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 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 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 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 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 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.  جستجوی روش‌های کنترل بهینه برای قطارها بطوری‌که استفاده 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 روند عملیاتی قطار است. توسعه تکنولوژی قطار می‌تواند شامل مواردی نظیر کاهش جرم قطار [1]، طراحی پیشرفته سطوح قطار به منظور کاهش مقاومت آیرودینامیکی [2] و یا افزودن تجهیزاتی به منظور بهبود بهره‌وری انرژی مطلوب‌تر باشد. برای تغییر در روند عملیاتی قطار می‌توان از شیوه عملکرد راهبر قطار [3,4] و یا طراحی جدول زمانی مناسب [5] یاد کرد که می‌تواند سریعتر و با هزینه پایین‌تری اجرا شود.

در دهه‌های اخیر روش‌های گوناگونی نظیر کنترل فازی [6]، کنترل دنده خلاص [7] و روش‌های بهینه‌سازی تکاملی به منظور بهبود عملکرد و کارایی انرژی قطار ارائه شده‌اند. لیکزینگ یانگ[1] و همکارانش روی یک مدل ریاضی به منظور جستجوی حرکات بهینه قطار با مسیر و زمان پیمایش از پیش تعیین شده و با هدف بهینه‌سازی مصرف انرژی و زمان سیر قطار با استفاده از استراتژی کنترل دنده خلاص تحقیق کرده‌اند [8]. شاوفنگ لو[2] و همکارانش پتانسیل اعمال استراتژی‌های مدیریت توان پیشرفته برای یک قطار DMU[3] را با استفاده 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 طور همزمان عمل می‌کردند، نتیجه داده است [9].

مطالعات متعددی در مورد نحوه تعیین یک تراژکتوری سرعت بهینه انجام شده است 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 استفاده 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 از جمله الگوریتم ژنتیک‌ برای این نوع مطالعه استفاده می‌شوند [10]. در [11] یک الگوریتم ژنتیک بهینه‌سازی دو سطحی ارائه شده است 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 استفاده از الگوریتم دو سطحی می‌توان به اندازه 09/16 درصد در انرژی مصرفی در مقایسه با روش مرسوم صرفه‌جویی کرد. دسته دوم یعنی کنترل سراسری از کل سیگنال‌های کنترلی ممکن استفاده می‌کند [12-14]. به علت طبیعت عمومی روش‌های کنترل سراسری، الگوریتم‌های استفاده شده عموماً از لحاظ محاسباتی بسیار پیچیده هستند. در این مورد یک استراتژی کنترل سراسری عملی به گونه‌ای ارائه می‌گردد، که بتواند با استفاده 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 استفاده یک‌پارچه از  شبیه‌ساز ترافیک و یک کد بهینه‌سازی سیمپلکس ارائه شده است که به طور اتوماتیک پارامترهای بهینه نظیر نرخ شتابگیری، نرخ کاهش شتاب و نرخ سرعت کروز را با معیار حداقل مصرف انرژی تعیین می‌کند. شاوفنگ لو ]15[ با استفاده 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 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 تحقق تراژکتوری سرعت قطار بهینه بکار 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.

برای دانلود پایان نامه اینجا را کلیک کنید.

لینک بالا اشتباه است

برای دانلود متن کامل اینجا کلیک کنید

       

:: بازدید از این مطلب : 536