بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهبود عملکرد DVR در جبران سازي کمبود و بیشبود ولتاژ با استفاده از کنترلر PI تطبیقی مبتنی بر فازي
چکیده:
استفاده از کنترلر PI در سیستم کنترل DVRها بسیار متداول است. اما یکی از معایب این نوع کنترلرهاي کلاسیک این است که به دلیل استفاده از بهره هاي ثابت، در شرایطی که در پارامترها یا شرایط عملکرد سیستم تغییراتی رخ دهد، کنترلر ممکن است نتواند عملکرد مناسبی از خود نشان دهد. براي حل این مشکل، کنترلر PI تطبیقی با استفاده از منطق فازي ارائه شده است. این کنترلر، ترکیبی از کنترلرهاي فازي و PI است . با توجه به میزان خطا و شیب خطاي سیستم و قوانین کنترل فازي، کنترلر فازي می تواند به صورت آنلاین دو پارامتر کنترلر PI را تنظیم کند تا سیستم بتواند خود را با هر گونه تغییرات در شرایط عملکرد خود تطبیق دهد. نتایج شبیه سازي نشان می دهد که روش کنترلی ارائه شده، عملکرد به مراتب بهتري نسبت به کنترلرهاي PI موسوم دارد.
کلید واژه: کنترلر PIتطبیقی، کنترلر فازي، DVR، Sag، swell
-1 مقدمه
به دلیل استفاده فزاینده از تجهیزات هوشمند برقی و الکترونیکی مانند کامپیوتر، PLC، درایوهاي سرعت متغیر و مانند آن، رشد خیره کننده تجهیزات مصرف کننده بسیار حساس، هم مشتریان و هم تامین کنندگان تجهیزات را با مساله کیفیت توان مواجه کرده است. بروز خطا چه در مرحله انتقال و چه در مرحله توزیع، ممکن است باعث افزایش یا کاهش ناگهانی ولتاژ در کل سیستم یا بخش عمده آن شود. همچنین در شرایط بار سنگین، ممکن است افت ولتاژ قابل توجهی در سیستم رخ دهد.[1,2] کمبود ولتاژ (sag) می تواند در لحظه اي اتفاق بیفتد که دامنه آن می تواند بین 10٪ تا 90٪ متغیر باشد و زمان آن نیز می تواند نصف سیکل تا یک دقیقه متفاوت باشد. علاوه براین، بسته به نوع خطا، ممکن است sagها متقارن یا نامتقارن باشند و بسته به عواملی مانند فاصله از محل وقوع خطا یا نحوه اتصال ترانسفورماتور، sagها می توانند دامنه غیرقابل پیش بینی داشته باشند.[1] بیشبود ولتاژ (swell) بدین شکل تعریف می شود: تغییر ناگهانی ولتاژ شبکه تاحد 110٪ تا 180٪ ولتاژ مؤثر در فرکانس مبناي شبکه و با بازه زمانی بین نصف سیکل تا 1 دقیقه. البته swell به اندازه sag اهمیت ندارد چرا که در سیستم هاي توزیع، کمتر این پدیده رخ می دهد. افزایش یا کاهش ناگهانی ولتاژ می تواند باعث اختلال در عملکرد و یا از کار افتادن تجهیزات حساس (مانند تجهیزات موجود در صنایع شیمیایی یا تولید نیمه هادي) شود. همچنین ممکن است باعث بروز عدم تعادل جریان بزرگی شود که می تواند باعث عمل کردن فیوزها و یا تریب بریکرها شود. این تاثیرات ممکن است براي مصرف کننده بسیار گران تمام شود که دامنه تبعات آن می تواند از کاهش جزئی کیفیت محصول تا توقف کلی تولید و آسیب به تجهیزات متغیر باشد. روش هاي متعددي براي کاهش اثر sag و swell وجود دارد ولی استفاده از DVR به عنوان اقتصادي ترین روش پذیرفته شده است. مرسوم ترین انتخاب براي سیستم کنترل DVR استفاده از کنترلر PI است چون که داراي ساختار ساده اي است و در رنج وسیعی از دامنه عملکرد، کارآیی نسبتا مناسبی از خود نشان می دهد.[1,3] مهمترین مساله در زمینه استفاده از این کنترلرهاي ساده، تعیین صحیح بهره هاي کنترلر است و نیز این واقعیت که با تغییرات در پارامترهاي سیستم و شرایط عملکرد آن، ممکن است کنترلر نتواند انتظارات مطلوب را برآورد کند. بنابراین باید با ایجاد مکانیزم تنظیم آنلاین (خودکار)، از عملکرد صحیح کنترلر در مواجهه با هرگونه تغییر در سیستم، اطمینان حاصل شود.
