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

 

امروزه با توجه به نیاز روزافزون بشر به انرژی از یک سو و کاهش منابع سنتی انرژی از سویی دیگر، نیاز به یافتن منابع جدید انرژی به روشنی احساس می گردد. جایگزینی منابع فسیلی با انرژی های نو و تجدیدپذیر راهکاری است که مدت هاست مورد توجه کشورهای پیشرفته جهان قرار گرفته است. در بین منابع انرژی های نو، انرژی باد به دلیل پاک و پایان ناپذیر بودن، داشتن قابلیت تبدیل به انرژی الکتریکی و رایگان بودن گزینه مناسبی برای این منظور می باشد. مشکل عمده در بهره برداری از آن این است که تغییرات لحظه ای سرعت باد باعث ایجاد نوسانات در توان خروجی توربین بادی می شود که این نوسانات به شکل تغییر فرکانس در سرتاسر سیستم منعکس می شود و عملکرد سیستم را تحت تاثیر قرار می دهد. به صورت سنتی وظیفه کنترل فرکانس به عهده واحد های تولید کننده انرژی سنتی می باشد اما با افزایش مشارکت واحدهای تولید بادی در تولید انرژی برای بهبود عملکرد سیستم، آنها نیز باید در کنترل فرکانس شرکت کنند.

این پایانامه به بررسی نقش مشارکت واحدهای تولید بادی درکنترل فرکانس پرداخته است و برای کنترل فرکانس، کنترل هر چه بهتر تغییرات سرعت توربین های بادی پیشنهاد شده است. ابتدا سیستم قدرت مورد نظر با استفاده از کنترل کنندهPIکلاسیک برای کنترل کردن سرعت ژنراتور توربین بادی شبیه سازی شده و در ادامه به منظور بهبود عملکرد سیستم، بهینه سازی تنظیم پارامترهای کنترل کنندهPI با الگوریتم بهینه سازی هوشمند ازدحام ذرات پیشنهاد شده است. در پایان به علت اینکه سیستم های قدرت در حضور واحدهای بادی در معرض تغییر پارامترها و عدم قطعیت های زیادی قرار می گیرند جایگزینی کنترل کنندهPI با کنترل کننده فازی پیشنهاد شده است که غیر خطی می باشد و عملکرد مقاومتری نسبت به تغییر پارامترهای سیستم از خود نشان می دهد. بدیهی است با بهینه سازی کنترل کننده فازی مورد نظر با الگوریتم بهینه سازی هوشمند ازدحام ذرات نتایج مطلوب تری بدست می آید.

 کلید واژه: کنترل فرکانس سیستم قدرت- سیستم های تبدیل کننده انرژی باد- کنترل کننده PI– کنترل کننده فازی- الگوریتم ازدحام ذرات

 

فهرست مطالب

 

چکیده 1

فصل1: مقدمه

2

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

۵

۱-۲ انرژی باد

۶

۱-۱-۲ منشا باد

۶

۲-۱-۲ پیشینه استفاده از باد

۷

۳-۱-۲ مزایایانرژیبادی

۸

۴-۱-۲ ناکارآمدیهایانرژیبادی

۹

۵-۱-۲ وضعیتاستفادهازانرژیباددرسطحجهان

۱۰

۲-۲ فناوری توربین های بادی

۱۱

۱-۲-۲ توربینهایبادیبامحورچرخش افقی

۱۲

۲-۲-۲ توربینهایبادیبامحورچرخش 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 انرژیباد (WECS)بر اساس نحوه عملکرد

۲۰

۱-۳-۲ سیستم های تبدیل کننده انرژیباد(WECS) سرعتثابت

۲۰

۲-۳-۲ سیستم های تبدیل کننده انرژیباد(WECS) سرعتمتغیر

۲۲

۳-۳-۲ سیستم های تبدیل کننده انرژیبادبر مبنایژنراتورالقاییباتغذیهدوگانه (DFIG)

۲۴

۴-۳-۲ سیستم های تبدیل کننده انرژیباد مجهز بهتوربین های سرعتمتغیربامبدل فرکانسیباظرفیتکامل

