جستجو در سایت :   

عنوان : بهینه‌سازی همزمان مصرف انرژی و عملکرد قطار در سیستم‌های راه‌آهن برقی

دانشگاه صنعتی امیرکبیر
(پلی تکنیک تهران)

دانشکده مهندسی برق

پایان‌نامه کارشناسی ارشد

گرایش راه‌آهن برقی

عنوان:

بهینه‌سازی همزمان مصرف انرژی و عملکرد قطار در سیستم‌های راه‌آهن برقی

اساتید راهنما:

دکتر احمد افشار

دکتر امیرابوالفضل صورتگر

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)

فهرست مطالب:

1. فصل اول مقدمه………………………….. 1

2 فصل دوم مروری بر سیستم‌های تراکشن راه‌آهن………………………….. 5

2‌.1‌    سیستم‌های تراکشن الکتریکی………………………….. 6

2‌.1‌.1‌ محرکه موتور DC…………………………..

2‌.1‌.2‌ محرکه موتور AC…………………………..

2‌.2‌    تراکشن دیزل الکتریک…………………………… 12

2‌.3‌    تراکشن هیبریدی………………………….. 13

3 فصل سوم مروری بر روش‌های بهینه‌سازی………………………….. 15

3‌.1‌    بهینه‌سازی یک‌هدفه…………………………. 16

3‌.2‌    مفاهیم بنیادی در بهینه‌سازی چند‌هدفه…………………………. 17

3‌.3‌    جستجو و تصمیم‌گیری………………………….. 21

3‌.4‌    مروری بر روش‌های مرسوم در بهینه‌سازی چند‌هدفه……………… 22

3‌.4‌.1‌ روش مجموع وزن‌دار………………………… 22

3‌.4‌.2‌ روش مقیدسازی ε………………………….

3‌.5‌    الگوریتم‌های تکاملی در بهینه‌سازی یک‌هدفه و چند‌هدفه……………. 24

3‌.5‌.1‌ الگوریتم بهینه‌سازی تکاملی یک‌هدفه Krill Herds………………………..

3‌.5‌.2‌ جستجوی چند‌هدفه…………………………. 32

3.5.3 الگوریتم بهینه‌سازی چندهدفه تکاملی NSGA-II………………………….

4.5.3 الگوریتم بهینه‌سازی چندهدفه تکاملی MOPSO…………………………..

4 فصل چهارم مدل‌سازی حرکت قطار و توان تراکشن………………………….. 44

4‌.1‌    فیزیک حرکت وسایل نقلیه…………………………. 45

4‌.1‌.1‌ آشنایی کلی…………………………. 45

4‌.1‌.2‌ کشش سطحی…………………………. 46

4‌.1‌.3 مقاومت قطار………………………… 48

4‌.1‌.4‌ جرم موثر…………………………. 48

4‌.1‌.5‌ معادله عمومی حرکت وسیله نقلیه…………………………. 49

4‌.2‌    مدل‌سازی و  شبیه‌سازی………………………….. 49

4‌.2‌.1‌ سوییچ وضعیت وسایل نقلیه…………………………. 50

4‌.2‌.2‌ ورودی‌های عملیاتی…………………………. 52

4‌.2‌.3‌ شبیه‌ساز حرکت قطار …………………………57

4‌.3‌    معادلات حالت و توابع هدف………………………….. 58

5 فصل پنجم بهینه‌سازی تراژکتوری سرعت قطار……………………. 61

5‌.1‌    اصل بخش‌بندی مسیر و گراف سرعت…………………………… 63

5‌.2‌    ارائه یک استراتژی رانندگی کارآمد…………………………. 63

5‌.2‌.1‌ ساخت تراژکتوری سرعت………………………….. 63

5‌.2‌.2‌ تعیین شاخص کنترل با ضریب آسایش مسافرین………………….. 65

5‌.3‌    پیاده‌سازی الگوریتم بهینه‌سازی چندهدفه NSGA-II روی مساله مورد نظر…….. 68