امروز، تکنیک هاي مصنوعی (AI) مانند شبکه هاي عصبی، منطق فازي (FL) و الگوریتم ژنتیک (GK) مورد استقبال فزاینده اي قرار گرفته اند.روش هاي پرشماري بر مبناي تکنیک هاي هوش مصنوعی براي تنظیم بهره هاي کنترلر PI ارائه شده اند . تکنیک تنظیم خودکار بوسیله منطق فازییکی از متدهاست که براي تنظیم تطبیقی خودکار کنترلر PI استفاده شده است. در چنین روشی، بهره هاي کنترلر به صورت آنلاین با تغییرات در شرایط سیستم تنظیم می شوند. مزیت این تکنیک ها، مستقل بودن آنها از مدل سیستم است چون که این روش ها براي ساختن قوانین تنظیم بهره ها، از تجربیات انسانی (کاربر) استفاده می کنند.
در این مقاله، مقدماتی در مورد DVR و مبانی عملکرد آن بیان می شود همچنین کنترلر ارائه شده که ترکیبی از کنترلرهاي فازي و PI است، شرح داده می شود. سپس با استفاده از نتایج شبیه سازي در سیمولینک MATLAB، مقایسه اي بین عملکرد کنترلر پیشنهاديکنترلر PI کلاسیک از نظر عملکرد در شرایط sag/swall انجام می شود که این مقایسه در شرایط مختلف امپدانس سیستم قدرت انجام می شود ( از حالت امپدانس بسیار پایین تا حالت امپدانس نسبتا بالا ) در پایان در نتایج مورد بررسی قرار می گیرد و نتیجه گیري ارائه می شود.
-2جبران کننده هاي دینامیکی ولتاژ ( (DVR
DVR یکی از تجهیزات جبرانساز کیفیت توان شبکه هاي توزیع است است که براي تنظیم ولتاژ مصرف کننده ، به سیستم ولتاژ تزریق می کند. DVR معمولا در سیستم توزیع و بین تغذیه و فیوز بار حساس نصب می شود. وظیفه اصلی DVR، جبران سریع ولتاژ سمت مصرف کننده در شرایط اختلال است تا از اختلالات در ولتاژ بار جلوگیري شود. توپولوژي هاي مداري و طرح هاي کنترلی متعددي براي پیاده سازي DVR وجود دارد. علاوه براین وظیفه اصلی گفته شده یعنی جبران سازي sag و swell، DVRها قابلیت هاي دیگري نیز دارند از قبیل جبران هارمونیک هاي ولتاژ، کاهش زمان گذاري ولتاژ و محدود کردن جریان در حالت خطا. .[5,6]
پیکربندي کلی DVR شامل یک ترانسفومر تزریق ولتاژ، یک فیلتر خروجی، یک تجهیز نگهدارنده انرژي، مبدل منبع ولتاژ (VSI) و یک سیستم کنترلی می باشد (شکل ( 1
شکل :1 ساختار کلی DVR
-1 -2 ترانسفومر تزریق ولتاژ:
نقش اصلی این ترانسفومر اتصال DVR به شبکه توزیع از طریق سیم بندي ولتاژ بالا و کوپل کردن ولتاژ جبران ساز تزریقی ساخته شده توسط مبدل هاي منبع ولتاژ به منبع تغذیه ورودي است. طراحی این ترانسفومر اهمیت بسیار حیاتی دارد چرا که با مسائل اشباع، averrating، داغ شدن هزینه و کارآیی مرتبط است. ولتاژ تزریق شده ممکن است داراي اجزاي فرکانس پایه، هارمونیک مطلوب، هارمونیک هاي سویچینگ و جزء DC باشد. اگر طراحی DVR مناسب نباشد، ولتاژ تزریق شده ممکن است باعث اشباع ترانسفومر و عملکرد نامناسب DVR شود.[5]
-2 -2فیلتر خروجی:
کارکرد اصلی فیلتر خروجی نگهداشتن اجزاي هارمونیکی ولتاژ ساخته شده توسط اینورتور در سطح قابل قبول است به عبارت دیگر نقش آن حذف هارمونیک هاي فرکانس بالاي سویچینگ است. این فیلتر داراي مقدار نامی (rating) کوچک در حدود 2٪ ولتاژ – آمپر بار است.
