دانشگاه صنعتي امیرکبیر
(پلی تکنیک تهران)
دانشكده 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 شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه 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:
1. فصل اول مقدمه………………………….. 1
2 فصل دوم مروري بر سيستم‌هاي تراكشن راه‌آهن………………………….. 5
2.1 سیستم‌های تراکشن الکتریکی………………………….. 6
2.1.1 محركه 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 فيزيك حركت وسايل نقليه…………………………. 45
4.1.1 آشنايي كلي…………………………. 45
4.1.2 کشش سطحی…………………………. 46
4.1.3 مقاومت قطار………………………… 48
4.1.4 جرم موثر…………………………. 48
4.1.5 معادله عمومي حركت وسيله نقليه…………………………. 49
4.2 مدل‌سازي و شبيه‌سازي………………………….. 49
4.2.1 سوييچ وضعيت وسايل نقليه…………………………. 50
4.2.2 ورودي‌های عملياتي…………………………. 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 استفاده 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 بررسی………………………….. 96
7فصل هفتم نتيجه‌گيري و پیشنهادات…………………………… 102
منابع و مراجع………………………….. 104
پيوست‌ها………………………… 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 است. رقابت در این عرصه می‌تواند در نحوه 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 بررسی قرار گرفته است. 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 استفاده قرار گرفته است. 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 است. 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 استفاده می‌کنند. در این پایان‌نامه یک سیستم تراکشن راه‌آهن 2×25 کیلو ولت AC 50 هرتز مورد بررسی قرار گرفته و برای چند مورد از مشکلات اساسی این سیستم نظیر عدم تعادل حدود 11 درصد در جریان بار و همچنین مصرف توان راکتیو بالا، یک SVC هوشمند پیشنهاد شده است. این SVC قادر است بصورت زمان واقعی و توسط الگوریتم بهینه‌سازی چندهدفه NSGA-II، میزان 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 می‌شود. علت این برتری می‌تواند ناشی از اطمینان بالا و تاثیر زیاد این سیستم بر بهبود ترافیک شهری باشد. جستجوي روش‌هاي كنترل بهينه براي قطارها بطوري‌كه استفاده از منابع انرژی را حداقل كند يكي از مسائل مهم روز در زمينه مهندسي راه‌آهن به شمار مي‌رود. در صنعت راه‌آهن دو راهكار کلی می‌تواند براي بهبود انرژي مصرفي ارائه گردد، يكي بهبود تكنولوژي ساخت سیستم تراکشن راه‌آهن و ديگري تغيير در روند عملياتي قطار است. توسعه تكنولوژي قطار مي‌تواند شامل مواردي نظير كاهش جرم قطار [1]، طراحي پيشرفته سطوح قطار به منظور كاهش مقاومت آيروديناميكي [2] و یا افزودن تجهیزاتی به منظور بهبود بهره‌وری انرژی مطلوب‌تر باشد. براي تغيير در روند عملياتي قطار مي‌توان از شيوه عملكرد راهبر قطار [3,4] و يا طراحي جدول زماني مناسب [5] ياد كرد كه مي‌تواند سريعتر و با هزينه پايين‌تري اجرا شود.
در دهه‌هاي اخير روش‌های گوناگونی نظیر کنترل فازی [6]، كنترل دنده خلاص [7] و روش‌های بهینه‌سازی تکاملی به منظور بهبود عملكرد و کارایی انرژی قطار ارائه شده‌اند. ليكزينگ يانگ[1] و همکارانش روي يك مدل رياضي به منظور جستجوي حركات بهينه قطار با مسير و زمان پيمايش از پيش تعيين شده و با هدف بهينه‌سازي مصرف انرژي و زمان سير قطار با بهره گرفتن از استراتژي كنترل دنده خلاص تحقيق كرده‌اند [8]. شاوفنگ لو[2] و همکارانش پتانسيل اعمال استراتژي‌هاي مديريت توان پيشرفته براي يك قطار DMU[3] را با بهره گرفتن از روش DP[4] مورد ارزيابي قرار داده اند و در نهايت كاهش هزينه سوخت حدود هفت درصد را در مقايسه با زماني كه موتورها به طور همزمان عمل مي‌كردند، نتيجه داده است [9].
