طراحی و شبیه سازی کنترل‌کننده‌های هوشمند بهینه برای کنترل بار فرکانس توربین‌های بادی

مشخصات فایل

مقطع:کارشناسی
رشته تحصیلی:مهندسی برق
نوع ارائه:پایان نامه
تعداد صفحات:99
قالب بندی:word قابل ویرایش

نحوه خرید

دانلود رایگان فایل
شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

برای دسترسی به این فایل ابتدا باید اشتراک خریداری کنید. برای خرید اشتراک بر روی لینک زیر کلیک کنید.

ارتقاء عضویت

در صورت بروز هر گونه مشکل در روند خرید اینترنتی، بخش پشتیبانی کاربران آماده پاسخگویی به مشکلات و سوالات شما می باشد

چکیده

فهرست مطالب

چکیده ……………………………………………………………………….1

فصل1: مقدمه

امروزه با توجه به نیاز روزافزون بشر به انرژی الکتریکی از یک سو و محدودیت ذخایر سوخت‌هاي فسیلی و همچنین نگرانی‌هاي زیست محیطی در پی افزایش گاز دی اکسید کربن و دیگر گاز‌هاي گلخانه‌اي از سویی دیگر، نیاز به یافتن منابع جدید انرژی به روشنی احساس مي‌گردد. جایگزینی منابع فسیلی با انرژی‌هاي نو و تجدیدپذیر راهکاری است که مدت‌هاست مورد توجه کشور‌هاي پیشرفته جهان قرار گرفته است. یکی از مهمترین انرژی‌هاي تجدید پذیر، انرژی باد مي‌باشد. انرژی باد پایان ناپذیر، رایگان و پاک است در ضمن به راحتی قابل تبدیل به انرژی الکتریکی مي‌باشد پس مي‌تواند در بین منابع انرژی‌هاي نو گزینه مناسبی جهت جایگزینی با منابع فسیلی باشد[۱].
استفاده از انرژی باد در هر سال رشد ۱۰% را در دنیا و رشد ۳۷% را در اروپا داشته است. پیشبینی مي‌شود تا سال ۲۰۲۰ در حدود ۱۰% انرژی کل دنیا توسط نیروگاه‌هاي بادی تولید شود که تا ۵۰% در سال ۲۰۵۰ افزایش خواهد داشت[۲‍].
با وجود اینکه استفاده از انرژی باد به منظور تولید انرژی الکتریکی پیشینه زیادی دارد اما به دلیل نفوذ کمي که در تولید انرژی داشته‌اند تاثیر وجود آنها در شبکه چندان مورد بررسی قرار نگرفته است. منبع انرژی باد غیر قابل پیش بینی است بنابراین اضافه شدن مقدار قابل توجهی از واحد‌هاي تولید بادی به شبکه‌هاي الکتریکی موجود، تاثیر قابل ملاحظه‌اي بر طراحی، کارکرد و کنترل شبکه خواهد گذاشت.
به علت متغیر بودن سرعت باد سرعت توربین‌هاي بادی مدام در حال تغییر است و از آنجایی که توان خروجی توربین‌هاي بادی با مکعب سرعت باد متناسب است تغییرات لحظه‌اي سرعت باد باعث ایجاد نوسانات در توان خروجی توربین بادی مي‌شود و این نوسانات به شکل تغییر فرکانس در سرتاسر سیستم منعکس مي‌شود. از طرفی مي‌دانیم به منظور اینکه یک سیستم قدرت عملکرد رضایت بخشی داشته باشد، ثبات فرکانس در آن امری ضروری است. پس مي‌توان گفت در حضور واحد‌هاي تولید بادی در سیستم ‌هاي قدرت که آشفتگی‌ها و تغییر پارامتر‌هاي بیشتری را به سیستم تحميل مي‌کنند کنترل فرکانس سیستم بیش از پیش مورد توجه قرار مي‌گیرد و نیازمند مطالعات بیشتری مي‌باشد.
به صورت سنتی سیستم‌هاي تبدیل کننده انرژی بادی (WECS) در کنترل فرکانس شرکت نمي‌کنند، به این معنی که وقتی فرکانس در شبکه زیاد یا کم مي‌شود واحد‌هاي بادی تولید خود را زیاد یا کم نمي‌کنند بلکه با افزایش یا کاهش تولید واحد‌هاي سنتی افت یا افزایش فرکانس جهت نگه داشتن فرکانس شبکه در محدوده مجاز خود، جبران مي‌شود. اما با افزایش مشارکت واحد‌هاي تولید بادی در تولید انرژی برای بهبود عملکرد سیستم، آنها نیز باید در کنترل فرکانس شرکت کنند.
.

