کنترل فرکانس در سیستم قدرت در حضور نیروگاه خورشیدی و سیستم ذخیره انرژی با باتری

وزارت علوم، تحقیقات و فناوری
دانشگاه علوم و فنون مازندران
پایـان نـامـه
مقطـع کارشناسـی ارشـد
رشته:مهندسی برق قدرت
عنـوان: کنترل فرکانس در سیستم قدرت در حضور نیروگاه خورشیدی و سیستم ذخیره انرژی با باتری
استـاد راهنمـا: جنـاب آقای دکترعبدالرضا شیخ الاسلامی
استـاد مشاور: رویا احمدی
دانشجـو: پژمان فیروزه (89451117)
تابستان 1392

سپاس خداوند بزرگ که شرایط تحصیل و زندگی را بر من آسان نمود.
تقدیم به مادر و پدر عزیزم که موفقیت هایم را مدیون حمایت و همدلی شان می باشم.
با تشکر از زحمات استاد عزیز جناب آقای دکتر شیخ الاسلامی و سرکار خانم دکتر رویا احمدی که در تدوین و ارائه این پایان نامه نهایت لطف و همراهی بی شائبه خود را به اینجانب داشتند.
چکیده:خورشید یک منبع عظیم انرژی محسوب می شود و با توجه به کاهش هزینه های ساخت سلول های خورشیدی در طول زمان، استفاده از سیستم های فتوولتائیک جهت تولید برق به عنوان یکی از منابع تولید پراکنده مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. مزیت نیروگاه های خورشیدی بر آن است که به یک بار هزینه راه اندازی و نصب نیاز داشته و انرژی رایگان، با هزینه اندک تعمیرات و نگه داری به شبکه تا مدت طولانی تحویل می دهد. مشکل عمده نیروگاه های توان بالای متصل به شبکه قدرت، وابستگی توان تولیدی شبکه به شرایط آب و هوایی می باشد که رفع این مشکل با کنترل فرکانس شبکه با روش های هوشمند و استفاده از تجهیزات با سرعت بالا و همچنین استفاده از نیروگاه ذخیره انرژی به صورت کاملا بهینه انجام پذیر می باشد .در اینجا سعی بر طراحی یک سیستم کنترلی هوشمند برای کنترل فرکانس یک شبکه الکتریکی قدرت، تشکیل یافته از تولید هیبرید خورشید، گاز و ذخیره ساز باتری، می باشد. این سیستم کنترلی هوشمند به صورت خودکار ضرایب کنترلی را برای نیروگاه گازی و باتری محاسبه می نماید. در این روش برای تعیین مقادیر ضرایب کنترل کننده فازی از روش الگوریتم پرندگان استفاده شده که موجب بهینه سازی هر چه بهتر معیار خطا برای به دست آوردن ضرایب کنترل کننده فازی شده است. مدل سیستم کنترل فازی در متلب دارای انعطاف در شبیه سازی محیط سیمولینک نمی باشد و در حین انجام سیولینک شبکه نمی تواند، مقادیر رنج های ورودی و خروجی فازی را تغییر دهد. در این پایان نامه تمام کد های فازی و توابع عضویت در محیط متلب نوشته شده است و با توابع دیگر به سیستم شبکه قدرت سیمولینک اتصال پیدا کرده و نتایج را در حافظه می تواند ذخیره داشته باشد. تمام اجزا نیروگاه خورشیدی به طور کامل شبیه سازی شده از مدل کردن یک سلول تا پنل خورشیدی و اتصال چندین هزار پنل به یکدیگر تست شده و مدار ردیاب حداکثر توان نیروگاه خورشیدی شبیه سازی شده و تعیین مقدار سلف و خازن آن با شبیه سازی تعیین گشته شده است و تعداد سوییچینگ مبدل بوست سیستم با الگوریتم ردیابی و مشاهده استفاده شده است. به منظور بررسی، ابتدا شبکه قدرت به صورت بلوک کنترلی لاپلاس مدل شده و بار را تغییر می دهیم. همان طور که نتایج را مشاهده می کنیم در صورت استفاده کنترل فازی بهبود یافته با الگوریتم پرندگان زمان نشست نسبت به کنترلر معمول و نسبت به کنترلر انتگرالگیر ساده بهبود یافته است. پیک حداکثر خطای فرکانس در صورت استفاده کنترل فازی بهبود یافته با الگوریتم پرندگان نسبت به کنترلر معمول و نسبت به کنترلر انتگرالگیر ساده نیز بهبود یافته است. سپس اجزاء دینامیکی به طور کامل مدل شده در شبیه سازی، کارایی استراتژی پیشنهادی را مشاهده کرده و با روش های دیگر مقایسه می نماییم. نتایج حاصل از شبیه سازی بیانگر رفتار دقیق شبکه قدرت می باشد در نتیجه امکان ناپایداری در سیستم وجود داشته با این حال الگوریتم هوشمند جواب های مقدار کنترل قازی را محاسبه کرده و نتایج نشان دهنده کارایی بالای روش پیشنهادی می باشند.

