کنترل فرکانس میکروشبکهAC  با استفاده از کنترلر  PI فازی در مد جزیره ای  

 http://djbaz.ir

 

استفاده از تولیدات پراکنده علیرغم تمام مزایای فراوان مشکلات زیادی را نیز ایجاد می‌کند که یکی از رایج‌ترین آنها ناپایداری فرکانسی است. به این ترتیب كه میکرو شبکه به علت دارا بودن واحدهای تولیدی و مصرفی دینامیکی و متغیر با زمان، توازن بار را برهم می‌زند و این اجزاء عمدتا شامل : میکرو توربین بادی ، سلول خورشیدی و بار دینامیکی متغیر می‌باشند. در این پروژه، میکروشبکه ترکیبی از میکرو توربین بادی، الکترولایزر، پیل سوختی، میکرو توربین گازی، سلول خورشیدی و بار دینامیکی متغیر است.بدلیل وجود متغیرهای زیادی که عدم توازن بار را ایجاد می‌کنند و همچنین با توجه به محدودیت‌هایی که واحدهای تولیدی دارند از کنترلر فازی برای میراسازی نوسانات فرکانسی و بهبود کنترل فرکانس بار استفاده شده است. در پروژه ارایه شده، میکروشبکه به صورت پیش فرض در حالت ایزوله از شبکه اصلی در نظر گرفته شده است و برای نشان دادن قابلیت بالای کنترلر فازی در كنترل فركانس، نتایج شبیه‌سازی کنترلر PI فازی با نتایج بدست آمده از اعمال کنترلر  PIسنتی[۱]مقایسه شده است.همچنین برای عادلانه بودن مقایسه  ضرایب کنترلر PI سنتی با استفاده از الگوریتم اجتماع ذرات(PSO) [2]كه بصورت بهینه تنظیم شده مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج مقایسه نشان داد که عملكرد کنترلر PI فازی بسیار بهتر و با ضریب اطمینان بالا تری نسبت به کنترلر  PIسنتی است. همچنین در این پایان نامه برای نشان دادن مقاوم بودن کنترلر فازی سناریوهایی مانند افزایش و کاهش بار یا تولید شبیه سازی و استفاده شده است. در انتها اثر سیستم الکترولایزر در مواقع اغتشاش توانی بررسی گردیده است و نشان داده شده كه الکترولایزر اثر مثبتی در مواقع نامتوازنی بار دارد.لازم به ذكر است كه شبیه سازی ها با توجه به این نكته صورت گرفته است كه توان تولیدی میكرو توربین نسبت به سایر اجزاء تولید كننده توان در شبكه بالاتر است.

 

کلید واژه: فرکانس، کنترلر فازی، میکرو شبکه، تولیدات پراکنده

 

 

فهرست مطالب:

 

 فصل اول: مقدمه

 

پیشگفتار…………………….. ۲

 

مفاهیم اولیّه میکروشبکه و کاربردهای آن……………………………………… ۵

 

۱-۱) مقدمه………………………………………………………………………. ۵

 

۱-۲) تولید پراکنده……………………………………………………………………… ۷

 

۱-۲-۱) مزایای استفاده از واحدهای تولید پراکنده……………………………………. ۸

 

۱-۳) میکروشبکه………………………………………………………………………………… ۸

 

۱-۳-۱) ساختار کلی میکروشبکه………………………………………………………… ۱۰

 

۱-۳-۲) مصرف کننده­ها…………………………………………………………………. ۱۱

 

۱-۳-۳)ذخیره­ساز های انرژی…………………………………………………………………………………………. ۱۱

 

۱-۳-۴)کنترل­کننده………………………………………………………………………………………………………… ۱۲

 

۱-۴) مدهای عملکردی میکروشبکه……………………………………………………………………………………. ۱۳

 

۱-۴-۱)مد متصل به شبکه اصلی…………………………………………………………………………………… ۱۳

 

۱-۴-۲)مد جزیره­ای…………………………………………………………………………………………………………. ۱۴

 

۱-۵) ساختار و عناصر میکروشبکه مورد بررسی………………………………………………………………… ۱۵

 

۱-۶) کنترل فرکانس در میکروشبکه …………………………. ۱۷

 

۱-۷) جمع بندی و نتیجه گیری……………………………….. ۱۸

 

فصل دوم: مروری بر کارهای گذشته

 

۲-۱) کاربرد های پیل سوختی در میکرو شبکه…………………………………………………………………. ۲۱

 

۲-۲) چالش های کنترل میکروشبکه…………………… ۲۳

 

۲-۳) مروری بر انواع مدل سازی دینامیکی عناصر موجود در ساختار میکروشبکه.۲۵

 

۲-۴) کنترل  فرکانس………… ۲۷

 

 فصل سوم: کنترل­کننده­های هوشمند

 

۳-۱) مقدمه……………………………….. ۳۱

 

