به دلیل مصرف روبه رشد انرژی، آگاهی فزاینده عمومی نسبت به حفاظت محیط زیست و پیشرفت مداوم در بازنگری در قوانین بازار برق سیستم های تولید پراکنده تجدید پذیر توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. این پایان نامه به ارائه مدل سازی دینامیکی مناسب با هدف مدیریت انرژی یک سیستم هایبریدی تولید پراکنده مستقل از شبکه می پردازد که در برگیرنده سیستم های توربین باد، پیل سوختی و ابرخازن برای تولید توان متمرکز و مورد نیاز بار محلی است. در ساختار انتخابی با توجه به تغییرات توان خروجی توربین باد متاثر از تغییرات باد، سیستم پیل سوختی می بایست تامین نیاز توان درخواستی را برای اطمینان از عملکرد سیستم تحت تمام شرایط، تضمین نموده و پاسخگوی حالات مختلف عملکردی سیستم باشد. اما قابلیت پاسخ دهی پیل سوختی به حالات گذرای بار الکتریکی سرعت مطلوب را نداشته لذا جهت رفع مشکل یاد شده از بانک ابر خازن استفاده گردیده است. بر این اساس ابتدا مدل دینامیکی مناسب و دقیقی برای اجزاء سیستم هایبرید پیشنهاد شده، سپس استراتژی مدیریت انرژی پیشنهادی با در نظر گرفتن محدودیت های اجزاء اعمال گردیده و پاسخ سیستم به تغییرات لحظه ای بار و باد ارزیابی و تجزیه و تحلیل شده است. همچنین پاسخ سیستم به تغییرات واقعی سرعت باد و بار بررسی شده است. نتایج بدست آمده نشان دهنده عملکرد قابل قبول سیستم می باشند.

قسمت اعظمی از نیروی آئرودینامیکی وارد بر توربین بادی جهت تولید توان به کار گرفته می شود و بخشی از نیروی وارد بر توربین به صورت نیروهای مخرب و ایجاد کننده خستگی در اجزای توربین می باشند. علاوه بر این، عوامل متناوب مختلفی همچون سایه برج، wind shear و ... موجب نوسانی شدن نیروهای وارد بر توربین و ایجاد خستگی بیشتر و شکست اجزا خواهند شد. بنابراین کاهش ارتعاشات برج و بارهای وارد بر توربین به خصوص در توربین های بزرگ بسیار حائز اهمیت می باشد. در این مطالعه از روش کنترلی مدل داخلی به همراه الگوریتم وفقی برای کاهش ارتعاشات برج توربین استفاده می گردد. این الگوریتم در ابتدا فرکانس مربوط به ارتعاشات برج را تشخیص داده و سپس سیگنال ارتعاش را حذف می نماید. روش پیشنهادی شتاب ارتعاشات و میزان انحراف برج را در دو جهت جلو-عقب و طرفینی به طور قابل ملاحظه ای کاهش می دهد. علاوه بر این کنترل کننده مجزای پره ها نیز که برای کاهش بارهای وارد بر پره ها مورد استفاده قرار می گیرد به همراه کنترل کننده مدل داخلی پیاده سازی می گردد که می توان از مزایای هر دو کنترل کننده در کاهش ارتعاشات برج و بارهای وارد بر اجزای توربین بهره برد. نتایج شبیه سازی ها بیانگر عملکرد مناسب کنترل کننده ها در کاهش ارتعاشات و بارهای وارد بر توربین و در نتیجه افزایش طول عمر توربین می باشد.