TOC \o “1-3” \h \z \u فصل اول PAGEREF _Toc368362211 \h 1مقدمه و کلیات تحقیق PAGEREF _Toc368362212 \h 11-1 مقدمه PAGEREF _Toc368362213 \h 21-1-1 مشخصات نیروگاه خورشیدی: PAGEREF _Toc368362214 \h 21-1-2 مزایای استفاده از نیروگاه خورشیدی: PAGEREF _Toc368362215 \h 31-1-2-1 مطالعات در ایران: PAGEREF _Toc368362216 \h 31-1-2-2 تولید برق بدون نیاز به انرژی های دیگر: PAGEREF _Toc368362217 \h 31-1-2-3 عدم احتیاج به آب زیاد : PAGEREF _Toc368362218 \h 31-1-2-4 عدم آلودگی محیط زیست PAGEREF _Toc368362219 \h 31-1-2-5 امکان تامین شبکه های کوچک و ناحیه ای: PAGEREF _Toc368362220 \h 41-1-2-6 استهلاک کم و عمر زیاد: PAGEREF _Toc368362221 \h 41-1-2-7 عدم احتیاج به متخصص PAGEREF _Toc368362222 \h 41-1-3 مشکلات نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه: PAGEREF _Toc368362223 \h 41-1-4 کنترل فرکانس شبکه: PAGEREF _Toc368362224 \h 51-1-5 اهداف کنترل فرکانس شبکه قدرت: PAGEREF _Toc368362225 \h 51-1-6 شبیه سازی شبکه قدرت برای کنترل فرکانس شبکه متصل به نیروگاه خوشیدی: PAGEREF _Toc368362226 \h 61-1-7 لزوم استفاده نیروگاه ذخیره انرژی در شبکه: PAGEREF _Toc368362227 \h 71-1-8 روش کنترلی هوشمند استفاده شده و معیار اندازه گیری انحراف فرکانس: PAGEREF _Toc368362228 \h 71-1-9 مزیت روش پیشنهادی PAGEREF _Toc368362229 \h 71-1-10آنچه پیشرو داریم: PAGEREF _Toc368362230 \h 8فصل دوم PAGEREF _Toc368362231 \h 9ادبیات موضوع PAGEREF _Toc368362232 \h 9مقدمه: PAGEREF _Toc368362233 \h 102-1 کنترل فرکانس از دیدگاه کنترلی PAGEREF _Toc368362234 \h 102-1-1 کنترل کننده PI PAGEREF _Toc368362235 \h 102-1-2روش دو درجه ی آزادی در کنترل داخلی : PAGEREF _Toc368362236 \h 112-2روش های کنترل هوشمند PAGEREF _Toc368362237 \h 122-2-1الگوریتم ژنتیک PAGEREF _Toc368362238 \h 122-2-2 الگوریتم جستجوی گرانشی PAGEREF _Toc368362239 \h 142-2-3 بهینه سازی گروهی پرندگان : PAGEREF _Toc368362240 \h 152-2-4 شبکه عصبی مصنوعی : PAGEREF _Toc368362241 \h 162-2-5کنترل منطق فازی PAGEREF _Toc368362242 \h 192-2-5-1خود سازماندهی کنترل فازی PAGEREF _Toc368362243 \h 242-2-5-2الگوریتم ژنتیک در مدل فازی برای کنترل بار فرکانس PAGEREF _Toc368362244 \h 242-3روش کنترل با منطق فازی: PAGEREF _Toc368362245 \h 272-4سیستم کنترل فرکانس: PAGEREF _Toc368362246 \h 312-5 مدل ذخیره انرژی : PAGEREF _Toc368362247 \h 322-6 مدل اینورتر برای تولید DC/AC PAGEREF _Toc368362248 \h 34فصل سوم PAGEREF _Toc368362249 \h 35روش تحقیق PAGEREF _Toc368362250 \h 353-1 مقدمه: PAGEREF _Toc368362251 \h 363-2مدل فازی: PAGEREF _Toc368362252 \h 363-2-1:قسمت های مختلف یک سیستم فازی PAGEREF _Toc368362253 \h 363-2-2مدل کنترلر ترکیب فازی با PI: PAGEREF _Toc368362254 \h 393-3 الگوریتم بهینه سازی گروه پرندگان: PAGEREF _Toc368362255 \h 403-4 کاربردی ازPSO در ریاضیات: PAGEREF _Toc368362256 \h 413-5 تشریح عملکرد پیدا کردن ضرایب کنترلر فازی و کنترلر PI و بهبود کارایی: PAGEREF _Toc368362257 \h 43فصل چهارم PAGEREF _Toc368362258 \h 48محاسبات و PAGEREF _Toc368362259 \h 48یافته های تحقیق PAGEREF _Toc368362260 \h 484-1مقدمه PAGEREF _Toc368362261 \h 494-2-1 مدل شبیه سازی شده به صورت بلوک کنترلی با توابع لاپلاس: PAGEREF _Toc368362262 \h 494-2-2 مدل شبیه سازی شده کامل شبکه قدرت: PAGEREF _Toc368362263 \h 504-3 پنل خورشیدی: PAGEREF _Toc368362264 \h 514-4 مشخصه های پانل فتوولتائیک: PAGEREF _Toc368362265 \h 514-5 مدل و مشخصات سیستم فتوولتاییک: PAGEREF _Toc368362266 \h 524-6مدل ردیابی حداکثر توان PAGEREF _Toc368362267 \h 544-7 مدار داخلی مبدل بوست شبیه سازی شده در متلب : PAGEREF _Toc368362268 \h 584-8 الگوریتمMPPT: PAGEREF _Toc368362269 \h 594-8-1روش کنترل P&O: PAGEREF _Toc368362270 \h 594-8-2 روش هدایت افزایشی: PAGEREF _Toc368362271 \h 594-8-3دنبال کننده حداکثر توان(MPPT): PAGEREF _Toc368362272 \h 604-8-4 الگوریتمMPPT شبیه سازی شده در متلب : PAGEREF _Toc368362273 \h 614-9 مدل اینورتر: PAGEREF _Toc368362274 \h 624-10 مدل اینورتر شبیه سازی شده در متلب : PAGEREF _Toc368362275 \h 634-11 مدل واحد: PAGEREF _Toc368362276 \h 654-12مدل کردن نیروگاه گازی: PAGEREF _Toc368362277 \h 654-13 مدل بار: PAGEREF _Toc368362278 \h 664-14 مدل موتور محرک: PAGEREF _Toc368362279 \h 664-15مدل گاورنر: PAGEREF _Toc368362280 \h 664-16مدل خط ارتباطی: PAGEREF _Toc368362281 \h 684-17مدل ذخیره ساز انرژی : PAGEREF _Toc368362282 \h 684-18 مقایسه PI-FUZZYدر مدل بلوکی بدون باتری: PAGEREF _Toc368362283 \h 694-19 مقایسه کنترلرها در حضور تمام تجهیزات در مدل بلوکی: PAGEREF _Toc368362284 \h 70حال مدل فازی را در شرایط گوناگون بررسی می کنیم : PAGEREF _Toc368362285 \h 714-20-1بدون حضور خورشید و باتری: PAGEREF _Toc368362286 \h 714-20-2 با حضور باتری : PAGEREF _Toc368362287 \h 724-20-3 نتایج با حضور نیروگاه خورشید و باتری : PAGEREF _Toc368362288 \h 75فصل پنجم PAGEREF _Toc368362289 \h 80نتیجه گیری و پیشنهادات PAGEREF _Toc368362290 \h 805-1 نتیجه گیری : PAGEREF _Toc368362291 \h 815-2 پیشنهادات: PAGEREF _Toc368362292 \h 82