۱-۱ طرح مسئله…………………………………………………………….. 2
۲-۱ اهداف تحقیق……………………………………………………………. ۳
۳-۱ معرفی فصل های مورد بررسی در این تحقیق………………………. ۴

فصل2: انرژی باد و انواع توربین های بادی

یکی از مهمترین انرژی‌های تجدید پذیر، انرژی باد مي‌باشد. انرژی باد ارزان، فراوان، پاک و به راحتی قابل تبدیل به انرژی الکتریکی مي‌باشد. بخش اول این فصل با نگاهی کلی به منشا انرژی باد و پیشینه استفاده از آن به بیان مزایا و معایب بهره برداری از این انرژی پرداخته و در ادامه وضعیت استفاده از انرژی باد را در سطح جهان بررسی مي‌نماید. در بخش دوم انواع توربین‌های بادی بر اساس محور چرخش پره ها مورد بررسی قرار می گیرند، همچنین قسمت های مختلف سیستم بادی، نحوه تولید توان و پارامترهای مهم توربین‌های بادی معرفی می شوند. بخش پایانی این فصل نیز به تقسیم بندی انواع سیستم های تبدیل کننده انرژی باد بر اساس نحوه عملکردشان مي‌پردازد.

۱-۱-۲ منشأ باد
انرژي باد، انرژي حاصل از هواي متحرك مي‌باشد. هنگامي كه تابش خورشيد به طور نامساوي به سطوح ناهموار زمين مي‌رسد سبب ايجاد تغييرات دما و فشار مي‌گرددو در اثر اين تغييرات باد به وجود مي‌آيد. همچنين اتمسفر كره زمين به دليل حركت وضعي زمين، گرما را از مناطق گرمسيري به مناطق قطبي انتقال مي‌دهد كه اين امر نيز باعث به وجود آمدن باد مي‌گردد. جريان اقيانوسي نيز به صورت مشابه عمل نموده و عامل ۳۰% انتقال حرارت کل در جهان مي‌باشد[۱].

در مقیاس جهانی، این جریانات اتمسفری به صورت یک عامل قوی جهت انتقال حرارت و گرما عمل می نمایند.

۲-۱-۲ پیشینه استفاده از باد
بشر از زمانهاي بسيار دور انرژي باد را به شيوه هاي مختلف بكار گرفته است. ايرانيان از اولين كساني بودند كه در حدود ۲۰۰ سال قبل از ميلاد مسيح، براي آردكردن غلات از آسياب هاي بادي استفاده کرده اند که آثار آن امروزه نیز در نواحي خواف و تايباد در شرق كشور به چشم مي‌خورد .يونانيان براي خرد کردن دانه ها و مصريها ، رومي ها و چيني ها براي قايقراني و آبياري از انرژي باد استفاده می کردند[۳‍].

