بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهبود اشتراک گذاری توان اکتیو و راکتیو درون ریزشبکه مستقل با استفاده از تغییرات خروجی توان راکتیو هر مبدل
چکیده :در این مقاله به بررسی مشکل دقت اشتراکگذاری بار در حین حفظ پایداری ریزشبکه مستقل پرداخته میشود. از لحاظ مفهومی اشتراکگذاری توان بدین معنی است که هر DG موجود در ریزشبکه مستقل به چه اندازه در تامین بارهای موجود در آن ریزشبکه نقش دارند. افزایش بهره دروپ هر DG دقت اشتراکگذاری توان را بهبود میبخشد با این حال تاثیر منفی بر پایداری کلی سیستم دارد. بدین جهت برای
استفاده از بهرههای دروپ بالا در شرایطی که پایداری سیستم نیز حفظ شود یک حلقه تزریق توان در اطراف حلقه دروپ معمولی پیشنهاد داده میشود که به موجب آن رفتار نوسانی خروجی توان هر DG گرفته میشود. شبیهسازیها با استفاده از نرم افزار MATLAB و PSCAD انجام شده است. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که در صورت استفاده از این حلقه کنترلی درون هر مبدل DG، ریزشبکه در حین اشتراکگذاری بار
همچنان پایدار میماند.
کلید واژه- بهبود اشتراکگذاری توان اکتیو و راکتیو، بهبود پایداری، حلقه کنترلی مکمل، ریزشبکه مستقل، کنترل توان
-1 مقدمه
برای بهـره بـرداری از ریزشـبکه مسـتقل یـک وظیفـه مهـم اشتراکگذاری تقاضای بـار بـا اسـتفاده از چنـدین واحـد تولیـد پراکنــده 1(DG) و نیــز حفــظ پایــداری سیســتم در زمــان اشتراکگذاری توان اکتیو و راکتیو است.[1] اشتراکگـذاری بـار بدون ارتباط بین مبدلها گزینه مطلوبی از دید شـبکه اسـت کـه میتواند پیچیده باشد و میتواند بیش از یک منطقـه جغرافیـایی بزرگ را پوشش دهد. یک رویکرد مشترک برای رسیدن بـه ایـن امر استفاده از مشخصههای دروپ فرکانس2 و دروپ اندازه ولتـاژ3 است تا اینکه مبدلهای موازی بتوانند بصورت محلی توان اکتیو و راکتیو ارسالی به سیستم را کنترل کنند. مهمترین دلیـل کـاربرد مشخصه دروپ این است که سیستم در حالتی کـه در آن بیشـتر از دو واحد با هم موازی کار می کنند دچار مشـکل نگـردد. بطـور مثال در یک ریزشبکه اگر دو واحد که از مشخصه دروپ استفاده نمی کنند با هم بصورت موازی کار کنند نقطه تنظیم ولتاژ آن هـا در عمل یکی نخواهد بود و هـر کـدام سـعی مـی کننـد در ولتـاژ مربوط به خود مقداری توان راکتیو تزریق کننـده تولیـد کننـد و چون هر دو بصورت موازی کار می کنند معمولا یکـی از واحـدهـا غالب شده و تزریق توان راکتیو توسط آن صورت میگیرد و واحد دیگر نیز به عنوان مصرف کننده توان راکتیو نقش بـازی خواهـد
کرد. بنابراین برای جلوگیری از این حالت از مشخصه دروپ برای این دو واحد استفاده میگردد تا برای هر DG مشخص شود کـه چه اندازه توان راکتیو باید تولیدکنند.[2]
در حالت بهرهبردای مستقل ریزشبکه یک اختلاف ولتاژ بین ولتاژ خروجی DG و ولتاژ ریزشبکه در نقطه اتصال وجود دارد که اجازه انتقال توان راکتیو از DG به سمت ریزشبکه را میدهد. این اختلاف ولتاژ توسط امپدانس کل بین قسمت اینورتر واحد DG و نقطه اتصال فراهم میشود. با توجه به این اختلاف ولتاژ اجتنـاب ناپذیر، خروجی توان DGها از مقدار نامی شان متفاوت خواهد بود که منجر به خطـای اجتنـابناپـذیر ی در اشـتراکگـذاری تـوان می شود. خطای تولید شده به مقـدار امپـدانس ارتبـاط داخلـی و بهره دروپ امپدانس بستگی دارد. در مراجع 4]،[3 تاثیر اشـتراک گذاری بار روی پایداری سیستم بررسی شده است. تـاثیر کنتـرل دروپ ( (P f و ( (Q V روی پایداری ریزشبکهها در مرجع [5] مورد بررسی قرار گرفته است و اثرات بهرههای کنترلـر دروپ و امپدانس معادل خط در پایداری سیگنال کوچـک ریزشـبکه در زمانی که دو کنترلر دروپ بصـورت مـوازی مـورد اسـتفاده قـرار می گیرد در مرجع [6,7] مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتـه اسـت. در این مقاله جهت کاهش خطا در اشتراک گذاری تـوان و بهبـود پایداری استفاده از یـک سـاختار کنترلـی در سیسـتم ریزشـبکه مستقل با بهره دروپ بالا مورد نیاز برای اشتراک گـذاری مناسـب تــوان در میــان DGهــا پیشــنهاد داده مــیشــود. حلقــه کنتــرل پیشنهادی از تغییرات در اطراف مقدار حالت ماندگار توان راکتیو هر یک از واحدهای DG استفاده می کند و یک حلقه بازخورد در اطراف حلقه دروپ متعارف هر DG میسازد.