فهرست اشکال، نمودارها و جداول
شکل 2-1 ساختارTDF-IMC………………………………………………………………………………………………..12
شکل 2-2 مدل کردن برای الگوریتم ژنتیک…………………………………………………………………………………14
شکل 2-3 کنترلر سیستم قدرت تک منطقه ای…………………………………………………………………………… 15
شکل 2-4 عملکرد بهینه سازی pso…………………………………………………………………………………………16
شکل 2-5 یک لایه شبکه عصبی……………………………………………………………………………………………….18
شکل2-6 نمای پایه یک شبکه فازی…………………………………………………………………………………………..19
شکل 2-7 سیستم تولید قدرت منطق فازی پایه مرکزی……………………………………………………………….21 شکل2-8 توابع عضویت کنترل فازی…………………………………………………………………………………………22
شکل2-9 مدل فازی برای مرجع………………………………………………………………………………………………23
شکل2-10معماری کنترل فازی خود سازماندهی شده ……………………………………………………………….24
شکل 2-11 مسیر برای آموزش در طرح الگوریتم ژنتیک………………………………………………………………25
شکل 2-12 نمودار کلی یک سیستم قدرت دو منطقه……………………………………………………………………27
شکل2- 13ساختار پایه ای از یک سیستم کنترل فازی………………………………………………………………….28
شکل2-14 توابع فازی برای کارکرد مدل MPPT……………………………………………………………………..28
شکل 2-15 اتصال دو سیستم دارای MPPT مجزا به یکدیگر……………………………………………………30
شکل2-16 شماتیک ساختار سیستم قدرت………………………………………………………………………………..31
شکل 2-17 مدل یک BES در شبکه قدرت…………………………………………………………………………….32
شکل 2-18 اجزاء مدل یک BES به صورت بلوک دیاگرامی………………………………………………………33
شکل 2-19 مدار بایاس از اینورتر منبع ولتاژی……………………………………………………………………………34
شکل 2-20 سوییچ زنی PWM برای یک فاز برای جریان………………………………………………………….34
شکل3-1 توابع عضویت سیستم فازی نمونه………………………………………………………………………………37
شکل 3-2 مدل PI-FUZZY………………………………………………………………………………………………..39 شکل 3-3 مقادیر تصادفی برای ردیابی تابع هدف در الگوریتمPSO……………………………………………41 شکل 3-4 عملکرد بهینه سازی pso ………………………………………………………………………………………42
شکل 3-5 توابع عضویت فازی برای یک متغییر ورودی……………………………………………………………….43
شکل 3-6 نمودار فرکانس با نواحی تشخیص برای کنترل کننده فازی…………………………………………..44
شکل 3-7 مقدار دهی به ضرایب فازی ساز………………………………………………………………………………..45
شکل 3-8 الگوریتم پیشنهادی برای محاسبه ضرایب……………………………………………………………………47
شکل 4-1 سیستم بلوکی مدل لاپلاس ……………………………………………………………………………………….50
شکل4-2 مدل شبیه سازی کامل شبکه………………………………………………………………………………………50
شکل 4-3 مدل مداری سلول خورشیدی…………………………………………………………………………………..51 شکل 4-4 شبیه سازی نیروگاه خورشیدی با مدار بوست و کنترلر مبدل dc/ac با اینورتر و سلف
خطوط در متلب……………………………………………………………………………………………………………………..53
شکل 4-5 شبیه سازی سلول خورشیدی و ماژول خورشیدی در متلب…………………………………………..53
شکل 4-6 مشخصات ولتاژ- جریان(a) و ولتاژ- توان(b) یک ماژول خورشیدی………………………….54
شکل 4-7 ماژول PV به طور مستقیم به یک بار مقاومتی(متغییر) متصل است……………………………….55
شکل 4-8 منحنی IV BP SX 150S ماژول PV و بارهای مختلف مقاومتی شبیه سازی با مدل
متلب………………………………………………………………………………………………………………………………….. 55
شکل 4-9 مبدل بوست…………………………………………………………………………………………………………. 56
شکل 4-10 جریان سلف در دو زمان قطع و وصل سوییچ……………………………………………………………57
شکل 4-11 مدار مبدل بوست و سلف و ورودی سوییچینگ MPPT شبیه سازی شده در متلب……..57
شکل 4-12 مدار داخلی مبدل بوست………………………………………………………………………………………..58 شکل 4-13 ورودی و خروجی ولتاژ مبدل بوست با مقدار 50% دستور MPPT………………………….. 58
شکل 4-14 فلوچارت روش…………………………………………………………………………………………………. 59
شکل 4-15 دسته بندی مکان های نمودار توان – ولتاژ برای ردیابی نقطه MPP………………………….. 59
شکل 4-16 مشخصه توان ولتاژ MPPT………………………………………………………………………………… 61
شکل 4-17 اجزاء ورودی و خروجی برای Mfile نوشته شده در MPPT ………………………………….62
شکل 4-18 نحوه بدست آوردن مقدار جریان مرجع در نقاط توان ماکزیمم در تابش های مختلف….. 63
