اسفند
1392
تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
چکیده
 
 
آنالیز احتمالی پایداری دینامیک میکروگرید ها با در نظر گرفتن توربین های بادی
 
 
به کوشش
اصلان مجلل
 
 
در سال های اخیر نفوذ بالای منابع انرژی تجدید پذیر و مشخصا انرژی باد در شبکه های قدرت مسائل جدیدی را به وجود آورده است. یکی از مهمترین این مسائل، عدم قطعیت در توان تولیدی توسط توربین های بادی است. عدم قطعیت ایجاد شده توسط انرژی باد در ریزشبکه ها که سطح توان و ولتاژ پایین تری دارند می‌تواند بسیار تاثیر گذارتر باشد. این موضوع نیاز به انجام آنالیز احتمالی در ریزشبکه هایی که از انرژی باد برای تولید توان استفاده می‌کنند را مشخص می‌سازد. در این پایان نامه، پایداری سیگنال کوچک ریزشبکه ها تحت تاثیر عدم قطعیت تولیدی توسط انرژی باد مورد مطالعه قرار خواهد گرفت. بدین منظور روش های مونت-کارلو و کوانتایز به عنوان روش های عددی و روش تخمین دو نقطه ای و روش مبتنی بر بسط گرم-چارلیر به عنوان روش های آنالیز احتمالی عددی مورد استفاده قرار می‌گیرند. مزایا و معایب این روش ها مورد مطالعه قرار خواهد گرفت. به منظور کامل شدن مطالعات در این زمینه، دینامیک توربین های بادی نیز در این پایان نامه مورد بررسی قرار خواهد گرفت. برای دستیابی به این هدف، سه نوع توربین بادی مرسوم در سیستم های قدرت به طور کامل مدل سازی شده و تاثیر دینامیک آنها بر روی احتمال ناپایداری سیستم مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. همچنین برای به دست آوردن معادلات حالت سیستم، از روشی مخصوص ریزشبکه ها استفاده خواهد شد که انعطاف پذیری زیادی را برای مدل سازی اجزای جدید فراهم می کند.
 
کلمات کلیدی:
پایداری سیگنال کوچک، آنالیز احتمالی، ریزشبکه، عدم قطعیت، انرژی باد
 
 
فهرست مطالب:
فصل اول   1
1-1….. انرژی بادی 2
1-1-1. مروری بر انرژی باد 2
1-1-2. تکنولوژی های مختلف توربین بادی 6
1-1-2-1…………………………….. توربین بادی با ژنراتور القایی قفس سنجابی 7
1-1-2-2…………………………… توربین بادی با ژنراتور القایی دو سو تغذیه 8
1-1-2-3…………………………………………………….. توربین بادی با مبدل تمام توان 9
1-2….. مقدمه ای بر ریزشبکه ها 10
1-2-1. تولید پراکنده 10
1-2-2     ریزشبکه ها 12
1-3….. طرح مساله و مروری بر تحقیقات انجام شده 14
1-3-1. مروری بر تحقیقات انجام شده 14
1-3-2. تعریف مساله 16
1-4….. سر فصل ها 17
1-4-1. فصل دوم: مدلسازی و تعریف معادلات توربین های بادی 17
1-4-2. فصل سوم: معرفی و مدل سازی ریزشبکه 17
1-4-3.     فصل چهارم: معرفی روش های آنالیز احتمالی 18
1-4-4. فصل پنجم: شبیه سازی و مقایسه 18
فصل دوم   19
2-1….. توربین های بادی سرعت ثابت [33] 20
2-2…… توربین های بادی سرعت متغیر 25
2-2-1. توربین بادی با مبدل تمام توان [35] 25
2-2-1-1………………………………………………………………………….. مدل سازی سیستم قدرت 27
2-2-1-2……………………………………………………………………….. مدل سازی سیستم کنترل 30
2-2-2. توربین بادی با ژنراتور القایی دو سو تغذیه 38
2-2-2-1. مدل سازی ماشین القایی مورد استفاده در توربین بادی دو سو تغذیه 39
2-2-2-2. مدل سازی سیستم کنترل مبدل مورد استفاده در توربین بادی دو سو تغذیه 41
فصل سوم   44
3-1….. معرفی سیستم ریزشبکه 45
3-2….. مدل سازی ریزشبکه 47
3-2-1. مدل ماشین سنکرون 47
3-2-2. مدل ریزشبکه 52
3-2-3. مدل کلی سیستم 54
فصل چهارم 56
4-1….. روش های بررسی احتمالی عددی 57
4-1-1. روش مونت-کارلو[25،41] 57
4-1-2. روش کوانتایز[43] 62
4-2….. روش های بررسی احتمالی تحلیلی 63
4-2-1.       روش تخمین دو نقطه ای[27-28، 43-44] 64
4-2-2.       روش مبتنی بر بسط گرم-چارلیر[29-30، 45-47] 67
فصل پنجم 74
5-1…… بررسی پایداری سیستم بدون در نظر گرفتن عدم قطعیت 75
5-2….. بررسی حساسیت مقادیر ویژه ریزشبکه به حالت های سیستم 85
5-3.     بررسی احتمالی پایداری سیگنال کوچک با در نظر گرفتن یک متغیر احتمالی 92
5-4.     بررسی احتمالی پایداری سیگنال کوچک با در نظر گرفتن چند متغیر احتمالی ورودی 104
فصل ششم 114
6-1….. نتیجه گیری 115
6-1-1. نتایج مربوط به توربین های بادی 115
6-1-2. نتایج مربوط به روش های احتمالی مورد استفاده 115
6-1….. پیشنهادات 116
مراجع ………………………………………………….‌.‌‌…………………………………………………………………………..… 118
 
