کاهش انحراف فرکانس یک ریزشبکه متصل به شبکه اصلی با استفاده از منطق فازی و الگوریتم PSO

208216534290
وزارت علوم، تحقیقات و فناوری
دانشگاه علوم و فنون مازندران
پایان نامه
مقطع کارشناسی ارشد
رشته: مهندسی برق قدرت
عنوان : کاهش انحراف فرکانس یک ریزشبکه متصل به شبکه اصلی با استفاده از منطق فازی و الگوریتم PSO
استاد راهنما : دکتر عبدالرضا شیخ الاسلامی
استاد مشاور: مهندس عماد صمدائی
دانشجو : محمدرضا زینی حاجیکلا
(بهمن 1393)
تشکر و قدردانی
شکر شایان نثار ایزد منان که توفیق را رفیق راهم ساخت تا این پایان نامه را به پایان برسانم. از استاد فاضل و اندیشمند جناب آقای دکتر شیخالاسلامی به عنوان استاد راهنما و آقای مهندس عماد صمدائی به عنوان مشاور که همواره نگارنده را مورد لطف و محبت خود قرار دادهاند، کمال تشکر را دارم.
در پایان از زحمات خانواده خوبم و همسر مهربانم و دوستان عزیزم و سایر کسانی که در تدوین این تحقیق مرا یاری نمودند متشکرم و از خداوند منان سلامت و سعادت ایشان را خواستارم.
چکیده
امروزه به علت به وجود آمدن ریز شبکهها و گرایش وتمایل متصل شدن این شبکهها به هم و شبکه اصلی مسائلی از قبیل پایداری فرکانسی و ولتاژی مطرح شده است که کارهای زیادی در راستای کنترل فرکانس این قبیل سیستمها صورت گرفته است که روشهای مختلفی را برای شبکههای مختلف اتخاذ کردهاند از جمله کنترل کننده PI وکنترل کننده FGSPI و PID-Fuzzy و….
در این پایان نامه به ارائه یک سیستم کنترلی مناسب در یک شبکه دو ناحیهای که ناحیه اول شامل منابع تولید انرژی از انرژیهای تجدیدپذیر از جمله واحد بادی و خورشیدی و ناحیه دوم شامل منابع تولید انرژی از انرژیهای فسیلی از جمله واحد دیزلی، بخار و آبی میباشد پرداخته شده است. ابتدا به مدلسازی دینامیکی مناسب از اجزای این سیستم مبادرت شده است و براساس مدل دینامیکی ارائه شده، اقدام به طراحی کنترلکننده صورت گرفته است. سه نوع استراتژی کنترلی برای این سیستم، طراحی و در محیط سیمولینک متلب شبیهسازی شده است. اولین استراتژی کنترلی، طراحی کنترلکننده کلاسیک(PID) میباشد. دومین استراتژی کنترلی، طراحی کنترلکننده فازی میباشد و سومین استراتژی کنترلی بهینهسازی کنترلکننده فازی با الگوریتم هوشمند PSO میباشد. مشاهده خواهید کرد در استراتژی اول انحراف فرکانس T-Line به 0.06 هرتز میرسد و زمان زیادی طول میکشد که به مقدار پایدار خود صفر برسد و در استراتژی دوم مشاهده خواهید کرد که کنترل کننده فازی توانسته این نتیجه را بهبود ببخشد به طوری که انحراف فرکانس را به 0.018 هرتز رسانده و زمان 10 ثانیه طول کشیده تا به حالت ماندگار خود یعنی 0.012 هرتز برسد یعنی نتیجه در استراتژی دوم به نسبت استراتژی اول 13 برابر شده است. از آنجایی که حالت پایدار در استراتژی دوم مقدار مطلوبی نبوده در استراتژی سوم سعی به بهبود آن شده است. مشاهده خواهید کرد انحراف فرکانس T-Line نسبت به استراتژی دوم به نصف کاهش یافته به طوری که ماکزیمم مقدار 0.009 هرتز را تجربه کرده و زمان 6.2 ثانیه طول کشیده به حالت پایدار خود مقدار صفر برسد. در نهایت قابل ذکر است که کنترل کننده فازی بهینه شده با الگوریتم هوشمند pso توانسته انحراف فرکانس را نسبت به دو کنترل کننده دیگر به طور مشهودی بهبود دهد.