شکل 4-19 مدل شبیه سازی اجزاء کامل اینورتر با وجود سلف و ترانس برای اتصال به شبکه……….. 61
شکل 4-20 مدار داخلی سیستم کنترلی اینورتر dc/ac ……………………………………………………………..61
شکل 4-21 مدل داخلی تبدیل سه بردار abc به مختصات dq…………………………………………………… 65
شکل 4-22 مدل داخلی سیستم نیروگاه گازی با مدل کنترلی………………………………………………………..65
شکل 4-23 مدل ساده از سیستم کنترلی همراه با گاورنر……………………………………………………………. 67
شکل4-24: بلوک دیاگرام گاورنر، ژنراتور، بار و توربین و کنترلر…………………………………………………..68
شکل 4-25 مقایسه نتایج PI-FUZZY در مدل بلوکی……………………………………………………………….69
شکل 4-26 نتایج فرکانس از شبکه…………………………………………………………………………………………….70
شکل4-27 توان الکتریکی خط از نیروگاه گاز…………………………………………………………………………… 71
شکل 4-28 فرکانس سیستم در حالت تامین بارفقط از نیروگاه گازی در شبکه سیمولینک کامل……….71
شکل 4-29 توان انتقالی نیروگاه ذخیره، باتری در حالت ورود بار در شبکه سیمولینک کامل……………..72
شکل 4-30 فرکانس سیستم در حالت ورود بار در شبکه سیمولینک کامل با وجود باتری………………73
شکل4-31 مقایسه نتایج فرکانس سیستم در دو حالت وجود و عدم نیروگاه ذخیره …………………………73
شکل4-32 مقدار توان نیروگاه خورشیدی…………………………………………………………………………………..74
شکل 4-33 فرکانس سیستم در شبکه کامل با حضور نیروگاه خورشیدی و عدم سیستم ذخیره انرژی
باتری…………………………………………………………………………………………………………………………………..75
شکل 4-34 فرکانس سیستم در شبکه کامل با حضور نیروگاه خورشیدی و سیستم ذخیره انرژی باتری……………………………………………………………………………………………………………………………………..76
شکل 4-35 مقایسه فرکانس شبکه در دو حالت با وجود نیروگاه خورشیدی با تابش متغییر در صورت
وجود و عدم نیروگاه ذخیره انرژی……………………………………………………………………………………………77
جدول(2-1)قوانین فازی برای بلوک اول…………………………………………………………………………………..21
جدول(3-1):تقسیم بندی ورودی شرایط در بازه های کلی………………………………………………………….38
جدول(3-2):قوانین ورودی و خروجی………………………………………………………………………………………39
جدول(4-1) مشاهدات نتایج شبیه سازی در متلب با توجه به شکل4-25………………………………………69
جدول(4-2) مشاهدات نتایج شبیه سازی کامل شبکه در متلب با توجه به شکل4-26………………………72
فصل اول مقدمه و کلیات تحقیق
1-1 مقدمه1-1-1 مشخصات نیروگاه خورشیدی:خورشید یک منبع بزرگ و تقریباً لایزال انرژی محسوب می شود. انرژی که از خورشید به زمین می رسد حدود 11^10*8/1 مگاوات است که چند هزار برابر انرژی مصرفی سوخت های تجاری است. یکی از مهمترین سیستم های تبدیل انرژی خورشیدی، سیستم فتوولتائیک می باشد که در آن انرژی خورشیدی به وسیله سلول خورشیدی به برق تبدیل می شود. با توجه به کاهش هزینه ساخت سلول ها در طول زمان، در سالیان اخیر استفاده از سیستم فتوولتائیک جهت تولید برق به عنوان یکی از منابع تولید پراکنده مورد توجه کشورها و شرکت های مختلف قرار گرفته است. از آنجا که بازده سلول ها پایین بوده و هزینه اولیه آن ها تا حدودی زیاد می باشد، باید به نحوی از آن ها بهره برداری نمود که همیشه در نقطه توان ماکزیمم خود کار کنند تا بدین وسیله بازده سیستم حداکثر شده و از سیستم استفاده بهتری شود .
مساحت سطوح سلول تأثیری بر ولتاژ آن نداشته که حدود 0.5 ولت می باشد . اما شدت جریان تابع مساحت سطوح سلول و شدت تشعشع خورشید بوده و در شرایط ایده آل معادل 250 آمپر درهر متر مربع از سطح سلول می باشد.
روی صفحه ای که تشعشعات خورشیدی کل آن (W/m2916) می باشد. یک ردیف سلول خورشیدی سیلیکون با کارایی 15 درصد و سطح مؤثر یک مترمربع می تواند 137 وات (W916*15/0) توان الکتریکی تولید نماید.
با این نسبت جهت توان 20 مگاواتی برق (توان خروجی یک تأسیسات تولید برق حرارتی متوسط) در تشعشع کامل و عمود خورشید سطح مورد نیاز پانلهای خورشیدی تقریباً 360 جریب و بیش از نیم مایل مربع می باشد مولدهای فتوولتائیک به دلیل ویژگیهایی همچون نداشتن آلودگی های زیست محیطی و آلودگی صوتی، تعمیر و نگهداری کم، به یکی از پراهمیت ترین منابع تجدیدپذیر تبدیل شده اند .اما تنها دلیلی که مانع از گسترش استفاده از چنین تکنولوژی شده است، هزینه زیاد تولید و بازدهی تبدیل انرژی پایین آنها است.
1-1-2 مزایای استفاده از نیروگاه خورشیدی:1-1-2-1 مطالعات در ایران:خورشید عامل و منشا انرژی های گوناگونی است که در طبیعت موجود است. ایران با وجود اینکه یکی از کشورهای نفت خیز جهان به شمار می رود و دارای منابع عظیم گاز طبیعی نیز میباشد، خوشبختانه به علت شدت تابش خوب خورشید در اکثر مناطق کشور، اجرای طرح های خورشیدی الزامی و امکان استفاده از انرژی خورشیدی در شهرها و شصت هزار روستای پراکنده در سطح مملکت ، می تواند صرفه جویی مهمی در مصرف نفت و گاز را به همراه داشته.