 
 
فهرست شکل ها:
 

شکل 1-1- ظرفیت تجمعی انرژی باد جهان……………………………………………………………………………………………………………….
2
شکل 1-2- اطلس سرعت باد جهان در ارتفاع 80 متری برای سال 2005………………………………………………………………..
3
شکل 1-3- اطلس سرعت باد ایران در ارتفاغ 80 متری……………………………………………………………………………………………..
4
شکل 1-4- توربین بادی محور افقی…………………………………………………………………………………………………………………………….
4
شکل 1-5- توان تولیدی یک مزرعه بادی نوعی با ظرفیت 50MW در یک هفته……………………………………………………..
5
شکل 1-6- توربین بادی سرعت ثابت با ژنراتور القایی قفس سنجابی و بانک خازنی…………………………………………………
7
شکل 1-7- توربین بادی سرعت متغیر با ژنراتور القایی دو سو تغذیه…………………………………………………………………………
8
شکل 1-8- توربین بادی سرعت متغیر با مبدل تمام توان………………………………………………………………………………………….
9
شکل 1-9- توان تولیدی توسط توربین های سرعت ثابت و سرعت متغیر…………………………………………………………………
10
شکل 2-1- مدار معادل ماشین القایی سه فاز در یک مرجع اختیاری………………………………………………………………………..
22
شکل 2-2- مدل توربین بادی با مبدل تمام توان……………………………………………………………………………………………………….
27
شکل 2-3- مدل خطی سازی شده کنترلر حلقه قفل فاز مورد استفاده برای تعیین سرعت زاویه ای و زاویه فاز…….
30
شکل 2-4- سیستم کنترلر مبدل الکتریکی…………………………………………………………………………………………………………………
31
شکل 2-5- سیستم کنترل توان اکتیو مبدل الف- کنترلر داخلی ب- کنترلر خارجی………………………………………………
32
شکل 2-6- سیستم کنترل توان راکتیو مبدل الف- کنترلر داخلی ب- کنترلر خارجی…………………………………………….
32
شکل 2-7- سیستم کنترل توان اکتیو مورد استفاده در این مطالعه…………………………………………………………………………..
32
شکل 2-8- سیستم کنترل توان راکتیو مورد استفاده در این مطالعه…………………………………………………………………………
33
شکل 2-9- تاثیر مقاومت خارجی اضافه شده به روتور ماشین القایی بر لغزش و گشتاور این ماشین………………………
38
شکل 2-10- مدل یک ماشین القایی بادو سو تغذیه…………………………………………………………………………………………………..
39
شکل 2-11- سیستم کنترل توان راکتیو توربین بادی با ماشین القایی دو سو تغذیه……………………………………………….
43
شکل 2-12- سیستم کنترل توان اکتیو توربین بادی با ماشین القایی دو سو تغذیه…………………………………………………
43
شکل 3-1- نمای تک خط ریز شبکه اول مورد مطالعه……………………………………………………………………………………………….
45
شکل 3-2- نمای تک خط و ساده شده ریز شبکه اول مورد مطالعه………………………………………………………………………….
46
شکل 3-3- مدل استاتور و روتور ماشین سنکرون مورد مطالعه………………………………………………………………………………….
48
شکل 3-4- مدل سیم پیچ های روتور و استاتور ماشین سنکرون مورد مطالعه…………………………………………………………
48
شکل 4-1- تابع توزیع سرعت باد مورد استفاده در این مطالعه………………………………………………………………………………….
59
شکل 4-2- منحنی توان-سرعت………………………………………………………………………………………………………………………………….
60
شکل 4-3- فلوچارت پیاده سازی روش مونت-کارلو…………………………………………………………………………………………………..
61
شکل 4-4- فلوچارت پیاده سازی روش کوانتایز………………………………………………………………………………………………………….
63
شکل 5-1- خط سیر مقادیر ویژه بحرانی ریزشبکه با توربین بادی با ژنراتور القایی قفس سنجابی بر حسب تغییرات توان اکتیو تولیدی…………………………………………………………………………………………………………………………………………..
87