-2-3 اینورتور منبع ولتاژ ( (VSI
یک VSI یک سیستم الکترنیک قدرت است که شامل تجهیزات سویچینگ است که می تواند یک ولتاژ سینوسی با هر دانه، فاز و فرکانس مورد نیاز را تولید کند. در سمت DVR ، VSI براي جایگزینی موقت به جاي منبع تغذیه یا تولید بخشی از ولتاژ تغذیه که از دست رفته است، استفاده می شود.
-4-2 دستگاه ذخیره ساز انرژي DC
دستگاه ذخیره ساز انرژي DC، نیاز واقعی DVR در خلال جبران سازي را تامین می کند. تکنولوژي هاي متعددي براي ذخیره انرژي ارائه شده اند از جمله روش ذخیره انرژي ،ذخیره کنندههاي مغناطیسی ابر رسانا .(SMES)
موارد گفته شده داراي مزیت پاسخ سریع هستند. یک جایگزین براي این تکنولوژیهاي، استفاده از باتري قلع-اسیدي است. باتري ها تاکنون به عنوان یک منبع محدود براي تامین تداوم عملکرد در زمینه DVR محسوب می شده اند. چرا که براي استخراج انرژي از آنها زمان زیادي صرف می شود. و در نهایت از خازن هاي معمولی نیز می توان براي این منظور استفاده کرد.
-5-2 سیستم کنترلی
هدف از استفاده از سیستم کنترلی این است که در شرایط اختلال در سیستم، دامنه ولتاژ در نقطه اتصال بار حساس ثابت بماند. یک سیستم کنترل با ساختار عمومی، معمولا شامل یک روش تصحیح ولتاژ است که مقدار ولتاژ مرجع که توسط DVR تزریق می کند را مشخص می کند و نیز شامل یک کنترل VSI است که در این مقاله شامل PWM به همراه کنترلر PI است. ورودي کنترلر یک سیگنال خطا است که از اختلاف ولتاژ مرجع و مقدار ولتاژ تزریق شده بدست می آید( شکل .(2 این خطا توسط کنترلر PI پردازش می شود سپس خروجی به تولید کننده موج PWM فرستاده میشود که DVR را به نحوي کنترل می کنند که ولتاژ تزریقی مطلوب تولید شود.[1]
شکل :2 کنترلر PI کلاسیک
-3اصول عملکرد : DVR
عملکرد اصلی DVR تزریق یک ولتاژ کنترل شونده دینامیکی (Vinj) به ولتاژ شین است که این کار بوسیله ترانسفوري تزریق انجام میشود. دامنه هاي لحظه اي هر سه فاز ولتاژ تزریق شده به نحوي کنترل می شوند که از تاثیر مخرب خطاي باس بر ولتاژ بار((VL جلوگیري شود. این بدین معنی است که هرگونه اختلاف ولتاژ ناشی از اختلال در نیرو AC با یک ولتاژ برابر جبران می شود. عملکرد DVR مستقل از نوع خطا و هر رویدادي که در سیستم اتفاق می افتد، است. در بیشتر موارد عملی می توان از یک طراحی اقتصادي تر استفاده کرد بدین شکل که فقط اجزاي مثبت و منفی ورودي DVR جبران می شود که جزء از اختلال، از ترانسفورمر کاهنده که امپدانس آن در مقابل این جزء بی نهایت است عبور نمی کند.
