پایان نامه ارشد رشته برق : طراحی و شبیه سازی شارژر کنترلر سیستم دوگانه خورشیدی و بادی

 دانشگاه آزاد اسلامی

واحد دامغان

دانشکده مهندسی برق

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

در رشته مهندسی برق قدرت -گرایش الکترونیک قدرت

عنوان

طراحی و شبیه سازی شارژر کنترلر سیستم دوگانه خورشیدی و بادی متصل به باتری

استاد راهنما

دکتر عبدالحسین طحانی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده درج نمی شود

تکه هایی از متن به عنوان نمونه : (ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب

فصل اول: مقدمه…………………………………………………………………………………………………………….. 1

1-2- مفهوم حالت شارژ ……………………………………………………………………………………………………… 3

1-3- برسی روش های تخمین حالت شارژ باتری………………………………………………………………………. 4

1-3-1- اندازه‌گیری حالت شارژ از طریق ویژگیهای فیزیكی الكترولیت………………………………… 4

1-3-2- ولتاژ مدار باز…………………………………………………………………………………………………… 5

1-3-3- شمارش آمپر ساعت………………………………………………………………………………………… 6

1-3-4- تخمین با بهره گرفتن از منطق فازی…………………………………………………………………………… 7

1-3-5- شبكه های عصبی مصنوعی………………………………………………………………………………… 8

1-3-6- تخمین با بهره گرفتن از فیلتر کالمن …………………………………………………………………………. 9

1-4 -کنترل حالت شارژ………………………………………………………………………………………………….. 9

فصل دوم: منابع تولید پراکنده……………………………………………………………………………….. 11

2-1- بحران انرژی در جهان……………………. ……………………………………………………………………….. 11

2-2- منابع تولید پراکنده…………………… ………………………………………………………………………………. 12

2-3- فناوریهای تولید پراکنده………………….. ………………………………………………………………………… 13

2-4- انرژی باد و نیروگاه بادی- سلول های خورشیدی و بررسی سیستم های فتوولتائیک(PV) ………………………………………………………………………………………………………………………………………… 14

2-4-1- انرژی باد و نیروگاه بادی………. ………………………………………………………………………. 14

2-4-2- تار یخچه استفاده از انرژی باد….. ……………………………………………………………………… 15

2-4-3- مزایای نیروگاه های بادی………….. ……………………………………………………………………. 16

2-5- توربین بادی…………………… ……………………………………………………………………………………… 19

2-5-1- كاربرد توربینهای بادی………………. ………………………………………………………………….. 19

الف- كاربردهای غیرنیروگاهی …………………….. ……………………………………………………………… 19

ب – كاربردهای نیروگاهی…………………. ………………………………………………………………………… 19

2-5-2- انواع توربینهای بادی………………………………………………………………………………………. 20

2-5-2-1- تقسیم بندی از حیث اندازه…………………………………………………………………………… 20

1. توربین های کوچک (small)………………….. ……………………………………………………………. 20
2. توربین های متوسط (medium)……….. ………………………………………………………………….. 20
3. توربین های بزرگ (large) ……. ………………………………………………………………………………20