شکل 5-2- خط سیر مقادیر ویژه بحرانی ریزشبکه با توربین بادی با ژنراتور القایی قفس سنجابی بر حسب تغییرات بار…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
87
شکل 5-3- خط سیر مقادیر ویژه بحرانی ریزشبکه با توربین بادی بامبدل تمام توان بر حسب تغییرات توان اکتیو و راکتیو تولیدی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
89
شکل 5-4- خط سیر مقادیر ویژه (1و2) ریزشبکه با توربین بادی بامبدل تمام توان بر حسب تغییرات گین کنترلر Kpd……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
90
شکل 5-5- خط سیر مقادیر ویژه (3و4) ریزشبکه با توربین بادی بامبدل تمام توان بر حسب تغییرات گین کنترلر Kpd……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
90
شکل 5-6- خط سیر مقادیر ویژه بحرانی ریزشبکه با توربین بادی دو سو تغذیه بر حسب تغییرات توان اکتیو تولیدی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
91
شکل 5-7- تابع توزیع مقدار ویژه بحرانی در شرایط مرزی به دست آمده برای ریزشبکه با SCIG توسط روش تخمین دو نقطه ای……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
95
شکل 5-8- تابع توزیع مقدار ویژه بحرانی در شرایط ناپایدار به دست آمده برای ریزشبکه با SCIG توسط روش تخمین دو نقطه ای……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
95
شکل 5-9- تابع توزیع مقدار ویژه بحرانی در شرایط مرزی به دست آمده برای SCIG توسط بسط گرم چارلیر……..
97
شکل 5-10- تابع توزیع مقدار ویژه بحرانی در شرایط مرزی به دست آمده برای ریزشبکه با FRC توسط روش تخمین دو نقطه ای……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
99
شکل 5-11- تابع توزیع مقدار ویژه بحرانی در شرایط مرزی به دست آمده برای ریزشبکه با FRC…………………………
100
شکل 5-12- تابع توزیع مقدار ویژه بحرانی در شرایط مرزی به دست آمده برای ریزشبکه با DFIG توسط روش تخمین دو نقطه ای……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
102
شکل 5-13- تابع توزیع مقدار ویژه بحرانی در شرایط مرزی به دست آمده برای ریزشبکه با DFIG توسط روش گرم چارلیر…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
103
شکل 5-14- نمای تک خط ریز شبکه دوم مورد مطالعه……………………………………………………………………………………………
104
شکل 5-15- نمای تک خط و ساده شده ریز شبکه دوم مورد مطالعه……………………………………………………………………….
105
شکل 5-16- تابع چگالی احتمالی به دست آمده توسط روش تخمین دو نقطه ای برای ریزشبکه با توربین بادی SCIG و FRC……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
108
شکل 5-17- تابع چگالی احتمالی به دست آمده توسط روش گرم چارلیر برای ریزشبکه با توربین بادی SCIG و FRC………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
110
جدول 5-18-پراکندگی نمونه های مقادیر ویژه بحرانی با استفاده از روش مونت-کارلو در ریزشبکه……………………….
111
شکل 5-19-تابع توزیع به دست آمده با استفاده از روش تخمین دو نقطه ای بر روی ریزشبکه در حضور عدم قطعیت باد و بار……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
113
شکل 5-20-تابع توزیع به دست آمده با استفاده از مونت کارلو برای ریزشبکه در حضور عدم قطعیت باد و بار………
113
شکل 5-21-تابع توزیع به دست آمده با استفاده از روش گرم چارلیر برای ریزشبکه در حضور عدم قطعیت باد و بار………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………..
113
 
