فهرست مطالب

نشریه تحقیقات نوین در سیستم های قدرت هوشمند
سال سیزدهم شماره 2 (پیاپی 38، تابستان 1403)

  • تاریخ انتشار: 1403/05/11
  • تعداد عناوین: 6
|
  • احسان اکبری* صفحات 1-17

    بروز خطاهای مختلف در سیستم انتقال به دلیل پیچیدگی ساختار و طولانی بودن خطوط انتقال نیرو، امری اجتناب ناپذیر است. تشخیص، دسته بندی و تعیین مکان خطا در این سیستم ها می تواند از بروز خسارت های بیشتر به شبکه قدرت جلوگیری کند. الگوریتم های مبتنی بر تئوری امواج سیار غالبا بر اساس روش های پردازش سیگنال پیاده سازی شده و قادرند تنها مکان بروز خطا را مشخص کنند. در حالی که تعیین نوع خطا به دلیل تنوع بالای خطاهای احتمالی در خطوط انتقال، به عملکرد بهتر و سریع تر سیستم حفاظتی کمک می کند. به همین منظور در این مقاله، یک الگوی تشخیص، دسته بندی و مکان یابی خطا به صورت یکپارچه پیشنهاد می شود که تنها از سیگنال های ولتاژ اندازه گیری شده روی یک ترمینال خط انتقال استفاده می کند. به منظور استخراج ویژگی از سیگنال اولیه از تبدیل موجک گابور استفاده شده و نتایج آن برای تشخیص و دسته بندی خطا استفاده خواهد شد. در ادامه نیز تئوری امواج سیار به منظور تعیین سکشن خطا و مکان یابی آن اعمال می گردد. علاوه بر این، به دلیل نصب جبران ساز توان راکتیو در خط انتقال، عملکرد سیستم حفاظتی می بایست به روزرسانی شود. نتایج شبیه سازی عددی در محیط MATLAB نشان دهنده عملکرد دقیق الگوی پیشنهادی در تشخیص، دسته بندی و مکان یابی خطا است. به کمک استراتژی پیشنهادی، میانگین دقت دسته بندی خطا و مکان یابی خطا به ترتیب برابر 100% و 99.573% به دست می آید. بروز خطاهای مختلف در سیستم انتقال به دلیل پیچیدگی ساختار و طولانی بودن خطوط انتقال نیرو، امری اجتناب ناپذیر است. تشخیص، دسته بندی و تعیین مکان خطا در این سیستم ها می تواند از بروز خسارت های بیشتر به شبکه قدرت جلوگیری کند. الگوریتم های مبتنی بر تئوری امواج سیار غالبا بر اساس روش های پردازش سیگنال پیاده سازی شده و قادرند تنها مکان بروز خطا را مشخص کنند. در حالی که تعیین نوع خطا به دلیل تنوع بالای خطاهای احتمالی در خطوط انتقال، به عملکرد بهتر و سریع تر سیستم حفاظتی کمک می کند. به همین منظور در این مقاله، یک الگوی تشخیص، دسته بندی و مکان یابی خطا به صورت یکپارچه پیشنهاد می شود که تنها از سیگنال های ولتاژ اندازه گیری شده روی یک ترمینال خط انتقال استفاده می کند. به منظور استخراج ویژگی از سیگنال اولیه از تبدیل موجک گابور استفاده شده و نتایج آن برای تشخیص و دسته بندی خطا استفاده خواهد شد. در ادامه نیز تئوری امواج سیار به منظور تعیین سکشن خطا و مکان یابی آن اعمال می گردد. علاوه بر این، به دلیل نصب جبران ساز توان راکتیو در خط انتقال، عملکرد سیستم حفاظتی می بایست به روزرسانی شود. نتایج شبیه سازی عددی در محیط MATLAB نشان دهنده عملکرد دقیق الگوی پیشنهادی در تشخیص، دسته بندی و مکان یابی خطا است. به کمک استراتژی پیشنهادی، میانگین دقت دسته بندی خطا و مکان یابی خطا به ترتیب برابر 100% و 99.573% به دست می آید.