2-5-3- بادها و توربینهای بادی………. …………………………………………………………………………. 21

2-5-4 – انرژی دریافتی از توربین…………… …………………………………………………………………… 23

2-2-5- توان پتانسیل توربین………………… …………………………………………………………………….. 23

2-5-6- ضریب یکپارچگی……………………….. ………………………………………………………………. 25

2-5-7- برآورد پتانسیل باد……………………… …………………………………………………………………. 26

2-5-8 – ارزیابی آماری داده های باد.. …………………………………………………………………………… 27

2-5-9- محاسبه انرژی سالانه خروجی یک توربین بادی…………………………………………………. 29

2-6- ژنراتور سنکرون  (Synchronous Generator)………………………………………………… 32

2-6-1 رتور در ژنراتور سنکرون……………………………………………………………………………………. 33

2-6-2 ساختمان و اساس کار………………………………………………………………………………………… 34

2-7- ژنراتورهای القایی یا آسنکرون……………………………………………………………………………. 35

2-7-1 مشخصه‌ های الکتریکی……………………………………………………………………………………….. 36

2-7-2 مزایای ژنراتور القایی…………………………………………………………………………………………. 37

2-7-3 معایب ژنراتور القایی…………………………………………………………………………………………. 38

2-7-4 جریان هجومی در بهره‌برداری موازی…………………………………………………………………… 39

2-7-4 اتصال کوتاه سه‌فاز ناگهانی…………………………………………………………………………………. 40

2-7-5 اتصال کوتاه تک‌فاز……………………………………………………………………………………………. 40

2-7-6 پدیده خود تحریکی…………………………………………………………………………………………… 40

2-7-7 سیستم بهره‌برداری و کنترل………………………………………………………………………………… 41

2-7-8 راه‌اندازی………………………………………………………………………………………………………….. 41

2-7-9 بهره‌برداری موازی……………………………………………………………………………………………… 42

2-7-10 بارگذاری……………………………………………………………………………………………………….. 42

2-7-11 توقف آهسته…………………………………………………………………………………………………… 42

2-7-12 از کار افتادن (SHUT DOWN) ………………………………………………………………….. 42

2-7-13 توان اکتیو……………………………………………………………………………………………………….. 43

2-7-14 نیاز به بانک خازنی………………………………………………………………………………………….. 44

2-7-15 اتصال به شبکه و یا منفرد…………………………………………………………………………………. 44

2-8- سلول های خورشیدی و بررسی سیستم های فتوولتائیک(PV)…. ……………………………. 46

2-9- سلول خورشیدی……………………… …………………………………………………………………………….. 48

2-9-1- انواع سلول­های خورشیدی………………. ……………………………………………………………. 48

2-9-2- ساختار فیزیکی سلول های خورشیدی……………………………………………………………… 49

2-10- پنل خورشیدی ……………………………………………………………………………………………………… 54

2-11- نحوه ساخت پنل خورشیدی211 واتی………………………………………………………………………. 55

2-12- روش­های تولید انرژی خورشیدی …………….. …………………………………………………………… 56

2-13- سیستم فتوولتائیک (Photovoltaic)………………………………………………………………………. 57

2-13-1- مزایای نظریه نیروگاه های سلول خورشیدی………… ………………………………………….. 65

2-13-2- معایب نظریه نیروگاه های سلول خورشیدی…… ……………………………………………….. 65

فصل سوم: باتری شارژرها…………………….. …………………………………………………………………. 66

3-1- مبانی سیستم باتری……………. ……………………………………………………………………………………. 66

3-1-1- سیستم های باتری………………… ………………………………………………………………………. 66

3-1-2- سلول سرب- اسیدی………. ……………………………………………………………………………. 66

3-1-3- مشخصه ی تخلیه………………. ………………………………………………………………………… 67

3-1-4- ملزومات شارژر………………. …………………………………………………………………………… 68

3-2- باتری شارژرها…………. ……………………………………………………………………………………………… 69

3-2-1- حالت زیرشارژ…………………….. ……………………………………………………………………….. 71

3-2-2- حالت فوق شارژ………. …………………………………………………………………………………… 72

3-2-3- شارژ سریع…………. ……………………………………………………………………………………….. 72

3-3- ایمنی……………………………… ……………………………………………………………………………………… 73

3-3-1- روش زمین کردن باتریهای 110 ولتی…………. ……………………………………………………. 73

3-3-2- زمین کردن سیستم باتری 48ولت………………. ……………………………………………………. 74

3-3-3- سیستم نشان دهنده آلارم باتری…… …………………………………………………………………… 74

3-4- سلولهای ترکیب مجدد……………………… ……………………………………………………………………… 75

3-5- راه اندازی باتریها ……………………. ……………………………………………………………………………… 77

3-5-1- راه اندازی باتریهای پلانته (سرب- اسیدی)….. …………………………………………………… 77

3-5-1-1- آزمایشهای باتری شارژر…………….. ……………………………………………………………… 77

3-5-1-2- آزمایش های تخلیه (دشارژ) باتری.. ……………………………………………………………… 79

3-5-1-3- رله اتصال زمین…………… ……………………………………………………………………………. 79

3-5-2- راه اندازی باتریهای آب بندی شده……….. ………………………………………………………….. 80

3-6- نقش شارژرها در پست­های برق…………………………………………………………………………………. 80

3-7- اصول کار شارژر………….. …………………………………………………………………………………………. 82

3-7-1- حالت شارژ نگهداری ……… …………………………………………………………………………….. 85

3-7-2- حالت شارژ سریع……………. ……………………………………………………………………………. 85

3-7-3- حالت شارژ اولیه…………………………………………………………………………………………….. 86

فصل چهارم: مدل­سازی دینامیکی سلول خورشیدی و توربین بادی…………………… 88

4-1 – سلول فتوولتاییک …….. ……………………………………………………………………………………………. 88

4-2 – مدل توربین بادی …….. ……………………………………………………………………………………………. 93

4-3 مدل باد و مدل شبكه مصرفی…………………………………………………………………………….. 101

فصل پنجم: نتایج شبیه سازی شارژر کنترلر سیستم دوگانه خورشیدی و بادی متصل به باتری ……………………………………………………………………………………………………………………………. 108

