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 ……………………………………………………………………….۱

فصل۱: مقدمه

امروزه با توجه به نیاز روزافزون بشر به انرژی الکتریکی از یک سو و محدودیت ذخایر سوخت‌های فسیلی و همچنین نگرانی‌های زیست محیطی در پی افزایش گاز دی اکسید کربن و دیگر گاز‌های گلخانه‌ای از سویی دیگر، نیاز به یافتن منابع جدید انرژی به روشنی احساس می‌گردد. جایگزینی منابع فسیلی با انرژی‌های نو و تجدیدپذیر راهکاری است که مدت‌هاست مورد توجه کشور‌های پیشرفته جهان قرار گرفته است. یکی از مهمترین انرژی‌های تجدید پذیر، انرژی باد می‌باشد. انرژی باد پایان ناپذیر، رایگان و پاک است در ضمن به راحتی قابل تبدیل به انرژی الکتریکی می‌باشد پس می‌تواند در بین منابع انرژی‌های 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 می‌شود تا سال ۲۰۲۰ در حدود ۱۰% انرژی کل دنیا توسط نیروگاه‌های 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 کمی 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 واحد‌های تولید بادی به شبکه‌های الکتریکی موجود، تاثیر قابل ملاحظه‌ای بر طراحی، کارکرد و کنترل شبکه خواهد گذاشت.
به علت متغیر بودن سرعت باد سرعت توربین‌های بادی مدام در حال تغییر است و از آنجایی که توان خروجی توربین‌های بادی با مکعب سرعت باد متناسب است تغییرات لحظه‌ای سرعت باد باعث ایجاد نوسانات در توان خروجی توربین بادی می‌شود و این نوسانات به شکل تغییر فرکانس در سرتاسر سیستم منعکس می‌شود. از طرفی می‌دانیم به منظور اینکه یک سیستم قدرت عملکرد رضایت بخشی داشته باشد، ثبات فرکانس در آن امری ضروری است. پس می‌توان گفت در حضور واحد‌های تولید بادی در سیستم ‌های قدرت که آشفتگی‌ها و تغییر پارامتر‌های بیشتری را به سیستم تحمیل می‌کنند کنترل فرکانس سیستم بیش از پیش مورد توجه قرار می‌گیرد و نیازمند مطالعات بیشتری می‌باشد.
به صورت سنتی سیستم‌های تبدیل کننده انرژی بادی (WECS) در کنترل فرکانس شرکت نمی‌کنند، به این معنی که وقتی فرکانس در شبکه زیاد یا کم می‌شود واحد‌های بادی تولید خود را زیاد یا کم نمی‌کنند بلکه با افزایش یا کاهش تولید واحد‌های سنتی افت یا افزایش فرکانس جهت نگه داشتن فرکانس شبکه در محدوده مجاز خود، جبران می‌شود. اما با افزایش مشارکت واحد‌های تولید بادی در تولید انرژی برای بهبود عملکرد سیستم، آنها نیز باید در کنترل فرکانس شرکت کنند.
.

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

فصل۲: انرژی باد و انواع توربین های بادی

یکی از مهمترین انرژی‌های تجدید پذیر، انرژی باد می‌باشد. انرژی باد ارزان، فراوان، پاک و به راحتی قابل تبدیل به انرژی الکتریکی می‌باشد. 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 می‌نماید. 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 می‌پردازد.

۱-۱-۲ منشأ باد
انرژی باد، انرژی حاصل از هوای متحرک می‌باشد. هنگامی که تابش خورشید به طور نامساوی به سطوح ناهموار زمین می‌رسد سبب ایجاد تغییرات دما و فشار می‌گرددو در اثر این تغییرات باد به وجود می‌آید. همچنین اتمسفر کره زمین به دلیل حرکت وضعی زمین، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می‌دهد که این امر نیز باعث به وجود آمدن باد می‌گردد. جریان اقیانوسی نیز به صورت مشابه عمل نموده و عامل ۳۰% انتقال حرارت کل در جهان می‌باشد[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 زمانهای بسیار دور انرژی باد را به شیوه های مختلف بکار گرفته است. ایرانیان از اولین کسانی بودند که در حدود ۲۰۰ سال قبل از میلاد مسیح، برای آردکردن غلات از آسیاب های بادی استفاده کرده اند که آثار آن امروزه نیز در نواحی خواف و تایباد در شرق کشور به چشم می‌خورد .یونانیان برای خرد کردن دانه ها و مصریها ، رومی ها و چینی ها برای قایقرانی و آبیاری از انرژی باد استفاده می کردند[۳‍].