5‌.3‌.1‌ تعیین جمعیت اولیه…………………………. 68

5‌.3‌.2‌ ابتکار در هدایت فرآیند جستجو…………………………. 69

5‌.3‌.3‌ تعیین برازندگی اعضای فرآیند بهینه‌سازی………………………… 69

5‌.4‌    پیاده‌سازی الگوریتم بهینه‌سازی چندهدفه MOPSO روی مساله مورد نظر…………. 71

5.5‌    پیاده‌سازی الگوریتم بهینه‌سازی یک‌هدفه KH روی مساله مورد نظر……………… 72

5‌.6‌    بیانی از مقاوم بودن در روش‌های بهینه‌سازی تکاملی…………………… 72

5‌.6‌.1‌ مقاوم بودن در بهینه‌سازی یک‌هدفه…………………………. 73

5‌.6‌.2‌ مقاوم بودن در بهینه‌سازی چند‌هدفه تکاملی…………………………. 74

5‌.7‌    مورد مطالعاتی………………………….. 75

5‌.8‌    نتایج شبیه‌سازی و مقایسه…………………………. 76

5‌.8‌.1‌ نتایج حاصل از اعمال الگوریتم NSGA-II………………………….

5‌.8‌.2‌ نتایج حاصل از اعمال الگوریتم MOPSO…………………………..

5‌.8‌.3‌ نتایج حاصل از اعمال الگوریتم KH…………………………..

5‌.8‌.4‌ تراژکتوری‌های سرعت بهینه…………………………. 81

5‌.9‌    مقایسه نتایج با یک مرجع…………………………. 85

5‌.10‌  ارائه یک شیوه برای بهره گیری از روش‌های پیشنهادی………………. 87

6 فصل ششم بهبود کارایی سیستم تراکشن الکتریکی بوسیله کاهش عدم تعادل جریان و همزمان تامین توان راکتیو مورد نیاز………89

6‌.1‌    ساختار کلی یک سیستم 2×25 کیلو ولت AC اتوترانسفورماتوری……………….. 90

6‌.2‌    عیب یابی سیستم و ارائه راه‌حل………………………….. 91

6‌.3‌    اجرای SVC………………………….

6‌.4‌    متعادل‌سازی جریان بار………………………… 93

6‌.5‌    جبران‌سازی توان راکتیو…………………………. 94

6‌.6‌     تعریف مساله…………………………. 95

6‌.7‌    فرآیند بهینه‌سازی………………………….. 95

6‌.8‌    نتایج و مطالعه………………………….. 96

7فصل هفتم نتیجه‌گیری و پیشنهادات…………………………… 102

منابع و مراجع………………………….. 104

پیوست‌ها………………………… 110

چکیده:

امروزه با توسعه سریع سیستم‌های حمل و نقل ریلی درون شهری و برون شهری، تقاضای انرژی مصرفی و همچنین کیفیت سرویس دهی مطلوب‌تر افزایش یافته می باشد. رقابت در این عرصه می‌تواند  در چگونگی اجرای یک سفر بهینه با اهداف حداقل تاخیر زمانی سفر و حداقل انرژی مصرفی شکل بگیرد. در این پایان‌نامه چگونگی حصول یک سفر کارآمد توسط یک قطار، تحت قیود پروفیل مسیر و حدود سرعت مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. در این راستا، روش‌های بهینه‌سازی چند‌هدفه تکاملی NSGA-II و MOPSO و همچنین روش بهینه‌سازی تکاملی یک‌هدفه Krill Herds، برای تولید یک تراژکتوری سرعت با حداقل انرژی مصرفی، حداقل تاخیر زمانی سفر و همچنین با تامین آسایش مسافرین، مورد بهره گیری قرار گرفته می باشد. نتایج به ازای یک زمان سفر معین 1200 ثانیه‌ای نشان داد که تراژکتوری سرعت تعیین شده توسط NSGA-II دارای بهترین عملکرد و کمترین انرژی مصرفی نسبت به دو الگوریتم دیگر می باشد. همچنین جبهه‌های پارتو منتجه به ازای تعداد اعضا و تکرار یکسان نشان داد که در زمان‌های سفر کوتاهتر از حدود 1100 ثانیه و طولانی‌تر از 1500 ثانیه، MOPSO می‌تواند دارای نتایج مطلوب‌تری باشد.