نتیجه گیری و پیشنهادات ………………………………………………………………………………………….. 129

مراجع …………………………………………………………………………………………………………………….133

چکیده:

در این پایان نامه، در فایل شبیه سازی از مدل­های واقعی سیستم فتوولتاییک، توربین بادی و ژنراتور سنکرون که از طریق یک خط انتقال 63 کیلو ولت و یک ترانسفورماتور کاهنده 20/63 کیلو ولت و یک بریکیر سه فاز به بار متصل شده استفاده شد. و به منظور ذخیره بخشی از انرژی الکتریکی تولید شده در سیستم فتوولتاییک از یک باتری شارژر نیز استفاده شد. این باتری شارژر در شرایطی که تولید توان الکتریکی از طریق سایر منابع تولید توان الکتریکی با کاهش مواجه شود می تواند با تزریق توان ذخیره شده به شبکه انرژی الکتریکی مورد نیاز بار سیستم را تامین نماید. سلول فتوولتاییک استفاده شده سیستمی غیرخطی می­باشد که بصورت یک منبع جریان موازی با دیود مدل می­شود. با توجه به پایین بودن ولتاژ خروجی سیستم فتوولتاییک، جهت کاربرد در سیستم توزیع الکتریکی لازم است از یک مبدل boost (افزاینده ولتاژ) در خروجی این سیستم استفاده شود تا ولتاژ خروجی به مقدار مطلوب برسد. الگوریتم استفاده شده در سیستم سلول خورشیدی الگوریتم P&Oمی باشد.

در این پروژه سرعت ثابت توربین بادی بر روی ژنراتور القایی مورد بررسی قرار گرفته است. سرعت توربین بادی پس از عبور از یک بهره تناسبی وارد تابع محاسبه کننده سرعت توربین بادی می شود. این تابع یک تابع غیر خطی است که سیگنال خروجی این تابع، به عنوان توان خروجی توربین بادی در نظر گرفته می شود. در ضمن توان مکانیکی ورودی توربین بادی پس از مقایسه با مقدار مرجع سیگنال کنترل تیغه پره توربین را تولید می کند که وارد کنترل کننده PI می شود. سیگنال خروجی کنترل کننده وارد بلوک محاسبه گر ضریب قدرت شده و پس از ضرب شدن در سیگنال توان مکانیکی، سیگنال توان خروجی توربین بادی را تولید می کند که به همراه توان خروجی سیستم فتوولتاییک جهت تامین بار سیستم توزیع تولید می شود.

کلمات کلیدی: سیستم فتوولتاییک، باتری شارژر، توربین بادی، کنترل کننده

فصل اول

 مقدمه

کنترل شارژر دستگاهی است که مابین پنل خورشیدی و باتری قرار می گیرد. وظیفه آن در سیستم های خورشیدی بسیار حیاتی و مهم است زیرا طول عمر باتری سیستم که تقریبا 30 درصد از کل هزینه را به خود اختصاص می دهد، بطور مستقیم به آن وابسته می باشد. چنانچه باتری بیش از حد شارژ گردد و یا اینکه بیشتر از حد ممکن تخلیه شود، آسیب جدی خواهد دید از این جهت دستگاه کنترل شارژر در مدار قرار داده می شود که در صورت شارژ یا دشارژ بیش از حد، باتری را محافظت نماید. شارژ کنترلرها بر مبنای این‌که تحمل چند آمپر جریان را دارند دسته بندی می‌شوند. استانداردهای بین‌المللی شارژ کنترلرها را ملزم به تحمل ۲۵% جریان اضافی در زمان محدود می نمایند. این موضوع باعث می-شود که در زمان افزایش بیش از حد تابش به کنترلر آسیبی نرسد. جریان بیش از حد می تواند به کنترلر آسیب برساند. انتخاب کنترلر شارژر با جریان بزرگ تر از حد مورد نیاز، امکان توسعه سیستم را در آینده فراهم می آورد بدون اینکه هزینه زیادی را تحمیل نماید. کنترلر همچنین از جریان معکوس در هنگام شب جلوگیری می نماید. جریان معکوس، مقدار جریانی است که هنگام شب در جهت معکوس از پانل می گذرد و باتری را تخلیه می کند.