1-1-2-2 تولید برق بدون نیاز به انرژی های دیگر:
نیروگاه های خورشیدی نیاز به سوخت ندارد و بر خلاف نیروگاه های فسیلی قیمت برق تولیدی آنها تابع قیمت نفت بوده و همیشه در حال تغییر می باشد، در نیروگاه های خورشیدی این نوسان وجود نداشته و می توان بهای برق مصرفی را برای مدت طولانی ثابت نگه داشت.
1-1-2-3 عدم احتیاج به آب زیاد :نیروگاه های خورشیدی بخصوصی دودکش های خورشیدی با هوای گرم احتیاج به آب ندارند. لذا برای مناطق خشک مثل ایران بسیار حائز اهمیت می باشد، نیروگاه های حرارتی سنتی هنگام فعالیت نیاز به آب مصرفی زیادی دارند.
1-1-2-4 عدم آلودگی محیط زیستنیروگاه های خورشیدی ضمن تولید برق هیچ گونه آلودگی در هوا نداشته و مواد سمی و مضر تولید نمی کنند. در صورتی که نیروگاه های فسیلی، هوا و محیط اطراف خود را با مصرف نفت گاز و یا ذغال سنگ آلوده کرده و نیروگاه های اتمی با تولید زباله های هسته ای خود که بسیار خطرناک و رادیو اکتیو هستند محیط زندگی را آلوده و مشکلات عظیمی را برای ساکنان کره زمین به وجود می آورند.
1-1-2-5 امکان تامین شبکه های کوچک و ناحیه ای:نیروگاه های خورشیدی می توانند با تولید برق به شبکه سراسری برق تزریق نمایند و در عین حال امکان تامین شبکه های کوچک و ناحیه ای را نیز به ما می دهند. در حالی که، احتیاج به تاسیس خطوط فشار قوی طولانی جهت انتقال برق ندارند و نیاز به هزینه زیاد احداث شبکه‏های انتقال نمی باشد. برای اتصال به شبکه های سراسری قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می دهد.
1-1-2-6 استهلاک کم و عمر زیاد:نیروگاه های خورشیدی به دلایل فنی و نداشتن استهلاک زیاد دارای عمر طولانی می باشند در حالی که عمر نیروگاه های فسیلی بین ۱۵ تا ۳۰ سال محاسبه شده است.
1-1-2-7 عدم احتیاج به متخصص:
نیروگاه های خورشیدی احتیاج به متخصص عالی ندارد و می توان آنها را به طور اتوماتیک به کار انداخت، در صورتی که در نیروگاه های اتمی وجود متخصصین در سطح عالی ضروری بوده و این دستگاه ها احتیاج به مراقبت های دائمی و ویژه دارند.
1-1-3 مشکلات نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه:امروزه تقاضا برای انرژی های تجدید پذیر رو به افزایش است و در میان آن سیستم های فتوولتاییک نقش اساسی ایفا می کنند. نوسان های توان سیستم فتوولتاییک به شرایط آب و هوایی و فصل و موقعیت جغرافیایی بستگی دارد و این مشکلاتی جدی چون تغییر فرکانس را در پی دارد [1].
حتی در گرم ترین نقاط روی زمین، میزان شار تشعشعی خورشید به ندرت از مقدار1000W/m2 تجاوز می کند که از نظر استفاده فنی، مقدار پائینی است. به علاوه جهت استفاده از آن به سطوح گردآوری بسیار بزرگی نیاز است. همچنین میزان استفاده از آن با توجه به ساعات مختلف روز فرق می کند البته فصول سال نیز در این تغییر موثر است. یکی از مهمترین پارامترهای سیستم که فرکانس می باشد را با توجه به حضور نیروگاه خورشیدی باید کنترل شود.
1-1-4 کنترل فرکانس شبکه:فرکانس یک سیستم به تعادل توان حقیقی بستگی دارد؛ در حقیقت زمانی که تغییر در بار یا در تولید رخ می دهد، این تغییر به صورت لحظه ای در گشتاور خروجی ژنراتور، اثر می گذارد که منجر به ایجاد عدم تطابق بین گشتاور مکانیکی و گشتاور الکتریکی می شود که به نوبه خود باعث تغییر سرعت می شود و نهایتا تغییر فرکانس سیستم را در پی دارد.
در واقع می توان گفت در عملکرد حالت ماندگار سیستم قدرت ، تقاضای افزایش یا کاهش بار نخست در شکل انرژی جنبشی ذخیره شده در مجموعه محرک ها در ژنراتورها تامین میشود، که نتیجتاً تغییرات سرعت در روتور ژنراتورها و تغییر فرکانس را ایجاد می نماید.
کنترل بار فرکانس که برای چندین سال به عنوان بخشی از کنترل کننده ها در طرح سیستمهای قدرت استفاده می شود و برای بهره برداری ایمن از سیستم قدرت ضروری است. [2]1-1-5 اهداف کنترل فرکانس شبکه قدرت:کنترل بار فرکانس یک مسئله بسیارمهم در بهره برداری سیستم های قدرت و کنترل برای تامین برق مورد نیاز و قابل اعتماد با کیفیت مطلوب است. کنترل ضریب اتوماتیک یک سیستم کنترل باز خورد، تنظیم قدرت خروجی ژنراتور است تا فرکانس را در مقدار تعین شدهای تثبیت کند. یکی از اهدافAGC که حفظ فرکانس سیستم در مقدار اسمی (50 هرتز) است.
که به منظور کنترل آن در لحظات اولیه پس از وقوع اختلال بار تولید کنترل اولیۀ فرکانس نیاز می باشد. هدف از کنترل اولیۀ فرکانس بازگرداندن فرکانس به محدوده مجاز و حفظ فرکانس در آن محدوده تا زمانی که کنترل ثانویه وارد عمل گردد، می باشد. وظیفۀ اصلی کنترل اولیۀ فرکانس بر عهده گاورنر واحدها می باشد و از آنجائیکه در پی وقوع یک اختلال تمام گاورنرهای شبکه عمل می نمایند، تنظیم مناسب این کنترل کننده ها از اهمیت ویژهای برخوردار است. بنابراین با تنظیم پارامترهای گاورنر میتوان سهم هر واحد در کنترل فرکانس و زمان وارد عمل شدن آن را تنظیم نمود.