 
فهرست جداول:
 

جدول 3-1- مقادیر امپدانس منبع، بار و خطوط در ریزشبکه شکل 3-2……………………………………………………………………
46
جدول 5-1- مشخصات فنی توربین بادی با ژنراتور القایی قفس سنجابی مورد استفاده در این مطالعه…………………….
76
جدول 5-2- شرایط مختلف بارگذاری ریز شبکه برای توربین بادی با ژنراتور القایی قفس سنجابی…………………………..
76
جدول 5-3- نتایج پخش بار ریز شبکه برای توربین بادی با ژنراتور القایی قفس سنجابی………………………………………….
77
جدول 5-4- ماتریس مشارکت ریز شبکه برای توربین بادی با ژنراتور القایی قفس سنجابی………………………………………
79
جدول 5-5- پارامتر های توربین بادی با مبدل تمام توان……………………………………………………………………………………………
79
جدول 5-6- شرایط مختلف بارگذاری ریز شبکه برای توربین بادی با مبدل تمام توان………………………………………………
80
جدول 5-7- مقادیر ویژه ریز شبکه برای توربین بادی با مبدل تمام توان…………………………………………………………………..
81
جدول 5-8- ماتریس مشارکت ریز شبکه برای توربین بادی با مبدل تمام توان………………………………………………………….
83
جدول 5-9- شرایط مختلف بارگذاری ریز شبکه برای توربین بادی دو سو تغذیه………………………………………………………
84
جدول 5-10- مقادیر ویژه ریز شبکه برای توربین بادی با ماشین القایی دو سو تغذیه……………………………………………….
84
جدول 5-11- ماتریس مشارکت ریز شبکه برای توربین بادی با ماشین القایی دو سو تغذیه……………………………………..
86
جدول 5-12- نتایج بررسی احتمالی روش مونت-کارلو بر روی ریزشبکه با SCIG…………………………………………………….
93
جدول 5-13- نتایج بررسی احتمالی با روش کوانتایز بر روی ریزشبکه با SCIG……………………………………………………….
93
جدول 5-14- نتایج بررسی احتمالی روش تخمین دو نقطه ای بر روی ریزشبکه با SCIG……………………………………….
94
جدول 5-15- مومنت ها و کیومولنت های متغیر های احتمالی ورودی و خروجی برای ریزشبکه با SCIG……………..
96
جدول 5-16- ضرایب بسط گرم چارلیر برای ریزشبکه با SCIG…………………………………………………………………………………
96
جدول 5-17- نتایج بررسی احتمالی با روش مبتنی بر بسط گرم چارلیر برای ریزشبکه با SCIG…………………………….
96
جدول 5-18- نتایج بررسی احتمالی با روش مونت-کارلو برای ریزشبکه با FRC………………………………………………………
97
جدول 5-19- نتایج بررسی احتمالی با روش کوانتایز برای ریزشبکه با FRC……………………………………………………………..
98
جدول 5-20- نتایج بررسی احتمالی با روش تخمین دو نقطه ای برای ریزشبکه با FRC………………………………………….
98
جدول 5-21- مومنت ها و کیومولنت های متغیر های احتمالی خروجی برای ریزشبکه با FRC………………………………
98
جدول 5-22- ضرایب بسط گرم چارلیر برای ریزشبکه با FRC…………………………………………………………………………………..