با توسعه شبکه های الکتریکی حتی در نواحی بین شهری، بیشتر سیستم‌های تراکشن راه‌آهن امروزی از انرژی الکتریکی بهره گیری می‌کنند. در این پایان‌نامه یک سیستم تراکشن راه‌آهن 2×25 کیلو ولت AC 50 هرتز مورد مطالعه قرار گرفته و برای چند مورد از معضلات اساسی این سیستم نظیر عدم تعادل حدود 11 درصد در جریان بار و همچنین مصرف توان راکتیو بالا، یک SVC هوشمند پیشنهاد شده می باشد. این SVC قادر می باشد بصورت زمان واقعی و توسط الگوریتم بهینه‌سازی چند‌هدفه NSGA-II، اندازه عدم تعادل جریان بار را به 98/0 درصد تقلیل داده و همچنین همزمان توان راکتیو مورد نیاز سیستم را نیز تامین کند.

فصل اول: مقدمه

با افزایش جمعیت و بالا رفتن هزینه‌های حمل‌ونقل در بیشتر کشورهای جهان، سیستم راه‌آهن شهری هنوز به عنوان یک سیستم حمل‌ونقل برتر شناخته می گردد. علت این برتری می‌تواند  ناشی از اطمینان بالا و تاثیر زیاد این سیستم بر بهبود ترافیک شهری باشد.  جستجوی روش‌های کنترل بهینه برای قطارها بطوری‌که بهره گیری از منابع انرژی را حداقل کند یکی از مسائل مهم روز در زمینه مهندسی راه‌آهن به شمار می‌رود. در صنعت راه‌آهن دو راهکار کلی می‌تواند  برای بهبود انرژی مصرفی ارائه گردد، یکی بهبود تکنولوژی ساخت سیستم تراکشن راه‌آهن و دیگری تغییر در طریقه عملیاتی قطار می باشد. توسعه تکنولوژی قطار می‌تواند شامل مورد هایی نظیر کاهش جرم قطار [1]، طراحی پیشرفته سطوح قطار به مقصود کاهش مقاومت آیرودینامیکی [2] و یا افزودن تجهیزاتی به مقصود بهبود بهره‌وری انرژی مطلوب‌تر باشد. برای تغییر در طریقه عملیاتی قطار می‌توان از شیوه عملکرد راهبر قطار [3,4] و یا طراحی جدول زمانی مناسب [5] دانست که می‌تواند سریعتر و با هزینه پایین‌تری اجرا گردد.

در دهه‌های اخیر روش‌های گوناگونی نظیر کنترل فازی [6]، کنترل دنده خلاص [7] و روش‌های بهینه‌سازی تکاملی به مقصود بهبود عملکرد و کارایی انرژی قطار ارائه شده‌اند. لیکزینگ یانگ[1] و همکارانش روی یک مدل ریاضی به مقصود جستجوی حرکات بهینه قطار با مسیر و زمان پیمایش از پیش تعیین شده و با هدف بهینه‌سازی مصرف انرژی و زمان سیر قطار با بهره گیری از استراتژی کنترل دنده خلاص پژوهش کرده‌اند [8]. شاوفنگ لو[2] و همکارانش پتانسیل اعمال استراتژی‌های مدیریت توان پیشرفته برای یک قطار DMU[3] را با بهره گیری از روش DP[4] مورد ارزیابی قرار داده اند و در نهایت کاهش هزینه سوخت حدود  هفت درصد را در مقایسه با زمانی که موتورها به گونه همزمان اقدام می‌کردند، نتیجه داده می باشد [9].

