بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله به ارائه یک سیستم کنترلی مناسب جهت مدیریت انرژی در سیستم تولید پراکنده باد-فتوولتاییک با واحد ذخیره کننده-ی ابر خازن و باتری پرداخته شده است. ابتدا به مدلسازی دینامیکی مناسب از اجزای این سیستم مبادرت شده و سپس سیستم کنترلی پیشنهاد شده که مبتنی بر روش کلاسیک می باشد ارائه میگردد ، این مدل توسط الگوریتم ژنتیک آموزش دیده میشود.
این استراتژی پیشنهادی با کنترل کننده کلاسیک مقایسه میگردد. میزان مقاوم بودن استراتژی پیشنهادی در برابر تغییرات بار و همچنین تغییرات پارامتری که ناشی از ماهیت انرژی باد وشرایط محیطی است، بررسی و در محیط نرم افزار متلب شبیه سازی گردیده است ونتایج مرتبط تحلیل شده است. از نتایج شبیه سازی مشخص می گردد که سیستم کنترلی پیشنهادی رفتارمناسب تری در برابر تغییرات بار از خود نشان خواهد داد. تحقیقات این سیستم تحت وضعیت های مختلف اجرا شده است و تحقیقات با استفاده از داده های واقعی آب و هوا صورت گرفته است.
-1 مقدمه
پیامدهای محیطی ، کمبود انرژی و نگرانی های مربوط به بیشینه شدن مصرف سوخت های فسیلی باعث برانگیخته شدن تحقیقاتی راجع به انواع مختلف منابع انرژی جایگزین شده است. انرژی الکتریکی در زندگی روزمره ی ما رایج ترین نوع انرژی است، ولی تولید آن اغلب از طریق سوزاندن سوخت های فسیلی حاصل میآید که این ذخایر سوختی محدودیت های بسیاری دارد .[1-2] این محدودیت ها سبب شده تا تمایلات جدید به سمت تکنولوژی های تولید توان تجدیدپذیر و دائمی از قبیل باد ، خورشید و... جلب شود .
در این میان استفاده از باد یکی از بهترین راه های تولید انرژی است . باد میتواند در مناطق دور دست از سیستم های تامین انرژی متمرکز، به عنوان یک مکمل و یا حتی جایگزین نیروگاه های مرکزی مرسوم مورد استفاده قرار بگیرد
از آنجایی که توان باد به طور نامنظم تغییر می-کند لذا از این رو یک نیاز به ذخیرهی انرژی است. با استفاده از سیستم ذخیره انرژی، یک منبع الکتریکی کم هزینه میتواند به طور موثر پیک تقاضا را تامین نماید .[4-6] در این مقاله ، از دو واحد ذخیره ی انرژی ابر خازن و سیستم های ذخیره انرژی باتری به عنوان واحد ذخیره کننده برای بهبود عملکرد دینامیکی سیستم توان بادی پیشنهاد شده است
تاکنون روش های متعددی در زمینهی کنترل مناسب توان هیبرید باد با واحد ذخیرهی انرژی جهت بدست آوردن عملکرد دینامیکی مطلوب و استخراج بیشترین بهرهوری از انرژی موجود، ارائه شده است. یک رویکرد متداول استفاده از کنترل های کلاسیک می باشد اولین استراتژی در این مقاله، استفاده از کنترل کننده کلاسیک می-باشد. که در ادامه از الگوریتم ژنتیک در این مقاله برای تعیین پارامترهای بهره کنترل کننده کلاسیک استفاده خواهد شد. در بخش نتایج شبیه سازی نشان داده خواهد شد که کنترل کننده پیشنهاد شده با الگوریتم ژنتیک عملکرد بسیار خوبی در برابر تغییرات بار نسبت به کنترل کننده کلاسیک از خود نشان می-دهد.
-2 پیکربندی و توضیح سیستم
ساختار شبکه ی مستقل پیشنهادی در این مقاله متشکل از توربین بادی، فتوولتاییک و واحد ذخیره کننده ی ابر خازن و باتری می باشد که در »شکل «1 نمایش داده شده است. این مدل سازی ها در محیط نرم افزار متلب انجام شده است. در این شبیه سازی سرعت باد نسبتا واقعی در نظر گرفته شده است و شبیه سازی ها در زمان 300 ثانیه انجام شده است. شبیه سازی ها به گونه ایی انجام گرفته است که نمایان گر تغییرات تولید و مصرف بار ها در طول 24 ساعت شبانه روز باشد.
شکل :1 ساختار شبکه ی مستقل پیشنهادی
1-2 مدل تولید ژنراتورهای توربین بادی توان خروجی ژنراتورهای توربین بادی بستگی به سرعت باد دارد.
توان مکانیکی توربین بادی به صورت معادله - 1 - ارائه می شود
شکل «2 توان خروجی ژنراتورهای توربین بادی را در مقایسه با سرعت باد را نشان می دهد . این شکل نشان می دهد که زمانی که سرعت باد بیشتر از سرعت مجاز می باشد، توان خروجی ثابت می ماند.
در این مطالعه، وقتی که سرعت باد بیشتر از سرعت باشد ، سیستم به خاطر ایمنی اجزایش از کار انداخته می شود، می باشد، توان و زمانی که سرعت باد بیشتر از خروجی ژنراتورهای توربین بادی در بیشترین مقدار خود ثابت می شود. با این حال، وقتی که سرعت باد کمتر از سرعت باشد، توان خروجی ژنراتورهای توربین بادی صفر می باشد.