    کلیدواژگان: تشخیص، دسته بندی و مکان یابی خطا، سیستم انتقال جبران سازی شده، تبدیل موجک گابور، تئوری امواج سیار
  • دانیال اباذری، رضا ابراهیمی*، محمود سمیعی مقدم، نسرین صالحی صفحات 18-33

    این مقاله مدلی جدید برای برنامه ریزی توسعه تصادفی دو سطحی معرفی می کند که به چالش های توسعه تولید، انتقال و ذخیره سازی باتری در کنار شبکه گاز طبیعی می پردازد. در این مدل، تصمیمات سطح بالا برای توسعه تولید، انتقال و ذخیره سازی باتری با مدل سازی سطح پایین شبکه گاز طبیعی ترکیب می شوند. یکی از نوآوری های کلیدی این مدل، ادغام اثرات باد شدید و نفوذ انرژی های تجدیدپذیر خورشیدی است. با توجه به اهمیت و عدم قطعیت فزاینده این عوامل، مدل ما یک رویکرد جامع ارائه می دهد. برای حل مسئله بهینه سازی، از تبدیل سطح پایین به معادلات KKT استفاده می کنیم که کارایی بالایی دارد. اثربخشی مدل با استفاده از دو شبکه آزمایشی بررسی می شود: یکی با 6 شین برای برق و شبکه گاز با 5 گره، و دیگری با 24 شین و شبکه گاز با 10 گره. تحلیل نتایج در شرایط مختلف، با استفاده از حل کننده قدرتمند Gurobi کارایی مدل را تایید می کند و شواهد محکمی از توانایی آن در ثبت تعاملات بین برق، شبکه های گاز و انرژی های تجدیدپذیر ارائه می دهد. یافته های این مطالعه به برنامه ریزی توسعه کمک کرده و بینش های مفیدی را برای سیاست گذاران، اپراتورها و ذینفعان در ادغام انرژی های تجدیدپذیر فراهم می آورد. فرمول جدید ارائه شده، مبنایی برای تدوین استراتژی های جامع و دقیق در نظر گرفتن پیچیدگی های چشم انداز انرژی فراهم می کند. مدل و روش نوآورانه پیشنهادی، پایه ای قوی برای تحقیقات آینده، ارائه راه حل های عملی برای توسعه پایدار و یکپارچه سیستم انرژی خواهد بود.

    کلیدواژگان: برنامه ریزی توسعه شبکه برق، بهینه سازی تصادفی، منابع تجدیدپذیر، بهینه سازی دو سطحی، گاز طبیعی
  • محمدرضا مرادیان، مجید معظمی، غضنفر شاهقلیان* صفحات 36-47

    پایداری و قابلیت اطمینان با توجه به ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر و ماهیت دینامیکی تقاضای بار در سیستم های قدرت اهمیت زیادی پیدا کرده است. پایداری فرکانس یک شاخص مهم کیفیت توان در سیستم های قدرت الکتریکی است. کنترل فرکانس بار با حفظ فرکانس سیستم در مقدار نامی نقش مهمی در عملکرد کارآمد و تضمین پایداری سیستم قدرت دارد. هرگونه اغتشاش ناگهانی در بار مصرفی می تواند باعث تغییرات در تبادل توان در خط انتقال بین ناحیه ها و ایجاد نوسانات فرکانس در سیستم قدرت شود. هدف از این تحقیق تحلیل و شبیه سازی رفتار دینامیکی کنترل بار فرکانس در سیستم قدرت تک ناحیه ای است که از دو منبع انرژی توربین حرارتی مجهز به پیش-گرمکن و توربین آبی مجهز به جبران ساز گذرای افتی تشکیل شده است. همچنین تاثیر سیستم فتوولتائیک بر تغییرات انحراف فرکانس در سیستم قدرت بررسی شده است. معادلات مرتبه اول سیستم قدرت در فضای حالت بیان شده و مدهای سیستم تعیین شده است. نتایج شبیه سازی با استفاده از نرم افزار سیمولینک/متلب و تحلیل مدل با استفاده از تحلیل مقادیر ویژه ماتریس سیستم، رفتار دینامیکی سیستم قدرت به ازای تغییرات در بار مصرفی نشان می دهند.