انرژی خورشیدی و باد جزء پیوسته ای از زندگی روزانه در روی کره زمین است. موتورهای استرلینگ که بیشترین بازده را در استفاده از انرژی خورشیدی دارند به عنوان یک منبع مناسب مورد استفاده قرار گرفته اند. افزایش سرعت باد موجب می گردد تلفات همرفتی در نقطه گرم سیستم دیش استرلینگ به شکل قابل ملاحظه ای افزایش پیدا کند. افزایش تلفات نقطه گرم توان خروجی را به طور مستقیم کاهش می دهد. با توجه به تاثیر منفی سرعت باد بر روی توان تولیدی در این تحقیق، سیستم هیبریدی معرفی شده است که به طور همزمان از توربین بادی و سیستم دیش استرلینگ استفاده نموده و این کاهش توان را جبران می نماید. توربین بادی به کارگرفته شده در این سیستم با افزایش سرعت باد نه تنها در طول روز کاهش توان دیش استرلینگ را جبران می نماید بلکه با تولید توان در روزهای ابری و شبها، نیاز به سیستم ذخیره ساز را به شدت کاهش می دهد. در این سیستم توربین بادی و موتور استرلینگ به یک لینک dc متصل شده اند. کنترل صحیح و استفاده از کانورتر مناسب در دو حالت مستقل و متصل به شبکه، موجب شده است سیستم در برابر هر نوع تغییر ناگهانی بار پایدار بوده و انرژی مناسب با ولتاژ و فرکانس مورد نظر را در اختیار مصرف کننده قرار دهد. مدلسازی دقیق قسمت های ایرودینامیکی، مکانیکی و الکتریکی توربین بادی به همراه پیاده سازی دقیق موتور استرلینگ شامل قسمت های گرمایی، مکانیکی و الکتریکی و همچنین در نظر گرفتن تاثیر دمای محیط، شدت تابش و سرعت باد باعث می گردد نتایج این تحقیق بسیار دقیق و کارآمد باشند. در این تحقیق جهت تولید و مدلسازی باد از نرم افزار turbsim و به منظور شبیه سازی قسمت های ایرودینامیکی و مکانیکی توربین بادی از نرم افزار fast بهره گرفته شده است همچنین بخش های الکتریکی توربین بادی، دیش استرلینگ و اجزای دیگر سیستم با کمک از نرم افزار simulink-matlab پیاده سازی و اجرا گردیده است.

امروزه مکان توربین ها در مزارع بادی بیشتر به صورت دستی و با یک سری محاسبات سرانگشتی انجام می گیرد. این موضوع تمایل سرمایه گذاران برای سرمایه گذاری در این زمینه را به شدت کاهش می دهد. تاثیر داشتن عوامل زیاد در تعیین مکان توربین ها در مزرعه، عملا حل این مساله را به طور دستی غیر ممکن می-سازد. در این پژوهش مکان بهینه توربین ها در مزرعه با هدف بیشینه کردن انرژی خروجی و کمینه هزینه های سرمایه گذاری مزرعه انجام شده است که برای هر یک، مدل ریاضی ارائه شده است. در مدل ارائه شده برای انرژی خروجی، توربین ها به گونه ای در یک مزرعه با محدوده مشخص قرار داده شده اند که کمترین اثر منفی را روی یکدیگر داشته باشند یا به عبارتی دیگر تلفات مزرعه به دلیل وجود رد توربین، بین توربین ها در کمترین مقدار خود قرار گیرد. در این مدل مشخص شده که با تغییر جهت وزش باد، توان تولیدی مزرعه چگونه تغییر می کند که این هدف با ترکیب معادلات اثر توربین و جهت وزش باد به دست آمده است. در مدل ارائه شده برای محاسبه هزینه های سرمایه گذاری مزرعه هزینه خرید و نصب توربین، هزینه اتصال به شبکه قدرت و هزینه ارتباط به جاده اصلی در نظر گرفته شده است. هزینه خرید و نصب توربین وابسته به تعداد توربین ها، هزینه اتصال به شبکه قدرت بسته به مکان توربین ها، تعداد توربین ها و مکان کلکتور و هزینه جاده نیز وابسته به مکان جاده اصلی، مکان توربین ها و تعداد توربین ها در نظر گرفته شده است. در این پژوهش پس از بررسی کامل مزرعه با زمین هموار به بررسی مزرعه با زمین ناهموار پرداخته شده است چرا که در آن ساختار رد توربین با مزرعه هموار متفاوت می باشد. در انتها نتایج دو نوع مزرعه با هم مقایسه شده است. اطلاعات باد مربوط به منطقه میل نادر زابل می باشد که به مدت یک سال هر ده دقیقه یک بار اندازه گیری شده است. بهینه سازی به وسیله الگوریتم جستجوی هارمونی در محیط matlab انجام شده است.