مطالعات متعددي در مورد نحوه تعیین يك تراژکتوری سرعت بهينه انجام شده است که مي‌توان محور اين مطالعات را به دو دسته کلی تقسيم نمود: كنترل دنده خلاص و كنترل سراسري. كنترل دنده خلاص براي بهبود كارايي انرژي يك قطار در شرايط دنده خلاص مورد استفاده قرار مي‌گيرد. مثلاً تعيين نقاط خاصي كه اگر موتورهاي تراكشن در آن نقاط هیچ گشتاوری تولید نکنند، مي‌تواند مسير سرعت بهينه را تضمين كند [7,8,10,11]. عموماً روش‌هاي بهينه‌سازي غير قطعي از جمله الگوريتم ژنتيك براي اين نوع مطالعه استفاده می‌شوند [10]. در [11] يك الگوريتم ژنتيك بهينه‌سازي دو سطحي ارائه شده است به‌طوري‌كه در گام اول نقاط دنده‌خلاص را براي عملكرد قطار شهري با هدف حداقل‌سازي انرژي مصرفي تعيين كرده و سپس در گام دوم يك مدل بهينه از تنظيم زمان بازيابي سفر بين ايستگاهي قطار با كاهش بيشتر در انرژي مصرفي ارائه می‌دهد. به گفته آقاي دينگ يونگ[5] با بهره گرفتن از الگوريتم دو سطحي مي‌توان به اندازه 09/16 درصد در انرژي مصرفي در مقايسه با روش مرسوم صرفه‌جويي كرد. دسته دوم يعني كنترل سراسري از كل سيگنال‌هاي كنترلي ممكن استفاده می‌کند [12-14]. به علت طبيعت عمومي روش‌های کنترل سراسری، الگوريتم‌هاي استفاده شده عموماً از لحاظ محاسباتي بسیار پیچیده هستند. در اين مورد يك استراتژي كنترل سراسري عملي به گونه‌ای ارائه مي‌گردد، كه بتواند با بهره گرفتن از توالی‌های کنترلی مناسب، تراژکتوری‌های سرعت قطار با مصرف انرژي كارآمد را شناسایی کند. ليو و گلوويچر[6] يك راه‌حل تحليلي براي محاسبه پارامترهاي كنترل بهينه ارائه داده‌اند به‌طوري‌كه قطار را از يك نقطه به نقطه ديگر در يك زمان معين با حداقل انرژي مصرفي هدايت كند [12]. در [14] نيز يك روش كلي مبتني بر استفاده يك‌پارچه از شبيه‌ساز ترافيك و يك كد بهينه‌سازي سيمپلكس ارائه شده است كه به طور اتوماتيك پارامترهاي بهينه نظير نرخ شتابگيري، نرخ كاهش شتاب و نرخ سرعت كروز را با معیار حداقل مصرف انرژی تعيين می‌کند. شاوفنگ لو ]15[ با بهره گرفتن 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 است و در نهایت اثبات کرده است که تراژکتوری سرعت بدست‌آمده توسط روش DP از لحاظ عملکرد و انرژی مصرفی مطلوب‌تر است.
در این پایان‌نامه، هدف، تولید تراژکتوری‌های سرعت بهینه است به گونه‌ای که تحت قیود حاکم بر مساله، همزمان هم از لحاظ انرژي 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 الگوريتم بهينه‌سازي چندهدفه NSGA-II ، MOPSO و الگوریتم بهینه‌سازی یک‌هدفه KH براي تحقق تراژكتوري سرعت قطار بهينه بكار گرفته شده‌اند. در ادامه، کارایی الکتریکی یک سیستم تراکشن راه‌آهن 2×25 کیلو ولت AC 50 هرتز مورد بررسی قرار گرفته، برخی از مشکلات اساسی این سیستم تعیین شده و راه‌حلی جهت رفع این مشکلات ارائه می‌گردد.