۳-۲) چگونگی سیستم های فازی………………. ۳۲

 

۳-۳) موارد و چگونگی استفاده از سیستم های فازی……………. ۳۹

 

۳-۳-۱) ماشین شست و شوی فازی………………………………………………. ۴۰

 

۳-۳-۲)سیستم های فازی در اتومبیل…………………………………………………………………………. ۴۰

 

۳-۴)تارخچه مختصری از تئوری و کار بردهای فازی………………….. ۴۱

 

۳-۵) کنترل فازی و کاربرد آن در میکروشبکه……………………… ۴۴

 

۳-۶) الگوریتم اجتماع ذرات  (PSO)…………………………………. 45

 

۳-۶-۱) تابع ارزیابی (یا تابع هدف)………………………. ۴۷

 

۳-۷) جمع بندی و نتیجه گیری………………………………….. ۴۸

 

 فصل چهار: کنترل فرکانس  در میکروشبکه

 

۴-۱) اجزای سیستم میکروشبکه…………………………….. ۵۰

 

۴-۲) مدل‌ اجزاء مختلف میکروشبکه و نحوه پیاده‌سازی کنترل کننده فازی……….. ۵۱

 

۴-۲-۱) فرمولاسیون مساله……………………………………….. ۵۱

 

۴-۲-۲) مدل فرکانسی اجزاء میکروشبکه…………. ۵۳

 

۴-۲-۳) پیاده‌سازی کنترل کننده PI فازی در میکروشبکه………………….. ۵۵

 

۴-۳)نحوه طراحی والگوریتم حل مسئله به روش PSO………………………………….. 58

 

۴-۴) پیاده سازی الگوریتم PSO برای تعیین ضرایب کنترل کننده PI اعمال شده….. ۵۹

 

۴-۵) کنترل کننده PI فازی…………………………. ۶۰

 

۴-۵-۱) پیاده‌سازی کنترل‌کننده PI  فازی و مقایسه نتایج آن

 

 با کنترل‌کننده PI سنتی…………………. ۶۰

 

۴-۵-۲)طراحی کنترل کننده فازی………………………. ۶۱

 

۴-۶( نویز سفید…………………… ۶۵

 

 فصل پنجم: نتایج شبیه سازی

 

مقدمه………………………………….. ۶۹

 

نتایج شبیه سازی……………………. ۶۹

 

۵-۱) سیستم مورد مطالعه……………………………………………………………………………………………………۷۰

 

۵-۲)  شبیه‌سازی میکروشبکه در حالتهای با کنترل کننده PI فازی و PI سنتی…………. ۷۲

 

۵-۳) بررسی اثر سیستم الکترولایزر بر روی کنترل فرکانس میکروشبکه………………………..۷۶

 

۵ -۴) بررسی عملكرد کنترل­کننده فازی در مواقع حذف بخشی از تولید………………………۷۸

 

نتیجه‌گیری و پیشنهادات………………………………………………………………………………………………………۸۱

 

فهرست مراجع و مآخذ…………………………………………………………………………………………………………..۸۳

 

علائم و اختصارات…………………………………………………………………………………………………………………… ۸۷

 

 

پیوست ها

 

پیوست الف………………………………………………………………………………………………………………………….. ۹۰

 

پیوست ب……………………………………………………………………………………………………………………………. ۹۵

 

پیوست پ……………………………………………………………………………………………………………………………. ۹۷

 

 

فهرست جداول:

 

 جدول(۴-۱). پارامترهای مدل میکرو شبکه………………………………………………………………………………. ۵۲

 

جدول(۴-۲). پارامترهای مدل دینامیکی اجزاء  میکرو شبکه…………………………………………………. ۵۴

 

جدول(۴-۳). پارامترهای مدل میکرو شبکه……………………………………………………………………………… ۵۵

 

جدول(۴-۴). پارامترهای کنترل کننده کننده فازی بکار برده شده

 

در میکرو توربین گازی………………………………………………………………………………………………………………… ۵۶

 

جدول(۴-۵): حدود پارامترهای کنترل کننده PID…………………………………………………………………. 59

 

جدول(۴-۶). نتایج الگوریتم بازای تعداد جمعیت n=20 و تعداد تکرار Iteration=20………… 60

 

جدول (۴-۷). تعداد MF های هر کدام از متغیرهای ورودی یا خروجی……………………………….. ۶۳

 

جدول(۴-۸): جدول قوانین فازی برای K_p∆……………………………………………………………………………. ۶۴

 

جدول(۴-۹): جدول قوانین فازی برای K_I∆…………………………………………………………………………….. ۶۴

 

جدول (۵-۱): مقادیر توان اجزاء مختلف میکروشبکه در نقطه کار نامی متعادل…………………… ۷۲

 

 

فهرست اشکال

 

 شکل ۱-۱) نمایی از یک میکروشبکه ……………………………………………………………………………………….. ۶

 