    کلیدواژگان: توربین آبی، توربین بخار، رفتار دینامیکی، سیستم فتوولتائیک، کنترل فرکانس بار
  • ایرج رضایی، مجید دلشاد*، بهادر فانی صفحات 49-61

    در این مقاله، یک مبدل بسیار افزاینده با بهره ولتاژ بالا و استرس ولتاژ پایین بر روی سوئیچ ها معرفی شده است که کلیدزنی نرم در جریان صفر را برای هر دو سوئیچ فراهم می کند. مدار کمکی طراحی شده، علاوه بر ایجاد شرایط کلیدزنی نرم برای المان های مبدل، امکان انتقال انرژی اسنابر به خروجی را نیز فراهم می کند. این مدار شامل تنها یک خازن اسنابر، یک دیود کمکی، و یک سلف کوپل شده کمکی است. مبدل پیشنهادی با توان 110 وات و خروجی 340 ولت در نرم افزار Pspice شبیه سازی شده و نتایج به دست آمده تطابق خوبی با تحلیل های تئوری دارند. همچنین، یک نمونه آزمایشگاهی از مبدل ساخته شده که نتایج عملی آن بهبود راندمان 5 درصدی را نسبت به نمونه سوئیچینگ سخت نشان می دهد.

    کلیدواژگان: مبدل افزاینده، اسنابر بدون تلفات، مدولاسیون پهنای پالس، کلیدزنی در جریان صفر
  • صادق حیدری بنی، سید محمدمهدی میرطلائی*، مهدی شانه، توحید نوری، امیر بکتاش صفحات 63-77

    یکی از محبوب ترین و در دسترس ترین منابع انرژی تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی است. در راستای حذف سوخت های فسیلی که آلودگی و تاثیرات مخربی در محیط زیست دارند، تحقیقات و مطالعات زیادی انجام گرفته است تا بتوان منابع پاک انرژی، از جمله انرژی خورشیدی را جایگزین یا رقیبی برای سوخت های فسیلی قرار داد. در یک سیستم تک فاز با ساختار دو مرحله‏ای اگر ولتاژ فاز 220 ولت باشد ولتاژ باس اینورتر متصل به شبکه لازم است که در حدود 380 ولت باشد. مبدل های DC-DC با بهره ولتاژ بالا وظیفه دارند ولتاژ کم سلول های خورشیدی را به سطح ولتاژ مناسب تبدیل نمایند. مبدل بوست ساده ترین ساختاری است که سطح ولتاژ را افزایش می دهد اما استفاده از مبدل بوست در کاربردهای ولتاژ بالا مشکلات فراوانی را به همراه خواهد داشت به همین سبب، پژوهش های گسترده ای برای بهبود مشکلات مبدل بوست و ارائه ساختارهای جدید صورت پذیرفته است. در ساختار پیشنهادی برای افزایش بهره از تکنیک مدار چندبرابر کننده ولتاژ و سلف کوپل شده استفاده شده است. در این مقاله علاوه بر تشریح عملکرد مدار و ارائه ی تحلیل های تئوری، صحت عملکرد مبدل پیشنهادی در نرم افزار PSpice شبیه‏ سازی شده و یک نمونه آزمایشگاهی از طریق پیاده سازی عملی مورد ارزیابی قرار می‏گیرد.

    کلیدواژگان: مبدل بوست، چندبرابر کننده ولتاژ، مبدل های بهره بالا، سلف های کوپل شده، استرس ولتاژ
  • فرشته میرزائیان، محمد جعفری فر* صفحات 79-103