اهمیت تنظیمات فوق زمانی مشخص می گردد که بدانیم این کنترل کننده ها در تمام شرایط بهره برداری و در پاسخ به تمام اختلالات بار تولید محتمل در شبکه بایستی به طور مناسب عمل نمایند و فرکانس را به بهترین صورت کنترل نمایند.
سیستم قدرت به هم پیوسته است و به چند حوزه کنترل فرکانس تقسیم می شود، فرم یکپارچه برای تمام ژنراتورها در جهت تشکیل یک گروه کنترلی منسجم استراتژی مورد نیاز است که نه تنها حفظ ثبات فرکانس را داشته بلکه قدرت پیوند به حالت خطای صفر ماندگار دارد و تغییر فرکانس در یک جای شبکه بر دیگر نقاط آن اثر می گذارد. [2]با توجه به رشد مداوم سیستم برق در اندازه، پیچیدگی و تنوع منابع مشکل نوسانات فرکانس با توجه به تغییرات غیرقابل پیشبینی بار به موضوعی جدی تبدیل شده است. این تغییرات بار تصادفی در نتیجه عدم تطابق توان تولیدی و مصرفی است؛ این عدم تطابق ها باید اصلاح شود زیرا تولید و توزیع برق کافی و قابل اطمینان با کیفیت مطلوب بسیار مهم است و در غیر این آسیبی جدی به تجهیزات وارد می آید. [3]
1-1-6 شبیه سازی شبکه قدرت برای کنترل فرکانس شبکه متصل به نیروگاه خوشیدی:به منظور نشان دادن کارایی روش پیشنهادی دو مدل سیمولینکی که یکی به صورت بلوکی مدل شده است و دیگری به صورت کامل رفتار دینامیکی اجزا را مدل می کند استفاده شده است همانطور که در نتایج حاصل و مقایسه آن با روش های کنترلی قبلی مشاهده شد، روش پیشنهادی عملکرد مناسبی از خود نشان داده است و قادر به جبران سازی و مدیریت توان در برابر تغییرات ناگهانی بار و توان متغییر تولید شده از نیروگاه خورشید می باشد.تغییر بار 0.1 را برای سیستم بلوک کنترل لاپلاسی نتایج بدست آمده. شبکه شبیه سازی دینامیکی کامل شامل یک مزرعه خورشیدی به ظرفیت 10 مگا وات و نیروگاه گازی به ظرفیت 100 مگاوات و نیروگاه ذخیره انرژی به ظرفیت 10 مگاوات و بار ثابت 70 مگاوات و بار متغییر به میزان ده درصد کل بار شبکه شبیه سازی شده که در فصل چهارم کامل به آن پرداخته شده است .
1-1-7 لزوم استفاده نیروگاه ذخیره انرژی در شبکه:به دلیل عدم همزمانی پیک مصرف بار و پیک تولید توان از نیروگاه خورشیدی استفاده از سیستم ذخیره انرژی اجتناب ناپذیر می باشد. نیروگاه خورشیدی به علت تزریق سریع توان و جذب سریع انرژی الکتریکی در بالانس کردن توان در شبکه نقش بسزایی می تواند داشته باشد. همان طورکه در شکل 4-31 مشاهده می شود نتایج شبکه در حضور و عدم حضور باطری مقایسه شده است با توجه به نتایج می توان نتیجه گرفت که برای دریافت حداکثر انرژی خورشیدی، به وجود نیروگاه ذخیره انرژی لازم می باشد.
1-1-8 روش کنترلی هوشمند استفاده شده و معیار اندازه گیری انحراف فرکانس:در میان انواع مختلف کنترل فرکانس بار، به طور گسترده از کنترل معمولی استفاده می شود کنترل کننده انتگرال متناسب ساده برای اجرای و پاسخ دینامیکی بهتر جواب میدهد ،اما اجرای آنها هنگامی که در سیستم پیچیدگی افزایش می یابد بدتر شده به دلیل اختلالات مانند تنوع بار دینامیکی است. بنابراین، نیاز به یک کنترل کننده که میتواند غلبه بر این مشکل کند وجود دارد. کنترل هوشمند مصنوعی مانند روش های کنترل فازی و عصبی در این راستا مناسب تر است. سیستم فازی شده است مشکلات کنترل فرکانس بار را حل کرده و نتایج امیدوار کننده بهتری نیز از آن داریم. از ویژگیهای برجسته از این تکنیک این است که شرح مدل سازی سیستمهای کنترل و شناسایی مدل نیاز ندارد. کنترل فازی در سیستم های پیچیده و غیر خطی عملکرد بهتر نسبت به کنترل متعارف ارائه می دهد و تعداد متغییر های مورد استفاده برای آن نسبت به کارایی آن بسیار بالا می باشد.[3] [4]
از میان روش ها برای معیار خطا می توان به روابط 2-4 و2-5 اشاره کرد که معیار مربع خطا و قدر مطلق خطا می باشد و برای حداقل کردن آن به عنوان تابع هدف می کوشیم.
