใหลดความยงยากในการตดตงและคาใชจายในสวนนลงได การตามรอยก าลงไฟฟาสงสดในโครงงานวจยนอาศยวธ P&O ซงเปนกลยทธในการคนหาคาทเหมาะสมโดยมหลกการควบคม กลาวคอ หากจดปฏบตการของระบบอยทดานซายของจดทมก าลงสงสด (maximum power point: MPP) ระบบควบคมจะบงคบใหจดปฏบตการเคลอนทไปทางดานขวา เพอใหเขาสต าแหนงทมก าลงสงสดหรอบรเวณทมความชนเปนศนย ในท านองเดยวกน หากจดปฏบตการของระบบอยทดานขวาของจดทมก าลงสงสด (MPP) ระบบควบคมจะบงคบใหจดปฏบตการเคลอนทไปทางดานซาย การควบคมด าเนนการในลกษณะของการวนรอบ

22

การคนหา ซงแตละรอบจ าท าการปรบเพมและลดสญญาณควบคมดวยคาคงท DD ดงรปท 4.2 แสดงการลเขาสจด MPP จากทางดานขวาของจด MPP ซงมแผนภาพไดอะแกรมการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O แสดงดงรปท 4.3

Start

No

Yes

D

Dref(k) = D0 + D(k-1) + DD

Pdc(k) = Pdc(k) - Pdc(k-1)

Yes

No

Measurement

Vdc(k) , Idc(k)

Idc(k) > 0

D0 = 0 D0 = 0.1

Calculate

D(k) = D(k-1) - D(k-2) D

Pdc(k) = Vdc(k) Idc(k)

PdcD (k) < e

No

> 0DD(k)PdcD (k)

Dref(k) = D0 + D(k-1) - DD

Yes

Update

Pdc(k-1) = Pdc(k)

D(k-2) = D(k-1)

D(k-1) = D(k)

รปท 4.3 แผนภาพไดอะแกรมการตามรอยก าลงสงสด

23

การตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O แสดงแผนภาพไดอะแกรมดงรปท 4.3 โดยเรมจากการวดคาแรงดนและกระแสไฟฟาแลวท าการตรวจตรวจสอบเงอนไขหากไมมกระแส Idc ไหลใหก าหนดคาวฏจกรตงตน ( 1.00 D ) แตหากพบวามกระแสไหลใหก าหนดคาวฏจกรหนาทตงตนเปนศนย ล าดบถดมาเปนการค านวณก าลงไฟฟา คาอตราการเปลยนแปลงของก าลงไฟฟา ( PD ) และคาวฏจกรหนาท ( DD ) โดยใชคาเวลาในปจจบนลบคาในอดต จากนนตรวจสอบเงอนไขคาผดพลาด ซงพจารณาดวยคา ( PD )เพราะระบบควบคมบงคบใหกงหนลมท างานทจดทไดคาก าลงไฟฟาสงสดแลวคา ( PD ) จะมคานอยมาก จงใหหยดการเปลยนแปลงของวฏจกรหนาทตามเงอนไข eDP และท าการอพเดตคา )1( kPdc )2( kD และ )1( kD เพอใชในการค านวณ

รอบถดไป ในทางกลบกนหาก eDP อลกอรทมจะท าการตรวจสอบเงอนไข 0D

D

D

P หากเปน

จรง อลกอรทมจะท าการปรบตงคาวฏจกรหนาท DkDDkDref D )1()( 0 หาก 0

D

D

D

P

อลกอรทมจะท าการปรบคาวฏจกรหนาทเปน DkDDkDref D )1()( 0 จากนนจงอพเดต

คา )1( kPdc )2( kD และ )1( kD แลวจงกลบไปเรมตนท างานใหมอกครง โดยในการจ าลองสถานการณดวยคอมพวเตอร ก าหนดให 10e และ 05.0DD แตส าหรบชดทดสอบจรงการก าหนดคาดงกลาวจะไดจากการทดสอบชดทดลองจรง

4.3 การจ าลองสถานการณ ส าหรบการยนยนหลกการควบคมตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O ทไดน าเสนอในโครงงานวจยนวาสามารถดงก าลงสงสดจากการผลตไฟฟาดวยกงหนลมได ดงนนในหวขอนจงน าเสนอ การจ าลองสถานการณของระบบในรปท 4.1 โดยมพารามเตอรในสวนตางๆของระบบตามตารางท 4.1 การจ าลองสถานการณอาศยโปรแกรม MATLAB ซงแสดงดงรปท 4.4 และโปรแกรมส าหรบการตามรอยจดก าลงสงสดดวยวธ P&O จากโปรแกรมส าเรจรป SIMULINK ใน MATLAB แสดงในภาคผนวก ก. ตารางท 4.1 พารามเตอรของการจ าลองสถานการณกงหนลมผลตไฟฟา ทมการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O

พารามเตอรกงหนลม รายละเอยด R 1.74 m 1.255 kg/m3

24

ตารางท 4.1 พารามเตอรของการจ าลองสถานการณกงหนลมผลตไฟฟา ทมการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O (ตอ)

พารามเตอรเครองก าเนดไฟฟา รายละเอยด Power rate 1000 W Speed rate 500 rpm

number pole pairs 6 Rs 0.57 Ω

Ld = Lq 5.5 mH J 0.016 kg.m2

พารามเตอรวงจรแปลงผนแบบบคก รายละเอยด Ldc 15 mH Cdc 1000 µF Co 500 µF

Battery 24 V

รปท 4.4 การจ าลองสถานการณระบบตามรอยก าลงสงสดของกงหนลมผลตไฟฟา โดยใชวธ P&O ดวยโปรแกรมส าเรจรป SIMULINK ใน MATLAB