۲۶

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

۲۷

۱-۳ مرورری بر کارهای انجام شده

۲۹

۲-۳ کنترل DFIG

۳۳

۳-۳ مدل دینامیکی سیستم تنظیم فرکانس توربین بادی با ژنراتورالقایی تغذیهدوگانه

۳۶

۴-۳ مدل دینامیکی ساختار تنظیم فرکانس سیستم تک ناحیه ای در حضور توربین بادی با ژنراتورالقایی تغذیهدوگانه (DFIG)

۴۰

۵-۳ الگوریتم حرکت گروهی پرندگان یا ازدحام ذرات PSO

۴۴

۶-۳ نتیجه گیری

۴۷

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

۴۸

۱-۴ بهینه سازی طراحی کنترل‌کننده PI با استفاده از روش بهینه سازی هوشمند ازدحام ذرات (PSO)

۴۹

۱-۱-۴ نتایج شبیه سازی کنترل کننده PI بهینه سازی شده با الگوریتم PSO

۵۳

۴-۲ نتیجه گیری

۵۹

فصل پنجم: طراحی کنترل کننده فازی

۶۱

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 ساختاریككنترلكنندهفازی

۶۴

۱-۱-۲-۵ فازی کننده

۶۵

۲-۱-۲-۵ پایگاهقواعد

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

۶۸

5-3-1 نتایج شبیه سازی

۷۲

فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات

78

۱-۶ نتیجه گیری

۷۹

۲-۶ پیشنهادات

۸۱

منابع و مراجع

 

فهرست جدول­ها

 

جدول ۱-۲: انواع توربین های عرضه شده در بازار

۱۱

جدول ۴-۱: اطلاعات شبیه سازی

۵۱

جدول ۲-۴: پارامترهای انتخابی الگوریتم PSO

۵۳

جدول ۳-۴: اطلاعات شبیه سازی

۵۳

جدول ۱-۵: پارامترهای انتخابی الگوریتم PSO

۷۳

جدول ۲-۵:پارامترهای بهینه شده کتترل کننده فازی با الگوریتم PSO

۷۳

فهرست شکل­ها

 

شکل ۱-۲ : تولید باد

۶

شکل ۲-۲: وسیله ای بر اساس طرح ایرانیان به منظور استفاده از انرژی باد [۱۰‍]

۷

شکل ۳-۲: ساختمانتوربینبادیمحورافقی [۱۱‍‍]

۱۳

شکل ۴-۲: توربینبادینوعداریوس (محورعمودی) [۱۱]

۱۳

شکل ۵-۲: نمایی از یک سیستم تبدیل انرژی بادی در توربین بادی با محور افقی [۱‍]

۱۴

شکل ۶-۲: دیاگرام سیستم بادی [۲]

۱۵

شکل ۷-۲: منحنی توان-سرعت باد یک توربین بادی زاویه گام قابل تنظیم ۱۵۰۰ کیلوواتی با سرعت قطع خروجی ۲۵ متربرثانیه [۲‍]

۱۶

شکل ۸-۲ : نمودار تغییرات بر حسب تغییرات زاویه گام و نسبت سرعت نوک برای توربین بادی زاویه گام متغیر [۱]

۱۸

شکل ۹-۲: نمودار تغییرات بر حسب تغییرات زاویه گام و نسبت سرعت نوک برای توربین بادی زاویه گام متغیر [۱]

۱۹

شکل ۱۰-۲: نمودار تغییرات و بر حسب تغییرات زاویه گام و نسبت سرعت نوک برای توربین بادی زاویه گام ثابت ‌[۱]

۲۰

شکل ۱۱-۲: توربینبادیسرعتثابت

۲۱

شکل ۱۲-۲: آرایشی از توربینبادیباسرعتمتغیرمحدودبامقاومتمتغیررتور

۲۳

شکل ۱۳-۲: ساختمانتوربینبادینوع DFIG

۲۵

شکل ۱-۳: نمایی از عملکرد سیستم تبدیل انرژی باد

۳۴

شکل ۲-۳: ساختار کنترل کننده توربین بادی DFIG [۳۰]

۳۵

شکل ۳-۳: مدل دینامیکی سیستم قدرت تک ناحیه ای در حضور واحدهای تولید غیر سنتی (بادی)[۳۰]

۳۶

شکل ۴-۳: مدل دینامیکی توربین بادی دارای ژنراتور DFIG به منظور تنظیم فرکانس[۳۰]

۳۷

شکل ۵-۳: بلوک دیاگرام سیستم تنظیم فرکانس سیستم قدرت تک ناحیه ای در حضور توربین بادی DFIG [۳۰]