DVR داراي دو وضعیت کاري است .آماده باش و جبرانسازي. در وضعیت آماده باش (Vinj=0) سیم پیچ سمت ولتاژ پایین ترانسفور تزریق ولتاژ مبدل ، اتصال کوتاه است . در این وضعیت کاري هیچگونه سوییچینگی در تجهیزات نیمه هادي زخ نمی دهد چون که پایه هاي اینورتور طوري تریگر می شوند که مسیر اتصال کوتاه را براي اتصالات ترانسفور فراهم کنند.DVR در بیشتر اوقات در این وضعیت کاري قرار دارد در وضعیت جبران سازي (Vinj>0)، DVR باید به باس ولتاژ تزریق کند وجود دارند. شکل 3 طرح کلی سیستم کنترل و پارامترهایی براي اهداف کنترلی اندازه گیري می شوند را نشان می دهد.
شکل :3 مدل سیمولینک روش SRF براي محاسبه ولتاژ مرجع
در حالتی که ولتاژ تغذیه در سطح نرمال خود قرار دارد DVR. به نحوي کنترل می شود که تلفات درآن به حداقال برسد. وقتی sag/swell تشخیص داده می شود DVR باید در سریعترین زمان ممکن واکنش نشان بدهد و یک ولتاژ AC را به شبکه تزریق کند . این کار را می توان با استفاده از تکنیک فریم هاي مرجع همزامان (SRF) انجام داد که بر مبناي مقادیر لحظه اي منبع تغذیه عمل می شود . الگوریتم کنترلی یک ولتاژ سه فاز مرجع را براي اینورترPWM تولید می کند که این اینورتر سعی می کند ولتاژ بار در سطح مرجع آن نگه دارد.sag/swell بوسیله محاسبه تفاضل بین ولتاژ- d منبع و ولتاژ-d مرجع انجام می شود.جزء d-refrence در سطح نامی تنظیم می شود.
محیط Matlab/Simulink براي پیاده سازي این روش (SRF) بسیار مناسب است. چون داراي جعبه ابزارهاي متعددي است که به راحتی قابل استفاده هستند روش SRF را می توان براي جبران انواع اختلال هاي ولتاژ بکار برد (sag/swell) عدم تقارن ولتاژ و هارمونیک هاي ولتاژ. ولی در این مقاله ما فقط sag/swell را مورد بحث قرار داده ایم . اختلاف ولتاژ مرجع و ولتاژ تزریق شده به VSI اعمال می شود تا با استفاده از مودلاسیون پهناي پالس (PWM) و کنترلر pI ولتاژ نامی در بار تولید شود.
-5کنترلر PI کلاسیک
دلیل اصلی استقبال زیاد از کنترلرهاي تناسبی- انتگرالی (PI) کارایی آن در مواجهه با خطاي حلت ماندگار سیستم کنترلی و نیز سادگی پیاده ساز آن است. اما یک عیب این گونه کنترلرها نا توانی آنها در بهبود وضعیت گذراي سیستم است . کنترلر pI کلاسیک (شکل (4 داراي فرم به شکل معادله (1) است:
که در آن U خروجی کنترلر است که به تولید کننده موج pwm اعمال می شود Kp وKi به ترتیب بهره ها به پارامترهاي سیستم وابسته هستند. 4 سیگنال خط است که حاصل تفاضل ولتاژ مرجع و ولتاژ تزریق شده است.