شکل ۱-۲) ساختار و اجزای میکروشبکه………………………………………………………………………………….. ۱۰

 

شکل۱-۳). مد متصل به شبکه………………………………………………………………………………………………….. ۱۳

 

شکل۱-۴) مد جزیره­ای………………………………………………………………………………………………………………. ۱۴

 

شکل ۱-۵) ساختار میکروشبکه مورد بررسی در این پایان نامه……………………………………………… ۱۵

 

شکل ۳-۱) تابع تعلق مربوط به کلمه “زیاد”…………………………………………………………………………… ۳۳

 

شکل ۳-۲) تابع تعلق مربوط به کلمه “کم”……………………………………………………………………………. ۳۳

 

شکل ۳-۳) ساختار اصلی سیستم فازی خالص………………………………………………………………………… ۳۶

 

شکل۳-۴) ساختار اصلی سیستم فازی TSK…………………………………………………………………………… 37

 

شکل ۳-۵) سیستم فازی با فازی ساز و غیرفازی ساز…………………………………………………………….. ۳۸

 

شکل ۳-۶)  سیستم فازی به عنوان کنترل کننده حلقه باز…………………………………………………… ۳۹

 

شکل ۳-۷)  سیستم فازی به عنوان کنترل کننده حلقه بسته………………………………………………. ۳۹

 

شکل۳-۸)ساختارکلی سیستم فازی………………………………………………………………………………………….. ۴۵

 

شکل۴-۱) سیستم میکروشبکه…………………………………………………………………………………………………. ۵۰

 

شکل۴-۲) بلوك دیاگرام اعمال تغییرات توان به كنترل کننده فازی…………………………………….. ۵۶

 

شکل۴-۳) میکرو شبکه با حضورکنترل کننده فازی……………………………………………………………….. ۵۷

 

شکل ۴-۴) سیستم کنترلی میکروشبکه (Fuzzy PI)…………………………………………………………….. 61

 

شکل ۴-۵) ورودی‌های کنترل کننده فازی………………………………………………………………………………. ۶۲

 

شكل ۴-۶) خروجی‌های کنترل کننده PI فازی………………………………………………………………………. ۶۳

 

شكل ۴-۷) پیكربندی نویز سفید با پهنای باند محدود…………………………………………………………….. ۶۵

 

شکل ۵-۱)یکربندی میکروشبکه……………………………………………………………………………………………….. ۷۰

 

شکل ۵-۲)ساختار کنترلی میکروشبکه (Fuzzy PI ، و Well-Tuned PI)……………………………. 71

 

شکل۵-۳)یکر بندی تولید سیگنال تصادفی برای اجزای مختلف میکرو شبکه ……………………. ۷۳

 

شکل۵-۴) منحنی تغییرات توان برای تمام اجزاء میکرو شبکه ……………………………………………. ۷۴

 

شکل۵-۵)تغییرات فرکانس میکروشبکه در سه حالت:

 

۱) با وجود کنترل کننده  fuzzy-PI2) کنترل کننده Well-Tuned PI و

 

 3) بدون کنترل کننده………………………………………………………………………………………………………………. ۷۵

 

شکل۵-۶) ضریب K_p کنترل کننده فازی…………………………………………………………………………………. ۷۵

 

شکل۵-۷) ضریب K_i کنترل کننده فازی…………………………………………………………………………………. ۷۶

 

شکل۵-۸) تغییر بار در زمان t=150s از ۵۰kw به مقدار ۷۵kw : الف ) با استفاده از

 

الکترولایزر ب) بدون استفاده از الکترولایزر………………………………………………………………………………. ۷۷

 

شکل۵-۹)منحنی توان میکروشبکه زمان رخداد اضافه بار …………………………………………………….. ۷۸

 

شکل۵-۱۰). توان فوتوولتاییک در لحظه t=150s از توان ۱۰KW به ۸KW

 

تغییر یافته و مجددا در لحظه t=550s به توان ۱۰KW برمی‌گردد………………………………………… ۷۸

 

شکل۵-۱۱) تغییرات توان الکترولایزر وقتی که توان فتولتاییک در لحظه

 

 t=150s از توان ۱۰KW به ۸KW تغییر یافته و مجددا در لحظه t=550s

 

به توان  10KWبرمی‌گردد………………………………………………………………………………………………………….. ۷۹

 

 شکل(۵-۱۲). تغییرات توان میکروتوربین وقتی که توان فوتوولتاییک در لحظه

 

t=150s از  10KWبه  8KWتغییر یافته و مجددا در لحظه t=550s

 

به توان ۱۰KW برمی‌گردد……………………………………….. ۷۹

 

شکل(۵-۱۳). تغییرات فرکانس میکروشبکه وقتی که توان فوتوولتاییک

 

در لحظه t=150s از ۱۰KW به  8KWتغییر یافته و مجددا در لحظه t=550s

 

به توان ۱۰KW برمی‌گردد……………………………… ۸۰