همچنین امروزه نیاز به بهینه‌سازی مصرف انرژی بدون به‌وجود آوردن مشكلات جدید برای مصرف کنندگان امریست ضروری، که در عین حال باید قابلیت اطمینان بالایی هم داشته باشد. بنابراین امروزه استفاده از سیستم هیبرید گریزناپذیر است، که منجر به استفاده از مصرف كننده های الكتریكی بیشتر و قوی‌تر می‌گردد و در نتیجه انرژی الكتریكی مورد نیاز مصرف کننده افزایش می‌یابد.

ازاین روی، صنایع باتری‌سازی در صدد عرضه باتری‌های نو هستند، كه همگام با تغییر تدریجی ساختار الكتریكی منابع تجدیدپذیر باشد. این درحالی است که نقش باتری به عنوان یك وسیله محوری برای حفظ عملكرد مطلوب و افزایش قابلیت اطمینان منابع تجدیدپذیر و مصرف کنندگان، كه قابل نظارت و مدیریت نیز باشد، ارتقا یافته است[1].

از طرفی اغلب باتری‌ها نسبت به فراشارژ (overcharge) و فرودشارژ (over discharge) شدن حساسیت دارند و موجب تخریب باتری و صدمه زدن به آن می‌گردد. علاوه بر آن در فرآیندهای شارژ سریع، مطلوب است كه باتری با بهره گرفتن از روش های شارژ معمول كه عمدتاً با بهره گرفتن از جریانهای بالا انجام می‌گیرد، در كوتاهترین زمان ممكن به حالت شارژ كامل برسد در عین حال كه از ورود به ناحیه فراشارژ، جلوگیری گردد[3,2].

بنابراین عملكرد مطلوب باتری به تخمین حالت شارژ(‌‌SOC) و کنترل مناسب آن بستگی دارد. لذا ضروری است كه با اندازه‌گیری و تخمین آن، شرایط را برای عملكرد مناسب باتری و نیز دستگاه‌های الكتریكی، از طریق مدیریت باتری در فراهم آورد. نظارت بر باتری سبب می‌‌‌گردد كه بتوان از تمام توانایی باتری به بهترین شكل برای تأمین انرژی وسایلی كه وابستگی بالایی به انرژی الكتریكی دارند استفاده کرد‌[3,1]. از آنجا که موضوع اصلی پایان‌نامه درباره شارژ باتری و کنترل آن در سطح مشخصی است، در ادامه به ارائه تعریفی از حالت شارژ می‌پردازیم.

1-2 مفهوم حالت شارژ

حال كه ضرورت آگاهی از حالت شارژ (SOC^[1]) باتری بیان گردید باید تعریف دقیقی از آن بیان نمود. در نظر نخست می‌توان گفت كه حالت شارژ به‌طور ساده، درصد بار الكتریكی ذخیره شده حقیقی به كل باری است كه می توان در باتری ذخیره نمود. فرض كنید یك باتری در اختیار داریم كه از قبل دارای مقداری انرژی است و اکنون آن را با جریان شارژ(وارد به باتری) ، شارژ می‌کنیم. در این صورت مقدار بار تحویل داده شده به باتری برابر است با و از طرفی اگر باتری کاملاً خالی از انرژی باشد در نتیجه برابر كل باری است كه می توان در باتری ذخیره نمود. در روابط فوق، راندمان باتری را نشان می‌دهد که وابسته به جریان باتری است، زیرا در هنگام شارژ مقداری از توان الکتریکی در باتری تلف می‌شود. برای جریان شارژ و برای جریان دشارژ است. با بهره گرفتن از تعریف بالا، حالت شارژ با رابطه زیر تعریف می گردد:

(1-1 )                                                         

که در آن حالت شارژ اولیه باتری، بار الکتریکی در لحظه و کل بار الکتریکی است که می‌توان در باتری ذخیره نمود. اما نکته قابل توجه، در دسترس نبودن حالت شارژ اولیه باتری در اغلب کاربردهایی است که به‌طور پیوسته از آن بهره می‌گیرند. لازم به ذکر است که رابطه(1-1) یکی از روش های مستقیم اندازه‌گیری حالت شارژ باتری در آزمایشگاه است که در ادامه بررسی روش های تخمین حالت شارژ به‌طور اجمالی معرفی خواهد شد. شكل1-1 تفسیر تصویری از حالت شارژ باتری را به‌عنوان یك تابع حالت یكنواخت، با چشم‌پوشی از اثر دما، دشارژ درونی و انتشار جریان الكتریكی، ارائه می‌دهد. همان‌گونه كه در ادامه بیان می‌گردد، روش های بسیاری برای بدست آوردن حالت شارژ باتری، چه با بهره گرفتن از حسگرهای ویژه و چه با بهره گرفتن از الگوریتمهای كلاسیك و هوشمند، بكار رفته است، كه هركدام دارای مزایا و معایبی است كه به آن اشاره خواهد شد[1,2,3,4].

شكل1-1: تفسیر تصویری از ظرفیت و حالت شارژ باتری

1-3 بررسی روش های تخمین حالت شارژ باتری

مشخص كردن حالت شارژ باتری(SOC) بر اساس پیچیدگی یا سادگی نوع باتری و كاربردی كه در آن استفاده می‌گردد، می‌تواند مسأله‌ای اساسی باشد. در زیر به بررسی اجمالی روش های بكار رفته برای تخمین حالت شارژ باتری‌ها می‌پردازیم.

1-3-1 اندازه‌گیری حالت شارژ از طریق ویژگیهای فیزیكی الكترولیت

در اغـلب باتری‌های دارای الکترولـیت مایع، مانند: انواع سربی_– اسیدی، الكترولیت در بیـشتر واكنشهای هنگام شارژ و دشارژ شركت می‌كند. وابستگی خطی(بیشتر در مورد انواع سربی_– اسیدی) كه بین تغییر چگالی اسید و حالت شارژ باتری وجود دارد، برای تعیین حالت شارژ باتری بكار می‌رود. این روش تنها برای باتریهای دارای الكترولیت مایع کاربرد دارد و برای اندازه‌گیری چگالی اسید، با بهره گرفتن از حسگرهای ویژه، قابل انجام است.

مشكلات ناشی از این روش اندازه‌گیری، مربوط به لایه لایه شدن اسید، كاهش آب اسید، و همچنین عمر و توانایی سنسور مورد استفاده می‌باشد. دو مشكل نخست با بهره گرفتن از هم زدن الكترولیت داخلی و نیز اضافه كردن آب مورد نیاز به‌صورت خودكار می‌تواند تا حدودی برطرف گردد. از طرف دیگر توجه به این نكته اهمیت دارد كه اندازه‌گیری خواص فیزیكی اسید، درون سوراخ و منفذ الكترودها، كه محل مصرف و تولید اسید است قابل انجام نیست. بنابراین در فرآیندهایی كه جریان بالا وجود دارد، انتشار الكترولیت به‌صورت آرام به عنوان یك عامل تولید خطا در این روش عمل می کند[4].

1-3-2 ولتاژ مدار باز

مشابه آنچه كه در مورد اندازه‌گیری چگالی اسید در بخش قبل گفته شد، ولتاژ مدار باز باتری به‌صورت مستقیم با حالت شارژ آن بستگی دارد. در كاربردهایی كه عموماً دوره‌های طولانی از استراحت، یعنی عدم شارژ و دشارژ باتری وجود دارد، روش ذكر شده پیشنهاد می‌گردد. در این‌صورت اندازه‌گیری ولتاژ مدار باز بیشتر برای تنظیم كردن روش های دیگر تخمین حالت شارژ بكار می‌رود.

تفاوت بین ولتاژ مدار باز باتری هنگامی كه به‌طور كامل شارژ باشد، با هنگامی كه فرا‌شارژ شده باشد، ناچیز است و درنتیجه در هنگام فراشارژ، آزمون دچار خطا می‌گردد. همچنین باتری‌هایی وجود دارند که ساعتهای زیادی طول می‌كشد به حالت ماندگار خود برسند، تا برای انجام آزمون ولتاژ مدار باز آماده شوند. این ویژگی می‌تواند باعث مشكلاتی گردد. علاوه بر آن، در اغـلـب كاربردها مقـداری جـریان به‌طور دائم بـرای دیگر وسایـل الكتریكی مـورد استفـاده لازم اسـت، كه در این صورت آزمایش ولتاژ مدار باز برای تخمین حالت شارژ کارا نمی‌باشد.

وابستگی خطی حالت شارژ با ولتاژ مدار باز به‌صورت رابطه زیر نشان داده می‌شود:

(1-2)                                                                                      

كه در آن نشان دهنده حالت شارژ باتری برحسب درصد است، ولتاژ پایانه باتری هنگامی كه است و با بهره گرفتن از و اندازه گیری ولتاژ مدار باز در از معادله   (1-2) قابل محاسبه است. از رابطه(1-2) برای محاسبه حالت شارژ با بهره گرفتن از تخمین ولتاژ مدار باز باتری با مدل تونن یا نورتن، در روش های كلاسیك تخمین مانند: فیلتر كالمن استفاده می‌شود، كه در قسمت بعد به این روش می‌پردازیم[4].

تعداد صفحه :153

قیمت : 14700 تومان

—-

پشتیبانی سایت :       (فقط پیامک)       asa.goharii@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

  *