این پایان‌نامه در قالب فصل‌های زیر تدوین شده است:
– در فصل1، يك مقدمه عمومي از پيش زمينه، انگيزه تحقيق، مورد مطالعاتي، اهداف و جزئيات پایان‌نامه آورده شده است.
– در فصل 2، مروري شده است بر سيستم‌هاي توان تراكشن راه‌آهن، شامل سيستم محركه DC و سيستم محركه AC. اين فصل يك پيش‌زمينه مهندسي برق براي مدل‌سازي وسيله حمل‌ونقل ريلي تشریح شده در فصل 4، مي‌باشد.
– در فصل 3، تكنيك‌هاي بهينه‌سازي مورد بررسی قرار گرفته است.
– در فصل4، جزئيات مدل‌سازي و شبيه‌سازي سيستم توان تراكشن ارائه شده است. در اين فصل ابتدا به تعيين معادلات فيزيكي حركت وسايل نقليه پرداخته مي‌شود و سپس مفهوم سوئیچ حالت وسیله نقلیه نیز شرح داده مي‌شود.
– در فصل5، بهينه‌سازي تراژکتوری سرعت يك قطار ارائه مي‌گردد. در اين فصل یک شیوه رانندگی کارآمد با آسایش مسافرین بیان می‌شود و سپس يك گراف برای تولید تراژکتوری سرعت قطار ارائه مي‌گردد و در نهایت با استفاده روش‌های بهینه‌سازی تکاملی، تراژکتوری‌های سرعت بهینه تولید شده و از چندین منظر با یکدیگر مقایسه می‌شوند.
– در فصل6، پتانسیل استفاده از یک SVC به منظور بهبود کارایی الکتریکی یک سیستم تراکشن راه‌آهن برقی مورد بررسی قرار گرفته است.
– در فصل7، نتيجه گيري و كارهاي پيش روي اين پژوهش ارائه مي‌گردد.
فصل دوم: مروري بر سيستم‌هاي تراكشن راه‌آهن
مروري بر سيستم‌هاي تراكشن راه‌آهن:
مانند هر وسيله نقليه، سيستم توان تراكشن راه‌آهن وظیفه تحویل يك توان مكانيكي را به عهده دارد كه مي‌تواند به انرژي جنبشي تبديل شود. این انرژی جنبشی با غلبه بر مقاومت‌های موجود در برابر حرکت، قطار را به حركت در می‌آورد ]16[.
براي هر سيستم تراكشن راه‌آهن برخی الزامات کلی وجود دارد که باید برآورده شوند:
1- توانايي راه‌اندازي و حمل يك بار مشخص تحت يك جدول زماني را دارد.
2- عمر سرویس‌دهي به اندازه کافی طولانی و تعمیر و نگهداری حداقل است.
3- از نظر مصرف سوخت كارآمد باشد.
4- سازگار با محيط زيست باشد.
در اين فصل سه سيستم تراكشن متداول در صنعت راه‌آهن نظیر سیستم تراکشن الكتريكي، ديزل الكتريكي و هيبريدی مورد بررسي قرار گرفته است. امروزه سيستم‌هاي تراكشن DC و AC به دلیل توسعه شبکه‌های برق حتی در نواحی بین شهری، بیشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند. سيستم‌هاي تراكشن ديزل الكتريك اساساً براي مسيرهايي كه برقدار نباشد، استفاده مي‌شوند. تركيب سيستم‌هاي توان مرسوم با تجهيزات ذخيره‌سازي انرژي، سیستم‌های تراکشن هیبریدی یا ترکیبی را تشکیل می‌دهند ]17[.