شکل ۲-۲: وسیله ای بر اساس طرح ایرانیان به منظور استفاده از انرژی باد [۳]
بعدها استفاده ار توربين هاي بادي با محور قائم معمول شد. در قرن سيزدهم، اين نوع توربين ها توسط سربازان صليبي به اروپا برده شد. مردم هلند طرح پايه آسيابهاي بادي را بهبود دادند و به این ترتیب در اواسط قرن نوزدهم در این کشور در حدود نه هزار ماشين بادي به منظورهاي گوناگون مورد استفاده قرار گرفت[۳]. همين امر باعث شد تا این كشور در زمره غني ترين و صنعتي ترين كشورهاي اروپا قرار گيرد.استفاده از انرژي باد در ايالات متحده از سال ١٨٥٤ شروع شد. از اين ماشين ها بيشتر براي بالا کشيدن آب از چاههاي آب و بعدها براي توليد الکتريسيته استفاده می گردید. بزرگترين ماشين بادي در زمان جنگ جهاني دوم توسط آمريکائي ها ساخته شد. در شوروي سابق در سال ١٩٣١ ماشيني بادي با محور افقي به کار انداخته شد که ارتفاع برج آن ٢٣ متر و قطر پره هایش ۳۰/۵ متر بود و انتظار مي‌رفت ١٠٠ کيلو وات برق به شبکه بدهد[۳].
۳-۱-۲ مزاياي انرژي بادي
در این بخش به تعدادی از مزایای استفاده از انرژی باد اشاره شده است[۴].
• برخورداري از منبع انرژي پايان ناپذير و فن آوري آزموده؛
• کاهش آلودگيهای زيست محیطی، بطور كلي با جايگزيني انرژي تولیدی با استفاده از منبع باد به جاي انرژي توليدي از نيروگاه هاي سوخت فسيلي مي‌توان از انتشار گازهاي گلخانه اي كاست. از طرف ديگر جاذبه هاي طبيعي و چشم انداز سيستم هاي انرژي بادي نمادي از انرژي پاك براي مردم تلقي مي‌گردند؛
• عدم نياز توربين هاي بادي به سوخت كه در نتيجه از ميزان مصرف سوخت هاي فسيلي مي‌كاهد؛
• رايگان بودن انرژي باد؛
• با توجه به سريعتر بودن وزش باد در زمستان، در نتيجه در این فصل که نياز بيشتري به برق داريم می توانیم الکتريسيته بيشتري توليد کنیم؛
• قدرت مانور زياد جهت بهره برداري در هر ظرفيت و اندازه (از چند وات تا چندين مگاوات)؛
• عدم نياز به آب؛
• عدم نياز به زمين زياد براي نصب و امکان استفاده در زمين هاي کشاورزي؛
• امکان بهره برداري همراه با ساير انرژي هاي نو نظير فتوولتايي؛
• كاربردهاي غيرنيروگاهي؛

۱-۲ انرژی باد…………………………………………………………………….. ۶
۱-۱-۲ منشا باد ……………………………………………………………………۶
۲-۱-۲ پیشینه استفاده از باد…………………………………………………… ۷
۳-۱-۲ مزاياي انرژي بادي……………………………………………………….. ۸
۴-۱-۲ ناکارآمديهاي انرژي بادي………………………………………………… ۹
۵-۱-۲ وضعيت استفاده از انرژي باد در سطح جهان ………………………..۱۰
۲-۲ فناوری توربین های بادی…………………………………………………… ۱۱
۱-۲-۲ توربينهاي بادي با محور چرخش افقی…………………………………. ۱۲
۲-۲-۲ توربينهاي بادي با محور چرخش عمودی……………………………….. ۱۲
۳-۲-۲ اجزای اصلی توربین بادی ………………………………………………….۱۴
۴-۲-۲ چگونگی تولید توان در سیستم های بادی…………………………….. ۱۵
۱-۴-۲-۲ منحنی پیش بینی توان توربین باد………………………………………. ۱۵
۳-۲ تقسیم بندی سیستم های تبدیل کننده انرژی باد (WECS) بر اساس نحوه عملکرد ۲۰
۱-۳-۲ سیستم های تبدیل کننده انرژی باد (WECS) سرعت ثابت………………. ۲۰
۲-۳-۲ سیستم های تبدیل کننده انرژی باد (WECS) سرعت متغير…………………. ۲۲
۳-۳-۲ سیستم های تبدیل کننده انرژی باد بر مبنای ژنراتور القايي با تغذيه دوگانه (DFIG)ا. ۲۴
۴-۳-۲ سیستم های تبدیل کننده انرژی باد مجهز به توربین های سرعت متغير با مبدل فرکانسي با ظرفيت کامل…………………………………………………………………………………………… ۲۶

فصل۳: تاریخچکنترل فرکانس سیستم های قدرت در حضور واحدهای بادی، معرفی مدل ریاضی و الگوریتم ازدحام ذرات