98
جدول 5-23- نتایج بررسی احتمالی با روش مبتنی بر بسط گرم چارلیر برای ریزشبکه با FRC………………………………
98
جدول 5-24- نتایج بررسی احتمالی با روش مونت-کارلو برای ریزشبکه با DFIG…………………………………………………….
101
جدول 5-25- نتایج بررسی احتمالی با روش کوانتایز برای ریزشبکه با DFIG……………………………………………………………
101
جدول 5-26- نتایج بررسی احتمالی با روش تخمین دو نقطه ای برای ریزشبکه با DFIG………………………………………..
101
جدول 5-27- مومنت ها و کیومولنت های متغیر های احتمالی ورودی و خروجی برای ریزشبکه با DFIG……………..
102
جدول 5-28- ضرایب بسط گرم چارلیر برای ریزشبکه با DFIG…………………………………………………………………………………
102
جدول 5-29- نتایج بررسی احتمالی با روش مبتنی بر بسط گرم چارلیر برای ریزشبکه با DFIG…………………………….
103
جدول 5-30- شرایط بارگذاری ریزشبکه با دو توربین بادی………………………………………………………………………………………..
105
جدول 5-31- نتایج بررسی احتمالی با روش مونت-کارلو روی ریزشبکه با دو توربین بادی SCIG و FRC……………..
106
جدول 5-32- نتایج بررسی احتمالی با روش کوانتایز روی ریزشبکه با دو توربین بادی SCIG و FRC…………………….
107
جدول 5-33- نتایج بررسی احتمالی با روش تخمین دو نقطه ای روی ریزشبکه با دو توربین بادی SCIG و FRC…
107
جدول 5-34- مومنت ها و کیومولنت های متغیر های احتمالی ورودی و خروجی برای ریزشبکه با دو توربین بادی SCIG و FRC…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
109
جدول 5-35- ضرایب بسط گرم چارلیر برای ریزشبکه با دو توربین بادی SCIG و FRC………………………………………….
109
جدول 5-36- نتایج بررسی احتمالی با روش مبتنی بر بسط گرم چارلیر روی ریزشبکه با دو توربین بادی SCIG و FRC………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
109
جدول 5-37- میانگین و انحراف معیار بار های احتمالی مورد استفاده در این پایان نامه…………………………………………..
110
جدول 5-38-نتایج بررسی احتمالی با روش مونت-کارلو بر روی ریزشبکه با انرژی باد و بار تصادفی………………………..
111
جدول 5-39-نتایج بررسی احتمالی با روش تخمین دو نقطه ای بر روی ریزشبکه با انرژی باد و بار تصادفی…………..
112
جدول 5-40- مومنت ها و کیومولنت های مقادیر ویژه برای ریزشبکه در حضور عدم قطعیت باد و بار…………………….
112
جدول 5-41- ضرایب بسط گرم چارلیر برای ریزشبکه در حضور قطعیت باد و بار……………………………………………………..
112
جدول 5-42-نتایج بررسی احتمالی با روش گرم چارلیر بر روی ریزشبکه با انرژی باد و بار تصادفی………………………..
112
 
 
 

فصل اول
 
 
 
مقدمه
 
 

