عنوان پایان‌نامه
طراحی کنترلر توان برای نیروگاه آبی کوچک
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس 2 فنی شماره ثبت: 1635;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 42826
- تاریخ دفاع
- ۳۱ شهریور ۱۳۸۸
- دانشجو
- محسن مهری
- استاد راهنما
- سیداحمد نوربخش
- چکیده
- مبحث عرضه انرژی و تولید توان، به خصوص از منابع پاک و تجدید پذیر زمینه ای آشناست که در سال های اخیر مورد توجه دقیق تری قرار گرفته، یکی از منابع مهم تجدیدپذیر انرژی برقابی است، کشور ایران با داشتن رودخانه های متعدد، دارای پتانسیلی خوب در بخش نیروگاه های آبی کوچک است. از طرفی در نیروگاه های آبی جریانی، سیستم ذخیره مثل سد، به دلیل هزینه بالا مورد استفاده قرار نمی گیرد که این منجر به تولید توان ثابتی توسط ژنراتور می گردد، اما بارهای مصرفی در طی زمان تغییر می کنند. هنگامی که مصرف کننده ها برخی وسایل را خاموش می کنند در حالی که پتانسیل آبی ثابت است قدرت الکتریکی کمتری استفاده می گردد و این در سیستم های جدا از شبکه باعث افزایش سرعت و فرکانس توربین و ژنراتور می گردد. مساله اصلی نوسان در فرکانس تولید شده توسط ژنراتور می باشد که بر عملکرد وسایل برقی اثر معکوس می گذارد. راه حل مناسب استفاده از بار کمکی می باشد. یعنی قدرت خروجی از توربین از یکسو به مصرف کننده و از سوی دیگر به یک سری مقاومت هدایـت می گردد. در این پایان نامه؛ پس از اراته مقدمه، لزوم و هدف انجام پژوهش در فصل اول، در فصل دوم در زمینه میزان تولید توان الکتریکی به عنوان یکی از شاخص های توسعه یافتگی جوامع به بررسی چالش های انرژی و لزوم سیاست گزاری صحیح در راستای بهره برداری از منابع جدید انرژی پرداخته شده است. در ادامه بر حسب عوامل دخیل، دسته بندی های مختلفی برای انواع نیروگاه-های تولید توان ارائه شده است. در نهایت با بررسی تجهیزات تولید توان در نیروگاه های آبی کوچک شامل توربین، ژنراتور و گاورنر به معرفی انواع بارز و خصوصیات نمونه های مختلف آن پرداخته شده است. در فصل سوم پس از ارایه دلیل و فلسفه استفاده از تکنولوژی های خرد مقیاس به امکان سنجی فنی و اقتصادی پروژه های نیروگاهی کوچک آبی از طریق مقایسه ترکیب های گوناگون تجهیزات تولید توان پرداخته شده است. در راستای بهینه سازی اقتصادی استفاده از پمپ معکوس یا پمپ به جای توربین، همچنین موتور سه فاز یا تک فاز به جای ژنراتور و بهره گیری از یک کنترلر الکترونیکی بار به عنوان جایگزین سیستم سنتی گاورنر بررسی شده است. پس از ذکر لزوم تمرکز زدایی و استفاده از سیستم های تولید توان برقابی به صورت جدا از شبکه به عنوان ابزار نیل به این منظور به بررسی الگوی مصرف در مناطق دور از شبکه پرداخته شده است. در ادامه سعی شده تا با استفاده از مطالعات میدانی با تکیه بر منابع آماری، تعیین ارتباط بین تقاضای انرژی الکتریکی و عوامل تعیین کننده آن از طریق تشکیل یک مدل اقتصاد سنجی صورت پذیرد و در نهایت تابع توزیع نرمال به عنوان تابع الگوی مصرف در هنگام پیک بار برای مطالعه رفتار سیستم در فصول بعد ارایه شده است. در فصل چهارم اصول کلی کنترل بار - فرکانس شرح داده شده است. پس از بررسی ادبیات موضوع، اصول گاورنینگ سرعت و انواع گاورنر مورد استفاده در نیروگاه ها آبی مورد بررسی قرار گرفته اند. از آنجا که در هنگام اتصال به شبکه مجزا، پارامتر کنترل شونده، سرعت چرخ دوار و در واقع فرکانس است. با تغییر بار ژنراتور سرعت توربین تغییر می کند. پس به ارایه معادله حرکت یا معادله عدم توازن گشتاور پیچشی پرداخته شده است. پس از بررسی جزییات سیستم های هیدروگاورنر و ارایه معادلات نوسانی و تغییر بار و بررسی رفتار دینامیکی توربین با به دست آوردن تابع تبدیل کلاسیک و حالت غیر ایده آل، یک پروسه برای مشخص کردن تابع تبدیل معادل پمپ به عنوان توربین ارایه شده است، همین فعالیت از طریق روش امپدانس مکانیکی نیز صورت گرفته است. نتایج ورودی پله با توربین معادل مقایسه شده است. در نهایت تابع تبدیل ژنراتور و دیاگرام بلوکی نیروگاه آبی ارائه شده اند. در فصل پنجم پس از بررسی کلی در زمینه فعالیت های انجام شده برای کنترل توان خروجی نیروگاه های آبی، استراتژی های کنترلی مورد مطالعه واقع شده اند، سپس ترکیب های متفاوت بار تعادلی دخیل در