عملکرد اقتصادی سیستم های قدرت مستلزم تعادل بین تولید و بار همچنین بیشینه نمودن سود بازیگران بازار برق می باشد. در ضمن قرار دادن فرکانس سیستم در محدوده مجاز، پایداری و بهره برداری ایمن از سیستم قدرت را تامین میکند. بارزدایی به عنوان آخرین راهکار به منظور جلوگیری از خاموشی سراسری و حفظ امنیت سیستم قدرت می باشد. مطالعات در مقوله بارزدایی مبتنی بر افت فرکانس معمولا تنها به بحث تعیین مقدار بهینه بارزدایی می پردازند که در آن هیچ زمینه رقابتی برای شرکت کنندگان در بازار برق ملاحظه نمیشود. در پایان نامه حاضر سعی بر آن است که علاوه بر تعیین مقدار بهینه بارزدایی سیستم جهت قرار دادن فرکانس ماندگار سیستم در محدوده مجاز و در کمترین زمان ممکن، به بحث پیرامون تعیین محل دقیق بارزدایی با توجه به ساختار بازار برق رقابتی پرداخته شود. در ساختار پیشنهادی، با استفاده از شبکه عصبی میزان کل بارزدایی سیستم تعیین می شود. پس از آن با معرفی تابعی چندهدفه به منظور بهینه سازی، مدل فنی- اقتصادی بارزدایی فرکانسی سیستم با بیشینه سود ممکن برای تمام شرکت کنندگان در محیط بازار رقابتی برق ارائه میگردد. از این رو بادر نظر گرفتن ساختار رقابتی بازار برق و در حضور بارهای قابل پخش و حسّاس به قیمت و نیز با در نظر گرفتن هزینه گرفتگی خطوط و همچنین جریمه ناشی از عدم تامین توان مورد نیاز مصرف کنندگان، محل دقیق بارزدایی مشخص می شود. روش پیشنهادی بر روی یک سیستم استاندارد 39 شینه یieee بهبود یافته به همراه بارهای قابل پخش و حسّاس به قیمت اعمال شده است و نتایج به دست آمده بیانگر کارآمدی روش پیشنهادی در اجرای بارزدایی بهینه به همراه برآورده نمودن بیشینه سود بازیگران بازار برق از یک سو و نیز حفظ و نگهداشت فرکانس حالت ماندگار سیستم از طریق تجزیه و تحلیل های فنی– اقتصادی می باشد.

با توجه به نیاز روز افزون بشر به انرژی الکتریکی و نقش مهم این انرژی برای رفع نیاز های خود و تاثیرات منفی تولید انرژی توسط انرژی های فسیلی مانند آلودگی هوا، گرم شدن کره زمین و مهم تر از آن ها فانی بودن این انرژی ها، بشر را مجبور به تامین انرژی الکتریکی به روش های دیگر کرده است. یکی از این روش ها استفاده از انرژی های تجدید پذیر مثل باد، آب، خورشید و زمین گرمایی می باشد. برای استفاده از انرژی تجدید پذیر خورشید در بعضی مواقع به صورت مستقیم و اکثرا به صورت غیر مستقیم برای تولید انرژی استفاده می شود. تولید انرژی الکتریکی به وسیله خورشید توسط سیستم هایی که فتوولتائیک نام دارند صورت می پذیرد. هزینه زیاد، راندمان تبدیل انرژی پایین و عملکرد غیر خطی (یک نقطه بیشینه توان در مشخصه ولتاژ - توان) این سیستم ها، ما را مستلزم به استفاده از سیستم هایی جهت دستیابی به همین میزان راندمان و دریافت بیشترین توان از سیستم های فتوولتائیک می کند. یکی از این سیستم ها، سیستم های ردیابی نقطه بیشینه توان آرایه های فتوولتائیک می باشد. این سیستم ها با استفاده از روش هایی که mppt نام دارند کنترل، و به صورت متصل به شبکه و جدا از شبکه استفاده می شوند. بطور کلی عوامل محیطی متعددی بر عملکرد آرایه فتوولتائیک تاثیر گذار هستند. در کنار تابش، دمای محیط و گرد و غبار، سایه جزئی از دیگر پدیده های موثر می باشد. به عنوان مثال یک آرایه در طول روز ممکن است بارها به سایه جزئی ناشی از عبور ابرها، درختان، ساختمان های مجاور و تیرهای برق دچار شود. تحت این شرایط، در مشخصه توان-ولتاژ آرایه ی فتوولتائیک چندین نقطه بیشینه توان ایجاد می شود که رسیدن به نقطه بیشینه توان کلی برای روش های مرسوم ردیابی نقطه بیشینه توان مانند انحراف و مشاهده و هدایت افزایشی یک چالش اساسی می باشد. بنابراین نیاز به روشی جهت ردیابی نقطه بیشینه توان می باشد. در اینجا با ترکیب روش افزایش توان و هدایت افزایشی این کار به خوبی انجام شده است. در این مطالعه طراحی و پیاده سازی سخت افزار سیستم کنترلی ردیاب نقطه بیشینه توان بر پایه میکروکنترلرavr سری atmega16 و نتایج حاصل از عملکرد این سیستم تحت شرایط سایه جزئی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است.