مطالعات متعددی در مورد چگونگی تعیین یک تراژکتوری سرعت بهینه انجام شده می باشد که می‌توان محور این مطالعات را به دو دسته کلی تقسیم نمود: کنترل دنده خلاص و کنترل سراسری. کنترل دنده خلاص برای بهبود کارایی انرژی یک قطار در شرایط دنده خلاص مورد بهره گیری قرار می‌گیرد. مثلاً تعیین نقاط خاصی که اگر موتورهای تراکشن در آن نقاط هیچ گشتاوری تولید نکنند، می‌تواند مسیر سرعت بهینه را تضمین کند [7,8,10,11]. عموماً روش‌های  بهینه‌سازی غیر قطعی مانند الگوریتم ژنتیک‌ برای این نوع مطالعه بهره گیری می شوند [10]. در [11] یک الگوریتم ژنتیک بهینه‌سازی دو سطحی ارائه شده می باشد به‌طوری‌که در گام اول نقاط دنده‌خلاص را برای عملکرد قطار شهری با هدف حداقل‌سازی انرژی مصرفی تعیین کرده و سپس در گام دوم یک مدل بهینه از تنظیم زمان بازیابی سفر بین ایستگاهی قطار با کاهش بیشتر در انرژی مصرفی ارائه می‌دهد. به گفته آقای دینگ یونگ[5] با بهره گیری از الگوریتم دو سطحی می‌توان به اندازه 09/16 درصد در انرژی مصرفی در مقایسه با روش مرسوم صرفه‌جویی نمود. دسته دوم یعنی کنترل سراسری از کل سیگنال‌های کنترلی ممکن بهره گیری می کند [12-14]. به علت طبیعت عمومی روش‌های کنترل سراسری، الگوریتم‌های بهره گیری شده عموماً از لحاظ محاسباتی بسیار پیچیده هستند. در این مورد یک استراتژی کنترل سراسری عملی به گونه‌ای ارائه می گردد، که بتواند با بهره گیری از توالی‌های کنترلی مناسب، تراژکتوری‌های سرعت قطار با مصرف انرژی کارآمد را شناسایی کند. لیو و گلوویچر[6]  یک راه‌حل تحلیلی برای محاسبه پارامترهای کنترل بهینه ارائه داده‌اند به‌طوری‌که قطار را از یک نقطه به نقطه دیگر در یک زمان معین با حداقل انرژی مصرفی هدایت کند [12]. در [14] نیز یک روش کلی مبتنی بر بهره گیری یک‌پارچه از  شبیه‌ساز ترافیک و یک کد بهینه‌سازی سیمپلکس ارائه شده می باشد که به گونه خودکار پارامترهای بهینه نظیر نرخ شتابگیری، نرخ کاهش شتاب و نرخ سرعت کروز را با معیار حداقل مصرف انرژی تعیین می کند. شاوفنگ لو ]15[ با بهره گیری از سه روش GA، ACO و DP روی یک گراف سرعت، تراژکتوری‌های بهینه سرعت را تحت قیود زمانی سفر و حدود سرعت بصورت آفلاین تولید کرده می باشد و در نهایت اثبات کرده می باشد که تراژکتوری سرعت بدست‌آمده توسط روش DP از لحاظ عملکرد و انرژی مصرفی مطلوب‌تر می باشد.

در این پایان‌نامه، هدف، تولید تراژکتوری‌های سرعت بهینه می باشد به گونه‌ای که تحت قیود حاکم بر مساله، همزمان هم از لحاظ انرژی مصرفی بهینه باشد و هم اینکه تحت این تراژکتوری سرعت، قطار با حداقل تاخیر زمانی سفر ممکن و با تامین آسایش مسافرین به مقصد مورد نظر برسد. دو الگوریتم  بهینه‌سازی چند‌هدفه NSGA-II ، MOPSO و الگوریتم بهینه‌سازی یک‌هدفه KH برای شکل گیری تراژکتوری سرعت قطار بهینه بکار گرفته شده‌اند. در ادامه، کارایی الکتریکی یک سیستم تراکشن راه‌آهن 2×25 کیلو ولت AC 50 هرتز مورد مطالعه قرار گرفته، بعضی از معضلات اساسی این سیستم تعیین شده و راه‌حلی جهت رفع این معضلات ارائه می گردد.