شکل:2 توان خروجی ژنراتورهای توربین بادی
تابع انتقال ژنراتورهای توربین بادی که در »شکل «1 نشان داده شده است، در معادله - 4 - بیان می شود :
2-2 مدل فتوولتاییک یک سیستم فتوولتاییک متشکل از یک یا چندین سلول
فتوولتاییک می باشد، که به صورت سری و موازی وصل می شود تا ولتاژ و جریان مطلوب را تامین کند. سیستمهای تولید فتوولتاییک در حال حاضر به عنوان یکی از امیدوار کننده ترین منابع انرژی در نظر گرفته می شوند. تولید فتوولتاییک یک روش تولید برق انعطافپذیر و سازگار با محیط زیست است. دادههای الکتریکی واحد های فتوولتاییک تحت تأثیر تابش خورشیدی، درجه حرارت سلولهای خورشیدی و حوزه آرایه فتوولتاییک می باشند. توان خروجی سیستمهای فتوولتاییک را می توان به شکل معادله - 5 - زیر شرح داد:
- 5 - توان فتوولتاییک استخراج شده از تابش اشعه خورشیدیاساساً بستگی به چهار کمیت دارد، که عبارتند از: بازده تبدیل آرایه فتوولتاییک - - ، مساحت اندازه گیری شدهی آرایه فتوولتاییک - - ، تابش اشعه خورشیدی - - ، دمای محیط - - . تابع انتقال فتوولتاییک در معادله - 6 - بیان میشود:
3-2 مدل سیستم ذخیره کننده چرخ باتری این سیستم به عنوان یک تجهیز ذخیره ساز انرژی با پاسخ سریع به کار می رود .
تابع انتقال سیستم ذخیره ساز باتری که در »شکل «1 نشان داده شده است در معادله - 7 - بیان میشود
مدل سیستم ذخیره ساز ابر خازن 2-4 نوعی خازن الکتروشیمیایی است که ظرفیت ذخیره انرژی فوق العاده زیادی را داراست که ظرفیت آنها در حدود فاراد است. خازن های اولیه بر خلاف باتری ها که قادر به نگهداری انرژی زیاد با قدرت کم بودند, میتوانستند انرژی ای با قدرت بالا درخود ذخیره کنند اما این انرژی زود به پایان میرسید. ابرخازن ها با ترکیب ذخیره انرژی با قدرت زیاد و همچنین میزان زیادی از انرژی, این مشکل را تا حدودی رفع کردند. ابر خازن بارها را به شکلی شبیه به الکتریسیته ساکن به صورت یونهایی در سطح الکترودها ذخیره میکنند. بدین ترتیب بار الکتریکی در سطح بین دو الکترودها و الکترولیت ذخیره میشود. برای تولید ابرخازن از گرافن یا اکسید فلزات استفاده میشود.تابع انتقال ابر خازن که در »شکل «1 نشان داده شده است ، در معادله - 8 - بیان می شود
-3 مدل و روش کنترلی پیشنهاد شده
مدلسازی و روش کنترلی در این بخش شرح داده می شود. در مدل پیشنهاد شده سیستم ژنراتور توربین بادی-فتوولتاییک به عنوان منبع اصلی و اولیه جهت تولید توان خروجی شبکه مورد استفاده قرار گرفته است ، اما توان تولیدی در آن ها وابسته به شرایط آب و هوایی میباشد که توان تولیدی به وسیله ابرخازن ترکیب شده تا تقاضای بار متصل شده به شبکه را تامین کند. در این مقاله ترکیب سیستم ابرخازن با باتری برای سیستم رضایت بخش است، به عبارتی سیستم ذخیره انرژی باتری و ابر خازن به عنوان سیستم پشتیبان مورد استفاده قرار می گیرد.
توان تولیدی شبکه شامل توان سیستم های ژنراتور توربین بادی، فتوولتاییک ، باتری و ابر خازن می باشد که از رابطه - 9 - بدست می آید:
روش کنترلی پیشنهاد شده بدین صورت می باشد که اولین استراتژی، استفاده از کنترل کننده کلاسیک می باشد. سپس ما از الگوریتم ژنتیک در این مقاله برای تعیین پارامترهای بهره کنترل کننده کلاسیک بهره می بریم .
در بخش اول به توضیح الگوریتم ژنتیک پرداخته می شود. زیرا از این الگوریتم در جهت بهبود عملکرد کنترل کننده ها استفاده شده است و در بخش بعد به طراحی کنترل کننده کلاسیک و تنظیم پارامترهای آن توسط الگوریتم ژنتیک می پردازیم.
پارامترهای به کار گرفته شده در مدل سازی شبکه پیشنهادی در »جدول «1 آورده شده است.
جدول :1 مقادیر مورد استفاده در شبکه جدا از هم
الگوریتم ژنتیکی
الگوریتم ژنتیک در سال 1970 توسط هلند، دیجونگ و گلدبرگ ارائه شده است .[12] این الگوریتم جزء کلاس الگوریتمهای بهینهسازی تصادفی قرار دارد. این الگوریتم به خصوص برای بهینهسازی مسائل پیچیده با فضای جستجوی ناشناخته مناسب است. الگوریتم ژنتیک یکی از تکنیکهای بهینه سازی و جستجو است که بر اساس اصول و قواعد ژنتیک و وراثت موجودات زنده به حل مسائل مختلف میپردازد. یک گروه پاسخ تصادفی انتخاب کرده، سپس این پاسخها را با استفاده از اصول ژنتیک به تکامل میرساند. ساختار کلی الگوریتم ژنتیک در »شکل «3 ارائه شده است
