Czasopismo | PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY | Rocznik 2024 - zeszyt 4

Robust linear LQG control for a multi-variable wind turbine system subject to parametric perturbation

Solidne liniowe sterowanie LQG dla wielowymiarowego systemu turbin wiatrowych podlegającego zakłóceniom parametrycznym

10.15199/48.2024.04.18

nr katalogowy: 148118
10.15199/48.2024.04.18

Streszczenie

This article presents a design approach to develop an optimal LQG/LTR controller for a multivariate system subject to parametric perturbations, specifically a wind turbine. The primary objective of a control system is to regulate the behavior of the output variables by manipulating the inputs of the system. To achieve better performance in dynamic operating conditions, the proposed control system should provide more accuracy and better overall performance. Based on the MIMO control theory, a linear-quadratic (LQR) controller is designed to optimize performance, followed by the design of a second-order Gaussian (LQG) controller using a Kalman filter to improve stability. The LQG controller is tested with different weighting matrices to meet the required performance and stability criteria. Typically, the parameters of the weighting matrices are manually modified through trial and error method. The Loop Transfer Recovery (LTR) method is utilized to enhance the performance of the stadium controller by restoring the dynamic characteristics of a closed loop. A simulation study of the wind turbine behavior was performed using MATLAB, and the obtained results were utilized to analyze and install the control system using MATLAB Simulink. The feasibility of the LTR method is demonstrated through comprehensive theoretical analysis. The proposed LTR controller is included to stabilizing output power in various wind conditions, proving its effectiveness over conventional controllers.

Abstract

W artykule przedstawiono podejście projektowe mające na celu opracowanie optymalnego sterownika LQG/LTR dla systemu wielowymiarowego podlegającego zakłóceniom parametrycznym, w szczególności turbiny wiatrowej. Podstawowym celem systemu sterowania jest regulacja zachowania zmiennych wyjściowych poprzez manipulowanie wejściami systemu. Aby osiągnąć lepszą wydajność w dynamicznych warunkach pracy, proponowany system sterowania powinien zapewniać większą dokładność i lepszą ogólną wydajność. W oparciu o teorię sterowania MIMO zaprojektowano kontroler liniowo-kwadratowy (LQR) w celu optymalizacji wydajności, a następnie zaprojektowano kontroler Gaussa (LQG) drugiego rzędu wykorzystujący filtr Kalmana w celu poprawy stabilności. Kontroler LQG jest testowany z różnymi matrycami wagowymi, aby spełnić wymagane kryteria wydajności i stabilności. Zazwyczaj parametry macierzy wag modyfikowane są ręcznie metodą prób i błędów. Metoda Loop Transfer Recovery (LTR) służy do zwiększenia wydajności kontrolera stadionu poprzez przywrócenie charakterystyki dynamicznej zamkniętej pętli. Przeprowadzono badania symulacyjne zachowania turbiny wiatrowej w programie MATLAB, a uzyskane wyniki wykorzystano do analizy i montażu układu sterowania w programie MATLAB Simulink. Wykonalność metody LTR została wykazana poprzez wszechstronną analizę teoretyczną. Proponowany sterownik LTR ma za zadanie stabilizować moc wyjściową w różnych warunkach wietrznych, udowadniając swoją skuteczność w porównaniu z konwencjonalnymi sterownikami.