بطور کلی می¬¬توان گفت که وقتی تغییر باری در سیستم¬های قدرت اتفاق می¬¬افتد بلافاصله ژنراتور، قدرت خروجی خود را افزایش می¬¬دهد تا بار را تامین کند. پس بین قدرت مکانیکی ژنراتور و قدرت خروجی آن عدم توازن به وجود می¬¬آید که باعث ایجاد انحراف در فرکانس می¬¬شود. در سیستم¬های قدرت حاوی واحدهای بادی علاوه بر تغییرات بار، تغییر در سرعت توربین¬های بادی نیز عامل مهمی در ایجاد تغییر فرکانس در سیستم قدرت می¬¬باشد. مشکل عمده در بهره برداری از انرژی باد، قابل پیش بینی نبودن آن است. انرژی باد ذاتا متغیر است و به شرایط آب و هوایی، فصل و موقعیت جغرافیایی وابسته است[۱]. سرعت باد ثابت نیست و این تغییرات لحظه ای سرعت باد باعث ایجاد نوسانات در توان خروجی توربین بادی می¬شود و از آنجایی که فرکانس عامل مشترکی در سرتاسر سیستم است. این نوسانات به شکل تغییر فرکانس در سرتاسر سیستم منعکس می¬شود. از طرفی می¬دانیم به منظور اینکه یک سیستم قدرت عملکرد رضایت بخشی داشته باشد، ثبات فرکانس در آن امری ضروری است. زیرا کنترل مناسب فرکانس، ثبات سرعت موتورهای سنکرون و القایی را به دنبال دارد و تثبیت سرعت راه اندازی موتوری به طور ویژه در عملکرد رضایت بخش واحدهای تولیدی اهمیت دارد. در زمینه کنترل فرکانس سیستم¬های قدرت تاکنون تلاش¬های بسیاری انجام شده است، اما با وجود واحدهای بادی در سیستم¬های قدرت که باعث تغییر پارامترهای بیشتری در سیستم می¬شود کنترل فرکانس سیستم پیچیده تر می¬شود و نیاز به ارائه روش¬های کنترل فرکانسی متفاوت با روش¬های کنترل فرکانس¬های مرسوم احساس می¬شود. در این فصل ابتدا مروری بر کارهای انجام شده در زمینه کنترل فرکانس سیستم¬های قدرت در حضور واحدهای بادی صورت گرفته است و سپس ساختار کنترل ژنراتورهای القايي تغذيه دوگانه (DFIG) مورد بررسی قرار می¬گیرد. در بخش بعد مدل خطی برای سیستم قدرت تک ناحیه ای ارائه شده است که به منظور تولید انرژی از واحدهای تولید انرژی سنتی و غیرسنتی (بادی) به طور همزمان بهره گرفته است. در ادامه، مدل دینامیکی سیستم تنظیم فرکانس توربین بادی با ژنراتور القايي تغذيه دوگانه ارائه می¬شود و در پایان به معرفی الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات یا حرکت گروهی پرندگان به عنوان یک الگوریتم هوشمند بهینه سازی پرداخته می شود.

۱-۳ مرورری بر کارهای انجام شده……………………………………………………………. ۲۹
۲-۳ کنترل DFIG ا………………………………………………………………………………….۳۳
۳-۳ مدل دینامیکی سیستم تنظیم فرکانس توربین بادی با ژنراتور القايي تغذيه دوگانه…. ۳۶
۴-۳ مدل دینامیکی ساختار تنظیم فرکانس سیستم تک ناحیه ای در حضور توربین بادی با ژنراتور القايي تغذيه دوگانه (DFIG) ا……………………………………………………………………………………..۴۰
۵-۳ الگوریتم حرکت گروهی پرندگان یا ازدحام ذرات PSO ا……………………………………۴۴
۶-۳ نتیجه گیری …………………………………………………………………………………..۴۷