کلمات کلیدی: کنترل فرکانس- الگوریتم هوشمند PSO – دو ناحیهای- کنترل کننده Fuzzy – کنترل کننده کلاسیک PID
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه و کلیات تحقیق
1-1 مقدمه2
1-2 اهداف پایان نامه3
1-3 ساختار پایان نامه 4
فصل دوم: پیشینه تحقیق
2-1 مقدمه6
2-2 تولید پراکنده 6
2-2-1 تعریف تولید پراکنده6
2-2-2 انواع تولیدات پراکنده6
2-2-3 مزایای تولیدات پراکنده 7
2-2-4 بهرهبرداری از واحدهای تولید پراکنده 8
2-2-5 مشارکت منابع تولید پراکنده در سیستم توزیع 8
2-3 سیستمهای مستقل و وابسته9
2-3-1 سیستم متصل به شبکه10
2-3-2 مفهوم ناحیه کنترلی در سیستم قدرت10
2-4 سیستم ترکیبی(هیبریدی)10
2-4-1 مزایای ریز شبکهها و چالشهای سیستمهای ترکیبی12
2-5 انرژیهای تجدیدپذیر12
2-5-1 انرژی باد13
2-5-1-1 مزایای بهره برداری از انرژی بادی14
2-5-1-2 توربینهای بادی متصل به شبکه 15
2-5-1-3 توربین بادی منفرد متصل به شبکه15
2-5-1-4 توربین بادی یا مزارع بادی متصل به شبکه16
2-5-2 انرژی خورشیدی16
2-5-2-1 فتوولتائیک17
2-5-2-2 کاربرد سلولهای فتوولتائیک18
2-5-2-3 مزایا و معایب استفاده از سیستمهای فتوولتائیک19
2-5-2-4 مشکلات نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه20
2-6 سیستمهای ترکیبی در شبکه قدرت20
2-7 نیروگاه آبی22
2-7-1 مزایای نیروگاه آبی23
2-7-2 معایب نیروگاه آبی23
2-8 نیروگاههای دیزلی24
2-9 کنترل فرکانس شبکه25
2-9-1 اهداف کنترل فرکانس شبکه25
2-10کنترل کنندهها29
2-11 کنترل کلاسیک29
2-11-1 زمان صعود29
2-11-2 زمان نشست29
2-11-3 بیشترین فراجهش30
2-11-4 انتگرال قدر مطلق خطا30
2-12 تنظیم پارامترهای کنترل کننده PID با روش زیگلرنیکلز 31
2-13 سیستمهای Fuzzy32
2-14 طراحی کنترل کنندههای فازی33
2-15 ساختار یک کنترل کننده فازی33
2-15-1 پیش پردازنده34
2-15-2 فازی کننده34
2-15-3 پایگاه قواعد34
2-15-4 موتور استنتاج34
2-15-5 غیر فازی ساز35
2-15-6 پس پردازنده35
2-16 الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات37
2-17 تاریخچه الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات39
2-18 هوش جمعی40
2-19 پارامترهای الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات43
2-20 الگو بهینه محلی و بهینه سراسری46
فصل سوم: ساختار شبکه
3-1 ساختار شبکه پیشنهادی49
3-1-1 مدل تولید واحد بخار50
3-1-2 مدل تولید واحد هیدرو50
3-1-3 مدل دیزل ژنراتور51
3-1-4 مدل تولید ژنراتور توربین بادی52
3-1-5 مدل تولید توان فتوولتائیک54
3-2 مدل و روش کنترلی پیشنهادی54
فصل چهارم: نتایج شبیهسازی
4-1 مقدمه57
4-2 ساختار شبکه57
4-3 سیستم با کنترل کننده PID59
4-4 بهره کنترل کننده کلاسیک60
4-5 مقایسه نتایج کنترل کننده کلاسیک با کنترل کننده فازی61
4-5-1 ساختار کنترل کننده فازی61
4-5-2 بهره کنترل کننده فازی62
4-5-3 بخش فازی ساز62
4-5-4 پایگاه قواعد کنترل کننده فازی64
4-6 سیستم با کنترل کننده فازی65
4-7 ساختار کنترل کننده Fuzzy-pso67
4-7-1 بهره کنترل کننده Fuzzy-pso67
4-7-2 پارامترهای الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات68
4-8 سیستم در حضور کنترل کننده Fuzzy-pso 69
فصل پنجم: جمعبندی نهایی ، پیشنهادات و منابع
5-1 جمعبندی نهایی 73
5-2 پیشنهادات 74
5-3 منابع75
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول (2-1) تنظیم ضرایب کنترل کننده کلاسیک با استفاده از روش زیگلرنیکولز32
جدول(2-2) پایگاه قواعد کنترل کننده فازی36
جدول (3-1) مقادیر مورد استفاده در شبکه دو ناحیهای پیشنهادی55
جدول(4-1) بهره کنترل کننده PID ناحیه اول61
جدول(4-2) بهره کنترل کننده PID ناحیه دوم 61
جدول(4-3) بهره کنترل کننده فازی ناحیه اول62
جدول(4-4) بهره کنترل کننده فازی ناحیه دوم62
جدول(4-5) پایگاه قواعد کنترل کننده فازی 64
جدول(4-6) اختصارات پایگاه قواعد کنترل کننده فازی65
جدول(4-7) بهره کنترل کننده Fuzzy,Fuzzy-pso ناحیه اول68