25

3 m/s

4 m/s

5 m/s

6 m/s

7 m/s

8 m/s

รปท 4.5 คณลกษณะของก าลงไฟฟาและความเรวรอบของกงหนลมผลตไฟฟา การจ าลองสถานการณทดสอบระบบกงหนลมผลตไฟฟาในรปท 4.4 สามารถกระท าไดโดยการก าหนดใหความเรวลมมคาคงทและปรบเปลยนคาวฏจกรหนาทของวงจรแปลงผนแบบบคกจาก 0% ถง 100% แลวตรวจจบคาก าลงไฟฟาและความเรวรอบของกงหนลม จากนนน าขอมลทไดมาสรางกราฟคณลกษณะของกงหนลมไดดงรปท 4.5 ซงจะท าใหทราบถงจดทไดก าลงไฟฟาสงสดในสภาวะความเรวลมตาง ๆ เพอใชเปนขอมลยนยนไดในการทดสอบระบบควบคมตามรอยก าลงสงสดของกงหนลม การจ าลองถานการณการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O ก าหนดใหสภาพความเรวลมมการเปลยนแปลงจาก 0 m/s เปน 4 m/s ในเวลาท t = 1 วนาท และทเวลา t = 2 วนาท ความเรวลมเปลยนจาก 4 m/s เปน 5 m/s และเพมขนเปน 6, 7 และ 8 m/s ตามล าดบ ดงรปท 4.6(ก) กราฟผลตอบสนองของก าลงไฟฟาและความเรวรอบเชงมมของกงหนลมผลตไฟฟาแสดงดงรปท 4.6(ข) และ 4.6(ค) ซงพบวา ก าลงไฟฟามคาเพมมากขนตามความเรวลม เพอตรวจสอบการตวบคมตามรอยก าลงสงสดจงด าเนนการตรวจจบคาก าลงไฟฟาและความเรวรอบของกงหนขณะทความเรวลมมการเปลยนแปลงแสดงดงรปท 4.7 ซงเปนทางเดนของการตามรอยก าลงสงสดเทยบกบกราฟคณลกษณะของกงหนลม โดยจะพบวา ทางเดนของก าลงไฟฟาพยายามลเขาสจดสงสดของก าลงไฟฟาในสภาวะความเรวลมตาง ๆ ซงยนยนไดวาระบบสามารถตามรอยก าลงสงสดได

26

( )

( )

( )

รปท 4.6 ผลการจ าลองสถานการณเมอความเรวลมมการเปลยนแปลง

4 m/s

5 m/s

6 m/s

7 m/s

8 m/s

รปท 4.7 เสนทางการตามรอยก าลงสงสด

4.4 การสรางชดทดสอบตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O จากการจ าลองสถานการณตามรอยจดก าลงสงสดดวยวธ P&O แสดงใหเหนวาระบบควบคมทไดน าเสนอในโครงงานวจยสามารถดงศกยภาพสงสดในการผลตไฟฟาดวยกงกนลมไดสอดคลองตามสภาพความเรวลมตาง ๆ และเพอเปนการยนยนผลทไดจากการจ าลองสถานการณวาวธทไดน าเสนอในโครงงานวจยวาสามารถใชงานไดจรงในทางปฏบตจงด าเนนการสรางชดทดสอบ ส าหรบโครงสรางชดทดสอบการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O แสดงไดดงรปท 4.8 โดยมบอรดไมโครคอนโทรลเลอรตอรวมกบตวตรวจจบกระแสและแรงดนไฟฟา

27

PMSG

idc

RL

Vdc

MPPT

P&O Algorithm

w

Battery

V

A

Buck

Converter

Mricrocontroller

รปท 4.8 โครงสรางชดทดสอบการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O โครงสรางชดทดสอบตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O ประกอบดวยวงจรเรยงกระแสสามเฟส ตวตรวจวดแรงดนและกระแสไฟฟาทวดคาแรงดนและกระแสเอาตพตของวงวรเรยงกระแสปอนใหกบบอรดไมครคอนโทรลเลอรตระกล AVR ทใชส าหรบควบคมสวทชของวงจรแปลงผนแบบบคก เพอควบคมใหไดคาก าลงไฟฟาสงสดจากกงหนลมผลตไฟฟา โดยภาพรวมชดทดสอบการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O แสดงดงรป 4.9 ส าหรบรายละเอยดการออกแบบและการทดสอบ จะไดอธบายในหวขอถดไป

รปท 4.9 ภาพรวมชดทดสอบการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O

28

4.4.1 วงจรเรยงกระแสสามเฟส เนองจากไฟฟาทไดจากเครองก าเนดไฟฟาซงโครนสแบบแมเหลกถาวร ซงเปนไฟฟากระแสสลบสามเฟส จงใชวงจรเรยงกระแสสามเฟสท าหนาทในการเปลยนไฟฟากระแสสลบเปนไฟฟากระแสตรง เพอใชส าหรบการควบคมการตามรอยก าลงสงสด เครองก าเนดไฟฟาซงโครนสแบบแมเหลกถาวรของกงหนลมผลตไฟฟาพกด 500 W 21 A จงเลอกใชวงจรเรยงกระแสแบบโมลดลขนาด 600 V 35 A ดงรปท 4.10

รปท 4.10 โมลดลวงจรเรยงกระแสสามเฟส 4.4.2 การสรางชดตรวจจบแรงดนและกระแสไฟฟา ส าหรบในโครงการวจยนจ าเปนตองใชชดตรวจจบแรงดนและกระแสไฟฟาเพอใชในการควบคมตามรอยก าลงสงสด โดยในสวนของชดตรวจจบแรงดนผวจยไดเลอกใชวงจรตรวจจบแรงดนไฟฟาเบอร LV 25 ซงสามารถทดแรงดนไฟฟาพกดท 500 V และกระแส 10 mA วงจรตรวจจบตองการไฟเลยง +15V, 0V และ –15V และตองมการออกแบบคาความตานทานดานแรงสงเพอไมใหมกระแสเกนพกดทก าหนด โดยสามารถค านวนคาความตานทานไดจากสมการท (4-1)ก าหนดใหแรงดนตานแรงสงท 100 V จะได

kI

VR

HV

HVHV 10

1010

1003

(4-1)

ในสวนคาความตานทานแรงต าจะใชคาความตานทานทปรบจนโดยการทดสอบเพอไมใหแรงดนไฟฟาเกน 5 V ซงเปนคาแรงดนทบอรด AVR สามารถอานได โดยคาความตานทานทใชคอ

200

29

ส าหรบในสวนของวงจรตรวจจบกระแสไฟฟาจะใชวงจรตรวจกระแสไฟฟาเบอร HX 05-NP พกด 30 แอมป ท าหนาทในการวดกระแสไฟฟา โดยใชไฟฟาเลยง +15V, 0V และ –15V รวมกบตวตรวจจบแรงดนไฟฟา ภาพรวมการตอวงจรตรวจจบแรงดนและกระแสไฟฟาแสดงดงรปท 4.11 และวงจรตรวจจบแรงดนและกระแสไฟฟาทใชงานจรงดงรปท 4.12 โดยเอาตพตของวงจรตรวจจบกระแสจะน าไปเขาวงจรกรองสญญาณความถต าผานและวงจรกนชนในรปท 4.13 การออกแบบวงจรกรองสญญาณไดเลอกคาความถตดขามท 10 Hz ซงมความตานทานปรบคาได

kR 51 ท าหนาทในการลดทอนสญญาณเพอไมใหเกนพกดของบอรดไมโครคอนโทรลเลอร พารามเตอรของวงจรกรองสญญาณทใชงานมคา kR 165 และตวเกบประจ FC 1.0