1-1-9 مزیت روش پیشنهادیدر مرجع[33] از نیروگاه خورشیدی استفاده شده در شبکه، در راستای کنترل فرکانس نیز استفاده شده است، مقداری از توان به شبکه تزریق می شود که انحراف فرکانس جبران شود در نتیجه نقطه کار سیستم پنل خورشیدی در نقطه کار حداکثر نمی باشد، در این پایان نامه سعی بر تزریق حداکثر توان نیروگاه خورشیدی به شبکه قدرت می باشد. استفاده از انرژی های تجدید پذیر و مخصوصا نیروگاه های خورشیدی و در میان آنها سیستم های فتوولتاییک نقش به سزایی را در شبکه های حال حاضر ایفا کرده و هر روزه راندمان و روش های ردیابی بازده توانی آنها بیشتر می شود در نتیجه تعداد نیروگاه های خورشیدی در شبکه رو به افزایش می باشد. به دلیل نوساناتی که در شرایط جوی به وجود می آید باعث نوسانات فرکانس در شبکه می شود. با توجه به هزینه های زیاد تولید پنل های خورشیدی و نصب آن ها حداکثر توان را به شبکه انتقال می دهیم که نیاز به کنترل فرکانس امری ضروری است، کنترل هوشمند در شبکه با توجه به تغییرات در شبکه بسیار کارامد بوده و نسبت به روش های موجود دارای متغییر های کمتر و انعطاف پذیری بیشتری می باشد.
1-1-10آنچه پیشرو داریم:فصل دوم :بررسی مقاله هایی که تا کنون در مورد سیستم های خورشیدی ارائه شده است. موضوع مقاله ها :معادلات پنل های خورشیدی، ردیابی نقطه کار حداکثر توان پنل ها و روش های کنترل فرکانس این گونه شبکه ها و کنترلر های هوشمند و غیره می باشد.
فصل سوم: در این فصل برای کنترل فرکانس از سیستم کنترلی هوشمند استفاده شده که به صورت خودکار ضرایب را برای نیروگاه گازی و باتری محاسبه می کند. روش کنترل فازی و الگوریتم پرندگان برای یافتن تابع بهینه تشریح داده شده است.
فصل چهارم : در این فصل به بررسی فرکانس شبکه در حضور نیروگاه خورشیدی و باطری و تغییر بار سیستم می پردازیم. شبیه سازی کامل اجزا از جمله نیروگاه خورشیدی و ردیاب حداکثر توان آن و سیستم اینورتر و نیروگاه گازی و نیروگاه ذخیره باطری و سیستم قدرت با ولتاژ 230کیلو ولت پرداخته شده است و شامل نتایج حاصل از شبیه سازی می باشد.
فصل پنجم: شامل نتیجه گیری و پیشنهادات می باشد.
فصل دومادبیات موضوعمقدمه:در این فصل به بررسی روشها و کارهای انجام شده قبلی، در این خصوص می پردازیم. در ابتدا روش های معمولی کنترل فرکانس، با داشتن ضرایب حالت سیستم برای کنترل یا روش های به دست آوردن ضرایب حالت سیستم پرداخته و سپس روشهای هوشند مختلف در این مبحث را بررسی می نماییم.
2-1 کنترل فرکانس از دیدگاه کنترلی2-1-1 کنترل کننده PIیکی از قوانین کنترل که به طور گسترده ای در گاورنر سیستم های قدرت حرارتی و آبی، کنترل مورد استفاده قرار میگیرد از نوع PI است. ضریب تناسبی از کنترلر، سیگنال کنترل تناسبی از خطا در سیستم را تولید می کند، به طوری که u(t)=Kp∙e(t) به طور معمول، با توجه به تغییر پله ای از تقاضای بار، در مقادیر کم از Kp منجر به رسیدن پاسخ پایدار با خطای بزرگ در حالت پایدار می شود. مقادیر زیاد Kp عملکرد بهتر حالت پایدار را دارد، اما پاسخ گذرا را بدتر می کند. بنابراین، مقدار زیاد از Kp برای کاهش خطای حالت ماندگار استفاده می شود ، اگر چه افزایش Kp باعث کاهش ثابت زمان سیستم و میرایی می شود. بنابراین آشکار است که مقدار مناسب از Kp را باید انتخاب کرد. یک راه معمول برای کاهش خطای حالت ماندگار ادغام انتگرالگیر به کنترل است .در اینجا، سیگنال کنترلی تولید شده با انتگرال خطا متناسب است u(t)=ki∙e(t)∙dt که، ki ضریب انتگرالگیر است.وقتی که یک خطا وجود داشته باشد، انتگرال به افزایش مقدار کنترلی پرداخته، در نتیجه سوی خروجی سیستم تمایل به خروجی تقاضا می رود. خروجی پیوسته انتگرال می تواند برای حفظ عمل کنترل لازم برای شرایط حالت پایدار مورد استفاده قرار گیرد .اما اگر ضریب انتگرال ki به اندازه کافی بالا باشد، بالا زدگی رخ افزایش یافته که این بسیار نامطلوب است. مقدار پایین از ki کاهش بالا زدگی، اما افزایش زمان رسیدن به پاسخ نهایی سیستم را کاهش می دهد. با توجه به بحث لازم است به طراحی هر دو Kp و Κi به درستی طراحی شود.
کنترل سنتی برای سیستمها باعث یک پذیرش توافقی میان بالازدگی و زمان نشست می شود، حال با روش های کنترلی مدرن قادر به حصول نتایج بهتر هستیم در راستای دسترسی به متغیر های کامل سیستم که برای کنترل کردن مورد نیاز باشد برخی مقالات به طراحی رویتگر و طراحی بهینه آن پرداخته اند. به عنوان مثال متدی که در [5] گفته شده با استفاده نیروگاه خورشیدی و اینورتر برای تولید توان مورد نیاز، شاخص های درونی سیستم را محاسبه کرده است.
وقتی شبکه گسترده با چندین ژنراتور و بار های جدا شده با خطوط ولتاژ بالا داریم، می توانیم آن را به نواحی مختلف تقسیم بندی کرده و هر ناحیه علاوه بر کنترل فرکانس خود، برای حداقل کردن توان بین ناحیه ای نیز کنترل در نظر گرفته شود. [6]
مقاله [7] به دو طرح کنترل غیر متمرکز برای کنترل بار فرکانس سیستم های قدرت به هم پیوسته پرداخته است. اولین کنترلر از فیدبک حالت کنترل خطی و کنترلر دوم حالت کنترل غیر خطی استفاده کرده است. هردو طرح کنترلی با استفاده از نظریه لیاپانف طراحی شده است. قانون کنترل از دو قسمت تشکیل شده، بخش اول کنترل با استفاده از روش تغییر مکان قطب طراحی شده، که در رابطه 2-1 نشان داده شده است و بخش دوم از کنترل کننده طراحی شده، برای تضمین یکنواخت بودن محدوده نهایی مدار سیستم استفاده می شود.