فصل۴: طراحی کنترل کننده PI بهینه سازی شده توسط الگوریتم ازدحام ذرات

مشکل اجتناب ناپذیر در طراحی کنترل¬کننده PI کلاسیک تنظیم ضرایب آن به روش سعی و خطاست که این امر وقت زیادی از طراحان را به خود اختصاص می¬دهد و با وجود واحدهای بادی در سیستم های قدرت که تغییر پارامترهای بیشتری را به سیستم تحمیل می¬کند، باعث می¬شود کارایی سیستم کنترل به شدت پایین آید. استفاده از الگوریتم های بهینه سازی هوشمندی مانند الگوریتم ازدحام ذرات راهکار مناسبی برای غلبه به این مشکل می¬باشد. در این فصل به منظور بهینه سازی تنظیم پارامترهای کنترل¬کننده PI، استفاده از این الگوریتم پیشنهاد می¬شود. در ادامه سیستم با کنترل¬کننده PI بهینه شبیه سازی شده و نتایج با سیستم شبیه سازی شده با

مراحل بهینه‌سازی پارامترهای کنترل‌کننده PI با استفاده از الگوریتم PSO به صورت زیر می¬باشد.
1- ابتدا باید مقادیر پارامترهای روش PSO تعیین گردد. این مقادیر شامل تعداد ذرات یا تعداد پرندگان ، تعداد تکرار یا گام¬ها ، فاکتورهای آموزش و و پارامتر اینرسی می¬باشد.
2- مکان اولیه پرندگان یا ذرات و سرعت اولیه آنها در این مرحله تعیین می¬گردد.
3- سپس باید مقدار اولیه پارامترهای بهینه‌سازی یعنی و مشخص گردد.
4- در این مرحله هزینه اولیه ذرات بر اساس معیار ISE با شبیه سازی مدل سیمولینک و محاسبه انتگرال مربع خطا تعیین می¬گردد.
5- حلقه تکرار الگوریتم PSO برای رسیدن به پارامترهای بهینه شروع می¬شود.
6- مرحله پایانی، اتمام گام‌های بهینه‌سازی و بدست آوردن پارامترهای بهینه کنترل¬کننده PI می¬باشد.
۱-۱-۴ نتایج شبیه سازی کنترل¬کننده PI بهینه سازی شده با الگوریتم PSO
سیستم تحت مطالعه، با در نظر گرفتن کنترل¬کننده PI بهینه سازی شده با الگوریتم PSO، به ازای تغییر بار طراحی شده و برای تغییر بارهای مختلف اجرا شده است و نتایج با کنترل¬کننده PI کلاسیک مقایسه شده است. نتایج شبیه سازی در شکل (۴-۴) قابل مشاهده می¬باشد. پارامترهای انتخابی الگوریتم PSO در جدول (۲-۴) نشان داده شده است. جدول (۳-۴) نیز معرف مقادیر بهینه شده پارامترهای و می باشد که طی ۵۰ بار تکرار الگوریتم بدست آمده است. لازم به ذکر است که تنظیم پارامترها با الگوریتم PSO برای تغییر بار اجرا شده است.

۱-۴ بهینه سازی طراحی کنترل‌کننده PI با استفاده از روش بهینه سازی هوشمند ازدحام ذرات (PSO) ا……………………………………………………………………………………………………..۴۹
۱-۱-۴ نتایج شبیه سازی کنترل کننده PI بهینه سازی شده با الگوریتم PSO ا…………..۵۳
۴-۲ نتیجه گیری ………………………………………………………………………………….۵۹

فصل پنجم: طراحی کنترل کننده فازی.