    امروزه موتورهای الکتریکی کاربردهای گسترده ای در بخش خانگی، تجاری و صنعتی برای مصرف بهینه انرژی الکتریکی، طراحی و ساخت موتورهای پربازده، و... مورد توجه زیادی قرار گرفته اند و گسترش روزافزون زیادی دارند در این بین موتورهای DC بدون جاروبک یا (BLDCM) با دلایلی همچون بهره بالا، روش کنترل آسان و قابلیت اطمینان زیاد، چگالی توان و گشتاور زیاد در بسیاری از کاربردهای صنعتی و غیرصنعتی مورد استفاده قرار گرفته اند و روز به روز استفاده از آنها بیشتر می شود. یک مزیت خیلی بزرگ موتورهای DC بدون جاروبک بهره وری بالا است زیرا این موتورها می توانند با حداکثر نیروی چرخشی (گشتاور) به طور پیوسته کنترل شوند. در مقابل موتورهای دارای جاروبک فقط در نقاط معینی از چرخش به حداکثر گشتاور می رسند. دومین مزیت قابلیت کنترل BLDCM را می توان با استفاده از مکانیزم بازخورد کنترل کرد تا دقیقا گشتاور و سرعت چرخش مورد نظر را تحویل دهند. موتورهای DC بدون جاروبک بدلیل نبود جاروبک از دوام بالا و تولید تولید سروصدای کم الکتریکی برخوردارند. در استفاده از موتورهای جاروبک دار، جاروبک و کموتاتور در اثر تماس مداوم متحرک فرسوده می شوند و همچنین جرقه هایی را ایجاد می کنند برای همین موتورهای BLDC اغلب در مواردی که جلوگیری از نویز برق مهم است ترجیح داده می شوند. در این مقاله به بررسی روش های مختلف کنترل موتورهای DC بدون جاروبک BLDC پرداخته می شود و جنبه های مختلف این موتورها و نتایج شبیه سازی مورد بحث و بررسی قرار می گیرد.

    کلیدواژگان: موتورهای DC بدون جاروبک (BLDCM)، کنترل سرعت، کنترل بدون حسگر، ضربان گشتاور، خازن الکترولیتی، پالس فرکانس بالا
|
  • Ehsan Akbari* Pages 1-17

    The occurrence of various faults in the transmission lines is inevitable due to the power transmission lines' complexity and length. Detecting, classifying, and locating faults in these systems can prevent further damage to the power grid. Algorithms based on the traveling wave theory are often implemented based on signal processing methods and can determine only the location of the faults. Determining the type of fault due to the wide variety of possible faults in the transmission lines can help the protection system operate more reliably and faster. Accordingly, in this paper, an integrated fault detection, classification, and location model is proposed, which uses only the voltage signals measured on one terminal of the transmission line. In order to extract features from the primary signal, Gabor wavelet transformation is used and its results will be utilized for fault detection and classification. Next, the traveling wave concept is applied to determine the fault section and estimate its location. In addition, due to the installation of the reactive power compensator in the transmission line, the performance of the protection system must be updated. Simulation results in MATLAB demonstrate the accurate performance of the proposed model in fault detection, classification, and location. By employing the proposed strategy, the average accuracy of fault classification and location is 100% and 99.573%, respectively.

    Keywords: Fault Detection, Classification, Location, Compensated Transmission System, Gabor Wavelet Transform, Traveling Wave Theory
  • Danial Abazari, Reza Ebrahimi*, Mahmoud Samiei Moghaddam, Nasrin Salehi Pages 18-33

    This paper presents a novel two-level stochastic development planning model that addresses the challenges of development, transmission, and battery storage alongside the natural gas network. In this model, high-level decisions for generation, transmission, and storage are integrated with the lower-level modeling of the natural gas network. A key feature of this model is the incorporation of high wind penetration and solar energy integration. Given the increasing uncertainty of these factors, our model offers a comprehensive solution. To solve the optimization problem, the lower-level is transformed into KKT equations, which improves efficiency. The effectiveness of the model is examined using two test networks: one with 6 buses for electricity and a gas network with 5 nodes, and the other with 24 buses and a gas network with 10 nodes. Analyzing the results under various conditions demonstrates the model’s efficiency and robustness, providing valuable insights into the interconnection between electricity, gas networks, and renewable energies. The findings of this study contribute to development planning and offer useful insights for policymakers, operators, and stakeholders in the integration of storage energy. The proposed formulation suggests comprehensive strategies that account for the complexities of the evolving energy landscape. The innovative model and approach proposed will provide a strong foundation for future research, offering practical solutions for sustainable and integrated energy system development.