2-1 Ac = A – BK
در شبکه واقعی تمام پارامترهای مورد نیاز را نمی توانیم با اندازه گیری داشته باشیم و برای کنترل کننده استفاده نماییم در نتیجه در مرجع [8] یک مشاهده گر مرتبه اول برای تولید توان سیستم خورشیدی طراحی نموده که بتوان با آن انحراف فرکانس را کاهش داد.
2-1-2روش دو درجه ی آزادی در کنترل داخلی :یک روش جدید تنظیم PID برای کنترل بار فرکانس از سیستم های قدرت در مرجع [9] مورد بحث قرار گرفته است. روش تنظیم بر اساس دو درجه آزادی (TDF)در کنترل مدل داخلی(IMC) طراحی و تقریب PID عمل کرده است. عملکرد در حوزه زمان و مقاوم بودن از کنترلر PID به تنظیم دو پارامتر مربوط است. این روش برای سیستم های قدرت با سیستم دارای بازگرم کن، غیر بازگرم کن، و توربین های آبی قابل اجرا بوده و نتایج شبیه سازی نشان می دهد که در میرایی سیستم های قدرت می تواند موثر باشد.

شکل 2-1 ساختارTDF-IMC
در اینجا ساختار روش دو درجه ی آزادی در کنترل داخلی برای طراحی مدل کنترل کننده بار فرکانس که یک ساختار کنترل فرآیند محبوب است در شکل 1-15 نشان داده شده است، که در آنP مدل کنترل شده است و p~ مدل مورد نظر بوده و Q و Qd دو کنترلر آزاد هستند. [9]
در مرجع [10] کنترل فرکانس شبکه متصل به نیروگاه فتوولتاییک مبتنی بر یک استراتژی کنترل فرکانس استفاده از APC برای اینورتر PV در یک شبکه جزیره ای ترکیبی از تولید توان با سیستم فتوولتاییک و مدل دیزل به عنوان وسیله ای برای کاهش تغییرات فرکانس مورد بحث و حصول اطمینان از حداقل بارگذاری تولید دیزل در نظر گرفته شده است. نشان داده شده است که پارامترهای اصلی از طرح کنترلی در زمانی که از روش معمول استفاده کرده از انعطاف پذیری برای بهبود عملکرد سیستم در زمانی که یک بار به شبکه اضافه می شود، دارای معیار مطلوبی نیست. همچنین اگر دقت شود ورود بار با مقدار بالا در مقایسه با مصرف سوخت در بار کم و دوره نفوذ بالای توان خورشیدی در کنترل فرکانس که وجود ذخیره انرژی را لحاظ نکرده است، برای ما نیز دارای اهمیت است. با این وجود سیستم کنترلی از طرح ساده بهره برده است که در دو دامنه فرکانسی برای تصمیم گیری برای تعیین توان نفوذی استفاده می کند.از این لحاظ سیستم های کنترل هوشمند و به خصوص روش فازی، قوی تر و کارآمدتر هستند .
2-2روش های کنترل هوشمند2-2-1الگوریتم ژنتیک
الگوریتم ژنتیک برای حل یک مسئله، مجموعه بسیار بزرگی از راه‌حل های ممکن را تولید می‌کند. هر یک از این راه‌حلها با استفاده از یک تابع تناسب مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. آنگاه تعدادی از بهترین راه‌حلها باعث تولید راه‌حلهای جدیدی می‌شوند. که این کار باعث تکامل راه‌حل ها می‌گردد. بدین ترتیب فضای جستجو در جهتی تکامل پیدا می‌کند که به راه‌حل مطلوب دست میآید. در صورت انتخاب صحیح پارامترها، این روش می‌تواند بسیار موثر عمل نماید
الگوریتم ژنتیک به جای جستجوی فرضیه‌های کلی به خاص و یا ساده به پیچیده ،فرضیه‌های جدید را با تغییر و با ترکیب متوالی اجزا، بهترین فرضیه‌های موجود را بدست می‌آورد. در هر مرحله مجموعه‌ای از فرضیه‌ها که جمعیت نامیده می‌شود از طریق جایگزینی بخشی از جمعیت فعلی با فرزندانی که از بهترین فرضیه‌های موجود حاصل شده‌اند بدست می‌آید.
الگوریتم های ژنتیک به طور وسیعی برای حل مسائل بهینه سازی غیرخطی پیچیده در بسیاری از رشته های مهندسی و در زمینه کنترل سیستم های قدرت به کاربرده می شود. در ادبیات موضوع از الگوریتم ژنتیک برای تنظیم بهینه پارامترهای کنترل خودکار و تنظیم توابع عضویت و مجموعه قوانین برای برنامه ریزی فازی کنترلرها استفاده شده و نتایج بهتری نسبت به روشهای معمول سعی و خطا بدست آمده است. [26]
الگوریتم‌های ژنتیک در مسائلی که فضای جستجوی بزرگی داشته باشند می‌تواند به کار گرفته شود. همچنین در مسایلی با فضای فرضیه پیچیده که تاثیر اجزا آن در فرضیه کلی ناشناخته باشند می‌توان از الگوریتم ژنتیک برای جستجو استفاده نمود. همچنین برای بهینه سازی گسسته بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد.
الگوریتم‌های ژنتیک را می‌توان به راحتی به صورت موازی اجرا نمود. امکان به تله افتادن این الگوریتم در مینیمم محلی کمتر از سایر روش ها است. البته از لحاظ محاسباتی پرهزینه هستند و تضمینی برای رسیدن به جواب بهینه وجود ندارد. در الگوریتم ژنتیک معمولا



قیمت: 11200 تومان

Leave a Reply

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