1-1.       انرژی بادی
مروری بر انرژی باد
تاثیر منفی و غیر قابل اغماض سوزاندن سوخت های فسیلی[1] بر روی آب وهوای جهان در سالهای اخیر به شدت مورد توجه قرار گرفته است. کاهش تاثیرات منفی این تغییرات آب وهوایی نیازمند کاهش بسیار زیاد در تولید گازهای گلخانه[2] ای است که می تواند از طریق کاهش سوزاندن سوختهای فسیلی میسر شود. بر اساس تخمین ها تا سال 2050 کاهش60 الی 80 درصدی این گازها ضروریست [1]. به همین دلیل در بسیاری از کشورها استفاده از منابع تولید انرژی ای که علی رغم داشتن ضریب اطمینان بالا، کربن مونو اکسید کمی تولید کنند و از لحاظ اقتصادی به صرفه باشند تبدیل به یکی از مهمترین اهداف سیاستگذاران در زمینه انرژی شده است.
بدین منظور استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر[3] در دستور کار دولتها قرار گرفته است به طوری که در سال 2012 میزان ظرفیت تولید توان از کلیه منابع تجدید پذیر از مرز 1.470 گیگاوات گذشت. این میزان ظرفیت تولید[4] معادل 26% ظرفیت تولید جهانی و 21.7% توان تولید شده در همین سال است [2]. در این میان انرژی باد[5] یکی از سریعترین نرخهای رشد را نسبت به سایر منابع انرژی تجدید پذیر داشته است. به طوریکه در سال 2012 میزان ظرفیت تولید توان از انرژی باد به 282 گیگاوات رسیده است [3].
شکل 1-1- ظرفیت تجمعی انرژی باد جهان
در شکل 1-1، نمودار “Reference”بر اساس گزارش دور نمای انرژی جهان در سال 2004 از آژانس بین المللی انرژی[6] استوار است , سناریوی “Moderate” بیانگر شرایطی است که تمام اقدامات سیاسی لازم برای حمایت از انرژی های تجدیدپذیر (در دست احداث و یا در حال برنامه ریزی) صورت گیرد و در سناریوی “Advanced” فرض بر این است که تمام راهکارهای سیاسی به نفع تولید و گسترش استفاده از انرژی باد باشد. با بررسی شکل 1-1 که پیش بینی میزان ظرفیت توان باد تولیدی در سال 2004 را نشان میدهد و مقایسه آن با مقادیر واقعی ظرفیت توان باد در سال 2012 به وضوح می توان ملاحظه کرد که بهترین و خوشبینانه ترین پیشبینی ها در مورد آینده انرژی های باد بسیار با واقعیت فاصله دارند [4]. بنابراین می توان به این نتیجه رسید که در سالهای آینده انرژی باد تبدیل به یکی از موثرترین و پرکاربردترین منابع انرژی جهان خواهد شد.
شکل 1-2- اطلس سرعت باد جهان در ارتفاع 80 متری برای سال 2005
از آنجایی که میزان توان تولیدی توسط توربینهای بادی بسیار به سرعت باد وابسته است سعی بر آن است که مکان نیروگاههای بادی در مناطق با سرعت باد نسبتا زیاد انتخاب شود. شکل 1-2 نمونه ای از اطلس بادی که می تواند برای این منظور مورد استفاده قرار گیرد را نشان می دهد. در این شکل سرعت باد در مناطق مختلف جهان در ارتفاع 80 متری از سطح زمین نشان داده شده است. به علاوه شکل 1-3 اطلس باد ایران در ارتفاع 80 متری از سطح زمین را نشان می دهد. مطابق این شکل ایران از پتانسیل و توانایی بالایی برای بهره برداری از انرژی باد برخوردار است [5].
شکل 1-3- اطلس سرعت باد ایران در ارتفاغ 80 متری
تقریبا روند کارکرد تمامی توربین های بادی یکسان است بدین ترتیب که انرژی باد باعث ایجاد یک حرکت چرخشی[7] در پره های توربین میشود و این چرخش این پره ها باعث حرکت دادن محور ژنراتور الکتریکی[8] که درون نازل[9] قرار دارد می شود. سپس سرعت چرخشی محور توسط یک گیربکس[10] افزایش پیدا میکند به طوری که برای استفاده توسط ژنراتور الکتریکی مناسب باشد. ژنراتور با کمک یک میدان مغناطیسی[11]، انرژی جنبشی چرخشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. در اخر سطح ولتاژ توسط یک ترانسفورمر از حدود 700Vبه ولتاژ مناسب برای اتصال به شبکه مثلا 20KV تبدیل می شود.
[1] Fossil fuels