6

3

2

1

OUT

-V

0

+V

8

5 7

idc

idc

Input

Current Sensor

Output

Current Sensor

+V

M

-V

Input

Voltage Sensor

Output

Voltage Sensor

+15V -15VGND

LV25-P

HX 05-NP

4

รปท 4.11 ภาพรวมการตอวงจรตรวจจบแรงดนและกระแสไฟฟา

รปท 4.12 วงจรตรวจจบแรงดนและกระแสไฟฟา

30

+

- Vo

R

C

R1Vin

+

- +-

+

-

รปท 4.13 วงจรกรองสญญาณความถต าผานและวงจรกนชน

รปท 4.14 วงจรกรองสญญาณความถต าผาน

การทดสอบวงจรตรวจจบแรงดนและกระแสไฟฟาในรปท 4.12 ด าเนนการโดยการเพมคาแรงดนและกระแสเอาตพตของวงจรเรยงกระแสดวยการปรบความเรวรอบของเครองก าเนดไฟฟาซงโครนสแบบแมเหลกถาวรใหมคาเพมขน ผลการทดสอบวงจรตรวจจบแรงดนและกระแสทดสอบไดดงตารางท 4.2 และ 4.3 ตามล าดบ ตารางท 4.2 ผลทดสอบวงจรตรวจจบแรงดนไฟฟา

Vdc(V) Vsen,dc(V) 0 0

10 0.56 20 0.97 30 1.48 40 1.98 50 2.43 60 2.92 70 3.5 80 4.1

31

ตารางท 4.3 ผลทดสอบวงจรตรวจจบกระแสไฟฟา Idc(A) Vsen,Idc(V)

0 0 0.5 0.07 1 0.2

1.5 0.3 2 0.463

2.5 0.6 3 0.75

3.5 0.89 4 1

4.4.3 ความรเบองตนเกยวกบไมโครคอนโทรเลอร AVR ไมโครคอนโทรลเลอร AVR เปนหนงในไมโครคอนโทรลเลอรทผลตโดยบรษท ATMEL โดย AVR จดเปนไมโครคอนโทรลเลอรตระกลใหมจาก ATMEL ทมประสทธภาพและความสามารถสง โดยแบงออกเปนหลายรน เพอรองรบความตองการทแตกตางของผใชงานในขณะทยงคงความมประสทธภาพทเทากน ส าหรบงานโครงการวจยผวจยเลอกใชเบอร ATMEGA 1280 เนองจากเปนชดบอรด AVR ทพฒนาโปรแกรมดวยภาษา C++ ของ Arduino ของทางบรษท อทท เปนผจดท า ซงงานตอการเขยนโปรแกรมส าหรบใชงาน และสามารถรองรบการใชงานไดหลากหลาย โดยปรบปรงโปรแกรมใหใชกบชพ AVR ทใหญขน เพอใหมจ านวนพอรตอนพต,พอรตเอาตพต รวมท ง พอรตดจตอล, พอรตแอนาลอก, พอรตสรางสญญาณ PWM, พอรตการสอสารอนกรม ผานมอดและขนาดหนวยความจ าทเพมมากขนกวาเดม ทางบรษท อทท จงไดน า ATMEGA 1280 มาพฒนาเปนชดบอรด โดยใชชอวา ET-EASY MEGA 1280 ซงแสดงดงรปท 4.15

รปท 4.15 บอรดไมโครคอนโทรลเลอร ET-EASY MEGA 1280

32

คณสมบตทส ำคญส ำหรบชดบอรด ET-EASY MEGA 1280 เปนไมโครคอนโทรเลอรขนาด 8 บต ประสทธภาพสงแตใชพลงงานต าในตระกล AVR สถาปตยกรรมแบบ RISC

- มชดค าสง 135 ค าสง และสวนใหญค าสงเหลานจะใชเพยง 1 สญญาณนาฬกาในการประมวลผลค าสง

- มรจสเตอรส าหรบใชงานทวไปขนาด 8 บต จ านวน 32 ตว - ท างานสงสดท 16 ลานค าสงตอวนาท (MIPS) เมอใชสญญาณนาฬกา 16 MHz

หนวยความจ า - หนวยความจ าแฟลชส าหรบโปรแกรม 128 กโลไบต เขยน/ลบได 10,000 ครง - หนวยความจ าแบบ EEROM ขนาด 4 กโลไบต เขยน/ลบได 100,000 ครง - หนวยความจ าแรมชนดเอสแรม (SRAM) ขนาด 8 กโลไบต - เกบขอมลไดกวา 20 ป ทอณหภม 85 C และกวา 100 ปท 25 C

มระบบโปรแกรมตวเองอยในชพ สามารถท าการอานขณะเขยนไดจรง โดยสามารถลอกการท างานไดเพอความปลอดภยของ

ซอฟตแวร มการเชอมประสานกบ JTAG (IEEE std. 1149.1 compliant) คณสมบตการเชอมตอกบอปกรณภายนอก

- มตวตงเวลาและนบขนาด 8 บต จ านวน 2 ตว ทสามารถแยกโหมดการท างานได 2โหมด

- มตวตงเวลาและตวนบเวลาขนาด 16 บต จ านวน 4 ตว ทแยกโหมดการท างานได 3 โหมด

- คอ prescaler, compare และ capture - มตวนบเวลาจรง (real time counter) ทแนกวงจรก าหนดความถได - ม PWM จ านวน 12 ชองสญญาณทสามารถก าหนดความละเอยดได 16 บต - มตวปรบผลการเปรยบเทยบของเอาตพต - มตวแปลงสญญาณแอนาลอกเปนดจตอลขนาด 10 บต จ านวน 16 ชองสญญาณ - มพอรตสอสารอนกรมทสามารถก าหนดอตราการรบ/สงได จ านวน 4 พอรต - เชอมประสานแบบอนกรมแบบ SPI ไดทงแบบมาสเตอรและสเลฟ - มการเชอมประสานแบบอนกรมดวยสายสญญาณ 2 เสน แบบสงขอมลเรยงไบต

33

- มตวต งเวลาแบบวอตซดอกทสามารถก าหนดการท างานไดโดยสามารถแยกสญญาณนาฬกาไดจากตวชพ

- มตวเปรยบเทยบสญญาณแอนาลอกอยในตว - มการรองรบการขดจงหวะและ เวก-อพ (wake-up) เมอมการเปลยนแปลงของขาชพ คณสมบตพเศษ - มระบบเรมระบบเมอมการรเชตและมระบบตรวจจบเกดบราวนเอาต (brown-out) ท

สามารถก าหนดการท างานได - มตวตรวจจบหาความเทยงตรงของออสซเลเตอรอยในตว - มแหลงการขดจงหวะทงภายในและภายนอก อนพต/เอาตพต และตวถง - มขาของอนพตและเอาตพตทสามารถก าหนดการท างานได 86 พน - ตวถงแบบ TQFP ชนด 100 ขา ชวยอณหภมทชพท างานได -40 C ถง 85 C การใชพลงงาน

- โหมดการท างาน : ท 1 MHz ตองการแรงดน 1.8 V กระแส 0.5 mA - โหมดเพาเวอรดาวน (Power-down) ตองการกระแส 0.1 µA ทแรงดน 1.8 V

กำรใชงำนมอดแปลงสญญำณแอนำลอกเปนดจตอล ไมโครคอนโทรลเลอร AVR มมอดแปลงสญญาณแอนาลอกเปนดจตอลหรอ ADC (analog to digital converter) ความละเอยดขนาด 10 บต (10-bit resolution) ทแรงดน +5V ซ งหมายถงเมอแปลงเปนสญญาณดจตอลแลวจะไดคาตวเลขอยระหวาง 0-1024 โดยมมอด ADC จ าน วน 16 ช อ ง อ น พ ต ส ญ ญ าณ ค อ ADC0-ADC15 ซ ง จ ะก าห น ดไว ท พ อ รต F ขอ งไมโครคอนโทรลเลอร AVR ส าหรบโครงการวจยนไดใชชองสญญาณเพยง 2 ชอง คอชอง ADC0 และ ชองADC1 โดยผลการแปลงสญญาณแอนาลอกเปนดจตอล ค านวณไดจากสมการท (4-2)

REF

IN

V

VADC

1024 (4-2)

โดยท VIN คอ แรงดนดานขาอนพต VREF คอ แรงดนอางองจะถกก าหนดไวท 5V

34

กำรสรำงสญญำณ PWM กบไทเมอร/เคำนเตอร 1 การสรางสญญาณ PWM ดวยบอรดไมโครคอนโทรลเลอร AVR จะแบงออกเปน 3 โหมดไดแก

Fast PWM mode เปนการสรางสญญาณ PWM ความถสงดวยวธการแบบสโลปเด ย ว (single-slope) เห ม าะส าห รบ น า ไ ป ใช ง าน ด าน Power regulation, rectification เปนตน ขอเสยคอ ไมสามารถปรบความถไดตามตองการ

Phase Correct PWM Mode เปนการสรางสญญาณ PWM ความละเอยดสงดวยวธการแบบสโคปค (dual-slope) เหมาะส าหรบการน าไปใชงานทางดานควบคมมอเตอร ขอเสยเชนเดยวกบ Fast PWM mode

Phase and Frequency Correct PWM Mode เปนการส รางเฟสและความ ถของสญญาณ PWM ความละเอยดสง ซงเปนโหมดทน าไปใชส าหรบโครงการวจย โดยความถของสญญาณสามารถค านวณไดจากสมการท (4-3) ดงน

TOPN

ff clk

PW M..2

(4-3)

โดยท N คอ คาปรสเกลเลอร (ตวลดทอนสญญาณ) ซงมคาเปน 1, 8, 64, 256 และ 1024 โดยสามารถก าหนดไดจากรจสเตอรทใชส าหรบการก าหนดแหลงสญญาณนาฬกา (TCCR1B) ในทนก าหนดให N=1 TOP คอ คาทก าหนดใหกบรจสเตอร ICR1 ซงมขนาด 16 บต fclk คอ ความถของสญญาณนาฬกาในทนใช 16 MHz ส าหรบโครงการวจยนใชความถการสวทชมคาเทากบ 10 kHz ดงนน จากสมการท (4-4) จะสามารถหาคาทก าหนดใหกบรจสเตอร IRC1 แสดงไดดงน

800101012

10168

6

TOP (4-4)

ดงนนในโครงงานวจยนจงเลอกใชชองสญญาณ PWM 11 เปนพอรตเอาพตของสญญาณ PWM ซงการน าสญญาณดงกลาวไปขบสวตชจะตองผานวงจรแยกโดดสญญาณ เพอปองกนความเสยหายทอาจเกดกบอปกรณ ซงจะไดอธบายในล าดบถดไป

35

4.4.4 วงจรจดชนวนเกท การสรางวงจรจดชนวนเกทเพอควบคมสวตชมอสเฟตของวงจรแปลงผนแบบบคก และแยกกราวดในสวนของวงจรไฟฟาอเลกทรอนกสในทนคอบอรดไมโครคอนโทรเลอร กบสวนของวงจรไฟฟาก าลงในทนคอวงจรแปลงผนแบบบคก เพอไมใหกราวดไฟฟาแรงต าและไฟฟาแรงสงเชอมกน ซงชวยปองกนอนตรายตอวงจรไฟฟาในสวนของวงจรอเลกทรอนกสได ส าหรบวงจรจดชนวนเกททใช คอ ไอซเบอร PC923 ของบรษท SHARP ดงรปท 4.16

รปท 4.16 วงจรจดชนวนเกท

4.4.5 วงจรแปลงผนแบบบคก หวขอนจะกลาวถงการออกแบบอปกรณทน ามาใชในจงวรแปลงผนแบบบคกซงประกอบดวยสวทช โดยในโครงการวจยนเลอกใชมอสเฟต ตวไดโอด ตวเหนยวน า และตวเกบประจ ซงการออกแบบอปกรณตางๆ ตองค านงถงพกดของแรงดนและกระแส เพอปองกนความเสยหายทอาจจะเกดขนกบอปกรณภายในวงจร ตวเกบประจและตวเหนยวน าในวงจรแปลงผนแบบบคกท าหนาทเปนวงจรกรองสญญาณ หรอวงจรกรองแบบ LC เพอรกษาระดบแรงดนไฟฟาเอาพตใหคงท การเลอกใชคาตวเกบประจและตวเหนยวน าทเหมาะสมจะชวยใหคาแรงดนพลว (ripple voltage) และคากระแสพลว (ripple current) อยในระดบทเหมาะสมและยอมรบได สามารถออกแบบคาตวเกบประจไดดงสมการท (4-5) และออกแบบตวเหนยวน าไดดงสมการท (4-6) ดงน

outs

out

VLf

VdC

D

28

)1( (4-5)