کنترل اتوماتیک بار معرفی و مزایا و معایب هر نمونه بررسی شده است. در ادامه به نحوه کارکرد کنترلر الکترونیک بار پرداخته شده است و روش های عملی پیاده سازی کنترل توان خروجی توسط بار تعادلی مورد مطالعه قرار گرفته اند. برای کنترل دور و فرکانس سیستم های جدا از شبکه پس از بررسی استراتژی های کنترلی ممکن، استفاده از بار تعادلی همراه با کنترلر الکترونیکی بار از نظر منطقی به صرفه و قابل اجرا به صورت بومی شناخته شده است. با بررسی ترکیب بندی های مختلف بار تعادلی، از روش منظم سازی زاویه فاز همراه با یافتن صفرشدگی ها به عنوان روش مناسب بهره گرفته شده است. این روش در نیروگاه های جریانی موجه ترین روش از منظر فنی و اقتصادی است. بدین منظور ماژول های مختلف مدار الکترونیکی کنترلر در نرم افزار پروتئوس شبیه سازی شده اند و خروجی هر ماژول ارایه شده است. نتایج خروجی نشانگر پایداری کنترلر طراحی شده برای باز گرداندن فرکانس تولیدی نیروگاه های جریانی جدا از شبکه، به مقدار مطلوب کاربر می باشد. سپس مدار کنترلر الکترونیکی بار در نرم افزار پروتل طراحی شده و خروجی آن به منظور ساخت برد کنترلر مورد استفاده قرار گرفته است. پس از جانمایی ادوات الکترونیکی و ساخت مدار الکترونیکی، سایر قسمت های لازم نظیر بارهای تعادلی، رله و تجهیزات مدار قدرت نیز همراه با مدار الکترونیکی بر روی مدل رودخانه مصنوعی همراه با پمپ استفاده شده در نقش توربین که در آزمایشگاه موسسه توربوماشین ساخته شده، نصب گردیده و تست و راه اندازی انجام گرفته است. در قسمت انتهایی پس از ارایه توابع تبدیل پمپ به عنوان توربین و ژنراتور و استفاده از تابع توزیع نرمال و تغییر پله به عنوان بار مصرفی، کنترلر تناسبی، انتگرالی طراحی شده، در نرم افزار سیمولینک شبیه سازی شده است. نتیجه تغییرات در پارامترهای کنترلر و توابع تبدیل در نمودارهای خروجی نرم افزار برای تغییرات قدرت خروجی توربین و تغییرات فرکانس نشان داده شده است و همچنین مقایسه با فعالیت های مشابه و صحه گذاری بر پارامترهای کنترلر صورت گرفته است. در نهایت نیز به کمک شبکه های عصبی بهینه سازی پارامترهای کنترلر انجام گرفته است.
- Abstract
- In this thesis, frequency and revolution control methods of isolated small hydro power plant is investigated and controller electronic circuit for an economic system is presented. Application of such systems in decentralization and rural electrification has important role in developing countries. Many small hydro powers are grid independent, in this case there is no reliable grid to maintain generator in its nominal frequency and a velocity regulation system is necessary to maintain voltage and frequency constant all day long. Any changes in load will result in disorderliness of generator mechanical and electrical torque and corresponding change in rotor velocity and generator frequency. From other point of view, high price for installation per kilo Watt is one of the problems in production and development of small hydro plant in Iran. In prime cost of a plant, turbine and the system to maintain its revolution, plays an important role. Comparison between power production equipments of small hydro and control strategies is done and economic system which consists of PAT is chosen. Electronic load controller with its circuit which can be produced inside Iran is presented, this controller with the aid of phase angel regulation method in each half cycle of voltage wave shape, will switch on ballast load until the end of that half cycle. This procedure is done with triggering power electronics device with use of a PI-action controller. After economical survey, an electronic controller is designed in order to keep the output frequency of small hydro power plant constant. In this plant motor is used as generator and pump is used as turbine, different modules of controller circuit are represented and simulation and demonstration is done.