جدول(4-8) بهره کنترل کننده Fuzzy,Fuzzy-pso ناحیه دوم68
جدول(4-9) پارامترهای الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات 69
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل(2-1) نیروگاه بادی منجیل 14
شکل (2-2) انرژی ساطع شده از خورشید17
شکل (2-3) نیروگاه عظیم خورشیدی سویل در اسپانیا18
شکل (2-4) نمونهای از یک شبکه ترکیبی 22
شکل (2-5) سد بتنی کارون 4 23
شکل (2-6) تابع کنترلی کنترلکننده TCPS 26
شکل (2-7) واحد خازنی ذخیره انرژی27
شکل (2-8) شبکه ایزوله با کنترلکننده PI 28
شکل (2-9) مدل کنترل فرکانسی ریز شبکه 28
شکل (2-10) نمایش بلوکی استفاده از کنترل کننده فازی به صورت مستقیم33
شکل (2-11) دیاگرام بلوکی ساختار کنترل کننده فازی34
شکل (2-12) گروهی از ماهیها که خطر شکارچی را پشت سر میگذارند 38
-9271010858500شکل (2-13) چند مثال از الگوههای موجود در طبیعت39
شکل (2-14) مراحل الگوریتم بهینهسازی انبوه ذرات43
شکل (3-1) بلوک دیاگرام شبکه پیشنهادی49
شکل (3-2) ) مدل دینامیکی یک نیروگاه حرارتی50
شکل (3-3) مدل دینامیکی یک واحد آبی51
شکل (3-4) مدل دیزل و گاورنر توسط معادله خطی مرتبه اول51
شکل (3-5) مدل استاندارد دیزل ژنراتور و سرعت گاورنر51
شکل (3-6) توان خروجی ژنراتور توربین بادی53
شکل (3-7) تابه انتقال ژنراتور توربین بادی53
شکل (3-8) مدل طراحی شده توربین بادی53
شکل (3-9) مدل دینامیکی واحد خورشیدی54
شکل (4-1) ساختار شبکه پیشنهادی57
شکل (4-2) تغییرات بار مصرفی در شبکه58
شکل (4-3) انحراف فرکانس ناحیه اول با کنترل کننده PID59
شکل (4-4) انحراف فرکانس ناحیه دوم با کنترل کننده PID59
شکل (4-5) انحراف فرکانسT-Line شبکه با کنترل کننده PID (روش سعی و خطا)60
شکل (4-6) انحراف فرکانسT-Line شبکه با کنترل کننده PID (روش زیگلرنیکولز)60
شکل (4-7) ساختار کنترل کننده فازی62
شکل (4-8)تابع عضویت ورودی اول63
شکل (4-9) تابع عضویت ورودی دوم63
شکل (4-10) تابع عضویت خروجی کنترل کننده فازی64
شکل (4-11) انحراف فرکانس ناحیه اول با کنترل کننده فازی65
شکل (4-12) انحراف فرکانس ناحیه دوم با کنترل کننده فازی65
شکل (4-13) انحراف فرکانسT-Line شبکه در حضور کنترلکننده فازی66
شکل(4-14) انحراف فرکانسT-line شبکه در حضور کنترلکننده فازیو کلاسیک به صورت مجزا66
شکل(4-15)بلوک دیاگرام سیستم کنترلی Fuzzy-PSO67
شکل(4-16) انحراف فرکانس ناحیه اول در حضور کنترلکنندهFuzzy-PSO69
شکل(4-17) انحراف فرکانس ناحیه دوم در حضور کنترلکنندهFuzzy-PSO70
شکل(4-18) انحراف فرکانسT-Line شبکه در حضور کنترلکنندهFuzzy-PSO70
شکل(4-19) انحراف فرکانسT-Line شبکه در حضور سه کنترلکننده Fuzzy, Fuzzy-PSO , PID به صورت مجزا71
فصل اول
مقدمه و کلیات تحقیق
1-1 مقدمه
پیامدهای محیطی، کمبود انرژی و نگرانیهای مربوط به بیشینه شدن مصرف سوختهای فسیلی باعث برانگیخته شدن تحقیقاتی راجع به انواع مختلف منابع انرژی جایگزین شده است. انرژی الکتریکی در زندگی روزمره ما رایج ترین نوع انرژی است ولی تولید آن اغلب از طریق سوزاندن سوختهای فسیلی حاصل میآید که این ذخایر سوختی محدودیتهای بسیاری دارد. این محدودیتها سبب شده تا تمایلات جدید به سمت تکنولوژیهای تولید توان تجدید پذیر از قبیل باد، خورشید و …جلب شود. در این میان استفاده از باد یکی از بهترین راههای تولید انرژی است. باد میتواند در مناطق دور دست از سیستم تامین انرژی متمرکز، به عنوان یک مکمل و یا حتی جایگزین نیروگاههای مرکزی مرسوم مورد استفاده قرار بگیرد[3]. تولید توان باد مشخصات خاص خودش را دارد که متفاوت از سیستمهای تولید موجود است. یک نیروگاه بادی ممکن است در یک لحظه به طور کامل یک بار را تامین کند ولی چند ثانیه بعد کمبود توان قابل توجهی داشته باشد. بنابراین، تولید توان در سیستمهای قدرت دارای عدم قطعیت میباشد، که به طور پیوسته در حال تغییر بوده و پیشبینی آن سخت است [6-4].