IVf

VVVL

ins

outinout

D

)( (4-6)

36

ส าหรบคาแรงดนไฟฟาทางดานอนพตของวงจรแปลงผนแบบบคกคอคาแรงดนเอาตพตของวงจรเรยงกระแสและเอาตพตคอคาแรงดนของแบตเตอร( battV ) โดยมเงอนไขส าหรบการออกแบบของวงจรแปลงผนแบบบคก ดงน VVV dcin 50 VVV battout 8.130 VVout 8.13max, AIo 20max, mVVout 2D AIL 07.0D kHzf s 10 จากเงอนไขดงกลาวการออกแบบมรายละเอยดดงน ส าหรบการออกแบบคาความเหนยวน าและคาตวเกบประจตองค านงถงแรงดนพลวของแรงดนตกครอมโหลดและคากระแสพลวของกระแสทไหลผานโหลด โดยพจารณาจากสมการท 4.5 และ 4.6 ดงนนจะสามารถออกแบบไดดงน

mHL 3.1407.0501010

)8.1350(8.138

ดงนนจงเลอกใชคาความเหนยวน าเทากบ 15.00 mH จาก ส มก าร ท 3.15 inout dVV ถ า VVin 50 แล ะ VVV outout 8.13max, จะ ได

276.0d แทนคาเพอหาคาตวเกบประจ

FC 416102)1010(10158

8.13)276.01(3233

ดงนนจงเลอกใชคาตวเกบประจเทากบ 470 µF พกดอปกรณของวงจรแปลงผนแบบบคกในโครงการวจยนแสดงไดดงตารางท 4.4 ในรปท 4.17 แสดงวงจรแปลงผนแบบบคกทน ามาสรางใชงานจรง

37

ตารางท 4.4 พกดอปกรณของวงจรแปลงผนแบบบคก อปกรณ พกด รายละเอยด

1. มอสเฟต (MOSFET) 500V,34A N-Channel MOSFET เบอร IXFQ34N50P3 2. ไดโอด 600V,60A Diode เบอร FFA60UA60DN 3. ตวเหนยวน า 15mH 400V,20A DC Choke 4. ตวเกบประจ 470µF 450V Electrolytic Capacitor

รปท 4.17 วงจรแปลงผนแบบบคกทใชงานจรง

4.5 การทดสอบระบบควบคมตามรอยก าลงไฟฟาสงสดดวยวธ P&O การทดสอบการควบคมตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O ส าหรบกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระ แสดงดงรปท 4.18 ซงประกอบดวยวงจรเรยงกระแสสามเฟสและวงจรแปลงผนแบบบคคทมการควบคมตามรอยก าลงสงสดเชอมตออยกบเครองก าเนดไฟฟาแบบแมเหลกถาวร โดยเครองก าเนดไฟฟาดงกลาวตออยกบเครองจ าลองกงหนลม ซงสรางจากมอเตอรไฟฟากระแสตรง ทมการควบคมการท างานใหจ าลองพตตกรรมของกงหนลม เพอยนยนวาสามารถควบคมกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระใหตามรอยก าลงสงสดไดจรง จงท าการทดสอบโดยการปรบคาวฏจกรหนาทของวงจรแปลงผนแบบบคกใหมคาเพมขนจาก 0% ถง 100% โหลดของระบบประกอบดวยโหลดก าลงไฟฟาและแบตเตอร เพอหากราฟความสมพนธระหวางก าลงไฟฟากบความเรวรอบในการหมนของกงหนลม โดยใชเครองจ าลองกงหนลมทความเรวลม 4 5 และ 6 m/s ผลการทดสอบแสดงไดดงรปท 4.19

38

Three phase

rectifierPMSG Power

Load

DC

Motor

Wind Turbine

Model

Current

Control

MPPT

Battery

Buck

Converter

Wind Turbine Simulink

System

vw

รปท 4.18 ระบบทใชในการทดสอบรวมกบเครองจ าลองกงหนลม

4 m/s

5 m/s

6 m/s

7 m/s

Pm

Pdc

รปท 4.19 กราฟความสมพนธระหวางก าลงไฟฟากบความเรวรอบทความเรวลมตาง ๆ

จากกราฟความสมพนธระหวางก าลงและความเรวรอบทความเรวลมตาง ๆ ซงถอเปนกราฟคณลกษณะของกงหนลมในรปท 4.19 ประกอบดวยกราฟก าลงเอาตพตของกงหนลม ( mP ) และกราฟก าลงไฟฟา ซงในทนพจารณาก าลงไฟฟาเอาตพตของวงจรเรยงกระแสสามเฟส ( dcP ) ในสภาวะคงตวทสามารถผลตไดจากกงหนลมโดยใชเครองจ าลองกงหนลมเปรยบเทยบกนแสดงใหเหนถงความสอดคลองกน ความแตกตางทเกดขนเปนผลมาจากก าลงสญเสยของเครองก าเนดไฟฟาและวงจรเรยงกระแสสามเฟส อยางไรกตามจากรปท 4.19 สามารถทราบคาก าลงไฟฟาสงสดในลกษณะความเรวลมตาง ๆ ได

39

4 m/s5 m/s

Pdc

Vdc

Idc

รปท 4.20 กราฟสญญาณทดสอบเมอก าหนดใหคา 001.0DD

4 m/s5 m/s

Pdc

Vdc

Idc

รปท 4.21 กราฟสญญาณทดสอบเมอก าหนดใหคา 05.0DD

4 m/s5 m/s

Pdc

Vdc

Idc

รปท 4.22 กราฟสญญาณทดสอบเมอก าหนดใหคา 3.0DD

40

รปท 4.23 ผลตอบสนองของระบบเมอความเรวลมเปลยนจาก 4 m/s เปน 5 m/s

รปท 4.24 ผลตอบสนองของระบบเมอความเรวลมเปลยนจาก 5 m/s เปน 6 m/s

ในรปท 4.20 ถงรปท 4.22 เปนการทดสอบส าหรบการเลอกใชคา DD และ e ของระบบควบคมตามรอยกก าลงสงสดดวยวธ P&O ซงถอวามความส าคญอยางยง ดงน น จงตองมการทดสอบหาคา DD และe ทเหมาะสม เพอใหชดทดลองมประสทธภาพมากทสด โดยการทดสอบ