-2 روش کنترل دروپ
در این روش کنترل دو ضریب بهره دروپ کـه بـه ترتیـب مقدار دروپ زاویه ولتاژ در برابر توان خروجی اکتیو و دروپ اندازه ولتاژ در برابر توان خروجـی راکتیـو را نشـان مـی دهنـد تعریـف مــیگــردد. میــزان ایــن دروپ توســط معــادلات زیــر شــرح داده میشود.[8]
که در آن P و Q خروجی توان اکتیو و راکتیو سیستم DG،rated و Vrated به ترتیب زاویه و اندازه ولتاژ نـامی بهـره بـرداری واحد و Prated و Qrated مقـادیر خروجـی تـوان اکتیـو و راکتیـو واحد زمانی که اندازه و زاویه ولتاژ در مقادیر نامیشان هستند. در
نهایت m و n بهرههای دروپ توان اکتیو و راکتیو هستند.
-3 اشتراکگذاری توان
DGها در ریزشبکه ای که در حالـت جزیـره ای بهـره بـرداری می شود باید توان را بین یکدیگر بـه جهـت جلـوگیری از جریـان گردش و حرارتی شدید و یا تخریب اجزا در یک نسـبت مناسـبی به اشتراک بگذارند. از ایـن رو فهمیـدن اینکـه هـر DG بـه چـه نسبتی مجموع بارها را تامین می کنند ضـروری اسـت. بـا فـرض اینکه سیستم بدون تلفات باشد مـی تـوان مقـدار تـوانی کـه DG شماره 1 برای تامین بار شکل1 به اشتراک میگـذارد را از رابطـه زیر بدست آورد.
به طور مشابه برای P2 نیز رابطه زیر وجود خواهد داشت.
است .اندازه نسبت به اندازه در یک سیستم ولتاژ متوسط مثلا 11 کیلوولت کوچک است. عـلاوه بر این خط ریزشبکه بطور عمـده مقـاومتی بـا انـدوکتانس خـط پایین در نظر گرفته میشود. از این رو
بنــابراین نســبت تــوان خروجــی بــه صــورت زیــر محاســبه میگردد
در یک سیستم واقعی بـا تعـدادی DG و بـار در مکـان هـای مختلف، امپدانس خط تاثیر بر اشتراک گذاری بار خواهـد داشـت.
اما بـرای یـک ریزشـبکه در یـک محـدوده کوچـک جغرافیـایی، اندوکتانس خط هرگز بسیار بالا نمیباشد. علاوه بـر ایـن ضـریب دروپ بالا همیشه یک نقش غـالبی را بـازی مـیکنـد و اشـتراک گذاری مطلوب را با یک انحراف بسیار کم قادر خواهد کرد.
-4 مدلسازی ریزشبکه
مدار معادل تک فاز مبدل در شکل 2 نشان داده شـده اسـت. در این شکل مقاومت RT تلفات سوئیچینگ و ترانسـفورماتوری را نشان می دهد و LT نشاندهنده اندوکتانس نشـتی ترانسـفورماتور است. C f قسمت خازنی فیلتر متصل به خروجی ترانسـفورماتور است که برای بای پسکـردن هارمونیـکهـای سـوئیچینگ بکـار میرود و L f نیز اندوکتانس خروجی منبع DG را نشان میدهد.
شکل 2 مدار معادل تکفاز هر [8] DG
با تعریف بردار حالت هر مبدل در ساختار مرجـع d q بـه صورت زیر معادلـه حالـت هـر مبـدل در سـاختار مرجـع
d q مدلسازی میشود.