2-1- سیستم‌های تراکشن الکتریکی
اولين كاربرد عملي تراكشن الکتریکی راه‌آهن به نيمه دوم قرن 19 بر مي‌گردد. در اولين مرحله از توسعه، از موتورهاي DC به همراه خطوط انتقال DC ولتاژ پايين استفاده شد. این شیوه تغذیه توان تراكشن اصلي به علت مشخصه كنترل گشتاور ساده آن معرف است. متعاقباً شبكه‌هاي توزيع DC ولتاژ بالا و شبكه‌هاي توزيع AC فركانس پايين ( و) به عنوان دو روش تغذیه منابع تغذيه الكتريكي سيستم‌هاي تراكشن استفاده شدند. دلیل ظهور شبکه های انتقالAC ناشی از ویژگی‌های ذاتی موتورهای القایی در تولید گشتاور و همچنین سختي تامین انرژی الکتریکی از يك خط انتقال DC یا AC تک فاز بوده است ]18[. به سال 1950 نرسيده بود كه پيشرفت در الكترونيك قدرت، انتقال توان AC با فركانس صنعتي و ولتاژ بالا را به واقعيت تبديل كرد. پس از آن شبكه‌هاي kV25 با فركانس 50 يا 60 هرتز جايگزين شبكه‌هاي kV5/1 DC و شبكه‌هاي kV3 شدند ]19[. شبكه توان تراكشن براي تامين توان الكتريكي كل شبكه راه‌آهن برقي مورد استفاده قرار مي‌گيرد و عموماً دو نوع شبکه تغذيه توان DC و AC وجود دارد ]20[.
براي يك سيستم تغذيه توان DC، توان الكتريكي معمولاً از طريق يك ريل هادي كه در مجاورت خط‌آهن نصب شده است تامين مي‌گردد. مزيت اصلي سيستم تغذيه توان DC ناشي از سهولت كنترل تجهيزات تراكشن موجود در قطار است. ولتاژ عمومي منابع تغذيه توان DC بين 600 تا 5/1كيلو ولت متغیر مي‌باشد. و اين به معني بالا رفتن جريان تاميني از مدارات منابع تغذيه و در نهايت افزايش تلفات الكتريكي است. سيستم‌هاي تغذيه توان DC بيشتر در خطوط ناحيه اي و شهري استفاده مي‌شوند.
يك سيستم تغذيه توان AC معمولاً از خطوط هوايي استفاده می‌کند. اين خطوط متشكل از يك خط تماس حامل جريان[1] و کتنری[2] مي‌باشد. خطوط هوايي در يك ارتفاع معيني از ريل قرار مي‌گيرند. سطح ولتاژ بالاتر در يك سيستم تغذيه توان AC، جريان و تلفات الكتريكي را كاهش مي‌دهد. همچنين به پست‌هاي برق كمتري در مقايسه با شبكه‌هاي تراكشن DC ولتاژ پايين نياز دارند. عموماً اين سيستم براي استفاده در سيستم‌هاي خطوط راه‌آهن سريع السير و داراي مسافت‌هاي طولاني مقرون به صرفه است.
سیستم مترو درون شهری تهران از شبکه 750 ولت DC و سیستم قطار برقی تهران-کرج از شبکه 25 کیلو ولت AC استفاده می‌کند.
[1] Contact Wire
[2] کتنری (Catenary) یک هادی برای تامین جریان پانتوگراف است که بوسیله تعدادی آویز (Droppper) به سیم جریان (Contact Wire) مرتبط می‌شود.
[1] Lixing Yang
[2] Shaofeng Lu
[3] Diesel Multiple-Unit
[4] Dynamic Programming
[5] Ding Yong
[6] Rongfang Liu, Iakov M.Golovitcher
تعداد صفحه : 126
دانلود رايگان اين پايان نامه
براي ديدن ليست بقيه پايان نامه هاي رشته برق اينجا کليک کنيد
جستجو در سایت : کلمه کلیدی خود را وارد نمایید : |