41

หาคา DD จะพจารณาจากกราฟสญญาณก าลงไฟฟา เนองจากคา DD คอ คาทใชในการปรบเปลยนสญญาณควบคมหรอคาวฏจกรหนาท มผลท าใหจดการท างานของกงหนลมผลตไฟฟามการเปลยนแปลงและลเขาสต าแหนงทไดก าลงไฟฟาสงสด โดยก าหนดให DD มคาเทากบ 0.001 0.05 และ 0.3 ตามล าดบ การทดสอบก าหนดใหความเรวลมมการเปลยนแปลงแบบทนททนใดจาก 4 m/s เปน 5 m/s กราฟสญญาณความเรวลม ก าลงไฟฟา แรงดนและกระแสไฟฟา แสดงไดดงรปท 4.20 ถง รปท 4.22 จากกราฟสญญาณทดสอบในรปท 4.20 ถง 4.22 ไดท าการบนทกคาดวยออสซลโลสโคปและน าผลตอบสนองของก าลงไฟฟาทไดจากการทดสอบผานตวกรองความถต าผานแลวน ามาพลอตเปรยบเทยบกน แสดงไดดงรป ท 4.23 ในท านองเดยวกน ในรปท 4.24 แสดงรปผลตอบสนองก าลงไฟฟาเมอความเรวลมมการเปลยนแปลงจาก 5 m/s เปน 6 m/s เมอก าหนดให

DD มคา 0.001 0.05 และ 0.3 ซงพบวา ทคา 3.0DD จะท าใหก าลงไฟฟามการแกวงไกวมากในบรเวณทมก าลงไฟฟาสงสด ในกรณ 001.0DD ระบบจะมการแกวงไกวเลกนอยแตจะท าใหระบบลเขาสจดทไดก าลงสงสดชาหรอไมสามารถลเขาสจดทไดก าลงไฟฟาสงสดได เนองจากการปรบเปลยนสญญาณควบคมมคานอยเกนไปจนไมสามารถรบกวนและท าใหระบบมการเปลยนแปลงจดการท างานได ดงนน จากผลการทดสอบดงกลาวในโครงงานวจยนจงเลอกคา

05.0DD เพอการใชงาน สวนการทดสอบหาคาความผดพลาดe ก าหนดใหมคาเรมตน 3 5 8 10 และ 15 ซงมผลการทดสอบแสดงไดดงตารางท 4.5 ตารางท 4.5 ผลการทดสอบหาคา e

e )/( smvw )(WPdc )(rpmSpeed

3 4 49.2 180 6 158.1 262.2

5 4 48.4 183.1 6 156.4 271.0

8 4 49.7 176.2 6 157.1 265.4

10 4 50.7 175.6 6 159.4 267.1

15 4 40.3 198.7 6 145.3 275.5

42

จากผลการทดสอบการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O ในตารางท 4.5 เมอเปรยบเทยบกนจะพบวา คาความผดพลาดทเหมาะสมส าหรบชดทดสอบในโครงการวจย คอ 10e ซงจะท าให

dcP มคามากทสด ณ ความเรวลมทท าการทดสอบ ซงคอ เมอความเรวลม 4 m/s dcP มคาเทากบ 50.7 W และทความเรวลม 6 m/s dcP = 159.4 W ดงนน ในโครงการวจยน จงเลอกใชคา 10e คาดงกลาวนจะน าไปปอนในโปรแกรมของบอรดไมโครคอนโทรลเลอรทใชควบคมตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O จากบอรดไมโครคอนโทรลเลอรตระกล AVR ในภาคผนวก ข.

4.6 ผลการทดสอบ P&O การทดสอบตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O ด าเนนการโดยอาศยเครองจ าลองกงหนลม ทสามารถปรบเปลยนความเรวลมไดโดยผใชงาน เครองจ าลองกงหนลมจะเชอมตออยกบเครองก าเนดไฟฟาซงโครนสแบบแมเหลกถาวรและชดควบคมผลตไฟฟาตามรอยก าลงสงสดแสดงดงรปท 4.25 ผลการทดสอบในสภาวะคงตวทคาความเรวลมตาง ๆ แสดงไดดงรปท 4.26 ถง 4.28 โดยชองสญญาณท 1 คอ ความเรวรอบในการหมนของกงหนลม ชองสญญาณท 2 และ 3 คอ แรงดนและกรแสไฟฟาเอาตพตของวงจรเรยงกระแสสามเฟส เมอความเรวลมเปน 4 m/s 5 m/s และ 6 m/s ตามล าดบ ซงมผลการทดสอบการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O แสดงไดดงตารางท 4.6

รปท 4.25 การทดสอบชดทดสอบการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O

43

Speed = 171.2 rpm

Vdc = 28.6 V

Idc = 1.78 A

รปท 4.26 รปสญญาณความเรวรอบ แรงดนไฟฟาและกระแสไฟฟา ทความเรวลม 4 m/s

Speed = 213.5 rpm

Vdc = 35.3 V

Idc = 2.74 A

รปท 4.27 รปสญญาณความเรวรอบ แรงดนไฟฟาและกระแสไฟฟา ทความเรวลม 5 m/s

Speed = 267.1 rpm

Vdc = 44.3 V

Idc = 3.6 A

รปท 4.28 รปสญญาณความเรวรอบ แรงดนไฟฟาและกระแสไฟฟา ทความเรวลม 6 m/s

44

ตารางท 4.6 ผลการทดสอบการตามรอยจดก าลงสงสดดวยวธ P&O

wv (m/s) dcV (V) dcI (A) dcP (W) Speed (rpm) 4 28.6 1.78 50.7 171.2 5 35.3 2.74 96.8 213.5 6 44.3 3.6 159.4 267.1

C4 m/s

5 m/s

6 m/s

B

A

รปท 4.29 กราฟคณลกษณะก าลงไฟฟาและความเรวรอบของกงหนลม จากผลการทดสอบการตามรอยจดก าลงสงสดดวยวธ P&O ในตารางท 4.6 เมอน ามาพลอตลงในกราฟความก าลงไฟฟากบความเรวรอบทเปนคณลกษณะของกงหนลมแสดงไดดงรปท 4.29โดยผลทดสอบทความเรวลมเทากบ 4 m/s แสดงไดดงจด A ทความเรวลมเทากบ 5 m/s แสดงไดดงจด B และทความเรวลมเทากบ 6 m/s แสดงไดดงจด C ในรปท 4.29 จากผลทดสอบดงกลาว พบวา จดการท างานของกงหนลมผลตไฟฟามคาใกลเคยงจดทไดก าลงไฟฟาสงสด โดยใช 10e และ

05.0DD ซงแสดงใหเหนวาชดทดสอบตามรอยจดก าลงสงสดดวยวธ P&O สามารถดงก าลงไฟฟาสงสดจากกงหนลมผลตไฟฟาไดในสภาวะความเรวลมตาง ๆ ดงนน การตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O ทน าเสนอในโครงงานวจยนสามารถควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบกงหนลมผลตไฟฟาได

45

4.7 สรป เนอหาในบทนน าเสนอ การตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O ซงไดอธบายหลกการท างาน แผนภาพไดอะแกรมของการควบคมตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O โดยการยนยนหลกการควบคมในเบองตนไดอาศยการจ าลองสถานการณดวยโปรแกรม MATLAB ซงพบวา ระบบควบคมตามรอยก าลงสงสด สามารถดงก าลงไฟฟาสงสดจากการผลตไฟฟาดวยกงกนลมได นอกจากนยงไดอธบายถงโครงสรางชดทดสอบการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O โดยใชบอรดไมโครคอนโทรลเลอร ท างานรวมกบตวตรวจวดแรงดนและกระแสไฟฟา รวมถงการทดสอบหาคาอตราการเปลยนแปลงของสญญาณควบคม( DD ) และคาความผดพลาดทยอมรบได (e ) ทเหมาะสม โดยจากการทดสอบการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O สามารถควบคมการท างานของกงหนลมใหไดคาก าลงไฟฟาสงสดสอดคลองตามความเรวลมตาง ๆ ซงแสดงใหเหนถงประโยชนของการควบคมตามรอยก าลงสงสด

บทท 5 สรปและขอเสนอแนะ

5.1 สรป โครงการวจยนเปนการศกษา ออกแบบ และสรางชดควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบระบบกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระ โดยใชวธการรบกวนและการสงเกต เพอดงศกยภาพสงสดของการผลตไฟฟาดวยกงหนลมออกมาใชใหเกดประโยชนสงสด โดยในโครงการวจยนเรมจากการคนควาปรทศนวรรณกรรมและงานวจยทเกยวของในอดตทผานมาทอยในบทท 2 ของโครงการวจย ซงพบวา การควบคมตามรอยก าลงสงสดมหลากหลายวธดวยกน โดยในโครงการวจยนจะน าเสนอการควบคมตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O เนองจากอลกอรทมดงกลาวมความเรยบงายและหยดหยนสง อกทงยงไมจ าเปนตองทราบเกยวกบพารามเตอรหรอคณลกษณะของกงหนลม นอกจากนยงไดมการศกษาเกยวกบทฤษฎพนฐานและหลกการท างานของกงหนลม วงจรแปลงผนแบบบคก และแบตเตอร ซงการท าความเขาใจในเรองดงกลาวถอเปนสงส าคญตอการหาแนวทางการควบคมตามรอยก าลงสงสดส าหรบกงหนลมผลตไฟฟาแบบอสระ ซงรายละเอยดไดอธบายไวในบทท 3 ของโครงการวจย การตามรอยก าลงสงสดดวยวธการรบกวนและการสงเกตไดน าเสนอไวในบทท 4 ของโครงการวจย ซงไดอธบายถงหลกการท างานของวธ P&O และยนยนการควบคมเบองตนดวยการจ าลองสถานการณบนคอมพวเตอรดวยโปรแกรมส าเรจรป SIMULINK ใน MATLAB โดยผลการจ าลองสถานการณแสดงใหเหนวา ระบบควบคมตามรอยก าลงสงสดสามารถดงก าลงไฟฟาจากระบบกงหนลมผลตไฟฟาไดมากกวาระบบทไมมการควบคมตามรอยก าลงสงสด นอกจากนยงไดอธบายถงโครงสรางชดทดสอบของวธ P&O การออกแบบ การเขยนโปรแกรมการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O โดยใชบอรดไมโครคอนโทรลเลอรตระกล AVR ซงจากผลการทดสอบ พบวา ชดทดสอบตามรอยก าลงสงสดดวยวธการรบกวนและการสงเกตสามารถสรางและใชงานไดจรงในทางปฏบต ซงควบคมใหการท างานของกงหนลมผลตไฟฟาไดก าลงไฟฟาสงสดสอดคลองตามความเรวลมตาง ๆ ได โดยอลกอรทมควบคมตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O อาศยเพยงการก าหนดคาความผดพลาดและคาวฎจกรหนาทส าหรบการควบคมเทานน

47

5.2 ขอเสนอแนะเพอพฒนางานวจยในอนาคต - ควรมการพฒนาและปรบปรง การก าหนดคา D และ คา ของชดทดสอบ ใหมการปรบตว ซงคาดงกลาวนถอเปนสงส าคญส าหรบอลกอรทมการตามรอยก าลงสงสดดวยวธการรบกวนและการสงเกต เพอใหมความสะดวกตอการน าไปใชงานจรงไดอยางมประสทธภาพ - หากมการน าไปใชงานจรงในระบบทมพกดสงจ าเปนตองค าถงพกดอปกรณของชดทดสอบรวมถงการก าหนดคา D และ คา ของชดทดสอบ หรอหาแนวทางการก าหนดคาดงกลาวโดยอางองจากคาพกดของระบบ

รายการอางอง E. Koutroulis and K. Kalaitzakis, “Design of a maximum power tracking system for wind-energy-

conversion applications,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 53, no. 2, April 2006.

H. Li, K. L. Shi, and P. G.McLaren, “Neural-network-based sensorless maximum wind energy capture with compensated powercoefficient,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 41, no.6, Nov./Dec. 2005.

H.Li., Z. Chen, ‘Overview of different wind generator systems and their comparisons’Renewable Power Generation, IET., vol. 2, Issue:2,pp. 123-138

I. Munteanu, S. Bacha, A. Iuliana Bratcu, J. Guiraud, and D. Roye, “Energy-reliability optimization of wind energy conversion systems by sliding mode control,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 23, no. 3, Sept. 2008.

J. Matas, M. Castilla, Josep M. Guerrero, Luis García de Vicuña, and Jaume Miret, “Feedback linearization of direct-drive synchronous wind-turbines via a sliding mode approach,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, no. 3, May 2008.

J. S. Thongam, P. Bouchard, H. Ezzaidi, and M. Ouhrouche, “Artificialnural network-based maximum power point tracking control forvariable speed wind energy conversion systems,” in Proc. 18th IEEEInternational Conference on Control Applications, July 2009.

K. Syed Muhammad Raza, Hiroki Goto, Hai-Jiao Guo, and Osamu Ichinokura, “Maximum power point tracking control and voltage regulation of a DC grid-tied wind energy conversion system based on a novel permanent magnet reluctance generator,” in Proc. ICEMS, 2007.