شکل ۲-۲: وسیله ای بر اساس طرح ایرانیان به منظور استفاده از انرژی باد [۳]
بعدها استفاده ار توربین های بادی با محور قائم معمول شد. در قرن سیزدهم، این نوع توربین ها توسط سربازان صلیبی به اروپا برده شد. مردم هلند طرح پایه آسیابهای بادی را بهبود دادند و به این ترتیب در اواسط قرن نوزدهم در این کشور در حدود نه هزار ماشین بادی به منظورهای گوناگون مورد استفاده قرار گرفت[۳]. همین امر باعث شد تا این کشور در زمره غنی ترین و صنعتی ترین کشورهای اروپا قرار گیرد.استفاده از انرژی باد در ایالات متحده از سال ١٨۵۴ شروع شد. از این ماشین ها بیشتر برای بالا کشیدن آب از چاههای آب و بعدها برای تولید الکتریسیته استفاده می گردید. بزرگترین ماشین بادی در زمان جنگ جهانی دوم توسط آمریکائی ها ساخته شد. در شوروی سابق در سال ١٩٣١ ماشینی بادی با محور افقی به کار انداخته شد که ارتفاع برج آن ٢٣ متر و قطر پره هایش ۳۰/۵ متر بود و انتظار می‌رفت ١٠٠ کیلو وات برق به شبکه بدهد[۳].
۳-۱-۲ مزایای انرژی بادی
در این بخش به تعدادی از مزایای استفاده از انرژی باد اشاره شده است[۴].
• برخورداری از منبع انرژی پایان ناپذیر و فن آوری آزموده؛
• کاهش آلودگیهای زیست محیطی، بطور کلی با جایگزینی انرژی تولیدی با استفاده از منبع باد به جای انرژی تولیدی از نیروگاه های سوخت فسیلی می‌توان از انتشار گازهای گلخانه ای کاست. از طرف دیگر جاذبه های طبیعی و چشم انداز سیستم های انرژی بادی نمادی از انرژی پاک برای مردم تلقی می‌گردند؛
• عدم نیاز توربین های بادی به سوخت که در نتیجه از میزان مصرف سوخت های فسیلی می‌کاهد؛
• رایگان بودن انرژی باد؛
• با توجه به سریعتر بودن وزش باد در زمستان، در نتیجه در این فصل که نیاز بیشتری به برق داریم می توانیم الکتریسیته بیشتری تولید کنیم؛
• قدرت مانور زیاد جهت بهره برداری در هر ظرفیت و اندازه (از چند وات تا چندین مگاوات)؛
• عدم نیاز به آب؛
• عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب و امکان استفاده در زمین های کشاورزی؛
• امکان بهره برداری همراه با سایر انرژی های نو نظیر فتوولتایی؛
• کاربردهای غیرنیروگاهی؛

۱-۲ انرژی باد…………………………………………………………………….. ۶
۱-۱-۲ منشا باد ……………………………………………………………………۶
۲-۱-۲ پیشینه استفاده از باد…………………………………………………… ۷
۳-۱-۲ مزایای انرژی بادی……………………………………………………….. ۸
۴-۱-۲ ناکارآمدیهای انرژی بادی………………………………………………… ۹
۵-۱-۲ وضعیت استفاده از انرژی باد در سطح جهان ………………………..۱۰
۲-۲ فناوری توربین های بادی…………………………………………………… ۱۱
۱-۲-۲ توربینهای بادی با محور چرخش افقی…………………………………. ۱۲
۲-۲-۲ توربینهای بادی 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 متغیر…………………. ۲۲
۳-۳-۲ سیستم های تبدیل کننده انرژی باد بر مبنای ژنراتور القایی با تغذیه دوگانه (DFIG)ا. ۲۴
۴-۳-۲ سیستم های تبدیل کننده انرژی باد مجهز به توربین های سرعت متغیر با مبدل فرکانسی با ظرفیت 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 القایی تغذیه 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 القایی تغذیه 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 القایی تغذیه دوگانه…. ۳۶
۴-۳ مدل دینامیکی ساختار تنظیم فرکانس سیستم تک ناحیه ای در حضور توربین بادی با ژنراتور القایی تغذیه 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.
۱- 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.
۲- مکان اولیه پرندگان یا ذرات و سرعت اولیه آنها در این مرحله تعیین می¬گردد.
۳- سپس باید مقدار اولیه پارامترهای بهینه‌سازی یعنی و مشخص گردد.
۴- در این مرحله هزینه اولیه ذرات بر اساس معیار ISE با شبیه سازی مدل سیمولینک و محاسبه انتگرال مربع خطا تعیین می¬گردد.
۵- حلقه تکرار الگوریتم PSO برای رسیدن به پارامترهای بهینه شروع می¬شود.
۶- 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 یک کنترل¬کننده فازی 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
یکی از روش¬های کنترلی که در سالهای اخیر فکر دانشمندان علوم کنترل را به خود مشغول داشته، طراحی سیستم¬هایی است که بتوانند از توانایی¬های انسان در حل مسائل پیچیده تقلید کنند. سیستم¬هایی که قادر باشند در برخورد با پیچیدگی¬ها و عدم قطعیت¬هایی که در یک محیط واقعی وجود دارند بر اساس درک داده هایی که به جای ارزش عددی، ارزش کیفی دارند با انجام پردازش¬هایی بر روی آنها عملکردی بهینه از خود ارائه دهند. در این رهگذر روش¬های کنترلی نوینی ارائه شده است که از جمله آنها، سیستم¬های کنترلی مبتنی بر ریاضیات و منطق فازی می 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. سیستم¬های فازی بر اساس ایده مجموعه¬های فازی استوار می باشند. یک مجموعه فازی مشابه مجموعه¬های معین از تعدادی عنصر تشکیل شده است که در آن مرز قطعی بین عضویت و عدم عضویت 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 دیگر یک عنصر می تواند به اندازه یک عدد بین صفر تا یک، عضو یک مجموعه فازی 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 یک کنترل کننده فازی…………………………………………………………… ۶۴
۱-۱-۲-۵ فازی کنند………………………………………………………………………………. ۶۵
۲-۱-۲-۵ پایگاه 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
۵-۳-۱ 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

آخرین مطالب

مطالب مرتبط