شکل :4 کنترل ولتاژ تزریقی با استفاده از کنترلر PI مرسوم
معادله (1) نشان می دهد که کنترلر PI به سیستم حلقه بسته یک قطب اضافه می کند که منجر به تغییر در مکان هندسی رشته هاي سیستم می شود. با روش تحلیلی این قطب اضافه شده رفتار سیستم کنترل را تغییر می دهد و اثر آن کاهش خطاي حالت ماندگار است .از سوي دیگر ، ثابت ها Kp و Ki پایداري و پاسخ حالت گذاري سیستم را تعیین می کنند که این ثابت ها باید در محدوده تعیین شده خود باشند
که مقادیر min , max ضرایب(بهره ها) تناسبی و انتگرالی به صورت عملی و بوسیله آزمایش آزمون و خطا تعیین می شوند.این مساله طراحی کنترلرهاي PI کلاسیک را به اطلاعات متخصص وابسته می کند. اگر ضرایب کنترلر از حدود مجاز خود تجاوز کند ممکن است کنترلر به وضعیت ناپایدار وارد شود پس از تعیین دامنه بهره هاي تناسبی و انتگرالی تنظیم مقادیر لحظه اي ثابت ها انجام می شود. بسته به مقدار سیگنال خطا (E)مقادیر ثابت ها تنظیم می شود که این کار یک سیستم کنترل تطبیقی را پدید می آورد. ضرایب Kp و Ki طوري تغییر می کند که خطاي حالت ماندگار صفر یا حداقل منیمم شود.
-6کنترلر PI فازي تطبیقی :
عیب کنترلر PI عدم توانایی آن در واکنش به تغییرات ناگهانی سیگنال خطاي E است چرا که فقط توانایی تشخیص مقدار لحظه اي سیگنال خطا را دارد و قابلیت لحاظ کردن بالا رونده یا پایین رونده بودن سیگنال خطا که به بیان ریاضی Δε معادل مشتق سیگنال خطاست را ندارد. براي حل این مشکل یک کنترلر PI تطبیقی فازي مانند(شکل (5 ارائه شده است.
شکل :5 تنظیم آنلاین گین هاي PI با استفاده از کنترلر فازي
تعیین خروجی سیگنال کنترل در یک موتور استنتاج فازي انجام می شود که در آن از مجموعه قوانین شرطی به شکل " If e and E " then Kp and Ki استفاده می شود. با استفاده از این مجموعه قوانین فازي (rule base) مقادیر Kpو Ki با توجه به مقادیر خطا E و مقادیر شیب خطا E تغییر می کند.تعیین ساختار سیستم فازي و مجموعه قوانین آن بوسیله آزمون و خطا انجام می شود و همچنین با آزمایش هاي عملی این مجموعه قوانین بدست می آید. در شکل 6 ساختار پایه اي کنترلر فازي (FLC) نشان داده شده است.
شکل :6 شماتیک کنترلر منطق فازي (FLC)
مدل پیاده سازي شده کنترلر PI فازي تطبیقی در Simulink براي یک فاز در شکل 7 نشان داده شده است.
شکل :7 مدل Simulink کنترلر پیشنهادي
کلیه زیر مجموعه هاي فازي متغییرها براي ورودي هاي E,E با عبارت (NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB) تعریف شده اند. با در نظر گرفتن همپوشانی ، حساسیت ، پایداري مجموعه مادر، براي زیر مجموعه فازي سمت چپ از شکل Z مانند براي متغییر هاي میانی از شکل مثلثی و براي زیر مجموعه به سمت راست از شکل S مانند استفاده شده است. توابع عضویت در مجموعه مادر براي ورودي هاي در شکل 8 نشان داده شده است.
شکل :8 منحنی هاي تابع عضویت ورودیهاي ε و Δε
براي متغیرهاي خروجی یعنی Kp و Ki زیر مجموعه هاي فازي توابع عضویت فقط به شکل مثلثی هستند که در شکل 9 این مساله نشان داده شده است .
شکل :9 منحنی هاي تابع عضویت KP و Ki خروجی