در این تحقیق، ابتدا عملکرد ماژول فتوولتائیک تحت شرایط سایه جزیی از طریق مطالعات شبیه سازی مورد بررسی قرار می گیرد. برای این منظور مدل دقیقی از یک سلول فتوولتائیک معرفی شده است. مطالعات انجام شده شامل بدست آوردن مشخصه الکتریکی ماژول در دو حالت حضور و عدم حضور دیود کنارگذر می باشد. در ادامه مطالعات آزمایشگاهی نیز به منظور بررسی میزان تلفات توان تولیدی ماژول های فتوولتائیک انجام شده است. برای این منظور آزمایش های متعددی در هر دو حالت تابش کامل و سایه جزیی در یک روز کاملاً آفتابی روی یک ماژول فتوولتائیک واقعی که در آزمایشگاه انرژی های تجدیدپذیر دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته کرمان واقع شده انجام شده است. در نهایت، به منظور ردیابی نقطه بیشینه توان تحت شرایط سایه جزیی، الگوریتمی بر مبنای روش افزایش توان به همراه یک روش آشکارساز شرایط سایه ارائه شده است که از سرعت و دقت قابل قبولی در ردیابی برخوردار می باشد.

امروزه سیستمهای ترکیبی که شامل منابع انرژی تجدیدپذیر هستند، جایگاه ویژه ای در سیستم های قدرت بدست آورده است. با توجه به افزایش نقش انرژی بادی در تولید توان الکتریکی، مدل سازی مزرعه بادی در سیستم های قدرت حائز اهمیت می باشد. روش های مختلفی برای انواع مدل سازی مزارع بادی ارائه شده است؛ که از نظر پارامترهای دقت و زمان شبیه سازی با یکدیگر متفاوت است. مدل کامل یک مزرعه بادی بعنوان مدل پایه، معیار مناسبی برای سنجش دقت مدل های معادل بکار می رود. در این تحقیق 3 مدل معادل که در مقاله ها و مراجع معتبر بیشترین کاربرد را دارند، برای مقایسه و شبیه سازی انتخاب شده است. بدلیل توانایی نرم افزار دیگسایلنت در تحلیل سیستم های قدرت شامل منابع انرژی تجدیدپذیر، از آن بصورت گسترده در مطالعات طراحی و بهره برداری شبکه ها استفاده می شود. به هرحال مدل مورد استفاده در این نرم افزار برای شبیه سازی توربین بادی، تنها توانایی مدل سازی توربین بادی با سرعت باد ثابت را دارا می باشد. این امر موجب می شود که تاثیرات پدیده های آیرودینامیکی، نظیر اغتشاشات در سرعت باد، بر مطالعات کیفیت توان سیستم های قدرت قابل بررسی نباشد. لذا در این مطالعه، ابتدا مدل توربین بادی موجود در نرم افزار با استفاده از قابلیت برنامه نویسی آن بهبود داده شده است. سپس به بررسی مولفه های کیفیت توان پرداخته می شود. همچنین این پارامتر برای تمام مدل ها محاسبه شده و در نهایت با مقایسه نتایج شبیه سازی می توان دقت هر کدام از مدل ها را بررسی نمود. یکی دیگر از فاکتورهای مهم در شبیه سازی مزرعه بادی اثر رد توربین است. وقتی که باد به توربین برخورد می کند سرعت باد در پشت توربین کاهش می یابد و در نتیجه توان تولیدی کاهش می یابد. ازمدل های معرفی شده برای اثر رد توربین مدل جنسن می باشد که در این تحقیق با توسعه مدل فوق طوریکه از طریق هماهنگ کردن معادلات اثر رد توربین با جهت های وزش باد دیگر نیازی به در نظر گرفتن در یک جهت خاص نمی باشد مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین مدلسازی انواع مدل های مزرعه بادی در دو مد کنترلی ضریب توان و کنترل ولتاژ بررسی شده است. برای شبیه سازی تابع باد ورودی مزرعه بادی از شبیه ساز turbsim استفاده شده است.