این پایان‌نامه در قالب فصل‌های زیر تدوین شده می باشد:

– در فصل1، یک مقدمه عمومی از پیش زمینه، ‌انگیزه پژوهش، مورد مطالعاتی، اهداف و جزئیات پایان‌نامه آورده شده می باشد.

– در فصل 2، مروری شده می باشد بر سیستم‌های توان تراکشن راه‌آهن، شامل سیستم محرکه DC و سیستم محرکه AC‌. این فصل یک پیش‌زمینه مهندسی برق برای مدل‌سازی وسیله حمل‌ونقل ریلی تشریح شده در فصل 4، می‌باشد.

– در فصل 3، تکنیک‌های بهینه‌سازی مورد مطالعه قرار گرفته می باشد.

– در فصل4، جزئیات مدل‌سازی و شبیه‌سازی سیستم توان تراکشن ارائه شده می باشد. در این فصل آغاز به تعیین معادلات فیزیکی حرکت وسایل نقلیه پرداخته می گردد و سپس مفهوم سوئیچ حالت وسیله نقلیه نیز تبیین داده می گردد.

– در فصل5، بهینه‌سازی تراژکتوری سرعت یک قطار ارائه می گردد. در این فصل یک شیوه رانندگی کارآمد با آسایش مسافرین اظهار می گردد و سپس یک گراف برای تولید تراژکتوری سرعت قطار ارائه می گردد و در نهایت با بهره گیری روش‌های بهینه‌سازی تکاملی، تراژکتوری‌های سرعت بهینه تولید شده و از چندین منظر با یکدیگر مقایسه می شوند.

– در فصل6، پتانسیل بهره گیری از یک SVC به مقصود بهبود کارایی الکتریکی یک سیستم تراکشن راه‌آهن برقی مورد مطالعه قرار گرفته می باشد.

– در فصل7، نتیجه گیری و کارهای پیش روی این پژوهش ارائه می گردد.

فصل دوم: مروری بر سیستم‌های تراکشن راه‌آهن

مروری بر سیستم‌های تراکشن راه‌آهن:

مانند هر وسیله نقلیه، سیستم توان تراکشن راه‌آهن وظیفه تحویل یک توان مکانیکی را به عهده دارد که می‌تواند به انرژی جنبشی تبدیل گردد. این انرژی جنبشی با غلبه بر مقاومت‌های موجود در برابر حرکت، قطار را به حرکت در می‌آورد ]16[.

برای هر سیستم تراکشن راه‌آهن بعضی الزامات کلی هست که بایستی برآورده شوند:

1- توانایی راه‌اندازی و حمل یک بار مشخص تحت یک جدول زمانی را دارد.

2- عمر سرویس‌دهی به اندازه کافی طولانی و تعمیر و نگهداری حداقل می باشد.

3- از نظر مصرف سوخت کارآمد باشد.

4- سازگار با محیط زیست باشد.

در این فصل سه سیستم تراکشن متداول در صنعت راه‌آهن نظیر سیستم تراکشن الکتریکی، دیزل الکتریکی و هیبریدی مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. امروزه سیستم‌های تراکشن DC و AC‌ به دلیل توسعه شبکه‌های برق حتی در نواحی بین شهری، بیشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند. سیستم‌های تراکشن دیزل الکتریک اساساً برای مسیرهایی که برقدار نباشد، بهره گیری می شوند. ترکیب سیستم‌های توان مرسوم با تجهیزات ذخیره‌سازی انرژی، سیستم‌های تراکشن هیبریدی یا ترکیبی را تشکیل می‌دهند ]17[.