    Keywords: Power Network Expansion Planning, Stochastic Optimization, Renewable Energy Sources, Bi-Level Optimization, Natural Gas
  • Mohammadreza Moradian, Majid Moazzami, Ghazanfar Shahgholian* Pages 36-47

    Stability and reliability have become very important due to the integration of renewable energy sources and the dynamic nature of load demand in power systems. Frequency stability is an important indicator of power quality in electrical power systems. Load frequency control by maintaining the system frequency at the nominal value plays an important role in the efficient operation and ensuring the stability of the power system. Any sudden disturbance in the load can cause changes in the power exchange in the transmission line between regions, and create frequency fluctuations in the power system. The purpose of this research is to analyze and simulate the dynamic behavior of load frequency control in a single-zone power system consisting of two energy sources: a thermal turbine equipped with a preheater and a hydro turbine equipped with a transient drop compensator. The effect of the photovoltaic system on frequency deviation changes in the power system has also been investigated. The first-order equations of the power system are expressed in state space and the modes of the system have been determined. The simulation results using Simulink/MATLAB software and model analysis using eigenvalue analysis of the system matrix show the dynamic behavior of the power system for changes in the consumed load.

    Keywords: Dynamic Behavior, Hydro Turbine, Load Frequency Control, Photovoltaic System, Steam Turbine
  • Eiraj Rezai, Majid Delshad*, Bahador Fani Pages 49-61

    In this paper, a high step-up converter with a high voltage gain and low voltage stress on the switches is presented, which enables zero-current soft switching for both switches. The designed auxiliary circuit not only ensures soft switching conditions for the converter components but also transfers the snubber energy to the output. This circuit includes only one snubber capacitor, one auxiliary diode, and one coupled inductor. The proposed converter was simulated in Pspice software with a power of 110 W and an output of 340 V, and the obtained results are in good agreement with theoretical analyses. Additionally, a laboratory prototype of the converter was constructed, showing a 5.5% improvement in efficiency compared to its hard-switching counterpart.

    Keywords: Step-Up Converter, Lossless Snubber, Pulse Width Modulation, Zero Current Switching
  • Sadegh Heidari Beni, Seyed Mohammadmehdi Mirtalaei*, Mahdi Shaneh, Tohid Nouri, Amir Baktash Pages 63-77

    One of the most popular and accessible sources of renewable energy is solar energy. In order to eliminate fossil fuels that have pollution and destructive effects on the environment, many researches and studies have been conducted so that clean sources of energy, including solar energy, can replace or compete with fossil fuels. In a single-phase system with a two-phase structure, if the line voltage is 220 volts, the bus voltage of the inverter connected to the grid must be around 380 volts. However, the output voltage of photovoltaic cells is generally lower than the bus voltage. DC-DC converters with high voltage gain are responsible for converting the low voltage of solar cells to the appropriate voltage level. The boost converter is the simplest structure that increases the voltage level, but the use of the boost converter in high voltage applications will bring many problems, for this reason, extensive research has been done to improve the problems of the boost converter and provide new structures. In the proposed structure, the technique of voltage multiplier circuit and coupled inductor is used to increase the gain. In this article, in addition to explaining the operation of the circuit and providing theoretical analysis, the correctness of the operation of the circuit is evaluated through PSpice software and the practical implementation of the laboratory sample.

    Keywords: Boost Converter, Voltage Multiplier, High Efficiency Converters, Coupled Inductors, Voltage Stress
  • Fereshteh Mirzaeian, Mohammad Jafarifar* Pages 79-103

    Nowadays, electric motors are widely used in the domestic, commercial and industrial sectors for the optimal consumption of electric energy, the design and construction of high-efficiency motors, etc. Meanwhile, brushless DC motors or (BLDCM) have been used in many industrial and non-industrial applications for reasons such as high efficiency, easy control method and high reliability, power density and high torque, and their use is increasing day by day. increase. A very big advantage of brushless DC motors is high efficiency because these motors can be continuously controlled with maximum rotational force (torque), in contrast to brush motors, which reach maximum torque only at certain points of rotation. The second advantage of BLDCM controllability is that it can be controlled using a feedback mechanism to deliver exactly the desired torque and rotation speed. Brushless DC motors have high durability and produce low electrical noise due to the absence of brushes. In the use of brushed motors, the brush and commutator are worn out due to continuous moving contact and also create sparks, therefore BLDC motors are often preferred in cases where it is important to prevent electrical noise. In this article, various control methods of BLDC brushless DC motors are discussed and various aspects of these motors and simulation results are discussed

    Keywords: Brushless DC Motors (BLDCM), Speed Control, Sensorless Control, Torque Pulse, Electrolytic Capacitor, Pulse High Frequency