K. Syed Muhammad Raza, H.Goto, Hai-Jiao Guo, and O. Ichinokura, “A novel algorithm for fast and efficient maximum power point tracking of wind energy conversion systems,” in Proc. ICEM, Sept. 2008.

Q. Wang and Liuchen Chang, “An intelligent maximum power extraction algorithm for inverter-based variable speed wind turbine systems,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 19, no. 5, Sept. 2004.

49

R. Datta, V. T. Ranganathan, “A method of tracking the peak power points for a variable speed wind energy conversion ,“ IEEE Transactions on Energy Conversion, 2003, Volume: 18, pp. 163 – 168

R. J. Wai, C.Y. Lin and Y.R. Chang, “Novel maximum-power-extraction algorithm for PMSG wind generation system,” IET Electric Power Applications, vol. 1, no. 2, March 2007.

W. Li, Dianguo Xu, Wei Zhang, Hongfei Ma. “Research on Wind Turbine Emulation based on DC Motor”. Industrial Electronics and Applications, 2007. ICIEA 2007. 2nd IEEE Conference, 2007

ภาคผนวก ก

โปรแกรมการตามรอยจดก าลงสงสดดวยวธ P&O จากโปรแกรมส าเรจรป SIMULINK ใน MATLAB

51

รปท ก.1 บลอกจ ำลองสถำนกำรณอลกอรทมกำรตำมรอยจดก ำลงสงสดดวยวธ P&O

************************************************************************โคดโปรแกรมการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O จากโปรแกรมส าเรจรป SIMULINK ใน MATLAB โดยใชบลอก MATLAB FUNCTION ************************************************************************

function Dref = fcn(Idck, Idck_1,Vdck, Vdck_1, Dk_1, Dk_2) %อนพตของบลอก MATLAB FUNCTION คอ คำกระแสและแรงดนไฟฟำในคำบเวลำปจจบนและอดต คำวฎจกรหนำทในคำบเวลำอดต Dmin = 0; Dmax = 1; K = 0.05; %คำ Step size D es = 10; % ก ำหนดคำควำมผดพลำด Pk = Vdck*Idck; Pk_1 = Vdck_1*Idck_1; % เงอนไขคำเรมตนกำรท ำงำนของโปรแกรมตำมรอยจดก ำลงสงสดดวยวธ P&O

if Idck > 0.1 D_0 = 0;

else D_0 = 0.1;

end

52

dP = Pk - Pk_1; dD = Dk_1 - Dk_2; if dP/dD > 0

deltaD = K; else

deltaD = -K; end if abs(dP) < es

deltaD = 0; end

Dref = D_0 + Dk_1 + deltaD; if Dref > Dmax | Dref < Dmin Dref = Dk_1;

end

ภาคผนวก ข

โปรแกรมการตามรอยจดก าลงสงสดดวยวธ P&O จากบอรดไมโครคอนโทรลเลอรตระกล AVR

54

************************************************************************โคดโปรแกรมการตามรอยก าลงสงสดดวยวธ P&O ************************************************************************

// ก าหนดตวแปร int EN = 11; long previousTime = 0; float Ts = 1.5; //ก าหนดคา Sampling time float count = 0; float Read_Voltage_sensor = 0, Read_Current_sensor = 0; int n = 10, m; float Sum_Voltage_sensor = 0, Sum_Current_sensor = 0; float average_Voltage_sensor = 0, average_Current_sensor = 0; float Voltage = 0, Current = 0; float Vdc, Idc, Lock; float Pdc, Pdc_1, dP, dD, Dref, D_0 = 0, D_1 = 0, D_2 = 0, d = 0, deltaD, K, P = 0; int Action; // ฟงกชนตงคาของบอรด arduino void setup() Serial.begin(9600); pinMode(EN, OUTPUT); TCCR1A = (1<<COM1A1)|(1<<COM1A1); TCCR1A |= (1<<COM1B1)|(1<<COM1B1); TCCR1B = (1<<WGM13)|(0<<WGM12); TCCR1A |= (0<<WGM11)|(0<<WGM10); TCCR1B |= (0<<CS12)|(0<<CS11)|(1<<CS10); ICR1 = 800; OCR1A = 0; OCR1B = 0; TCNT1 = 0;

55

//**************************************************************************//ฟงกชนวนรอบของบอรด arduino ส าหรบควบคมตามรอยจดก าลงสงสดดวยวธ P&O //************************************************************************** void loop() if(millis() - previousTime > Ts*1000) previousTime = millis(); call_Voltage_sensor(); call_Current_sensor(); Check_Idc(); call_MPPT_P_O(); count = count + Ts; void call_Voltage_sensor() Sum_Voltage_sensor = 0; for(m =1; m <= n; m++) Read_Voltage_sensor = analogRead(A0); Sum_Voltage_sensor = Sum_Voltage_sensor + Read_Voltage_sensor; average_Voltage_sensor = (Sum_Voltage_sensor/n)*5/1023; Voltage = 19.73*average_Voltage_sensor + 1.57; //ค านวณคาแรงดนไฟฟา Vdc = constrain(Voltage,0,100);

56

void call_Current_sensor() Sum_Current_sensor = 0; for(m =1; m <= n; m++) Read_Current_sensor = analogRead(A1); Sum_Current_sensor = Sum_Current_sensor + Read_Current_sensor; average_Current_sensor = (Sum_Current_sensor/n)*5/1023; Current = 3.7966*average_Current_sensor + 0.19747 ; //ค านวณคากระแสไฟฟา Idc = constrain(Current,0,20); //**************************************************************************// เงอนไขคาเรมตนโปรแกรมตามรอยจดก าลงสงสดดวยวธ P&O //************************************************************************** void Check_Idc() if (Idc > 0) D_0 = 0; else D_0 = 0.1*800;

57

//**************************************************************************// โปรแกรมการตามรอยจดก าลงสงสดดวยวธ P&O //************************************************************************** void call_MPPT_P_O() Pdc = Vdc*Idc; dP = Pdc - Pdc_1; dD = D_1 - D_2; K = 0.05*800; // ก าหนดคา 05.0D Lock = 10;//ก าหนดคา if (dP/dD > 0) deltaD = K; else deltaD = -K; if (abs(dP) < Lock ) deltaD = 0; Dref = D_0 + D_1 + deltaD; Dref = constrain(Dref,0,800); OCR1A = Dref; // คาวฎจกรหนาท D_2 = D_1; // อพเดตคาวฎจกรหนาทรอบท 2 D_1 = Dref; // อพเดตคาวฎจกรหนาทรอบท 1 Pdc_1 = Pdc; // อพเดตคาก าลงไฟฟา