2-1- سیستم‌های تراکشن الکتریکی

اولین کاربرد عملی تراکشن الکتریکی راه‌آهن به نیمه دوم قرن 19 بر می گردد. در اولین مرحله از توسعه، از موتورهای DC به همراه خطوط انتقال DC ولتاژ پایین بهره گیری گردید. این شیوه تغذیه توان تراکشن اصلی به علت مشخصه کنترل گشتاور ساده آن معرف می باشد. متعاقباً شبکه‌های توزیع DC ولتاژ بالا و شبکه‌های توزیع AC‌ فرکانس پایین ( و) به عنوان دو روش تغذیه منابع تغذیه الکتریکی سیستم‌های تراکشن بهره گیری شدند. دلیل ظهور شبکه های انتقالAC ناشی از ویژگی‌های ذاتی موتورهای القایی در تولید گشتاور و همچنین سختی تامین انرژی الکتریکی از یک خط انتقال DC یا AC تک فاز بوده می باشد ]18[. به سال 1950 نرسیده بود که پیشرفت در الکترونیک قدرت، انتقال توان AC با فرکانس صنعتی و ولتاژ بالا را به واقعیت تبدیل نمود. پس از آن شبکه‌های kV25 با فرکانس 50 یا 60 هرتز جایگزین شبکه‌های kV5/1 DC و شبکه‌های kV3 شدند ]19[. شبکه توان تراکشن برای تامین توان الکتریکی کل شبکه راه‌آهن برقی مورد بهره گیری قرار می‌گیرد و عموماً دو نوع شبکه تغذیه توان DC و AC هست ]20[.

برای یک سیستم تغذیه توان DC‌، توان الکتریکی معمولاً از طریق یک ریل هادی که در مجاورت خط‌آهن نصب شده می باشد تامین می گردد. مزیت اصلی سیستم تغذیه توان DC ناشی از سهولت کنترل تجهیزات تراکشن موجود در قطار می باشد. ولتاژ عمومی منابع تغذیه توان DC بین 600 تا 5/1کیلو ولت متغیر می‌باشد. و این به معنی بالا رفتن جریان تامینی از مدارات منابع تغذیه و در نهایت افزایش تلفات الکتریکی می باشد. سیستم‌های تغذیه توان DC بیشتر در خطوط ناحیه ای و شهری بهره گیری می شوند.

یک سیستم تغذیه توان AC معمولاً از خطوط هوایی بهره گیری می کند. این خطوط متشکل از یک خط تماس حامل جریان[1] و کتنری[2] می‌باشد. خطوط هوایی در یک ارتفاع معینی از ریل قرار می‌گیرند. سطح ولتاژ بالاتر در یک سیستم تغذیه توان AC، جریان و تلفات الکتریکی را کاهش می‌دهد. همچنین به پست‌های برق کمتری در مقایسه با شبکه‌های تراکشن DC ولتاژ پایین نیاز دارند. عموماً این سیستم برای بهره گیری در سیستم‌های خطوط راه‌آهن سریع السیر و دارای مسافت‌های طولانی مقرون به صرفه می باشد.

سیستم مترو درون شهری تهران از شبکه 750 ولت DC و سیستم قطار برقی تهران-کرج از شبکه 25 کیلو ولت AC بهره گیری می کند.

[1] Contact Wire

[2] کتنری (Catenary) یک هادی برای تامین جریان پانتوگراف می باشد که بوسیله تعدادی آویز (Droppper) به سیم جریان (Contact Wire) مرتبط می گردد.

[1] Lixing Yang

[2] Shaofeng Lu

[3] Diesel Multiple-Unit

[4] Dynamic Programming

[5] Ding Yong

 :دانلود فایل متن کامل پایان نامه در سایت sabzfile.com

[6] Rongfang Liu, Iakov M.Golovitcher

تعداد صفحه : 126

دانلود رایگان این پایان نامه

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   دانلود پایان نامه ارشد: ارائه الگوریتمی جهت جزیره سازی سیستمهای قدرت با حفظ معیارهای امنیت

برای دیدن لیست بقیه پایان نامه های رشته برق اینجا کلیک کنید

 

دسته‌ها: مهندسی برق