ولتاژ خروجی مبدل با ولتاژ دو سـر خـازن C f برابـر اسـت. توان راکتیو و اکتیو لحظهای اندازهگیری شده از طریـق دو فیلتـر پایین گذر برای به دست آوردن مقدار متوسط P و Q عبور داده می شود. ایـن موضـوع را مـیتـوان بصـورت زیـر کـه C در آن فرکانس قطع فیلتر خارنی است بیان کرد.
ولتاژ فیلتر خازنی مرجع سه فاز بصورت زیر بیان میشود.
با انتقال این معادله بـه سـاختار مرجـع و بصورت زیر بدست میآید.
از معادله بالا میتوان به این نتیجه رسید که
ولتاژ خروجی مبدل است. از این رو معادله دروپ ولتاژ بصورت زیر نوشته میشود.
مدل فضای حالت کنترل کننده دروپ بصـورت زیـر نمـایش داده میشود.
با ترکیب کردن بردارهای حالت کنترلکننده دروپ و مبـدل با هم، یک بردار حالت توسعه یافته تشکیل مـیشـود و درنتیجـه معادله حالت ترکیب شده بصورت زیر نوشته میشود.[9]
5-حلقه کنترل دروپ مکمل پیشنهادی
اگر چه مقادیر بالا بهره دروپ تاثیر منفی بر پایداری سیستم دارد اما این مقادیر بالای بهره همانطور که در بخش 3 دیده شد تاثیرات مطلوبی بر دقت اشتراکگذاری بار دارند. از این رو برای حل این تضاد و به منظور تضمین حاشیه پایداری مناسب در
شکل3 ساختار سیستم هر مبدل با کنترلر پیشنهادی حلقه Q
شکل4 ساختار کنترلر مکمل
زمانیکه بهره دروپ بالا باشـد یـک حلقـهی کنترلـی اضـافی در اطراف حلقه معمولی دروپ راکتیو پیشنهاد داده میشود. در ایـن ساختار کنترلر پیشنهادی از توان راکتیو خروجی هـر مبـدل بـه عنوان پارامتر ورودی جهت بهبود اشتراکگذاری توان همان طـور که در شکل 3 نشان داده شده است میتـوان بهـره بـرد. کنترلـر پیشنهادی از تغییرات توان راکتیو DG شماره i در اطراف اندازه حالت ماندگار Qi برای ایجـاد پایـداری در سیسـتم بـا بهـرههـای دروپ بالا استفاده میکند. این حلقه کنترلر پیشنهادی(شـکل (4 شامل یک شوینده بالاگـذر(بـا ثابـت زمـانی 0/05 ثانیـه) جهـت گرفتن رفتار نوسانی خروجی توان راکتیو هر DG و یـک کنتـرل کننده تناسبی و کنترلر پسفاز و پیش فاز است و در اطراف حلقه دروپ متعــارف هــر DG اضــافه مــی شــود. پارامترهــای کنترلــر پیشنهادی به جهت حرکت قطب های ناپایدار سیستم بـه منطقـه پایدار و برای اطمینان از حاشیه پایداری کافی طراحی مـی شـود. محاسبه این بهره های نامعلوم و ثابت های زمـانی بـه عنـوان یـک مسئله بهینه سازی پارامتر با محدودیت در پایـداری حلقـه بسـته معادله نویسی شده است. برای مخرج سه بلوک پس فاز و پیش فاز حد پایین 0/01 و حـد بـالا 25 بـه جهـت اطمینـان از پایـداری قطب ها و پاسخگویی به اندازه کافی سریع کنترلرها اعمـال شـده است.
هدف کلی در بهینهسازی پارامترهای کنترلر بهبود پایـداری سیستم میباشد. برای این منظور با تشکیل تابع تبـدیل سیسـتم بـرای هــر مبــدل و ارزیــابی قطــبهــای تــابع تبــدیل یــا معادلــه مشخصهی سیستم به بهبود پایـداری پرداختـه مـیشـود. تعـداد متغیرهایی که در مسالهی بهینهسازی دخیل میباشند بـرای هـر مبدل مجموعا 7 متغیر می باشد. بـا اسـتفاده از حلقـه ی کنترلـی
مفروض و تعیین متغیر های این حلقهی کنترلـی بهبـود پایـداری سیستم محقق خواهد شد. با نوشتن معـادلات حالـت سیسـتم و استخراج تابع تبدیل سیستم و با توجه به اینکـه خروجـی مقـدار تغییرات Qi است، تابع تبدیل سیسـتم بـدون در نظـر گـرفتن فیدبک کنترلی( ( G بدست میآید. در صورتی کـه تـابع تبـدیل مسیر فیدبک بصورت معادله ( 16) تعریف شود، آنگاه تابع تبـدیل کلی سیستم با در نظر گرفتن مسیر فیدبک برابر T میگردد.