۴۱

شکل ۶-۳: شماتیک برداری روابط الگوریتم PSO

۴۵

شکل ۷-۳: فلوچارت الگوریتم PSO

۴۶

شکل ۱-۴: سیستم حلقه بسته

۵۰

شکل ۲-۴: نمودار تغییرات سرعت توربین بادی- زمان برای کنترل‌کننده PI کلاسیک به ازای تغییر بار ، و

۵۱

شکل ۳-۴: سیستم حلقه بسته با اضافه کردن انتگرال مربع خطا

۵۲

شکل ۴-۴: نمودار تغییرات سرعت توربین بادی- زمان برای کنترل‌کننده PI بهینه به ازای تغییر بار ، و

۵۴

شکل ۵-۴: مقایسه نمودار تغییرات سرعت توربین بادی- زمان برای کنترل‌کننده PI بهینه و کلاسیک به ازای تغییر بار

۵۵

شکل 6-۴: نمودار فرکانس با در نظر گرفتن کنترل کننده PIکلاسیک برای کنترل سرعت توربین بادی به ازای تغییر بار

۵۶

شکل7-۴: نمودار فرکانس با در نظر گرفتن کنترل کنندهPIبهینه برای کنترل سرعت توربین بادی به ازای تغییر بار

۵۶

شکل 8-۴: نمودار فرکانس با در نظر گرفتن کنترل کننده PI کلاسیک برای کنترل سرعت توربین بادی به ازای تغییر بار

۵۷

شکل 9-۴: نمودار فرکانس با در نظر گرفتن کنترل کنندهPI بهینه برای کنترل سرعت توربین بادی به ازای تغییر بار

۵۷

شکل ۱0-۴: تغییرات توان تولید شده توسط واحدهای بادی با در نظر گرفتن کنترل کننده PI کلاسیک برای کنترل سرعت توربین بادی

۵۸

شکل ۱1-۴: تغییرات توان تولید شده توسط واحدهای بادی با در نظر گرفتن کنترل کننده PI بهینه برای کنترل سرعت توربین بادی

۵۹

شکل ۱-۵: نماییازیككنترلكنندهفازی

۶۵

شکل ۲-۵: مثال هایی از توابع عضویت: (a) تابع z ، (b) گوسین، (c) تابع s، (d-f) حالتهایمختلفمثلثی، (g-i) حالتهایمختلفذوزنقهای، (j) گوسینتخت،(k) مستطیلی، (l) تكمقداری

۶۵

شکل ۳-۵: تابع عضویت خطا

۶۹

شکل ۴-۵: تابع عضویت مشتق خطا

۶۹

شکل ۵-۵: نمودار تغییرات سرعت توربین بادی برای کنترل کننده PI بهینه به ازای تغییر بار

۷۲

شکل ۶-۵: نمودار تغییرات سرعت توربین بادی با کنترل کننده فازی بهینه شده با الگوریتم PSOبه ازای ورودی اغتشاش

۷۴

شکل ۷-۵: نمودار تغییرات سرعت توربین بادی با کنترل کننده فازی بهینه شده با الگوریتم PSOبه ازای ورودی اغتشاش

۷۴

شکل ۸-۵: نمودار تغییرات سرعت توربین بادی با کنترل کننده فازی بهینه شده با الگوریتم PSOبه ازای ورودی اغتشاش

۷۵

شکل ۹-۵: نمودار تغییرات سرعت توربین بادی با کنترل کننده فازی بهینه شده با الگوریتم PSOبه ازای ورودی اغتشاش

۷۵

شکل ۱۰-۵: نمودار فرکانس با در نظر گرفتن کنترل کننده فازی بهینه برای کنترل سرعت توربین بادی به ازای تغییر بار

۷۶

شکل ۱۱-۵: نمودار فرکانس با در نظر گرفتن کنترل کنندهفازی بهینه برای کنترل سرعت توربین بادی به ازای تغییر بار

۷۶

شکل ۱۲-۵: نمودار فرکانس با در نظر گرفتن کنترل کننده فازیبهینه برای کنترل سرعت توربین بادی به ازای تغییر بار

۷۷

شکل ۱۳-۵: نمودار فرکانس با در نظر گرفتن کنترل کننده فازیبهینه برای کنترل سرعت توربین بادی به ازای تغییر بار

۷۷

برق