از آنجایی که توان باد به طور نامنظم تغییر میکند لذا لازم است یک منبع توان آماده به کار برای تامین تقاضای بار وجود داشته باشد. از این رو یک نیاز به ترکیب منابع، مانند باد و فتوولتائیک احساس میشود. سیستم باد- فتو ولتائیک یکی از سیستمهای توان هیبرید است که بیش از یک منبع انرژی استفاده مینماید. سیستم توان هیبرید ترکیبی از دو یا چند منبع توان الکتریکی است که حداقل یکی از آنها از نوع تجدید پذیر باشند [8-7]. سیستم هیبرید باد- فتوولتائیک قابلیت اطمینان کاملی را فراهم نمینماید، زیرا فتوولتائیک در برابر تغییرات سرعت باد و کمبود توان همواره به عنوان یک پشتیبان عمل میکند از طرفی چون خورشید در شب یا روزهای ابری وجود ندارد این پشتیبانی با مشکل مواجه میشود. لذا حس میشود که انرژی فتوولتائیک به تنهایی جهت پشتیبانی سیستم کافی نیست[10-9].لذا شبکهای با واحدهای متشکل از سوختهای فسیلی با این شبکه اتصال داده شده است.

1-2 اهداف پایان نامه
در این پایان نامه، از دو واحد تولید انرژی از انرژیهای تجدیدپذیر (باد و خورشید) و سه واحد تولید انرژی از انرژیهای فسیلی به صورت دو ناحیه جدا برای تولید توان در نظر گرفته شده است. تاکنون کارهای متعددی در زمینهی کنترل مناسب توان هیبرید باد – فتوولتائیک با واحد فسیلی انرژی جهت به دست آوردن عملکرد دینامیکی مطلوب و استخراج بیشترین بهرهوری از انرژی موجود ارائه شده است. یک رویکرد متداول استفاده از کنترلکنندههای کلاسیک میباشد. در سالهای اخیر، کنترلرهای منطق فازی در مهندسی سیستم قدرت، مورد توجه بسیار و رو به رشدی قرار گرفتهاند. منطق فازی یک سیستم استدلالی برای شکل دهی استدلال تقریبی است[13].
سیستم منطق فازی یک چهار چوب بسیار خوب برای مدل کردن کارآمد و کامل عدم قطعیت در استدلال بشری با استفاده از متغییرهای زبانی و توابع عضویت را فراهم مینماید. کنترلرهای منطق فازی در مقایسه با کنترلهای متداول از نظر عملکرد و مقاوم بودن در برابر عدم قطعیت، برتر بوده است. همچنین در سالهای اخیر از کنترلکننده فازی-کلاسیک به دلیل حساسیت و انعطاف پذیری آن در برابر تغییر پارامترها و تغییر بارهای بزرگ حتی در حضور عوامل غیرخطی نظیر محدودیت نرخ تولید مورد توجه قرار گرفته است[14]. در بخش اول این تحقیق به پیاده سازی یک مدل دینامیکی از سیستم توان هیبرید باد-فتوولتائیک با واحدهای فسیلی پرداخت شده است. سپس به طراحی کنترلری برای سیستم مذکور پرداخته شده است. اولین استراتژی، استفاده از کنترل کننده

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *