وبلاگ

مسئله ناپایداری ولتاژ دارای جنبه های عملی و تئوری مختلفی در مطالعات و شبیه سازی های سیستم قدرت است. بنابراین هرکدام از مقالات و نشریاتی که به این موضوع پرداخته اند، این مسئله را تنها از دیدگاه مورد نظر خود مورد بررسی قرار داده اند. هرچند این مسئله یکی از مشکلاتی است که سیستم قدرت از ابتدا دست به گریبان آن بوده است، اما تاثیرات منفی آن اخیرا بیشتر خود را نشان می دهند. این در حالی است که برای ایجاد یک درک عمیق از این پدیده باید تا حدودی به تمام ابعاد آن اشراف داشت. به این دلیل در این تحقیق سعی شده تا به جنبه هایی همچون اصول تئوری، مکانیزم های دینامیکی، روش های مقابله، روش های پیش بینی، مطالعه کامپیوتری و موارد دیگر پرداخته شود. به این منظور مباحث مطرح شده در مقالات جدید و کتب منتشره در قالب فصل های مختلف در این تحقیق ارائه می شود. در فصل دوم مبانی تئوری مسئله پایداری ولتاژ در سیستم های انتقال مطرح می شود و مکانیزم های دخیل در وقوع یک ناپایداری ولتاژ معرفی می شوند. در فصل سوم کنترل های اضطراری برای جلوگیری از وقوع فروپاشی و راه های مقابله با ناپایداری ولتاژ تشریح خواهند شد. به خاطر نقش مهم توان راکتیو در تعیین ولتاژ نقاط مختلف سیستم، یک فصل به بررسی مباحث توان راکتیو در پایداری ولتاژ اختصاص یافته است. علاقه روبه رشد برای استفاده از انرژی باد در سیستم های قدرت و ناتوانی مزارع باد در تامین توان راکتیو مورد نیاز خود موضوعی است که باعث شده در فصل پنجم به طور خاص به بررسی تاثیر مزارع باد بر پایداری ولتاژ پرداخته شود. در فصل ششم یکی از موضوعات جدید مورد توجه، یعنی پیش بینی وقوع ناپایداری ولتاژ و محاسبه سریع فاصله سیستم از نقطه بحرانی (یا حاشیه اطمینان) مورد توجه قرار گرفته و چند معیار جدید پیش بینی معرفی شده اند. فصل اول پیدایش ناپایداری ولتاژ 1-1- دلایل ظهور ناپایداری ولتاژ تجدید ساختار در صنعت برق، شرکت های برق را مجبور کرده تا از تاسیسات انتقال موجود در سیستم قدرتشان بهتر استفاده کنند. این امر باعث افزایش انتقال توان، کاهش حاشیه های انتقال و کاهش حاشیه های امنیت ولتاژ شده است. در مواردی با وقوع اغاتشاشات، این شرایط منجر به مسائل پایداری ولتاژ می شود، که یک نتیجه جدی آن فروپاشی ولتاژ است. در نتیجه ناپایداری ولتاژ در حال تبدیل به یکی از قیود محدود کننده اصلی است، و در کنار پایداری زاویه ای روتور یک مسئله نگران کننده بزرگ برای بهره برداران سیستم قدرت است. این موضوع از بررسی انجام شده در بسیاری از فروپاشی های مهم سیستم ناشی از ناپایداری ولتاژ که در دنیا اتفاق افتاده اند واضح است. مسئله ناپایداری ولتاژ با ولتاژهای غیرقابل کنترل در محل های معین در یک شبکه قدرت بعد از یک اغتشاش تعریف می شود. این مسئله بیشتر در شبکه های تحت فشار که دارای حاشیه های پایداری کاهش یافته و یا ذخیره های توان راکتیو کاهش یافته هستند اتفاق می افتد. ناپایداری ولتاژ در اصل یک پدیده دینامیکی با دینامیک نسبتا کندتر و یک دامنه زمانی از چند ثانیه تا چند دقیقه یا بیشتر است. بهره برداری سیستم های قدرت در نزدیکی محدودیت های بارگذاری آنها، توسط نیازهای بازارهای برق تجدید ساختار یافته تحمیل شده است. در نتیجه خاموشی های متعددی به خاطر ناپایداری ولتاژ اتفاق افتاده اند. این یعنی پایداری ولتاژ یک مسئله نگران کننده مهم برای بهره برداران سیستم شده است، و موضوع سرمایه گذاری های قابل توجه به خاطر اهمیتش از نظر امنیت سیستم و کیفیت توان است. از لحاظ تاریخی در اواخر دهه 1970 تا اواخر 1980 خاموشی هایی ناشی از ناپایداری ولتاژ در جدول 1-1 آمده اند. بازه زمانی تمام این اتفاقات از 2 ثانیه تا 30 دقیقه است که مبین کند بودن این پدیده دینامیکی است. تلاش های قابل توجهی هنوز در جهت تعاریف، طبقه بندی ها، مفاهیم جدید، روش ها و ابزار برای حل مسایل پایداری ولتاژ و تحلیل امنیت انجام می گیرد. پایداری ولتاژ معمولا با منحنی P-V و S-V نشان داده می شود. در نقطه دماغه یا نقطه تعادل که ماتریس ژاکوبین متناظر منفرد می شود، فروپاشی اتفاق می افتد. لذا حل پخش بار بعد از این حد همگرا نمی شود که ناپایداری ولتاژ را نشان می دهد و می تواند به یک نقطه انشعاب گره زینی مربوط باشد. ناپایداری ولتاز یک ضعف عمده سیستم قدرت است که باعث آسیب های جدی اقتصادی، تکنیکی و اجتماعی می شود. حوادث و فروپاشی های ولتاژ اخیر در سراسر دنیا تلاش فراوان به مطالعه و پیشگیری فروپاشی ولتاژ را طلب کرده است. علل و سناریوهای مختلف فروپاشی ولتاژ شناخته شده اند. این پدیده می تواند با یک اغتشاش ناگهانی یا تغییر آهسته پارامترها و رسیدن به حدود حاشیه پایداری حالت دائم ایجاد شود. در عمل، این روش کلی معمولا به آنالیز امکان پذیری پخش بار کاهش پیدا کرده است و امکان پذیر بودن به عنوان وجود پایداری ولتاژ در نظر گرفته شده است.

:
در این پروژه در ابتدا برای آشنایی هر چه بیشتر با مطالب موجود، سعی بر ارائه تعاریف پایه و مفاهیم عمومی در زمینه آشوب و كنترل و سنكرونیزاسیون تطبیقی سیستم های Chaotic گردید. مثل تعریف دینامیک غیرخطی آشوب و تعریف مربوط به روش های سنكرونیزاسیون كه در ادامه نیز اشارهای بسیار مختصر به آن می شود.
از مهمترین شناسه های سیستم آشوب می توان به موارد زیر اشاره كرد:
1- حساسیت بسیار بالا به شرایط اولیه
2- حساسیت بسیار بالا به تغییر پارامترهای سیستم
3- تأثیر فیدبك خروجی بر ادامه فعالیتهای سیستم
با آغاز بحث آشوب در سیستمهای غیرخطی و كنترل آن، روشها و نظریات و تئوریهای كنترلی گوناگونی اعم از خطی و غیرخطی در این زمینه پیشنهاد و ارائه گردید؛ نظیر:
– كنترل فیدبك خطی
– كنترل فیدبك با تأخیر زمانی
– كنترل بازگشتی یا Back Stepping Control
– متغیرهای لغزشی و…
یكی از مباحث مطرح شده در زمینه فوق، مبحث كنترل تطبیقی و یكسان سازی سیستمهای آشوب است كه كماكان مسائل زیادی را برای طرح و تحقیق و ارائه در خود جای داده است.
تحقیقات و بررسیهای بسیاری در زمینه كنترل تطبیقی و یكسان سازی سیستمهای دینامیكی آشوب صورت گرفت و نتایج مطلوبی حاصل گردید كه در اغلب آنها “روش كنترل تطبیقی، “تئوری پایداری لیاپانف”، “طراحی تخمینگر پارامترهای مجهول” و… نقش محوری را بر عهده داشتند.

Chen,Ch.Hua,Pikovsky,Fradkov,Coworker و… ازجمله محققانی بوده اند كه تلاشهای بسیاری در زمینه تجزیه و تحلیل موضوع مورد اشاره انجام دادند كه نتایج بررسیهای برخی از این محققین ارائه و روش های بكار گرفته شده توسط هر كدام كه گاه باهم شباهتها و 

تفاوتهایی داشتند با یكدیگر مقایسه گردید.از این موارد می توان نمونه های زیر را نام برد:

– پیاده سازی قانون كنترل تطبیقی و سنكرونیزاسیون آشوب به سیتمهایی نظیر Arneodo
– طراحی و پیاده سازی كنترل تطبیقی و سنكرونیزاسیون سیتم آشوب Chen (کلیه پارامترها نامعین)
– شناسایی پارامتر و كنترل سیستم Unified Chaotic با دیدگاه كنترل تطبیقی
– اعمال روش قانون كنترل تطبیقی سنكرونیزاسیون سیستم unified با سویچ متناوب پیوسته تأخیردار
– طراحی و پیاده سازی كنترل كننده تطبیقی خالص برای سنكرونیزاسیون سیستم لرنز
در تمام این موارد نتایج شبیه سازی ارائه شده، مهر تأییدی بر اجرای موفق طراحی ها بود.
بعد از آشنایی مقدماتی در واقع تعریف مسأله در زمینه سنكرونیزاسون تطبیقی آشوب بصورت زیر مطرح گردید:
با توجه به اینكه سنكرونیزاسیون تطبیقی آشوب به معنای طراحی قانون كنترل بر اساس روش تطبیقی با هدف یكسان و همانند سازی دو سیستم آشوب یكسان (كه اغلب با نامهای Drive & Response Systems و یا Master & Slave Systems معرفی می شوند) با شرایط اولیه مختلف یا یكسان سازی دو سیستم آشوب با دینامیک مختلف می باشد:
“چگونه قانون كنترل u براساس روش كنترل تطبیقی با هدف سنكرونیزاسیون سیستمهای آشوب گونه -كه در حقیقت یكسان سازی سیستمهای غیرخطی آشوب با مدل نامعین(با پارامترهای مجهول) با دینامیک یكسان و شرایط اولیه مختلف یا با ساختار دینامیكی متفاوت و به فرم كلی x(t)=A.x(t)+f(x در ناحیه پایداری آنهامی باشد، طراحی و پیاده سازی شود؟”
در واقع طراحی قانون كنترل تطبیقی برای سنكرونیزاسیون را می توان به دو دسته طبقه بندی كرد:
1- طراحی كه نیاز به مدل دقیق ریاضی و مشخص سیستم دارد و كنترل طراحی شده اغلب ساده است.
2- طراحی قانون كنترل برای سیستمهایی كه همه یا بخشی از اطلاعات مربوط به سیستم ناشناخته و نامعین (مجهول) می باشد كه معمولا منجر به طراحی یک قانون كنترل پیچیده می گردد.
با توجه به اینكه در كاربردهای عملی، اغلب مدل ریاضی دقیق سیستم قابل دسترس نمی باشد لذا علاقه محققان به اجرایی ساختن كنترل كننده های موثر و ساده افزایش پیدا كرده و توجه فراوانی را معطوف خود داشته است.

: عمده ترین سلاح در حوزه سیستم های دفاع هوایی زمین پایه، موشک های زمین به هوا می باشند. برای درگیری در فاصله های بیش از چند کیلومتر موشک های زمین به هوا به سرعت جایگزین توپ های ضدهوایی می شوند. بهره مندی از مزیت استفاده این موشک ها در این فواصل لوازم دقیقی را می طلبد. برای مثال جهت تاثیر بیشتر، سرجنگی موشک های زمین به هوا در فاصله حدود 5 تا 20 متری اهداف باید منفجر شوند، اندازه این فاصله به مشخصات سرجنگی و آسیب پذیری اهداف وابسته می باشد. برای یک موشک زمین به هوا که در فاصله 30 کیلومتری هدف می باشد فاصله شعاعی 10 متری بین سرجنگی و هدف تحت زاویه 0/33 میلی رادیان (0/02 درجه) تعبیر می شود. با اطمینان کامل می توان گفت که بدون داشتن بعضی انواع هدایت حلقه بسته برای تصحیح مسیر گلوله در طول پرواز، به چنین دقتی نمی توان رسید. فصل اول اصول هدایت موشک های سط ح به هوا عمده ترین سلاح در حوزه سیستم های دفاع هوایی زمین پایه، موشک های زمین به هوا می باشند. برای درگیری در فاصله های بیش از چند کیلومتر موشک های زمین به هوا به سرعت جایگزین توپ های ضدهوایی می شوند. بهره مندی از مزیت استفاده این موشک ها در این فواصل لوازم دقیقی را می طلبد. برای مثال جهت تاثیر بیشتر، سرجنگی موشک های زمین به هوا در فاصله حدود 5 تا 20 متری اهداف باید منفجر شوند. اندازه این فاصله به مشخصات سرجنگی و آسیب پذیری اهداف وابسته می باشد. برای یک موشک زمین به هوا که در فاصله 30 کیلومتری هدف می باشد فاصله شعاعی 10 متری بین سرجنگی و هدف تحت زاویه 0/33 میلی رادیان (0/02 درجه) تعبیر می شود. با اطمینان کامل می توان گفت که بدون داشتن بعضی انواع هدایت حلقه بسته برای تصحیح مسیر گلوله در طول پرواز، به چنین دقتی نمی توان رسید. این فصل برخی از مفاهیم اولیه را که در تحلیل دقت هدایت فاز نهایی به کار می روند معرفی می نماید این مفاهیم به آخرین ثانیه های مواجهه موشک با هدف اشاره می کند. مدل های هدایت بر روی خط دید (LOS) و هدایت ناوبری تناسبی (PN) شرح داده می شوند. از این مدل ها می توان به عنوان پایه هایی برای شبیه سازی ها استفاده کرد، که این شبیه سازی ها به نوبه خود برای مطالعه میزان خطای برخورد ناشی از اغتشاشاتی نظیر: مانورهای هدف، شتاب های محوری هدف، از دست دادن مکرر فرمان های هدایتی، خطاهای نشانه روی موشک، با یأس اندازه گیری و نویز ردگیری به کار می رود.

در این مجموعه هدف ما بررسی مدلهای مختلف و همچنین كنترلرهای بكار رفته جهت كنترل پدیده های ناپایداری فلو در كمپرسورها می باشد . ناپایداری های آئرودینامیكی فلو می توانند كمپرسور را بطور جدی آسیب رسانند و ناحی ه عملكرد سیستم را محدود نمایند بنابراین بایستی برای اجتناب از آنها چاره ای اندیشید.
ابتدا مدلهای استخراج شده برای سیستم های فشرده سازی محوری و گریز از مركز را معرفی می نماییم، سپس به بررسی روش های مختلف ارائه شده تا كنون برای كنترل ناپایداری سرج در كمپرسور های محوری و گریز از مركز می پردازیم، نهایتا مقایسه روش های مختلف با یكدیگر و نتیجه گیری پایانی را می آوریم و در انتها چند مدل تجاری كنترلرهای آنتی سرج را معرفی می نماییم.
2-1) پیشینه تحقیق

مدل دینامیكی به دست آمده برای كمپرسور های محوری و سانتریفیوژ بر اساس مدل دو حالته با پارامترهای lumped طبق مدل ارائه شد

ه توسط گرایتزر می باشد كه مبنای طراحی كنترلرهای آنتی سرج از گذشته تا كنون برای این كمپرسورها می باشد. در روش های قدیمی كنترل سرج تكنیک مورد استفاده، اجتناب از سرج بود. در این روشها از ابزارهای مختلفی بر ای دور نگه داشتن نقطه كار كمپرسور از ناحیه ای كه در آن سرج رخ می دهد، استفاده می گردید. از نظر عملی خطی به نام خط كنترل سرج در فاصله ای دورتر از خط سرج ترسیم می شود تا بدین وسیله یک حاشیه اجتناب از سرج در منحنی مشخصه كمپرسور به دست آید. این روش ما را مطمئن می سازد كه نقطه كار سیستم خط سرج را قطع نمی كند و لذا پدیده سرج به وقوع نمی پیوندد. این روش ناحیه كاری كمپرسور را به ناحیه ای كه سیستم در وضعیت حلقه باز در آن ناحیه پایدار است، محدود كرده و لذا راندمان كل سیستم را محدود می كند.

روش های مبتنی بر كنترل فعال سرج، كه ناپایداریهایی را كه منجر به سرج می شوند حذف نمایند، می توانند ناحیه عملكرد پایدار سیستم را به آنسوی خط سرج سیستم گسترش دهند و ناحیه كاری پایدار سیستم را وسیعتر نمایند . براساس مدل خطی شده سیستم، اپشتاین، فوكس ویلیام و گرایتزر، روش كنتر ل فعال جهت حذف سرج ارائه داده اند. كنترلر فیدبك مثبت استاتیک خروجی توسط فرنك ویلمز جهت كنترل سرج با محرك ولو تخلیه فلوی جرمی، مورد استفاده گردید كه توانست حدود 7 درصد در فلوی جرمی نقطه سرج بهبود ایجاد نماید . این روش بر اساس تكنیكهای جایابی قطب با بهره گرفتن از مدل خطی شده گرایتزر با دو متغیر حالت بود كه در آن از تغییرات سرعت كمپرسور و اثرات دما، صرف نظر شده بود.

وجود سر و صدای ناخواسته در جوامع شهری و صنعتی جلوه دیگری از آلودگیهای زیست محیطی است كه تاثیر آزار دهنده در محیط كار و زندگی افراد دارد. از این نوع آلاینده ها كه با بسیاری از صنایع مرتبط است با عنوان نویزهای صوتی یاد می شود. این آلایش ها اگر به شكل مناسب كنترل نشوند می توانند عوارض متعددی را برای افراد حاضر در محیط پدید آورند. دو عارضه مستقیم برای نویز صوتی ذكر شده است، عارضه اول آن است كه نویز صوتی در كوتاه مدت موجب خستگی ذهنی شنونده می شود و تمركز او را كاهش م یدهد كه این امر اغلب موجب تاثیر گذاری بر عملكرد افراد، پریشانی و حواس پرتی ایشان می گردد. عارضه دوم كه تنها در اثر قرار گرفتن دراز مدت در محیط دارای نویز صوتی با دامنه بالا بوجود می آید كاهش قدرت شنوایی افراد را بدنبال خواهد داشت. برای كنترل نویز صوتی دو روش كلی مورد استفاده قرار می گیرد كه از آنها با عناوین كنترل غیر فعال و كنترل فعال نویز (ANC) یاد می شود. ایده كنترل غیر فعال، روش سنتی برای كنترل و كاهش نویز صوتی می باشد. در این روش محفظه، مانع و مواد جاذب صوت برای كاهش نویز ناخواسته بكار گرفته می شود. مواد جاذب صوت غیر فعال معمولا در اگزوزهای موتورهای احتراق داخلی كاربرد دارد. در حالیكه عای قهای صوتی مقاومتی بیشتر در فن داخل لوله استفاده می شود. مواد جاذب صوت، تضعیف صوت قابل توجهی در محدوده فركانسی بالای 500 هرتز ایجاد می نمایند و در فركانس های پائین قابلیت خود را از دست می دهد. در عمل ثابت شده است كه ضخامت عایق صوتی كه باید استفاده شود با طول موج صوت حذف شونده دارای نسبت مستقیم است. در فركانس های پائین بدلیل بلند بودن طول موج های صوتی، استفاده از محفظه های سنگین، مواد جاذب صوت ضخیم و حجیم و خفه كننده های بزرگ جهت كنترل نویز ضروری می باشد. در نتیجه كاربرد كنترل كننده های غیر فعال نویز پرهزینه، حجیم، مشكل و غیر موثر است. در روش كنترل فعال نویز برخلاف روش كنترل غیر فعال سعی نمی شود كه با بهره گرفتن از مواد جاذب، نویز تضعیف گردد بلكه هدف آن است كه نویز صوتی دیگری با همان دامنه و فركانس نویز اصلی اما با فاز مخالف ایجاد شود تا در اثر تركیب آن با نویز اولیه، نویز صوتی حذف شده و یا حداقل تا حد قابل ملاحظه ای تضعیف گردد. روش كنترل فعال نویز توسط Paul Leug در سال 1936 میلادی اختراع شد و به ثبت رسید. اولین بار سیستم كنترل فعال نویز بر روی یک لوله كه از نظر صوتی دارای ساده ترین مدل می باشد پیاده شد. این پیاده سازی اولین گام در جهت رسیدن به سیست مهای عملی امروز بود. در این آزمایش با فرستادن یک سیگنال مزاحم یا نویز از ابتدای لوله و پخش سیگنالی دیگر با همان دامنه و فركانس نویز اصلی با فاز مخالف از طریق یک بلندگو كه باز هم در ابتدای لوله نصب شده است سعی بركاهش نویز و حداقل نمودن خطا با بهره گرفتن از سیگنال دریافتی از میكروفن خطا در انتهای لوله می باشد. این سیستم یكی از سیستم های عملی و ساده در آزمایشگاه ها برای آزمون روش كنترل فعال نویز است. بسیاری از فرایندهای تجاری و صنعتی كه از نزدیک با افراد ارتباط دارند آلودگی بالایی از لحاظ شنیداری ایجاد می كنند و این موضوع از جمله نكاتی می باشد كه موجب گستردگی توجه به كاربرد سیستم های كنترل فعال نویز صوتی (ANC) شده است. بسیاری از صنایع، كارخانجات، سیست مهای حمل و نقل و… در عمل با آلودگی بسیاری همراه هستند و به همین دلیل تامین سلامتی افرادی كه با این سیستم ها سروكار دارند یكی از اهداف كنترل فعال نویز است. سیستم های كنترل فعال نویز (ANC) كاربردهای زیادی در صنعت دارند كه از آن جمله به كاربرد آن در صنایع حمل و نقل و وسایل نقلیه شامل اتومبیل، وانت، كامیون، صنایع خودروهای زمینی، خودروهای نظامی، هواپیما (بخصوص نوع ملخی آن)، هلیكوپتر اشاره كرد. همچنین در سایر كاربردهای صنعتی نظیر كانال ها و دستگاه های تهویه هوا، فن ها، كانا لهای هوای صنعتی، دودكش ها، ترانسفورماتورها، كمپرسورها، پمپ ها، تونل های باد، یخچال، ماشین لباسشویی، جاروبرقی، كوره ها، رطوبت گیرها، كابین های اداری، ناحیه های آرام (ایزوله) بلحاظ صدا، گوش یهای محافظ و گوشی تلفن می توان اشاره كرد. توضیحات بیشتر در مورد كاربردهای سیستم های ANC و محدودیتهای موجود برای كاربرد آنها در حال و آینده در [HAN04] ارائه گردیده است.