Słowa kluczowe

Keywords

Bibliografia

[1] D. Yu, Y. Mao, B. Gu, S. Nojavan, K. Jermsittiparsert, and M. Nasseri, "A new LQG optimal control strategy applied on a hybrid wind turbine/solid oxide fuel cell/in the presence of the interval uncertainties," Sustainable Energy, Grids and Networks, vol. 21, p. 100296, 2020.
[2] R. KAZNOWSKI and D. SZTAFROWSKI, "System elektroenergetyczny oparty o odnawialne źródła energiimożliwości i bariery rozwoju," Przeglad Elektrotechniczny, vol. 99, 2023.
[3] A. Echchaachouai, S. El Hani, and A. Hammouch, "Comparison of three estimators used in a sensorless MPPT strategy for a wind energy conversion chain based on a PMSG," Przeglad Elektrotechniczny, vol. 94, 2018.
[4] M. Rana, W. Xiang, and B. J. Choi, "Wind turbine state-space model, state estimation and stabilisation algorithms," in 2018 15th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision (ICARCV), 2018, pp. 1235-1240.
[5] Y.-s. Reddy and S.-h. Hur, "Comparison of optimal control designs for a 5 MW wind turbine," Applied Sciences, vol. 11, p. 8774, 2021.
[6] A. Nouriani and H. Moradi, "Variable speed wind turbine power control: A comparison between multiple MPPT based methods," International Journal of Dynamics and Control, vol. 10, pp. 654-667, 2022.
[7] F. Shabaninia and K. Jafari, "Using LQG/LTR optimal control method to improve stability and performance of industrial gas turbine system," International Scholarly Research Notices, vol. 2012, 2012.
[8] A. Kalbat, "Linear quadratic gaussian (lqg) control of wind turbines," in 2013 3rd International Conference on Electric Power and Energy Conversion Systems, 2013, pp. 1-5.
[9] F. Rubio, F. Gordillo, and M. Berenguel, "LQG/LTR control of the distributed collector field of a solar power plant," IFAC Proceedings Volumes, vol. 29, pp. 6975-6980, 1996.
[10] F. Rodríguez Rubio, F. Gordillo Álvarez, and M. Berenguel Soria, "LQG/LTR Control of the Distributed Collector Field of a Solar Power Plant," in IFAC World Congress (1996), pp. 6975- 6980., 1996.
[11] B. M. Hencey, Robust controller interpolation with application to gain-scheduling: University of Illinois at Urbana-Champaign, 2008.
[12] H.-L. Tsai, "Generalized Linear Quadratic Gaussian and Loop Transfer Recovery Design of F-16 Aircraft Lateral Control System," Engineering Letters, vol. 14, 2007.
[13] G. J. Herbert, S. Iniyan, and D. Amutha, "A review of technical issues on the development of wind farms," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 32, pp. 619-641, 2014.
[14] M. Schlechtingen, I. F. Santos, and S. Achiche, "Using datamining approaches for wind turbine power curve monitoring: A comparative study," IEEE Transactions on Sustainable Energy, vol. 4, pp. 671-679, 2013.
[15] N. Khezami, N. B. Braiek, and X. Guillaud, "Wind turbine power tracking using an improved multimodel quadratic approach," ISA transactions, vol. 49, pp. 326-334, 2010.
[16] M. Khamies, G. Magdy, S. Kamel, and B. Khan, "Optimal model predictive and linear quadratic gaussian control for frequency stability of power systems considering wind energy," IEEE Access, vol. 9, pp. 116453-116474, 2021.
[17] H. ABOURI, F. El GUEZAR, and H. BOUZAHIR, "Advanced control strategies for wind energy systems," in 2020 International Conference on Electrical and Information Technologies (ICEIT), 2020, pp. 1-6.
[18] "AN OPTIMAL DESGSIN FOR VARIABLE SPEED WIND TURBINES BASED ON LQG," 2014.
[19] B. Boukhezzar, L. Lupu, H. Siguerdidjane, and M. Hand, "Multivariable control strategy for variable speed, variable pitch wind turbines," Renewable energy, vol. 32, pp. 1273-1287, 2007.
[20] F. Lescher, P. Borne, and J. Y. Zhao, "Commande LQG multimodele d’une turbine éoliennea vitesse variable."
[21] G. Stein and M. Athans, "The LQG/LTR procedure for multivariable feedback control design," IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 32, pp. 105-114, 1987.
[22] K. Rahmani, M. Naderi, and G. Gharehpetian, "Damping of parallel AC-DC power system oscillations using LQG/LTR controller approach," in 2011 19th Iranian Conference on Electrical Engineering, 2011, pp. 1-6.
[23] Q. Hawari, T. Kim, C. Ward, and J. Fleming, "LQG control for hydrodynamic compensation on large floating wind turbines," Renewable energy, 2023.
[24] H. Merabet Boulouiha, "Techniques de commande avancée," 2015.
[25] T. Tarczewski and L. M. Grzesiak, "Application of artificial bee colony algorithm to auto-tuning of linear-quadratic regulator for PMSM position control," Przeglad Elektrotechniczny (Electical review), vol. 92, pp. 57-62, 2016.
[26] E. Barzanooni, K. Salahshoor, and A. Khaki-Sedigh, "Attitude flight control system design of UAV using LQG\LTR multivariable control with noise and disturbance," in 2015 3rd RSI International Conference on Robotics and Mechatronics (ICROM), 2015, pp. 188-193.
[27] M. S. Larabi, S. Yahmedi, and Y. Zennir, "Robust LQG Controller Design by LMI Approach of a Doubly-Fed Induction Generator for Aero-Generator," Journal Européen des Systèmes Automatisés, vol. 55, pp. 803-816, 2022.
[28] V. Sundarapandian, Numerical linear algebra: PHI Learning Pvt. Ltd., 2008.

Jeśli masz wykupiony/przyznany dostęp - zaloguj się. Skorzystaj z naszych propozycji zakupu!

Publikacja


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-publikacja (pdf) z zeszytu 2024-4 , nr katalogowy 148118 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	10.00 zł

Zeszyt


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-zeszyt (pdf) 2024-4 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	85.00 zł

Prenumerata

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - prenumerata cyfrowa
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy
Nowość

762.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS (Prenumerata papierowa + dostęp do portalu sigma-not.pl + e-prenumerata)	1002.00 zł brutto 927.78 zł netto 74.22 zł VAT (stawka VAT 8%)

1002.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna + wysyłka
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna	960.00 zł brutto 888.89 zł netto 71.11 zł VAT (stawka VAT 8%)
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - pakowanie i wysyłka	42.00 zł brutto 34.15 zł netto 7.85 zł VAT (stawka VAT 23%)

1002.00 zł

Zeszyt

2024-4

Twój Koszyk

Publikacja

Zeszyt

Prenumerata

Zeszyt

Czasopisma