به علت ثابت نبودن سرعت باد سرعت توربین¬های بادی دستخوش تغییرات زیادی می شود و این باعث می شود که سیستم قدرت در معرض عدم قطعیت و تغییر پارامترهای بیشتر و ناگهانی تری قرار بگیرد و کارایی سیستم کنترل به شدت پایین آید. بنابراین کنترل¬کننده PI برای کنترل کردن تغییرات سرعت توربین¬های بادی به تنهایی کارآمد نخواهد بود، زیرا خطی می باشد و فقط حول نقطه کار خود عملکرد مناسبی دارند و نیاز به کنترل¬کننده¬ای است که بتواند تا حد امکان محدودیت¬ها را برآورده سازد. در این فصل پیشنهاد شده است برای این منظور از کنترل¬کننده فازی استفاده شود. این کنترل¬کننده غیرخطی و انعطاف پذیر می باشد و عملکرد مقاومی در برابر تغییر پارامترهای سیستم از خود نشان می دهد و این اجازه را به ما می دهد که در کنترل فرکانس بتوانیم از قواعد مبتنی بر دانش انسانی استفاده کنیم. این فصل ابتدا به مروری بر مفاهیم فازی پرداخته و ساختار يك كنترل¬كننده فازي را معرفی می نماید. سپس به منظور استفاده از یک مدلسازی هوشمند در طراحی کنترل¬کننده، برای سیستم مورد نظر یک کنترل¬کننده فازی ارائه شده است که تنظیم پارامترهای این کنترل¬کننده با الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات انجام می پذیرد.
۱-۵ منطق فازی
يكي از روش¬هاي كنترلي كه در سالهاي اخير فكر دانشمندان علوم كنترل را به خود مشغول داشته، طراحي سيستم¬هايي است كه بتوانند از توانایي¬هاي انسان در حل مسائل پيچيده تقليد كنند. سيستم¬هایی كه قادر باشند در برخورد با پيچيدگي¬ها و عدم قطعيت¬هايي كه در يك محيط واقعي وجود دارند بر اساس درك داده هايي كه به جاي ارزش عددي، ارزش كيفي دارند با انجام پردازش¬هايي بر روي آنها عملكردي بهينه از خود ارائه دهند. در اين رهگذر روش¬هاي كنترلي نويني ارائه شده است كه از جمله آنها، سيستم¬هاي كنترلي مبتني بر رياضيات و منطق فازي مي باشند. منطق فازی روابط بین دقت و حقیقت یا معنا را با توابع ریاضی بیان می کند. به طور کلی منطق فازی، اعتبار یا ارزش نسبی دقت یک چیز است. سيستم¬هاي فازي بر اساس ايده مجموعه¬هاي فازي استوار می باشند. يك مجموعه فازي مشابه مجموعه¬هاي معين از تعدادي عنصر تشكيل شده است كه در آن مرز قطعي بين عضويت و عدم عضويت عناصر وجود ندارد. مجموعه¬های فازی اجازه می دهند هر یک از اعضا از یک درجه عضویت خاصی نسبت به یک مجموعه خاص برخوردار گردند. به عبارت ديگر يك عنصر مي تواند به اندازه يك عدد بين صفر تا يك، عضو يك مجموعه فازي باشد.

۱-۵ منطق فازی………………………………………………………………………………… ۶۲
۱-۱-۵ تعریف مجموعه فازی…………………………………………………………………… ۶۲
۲-۱-۵ مزایای استفاده از منطق فازی…………………………………………………………. ۶۳
۵-۲ طراحی کنترل کننده فازی………………………………………………………………….. ۶۴
۱-۲-۵ ساختار يك كنترل كننده فازي…………………………………………………………… ۶۴
۱-۱-۲-۵ فازی کنند………………………………………………………………………………. ۶۵
۲-۱-۲-۵ پايگاه قواعد……………………………………………………………………………. ۶۶
۳-۱-۲-۵ موتور استنتاج……………………………………………………………………………. ۶۶
۴-۱-۲-۵ غیر فازی ساز……………………………………………………………………………… ۶۷
۳-۵ طراحی کنترل‌کننده فازی بهینه شده با الگوریتم PSO ا……………………………………..۶۸
5-3-1 نتایج شبیه سازی…………………………………………………………………………….. ۷۲

فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات

۱-۶ نتیجه گیری……………………………………………………………………………………… ۷۹
۲-۶ پیشنهادات………………………………………………………………………………………. ۸۱

نحوه خرید

دانلود رایگان فایل
شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

برای دسترسی به این فایل ابتدا باید اشتراک خریداری کنید. برای خرید اشتراک بر روی لینک زیر کلیک کنید.

ارتقاء عضویت

در صورت بروز هر گونه مشکل در روند خرید اینترنتی، بخش پشتیبانی کاربران آماده پاسخگویی به مشکلات و سوالات شما می باشد

راهنمای سایت

برخلاف سایت های دیگر که فایل ها را به صورت تکی می فروشند روال سایت ما این است که شما با عضویت در سایت ما میتوانید از تمام فایل های موجود استفاده کنید.

تمام مطالب سایت فقط برای اعضای سایت رایگان است.

نحوه عضویت در سایت